led伏安特性實驗誤差分析_測繪小燈泡的伏安特性曲線？

閔鑫 最近發現在高中物理教學中關於電阻的定義是什麼？小燈泡滿足歐姆定律嗎？什麼叫“伏安特性曲線”？特性“特”在哪裡？ 在理解上有些含糊，最近在QQ群討論中看到黃亦斌教授的看法頓時清晰了，特此記錄。 一、問題起源 高中物理恆定電流章節有一個實驗，以下是人教版課本截圖 課本通過一個演示實驗測量了導體A、B的U-I影像發現該影像是過原點的直線 隨後因為U-I線是過原點的直線，說明不管電流、電壓怎樣變化，電壓跟電流的比值是常數，所以提出電阻的概念，進而寫出歐姆定律表示式 這裡有一個小問題，第一個演示實驗沒有控制溫度一定，也沒有說明本實驗溫度影響不大。 這裡說明了什麼是伏安特性曲線，但是沒有強調控制溫度一定。後面有一句補充某一個金屬導體，在溫度沒有顯著變化時，電阻是不變的，它的伏安特性曲線是通過座標原點的直線 換句話說如果溫度有顯著變化那電阻就要改變，U-I線就不是過原點的直線，也就是說U-I線受到溫度影響！如果不控制溫度一定(實驗時溫度在變化)，或實驗時控制的溫度不一樣，那麼U-I線就會不一致了！並不能反應出導體本身的性質，那又怎麼談“特性”呢？ 隨後課本上緊跟了一個實驗——測繪小燈泡的伏安特性曲線 我認為這裡不能叫做“特性”曲線，只能叫做U-I圖線，不能通過這個實驗描繪的曲線說明小燈泡是非線性元件。除非可以證實控制溫度一定的情況下U-I不是過原點的直線 ==================================================================== 二、黃亦斌教授討論的記錄 以下純屬個人觀點。       既然導體兩端電壓跟多個因素有關，那麼當然要採用控制變數法來研究。U=U(I,T)，那麼可以控制同一溫度T，研究U=U(I)(此即伏安特性曲線)，當然也可以控制同一電流I，研究電壓與溫度的關係U=U(T)。任由導體的溫度隨時間升高，也可以得到一條U=U(I)，這條可以叫“伏安曲線”，但能叫做“特性曲線”嗎？這條線“特”嗎？我動作迅速和動作緩慢，得到的曲線都不同，怎麼“特”？反映的是我動作快慢的“特徵”吧。應該叫“動作快慢特性”，而不是“伏安特性”。在控制其他變數不變的情形下測得的伏安曲線，才是伏安特性曲線。如果是正比例關係，就叫做滿足歐姆定律，才把比例係數稱為電阻。我曾提問：歐姆定律和電阻的(定量)定義在邏輯上誰先誰後？是歐姆定律在先，是實驗結果在先。如果結果很漂亮簡單，是正比例關係，那麼，這個比例係數顯然反映著所測元件的特徵，於是把這個係數叫做這個元件的電阻。       如果所測得的曲線性質不好，沒有多大規律，那就只說：我們得到了伏安特性曲線。然後就沒有下文了。什麼電阻之類的東西都不會出現。       比如，假定，測定某材料(或某類材料)的伏安特性曲線，發現它們都是過原點的二次曲線，那麼，這顯然仍然屬於性質較好的一類。此時每條曲線都可以寫為：U=a I²+b I，都由兩個引數(a和b)來表徵，這對引數(a,b)顯然表徵著元件的特徵(阻礙電流的作用)，於是可以給二者以稱呼。它們就具有正比關係時的“電阻”一樣的角色和地位。雖然只有正比例關係時才有歐姆定律和電阻概念，但這不妨礙我們在其他函式情形下定義“平均電阻”(R=U/I)和“動態電阻”(R=dU/dI)兩個概念，二者相當於非均勻變化時的平均變化率(k=y/x)和瞬時變化率，或者非勻速運動時的平均速度(v=s/t)和瞬時速度。非勻速運動時，我們使用s=vt(這個我們用得多)，但我們不會說這是勻速運動。一般函式時，我們使用y=kx(這個我們用得少)，但我們不會說這是正比例函式。同理，非正比關係(非線性關係)時，我們使用U=IR(這個用得多)，但我們不能說這是歐姆定律。歐姆定律(注意這是定律，是實驗結果，是特定的結果)必須是正比例關係。       所以，不能說電阻的定義是U/I，而只能說是U和I成正比時的U/I。想象這麼一種場景：實驗發現最簡單的伏安特性曲線都滿足U∝I²。此時還會說電阻是U/I嗎？此時電阻當然只能是U/I²。所以，離開實驗事實，電阻無從安身！       再舉個例子：有一類元件，其UI曲線是U=a I-b。這類元件其實就是通常的電源。a為內阻，b為電動勢。       總之，是伏安特性曲線性質良好時才有相應的一些概念存在。如U=a I，或U=a I-b，或U=a I²+b I，此時的係數都是元件特性的反映。平均電阻和動態電阻只是派生概念。 ============================================================ 附：以下是樑燦彬《電磁學》中關於歐姆定律、電阻的描述 ============================================================ 根據上文的推斷(如有問題請討論指正)，線狀金屬導體兩端的電壓U與其電流I成正比，U=RI，也就是U-I線是過原點的直線，但是後面又說明電阻的數值取決於導體的材料、形狀、長短、粗細及溫度。那麼要讓U-I線是過原點的直線那必須溫度保持不變。 (1)溫度保持不變情況下的U-I線才能叫做伏安特性曲線； (2)伏安特性曲線是過原點的直線的元件叫線性元件； (3)滿足歐姆定律的元件一定是線性元件。 ============================================================

心翼物理一個帶你自主學習的公眾號

============================================================

往期相關內容

《高中物理閉合迴路圍觀建模》

《高中物理電路動態分析問題1》

《等效法在電路動態分析中的應用1》

《電錶改裝問題選講1》

黃博士講物理變壓器系列

……

更多內容請關注微信公眾號心翼物理，在歷史訊息中搜尋。

心翼物理從常規教學到強基競賽，到flash、GGB視覺化，滿滿的乾貨，資源不斷建設中……

原創不易，堅持不易，請多支援，多點贊，多轉發，多推廣，謝謝。