1、論文題目：論文題目：低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究的實驗測量和探究作者學校作者學校 作者姓名作者姓名 指導教師指導教師 老師老師研究時間研究時間 2016.8.152016.11.152016.8.152016.11.15低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究的實驗測量和探究低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究目目 錄錄摘摘 要要 .II正正 文文 .31 引引 言言 .31.1 問題的提出.31.2 研究的目的.31.3 研究現狀綜述.41

2、.4 研究的意義.42 研究內容研究內容 .52.1 實驗對象.52.2 實驗儀器和配套設備.52.3 實驗地點.72.4 研究步驟以及相關數據記錄.72.4.1 電路原理圖設計.72.4.2 24V/15W 燈泡數據.82.4.3 24V/5W 燈泡數據.92.4.4 12V/5W 燈泡數據.103 研究結果及其分析研究結果及其分析 .113.1 燈絲溫度與電壓變化規(guī)律分析.113.2 不同規(guī)格燈泡額定工作溫度分析.144 結論結論 .15參考文獻參考文獻 .16低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究摘摘 要要 該探究性學習成果系統(tǒng)的實測的研究了額定電壓/功率分別為24V

3、/15W，24V/5W，12V/5W 三種規(guī)格的低壓直流鎢絲燈泡的燈絲電阻 R 隨著燈絲電壓變化的規(guī)律，以及根據已有公式推算出對應的不同功率下的燈絲電阻發(fā)熱的溫度，并對比利用專業(yè)設備 HR2000+光譜儀實測的鎢絲溫度數據進行了探究性的初步分析。通過實驗數據分析，得出鎢絲燈泡的燈絲電阻會隨著所加直流電壓明顯改變，當燈絲電壓為額定電壓大約 50%的時候，燈絲的實際電阻為額定電壓下燈絲電阻約 70%，而且額定電壓相同的鎢絲燈泡，額定功率越小，燈絲電阻隨著電壓變化的趨勢越明顯，同時實驗發(fā)現，燈泡的亮度會隨著電壓明顯改變，而燈絲的亮度跟燈絲本身的溫度息息相關，據分析，這是因為燈絲在不同電壓下實際的發(fā)光

4、功率也不同，燈絲溫度相差比較大，從而發(fā)光的效果也會因此改變，根據實驗數據測出每個不同大小電壓值下鎢絲的電阻 R，我發(fā)現，利用低壓直流燈泡燈絲金屬鎢的電阻隨著溫度變化的公式 TR，其中常數系數，其中為金 )1 (0TRTR0-13C105 . 4TTT，屬鎢的電阻溫度系數，為鎢絲 0的電阻，為鎢絲的實際溫度，,0RTCT 00利用這個公式可以很容易反推算出的理論燈絲溫度1，即1)(10RTRT同時，這個理論值對比專業(yè)設備光譜儀直接實測的燈絲溫度，在接近額定電T壓的時候吻合的很好，在電壓低溫時理論和實際偏離的比較大，說明教科書上的鎢絲燈燈絲電阻隨溫度的經驗公式只適合于額定電壓附近范圍的情況，而在電

5、壓剛開始從零增加的時候比較低溫度的時候是不符合的，低溫時候的電阻隨溫度公式有待進一步研究。低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究3正正 文文1 引引 言言1.1 問題的提出問題的提出鎢絲燈泡是比較常見的照明用燈泡，它是利用電流的熱效應制成，其工作原理是，當電流通過燈絲（材料一般為鎢絲熔點 3000以上）時產生熱量，螺旋狀的燈絲不斷聚集熱量，當溫度達到 400以上時，就會開始發(fā)出可見光，燈絲溫度越高，發(fā)出的光就越亮，雖然鎢絲燈泡由于發(fā)光原理，大量能量用于發(fā)熱，導致發(fā)光效率底下，耗電量比較大，所以逐步被低耗電高發(fā)光效率的節(jié)能燈，熒光燈等冷光源代替，然而，由于低能耗的節(jié)能燈、熒光

6、燈發(fā)出的光內含相對比較多的紫外線，且涉及到光源的閃爍問題引發(fā)視力疲勞，對人體體表尤其是青少年視力的影響問題逐步浮出水面2，曾經被逐步取代的鎢絲燈作為黑體熱輻射光源，發(fā)出的光有類似太陽的連續(xù)光譜性，包含的紫外線比較少，而且不存在閃爍，更適合于青少年讀書學習的照明用，所以本研究課題本著科本研究課題本著科學嚴謹的態(tài)度，以我們生活中常見的低壓直流鎢絲小燈泡為研究對象，用實驗學嚴謹的態(tài)度，以我們生活中常見的低壓直流鎢絲小燈泡為研究對象，用實驗的方法測得數據，深入研究鎢絲燈泡的核心部件的方法測得數據，深入研究鎢絲燈泡的核心部件-發(fā)光燈絲的電阻隨著所加電發(fā)光燈絲的電阻隨著所加電壓的變化規(guī)律以及發(fā)光燈絲的溫度

7、與所加電壓的數值關系，利用課本查閱的理壓的變化規(guī)律以及發(fā)光燈絲的溫度與所加電壓的數值關系，利用課本查閱的理論公式推算對應不同電壓下的燈絲溫度以及使用論公式推算對應不同電壓下的燈絲溫度以及使用 HR2000+光譜儀直接測量所得光譜儀直接測量所得的燈絲溫度進行對比研究的燈絲溫度進行對比研究，從研究結論中進一步得到低壓直流鎢絲燈的工作規(guī)律，實測驗證鎢絲燈泡鎢絲的電阻溫度電阻公式，深入了解這一常見生活 TR用品背后的物理知識，1.2 研究的目的研究的目的研究目的：我決定利用兩個月的課余時間來從實驗角度上，探究低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度、電壓變化規(guī)律以及這些物理量相互之間的關系。該項研究的實驗對象和

8、實驗條件較容易選取和構建。我選定了三種不同額定電壓低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究4功率的低壓直流鎢絲燈泡作為研究的實驗對象，原因如下：1、我的物理背景知識已經具備。物理課本里了解到鎢絲燈（一般稱之為白熾燈）的發(fā)光原理，也學習了基本的電壓電流的基本知識歐姆定律，然而鎢絲燈的燈絲的電阻卻是一個隨著電壓溫度變化的物理量，在不同電壓下會有不同的電阻大小，形成這種物理現象的本質是鎢絲電阻是隨著溫度變化的， TRT滿足 , 0-130C105 . 4),1 (TTTTRTR，,這些信息我通過查閱物理課CTTCR0000為燈絲實際溫度，的鎢絲電阻，是本和習題以及網絡上的期刊都得到

9、了，基本的歐姆定律的分壓法電路我也學過了，所以我想通過自己連接電路并實測獲得一手的實驗數據來了解這一點。2、研究器材，場所條件具備，和研究預計所需時間合適。探究實驗所需要的器材和場所，爸爸工作單位的實驗室已經具備，關于重要的專業(yè)設備HR2000+光譜儀，爸爸和他的同事教我學會了簡單入門的測試方法，也比較容易掌握。我預計利用 3-4 個周末時間到實驗室做實驗，所有不同研究對象的所有相關數據的采集只需要 6-8 小時完成，之后的數據分析和相關圖表等結論的生成大致需要 3-4 周的周末時間就可以。3、考慮到實驗的安全性，選擇了低壓直流額定電壓/功率分別為24V/15W，24V/5W，12V/5W 三

10、種規(guī)格的低壓直流鎢絲燈泡，據查資料，它們的工作電壓都在人體安全電壓 36V 以下，不會有用電危險情況發(fā)生。1.3 研究現狀綜述研究現狀綜述鎢絲燈作為人類最早的照明電器在歷史上起到了不可或缺的作用，關于低壓直流鎢絲燈的電阻也有前人做了很多系統(tǒng)研究13，本項研究利用實驗的方法直接測量了三種不同規(guī)格的低壓直流鎢絲燈的電阻隨電壓和溫度變化的規(guī)律，以及利用理論推算不同電壓下的燈絲溫度和實測燈絲溫度的對比，通過查閱相關文獻，知道現無任何研究機構個人做過這方面的實驗研究。所以，本課題有一定創(chuàng)新性，原創(chuàng)性。低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究51.4 研究研究的意義的意義本項研究，利用實

11、驗的方法直接測量了三種不同規(guī)格的低壓直流鎢絲燈的電阻隨電壓和溫度變化的規(guī)律，以及利用理論推算不同電壓下的燈絲溫度和實測燈絲溫度的對比，可以進一步驗證鎢絲電阻的隨溫度變化的物理特性， TRT并根據實驗數據的結果來推測出更符合實際情況的鎢絲電阻隨溫度變化公式. TR2 研究內容研究內容2.1 實驗對象實驗對象額定電壓/功率分別為 24V/15W，24V/5W，12V/5W 三種規(guī)格鎢絲燈泡; 圖 1.實驗所測低壓直流鎢絲燈泡2.2 實驗儀器實驗儀器和配套和配套設備設備圖 2.精度 K=0.5 的直流電流表 1 個，直流電壓表 1 個；低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究6圖

12、3.滑線變阻器 1 個圖 4.HH1713 型直流穩(wěn)壓電源 1 個 圖 5.數字萬用表 1 個低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究7 圖 6. HR2000+光譜儀及測試探頭和光纖導線若干，配套計算機和處理軟件 Microsoft office EXCEL；2.3 實驗實驗地點地點青島理工大學嘉陵江校區(qū)物理實驗中心電學實驗室 303 房間；2.4 研究步驟以及相關數據記錄研究步驟以及相關數據記錄2.4.1 電路原理圖設計電路原理圖設計額定電壓/功率分別為 24V/15W，24V/5W，12V/5W 三種規(guī)格鎢絲燈泡根據公式初步估計電阻分別為根據物理課本的基本知PUR2,8

13、 .28,2 .115,4 .38識，我選擇電流表外接的分壓法電路，原理圖如圖 7 所示： 圖 7.分壓法外接測試電路圖實驗實物連接原理示意圖如圖 8 所示：低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究8圖 8.分壓法外接測試實物連接示意圖我自己動手連接的實驗實物連接原理實拍照片如圖 9 所示：圖 9. 分壓法外接測試實物連接實拍照片2.4.2 24V/15W 燈泡數據燈泡數據將實驗室拉上窗簾，關閉照明電源，盡量減少雜光，室溫為 25.6，此時的燈泡電阻阻值直接用數字萬用表測量為，80. 3根據公式帶入，可以推算出 0時鎢絲燈泡的鎢絲電阻 )1 (0TRTR,41. 36 .25

14、0045. 01)6 .25(0RR所以對應的鎢絲溫度T1)(293. 02 .222141. 3)(0045. 011)(10TRTRRTRT低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究9然后，連接好電路，移動滑線變阻器，將初始燈泡電壓 V 設置為零，電壓表量程選擇為 30V，電流表量程選擇為 750mA,打開穩(wěn)壓電源開關，逐步移動滑線變阻器，改變燈泡上的電壓，分別從 0V，2.0V,4.0V,為間隔，記錄對應的電流數據，同時打開 HR2000+光譜儀的電源，連接到電腦 USB 插口，將光譜儀的測試口對準發(fā)光燈絲，讀出對應的溫度，如表 1 所示：序號項目012345678910

15、1112電壓值U(V)0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.022.024.0電流值I（mA）0210265310345380415445475505525555589電阻 R()3.89.515.119.423.226.328.931.533.735.638.139.640.7實測實測燈絲溫度T（）12.5205.8400.5678.9900.81200.71455.81698.81856.51985.72100.42254.62335.8理論理論推導燈絲溫度T(）25.2 396.3 760.9 1040.8 1288.2 1490.1 1659.3

16、1828.6 1971.8 2095.5 2258.3 2355.9 2427.6 表 1. 24V/15W 燈泡數據2.4.3 24V/5W 燈泡數據燈泡數據同樣暗室環(huán)境下，此時的 24V/5W 燈泡電阻阻值直接用數字萬用)6 .25(R表測量為，80.16根據公式帶入，可以推算出 0時鎢絲燈泡的鎢絲電阻 )1 (0TRTR對應的鎢絲溫度,10.156 .250045. 01)6 .25(0RRT1)(066. 02 .222110.15)(0045. 011)(10TRTRRTRT電壓表量程選擇為 30V，電流表量程選擇為 300mA,打開穩(wěn)壓電源開關，逐步移動滑線變阻器，改變燈泡上的電壓

17、，分別從 0V，1.0V，2.0V,4.0V,為間隔，記錄對應的電流數據和燈絲對應的 溫度，如表 2 所示：低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究10序號項目0123456789101112電壓值U(V)1.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0 電流值I（mA）415481101118134149164176189201210220電阻 R()24.4 37.0 49.4 59.4 67.8 74.6 80.5 85.4 90.9 95.2 99.5 104.8 109.1 實測實測燈絲溫度T（）

18、40.5200.4405.8560.7700.4800.5895.7980.51005.81100.51200.81300.51350.8理論理論推導燈絲溫度T(）135.5 321.0 502.0 649.0 772.1 872.2 958.9 1029.7 1111.0 1174.5 1237.0 1314.2 1377.6 表 2. 24V/5W 燈泡數據2.4.4 12V/5W 燈泡數據燈泡數據同樣條件下，測量 12V/5W 燈泡電阻阻值直接用數字萬用表測量)6 .25(R為，20. 3根據公式帶入，可以推算出 0時鎢絲燈泡的鎢絲電阻 )1 (0TRTR對應的鎢絲溫度,87. 26 .

19、250045. 01)6 .25(0RRT1)(348. 02 .222187. 2)(0045. 011)(10TRTRRTRT電壓表量程選擇為 15V，電流表量程選擇為 750mA,打開穩(wěn)壓電源開關，逐步移動滑線變阻器，改變燈泡上的電壓，分別從 0V,1.0V,2.0V,為間隔，記錄對應的電流數據和燈絲對應的溫度，如表 3 所示：序號項目01234567891011電壓值U(V)1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 11.0 12.0 電流值I（mA）145195220245265280295310330345365375低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻

20、隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究11電阻 R()6.9 10.3 13.6 16.3 18.9 21.4 23.7 25.8 27.3 29.0 30.1 32.0 實測實測燈絲溫度T（）105.7350.6700.8860.51021.51356.81568.91700.51843.72005.82100.72240.3理論理論推導燈絲溫度T(）311.1 570.9 832.2 1040.3 1236.8 1434.8 1612.6 1773.3 1886.7 2019.1 2108.2 2252.2 表 3. 12V/5W 燈泡數據3 研究結果及其分析研究結果及其分析3.1 燈絲溫度與

21、電壓變化規(guī)律分析燈絲溫度與電壓變化規(guī)律分析本實驗研究中，綜合以上數據，24V/15W,24V/5W,12V/5W 燈泡的電阻 R大小隨著電壓 U 變化曲線圖,顯然這些不同規(guī)格燈泡的電阻是隨電壓顯著變化的，如圖 10 所示：電 阻 隨 電 壓 變 化 曲 線 圖0.020.040.060.080.0100.0120.00.05.010.015.020.025.030.0電 壓 U/V電 阻 R24V/15W24V/5W12V/5W圖 10. 24V/15W,24V/5W,12V/5W 燈泡的電阻大小隨著電壓變化曲線圖根據圖，單獨分析 24V/15W 燈泡的曲線，隨著鎢絲燈泡上的電壓增加，電阻是明

22、顯增加的，從 0V 一直到額定電壓 24V，鎢絲電阻從 3.8 歐姆增加到了40.7 歐姆，當燈絲電壓為額定電壓大約 50%的時候，燈絲的實際電阻為額定電低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究12壓下燈絲電阻約 70%。24V/15W,24V/5W,12V/5W 燈泡的電阻 R 大小隨著實測溫度變化曲線圖如圖 11 所示：鎢 絲 燈 電 阻 隨 溫 度 變 化 實 測 圖0.020.040.060.080.0100.0120.00.0500.01000.01500.02000.02500.0溫 度 T電 阻 R24V/15W24V/5W12V/5W圖 11. 24V/15W

23、,24V/5W,12V/5W 燈泡的電阻大小隨著燈絲實測溫度變化曲線圖 從圖中可以明顯的看出來，24V/15W 燈絲的溫度從室溫 25.8上升迅速，到了額定電壓的時候，溫度高達 2335.8，可以預計的是，如果繼續(xù)增加電壓，溫度會進一步上升，當超過了鎢絲的熔點 3000以上的話，燈絲就會融化燒斷了。另外，這張圖中的鎢絲的電阻與溫度之間，并不是嚴格簡單的線性關系，而我查閱的公式可以很容易看出來電阻和溫度的理論曲線應 )1 (0TRTR該是一條直線，大約溫度 500以上的數據還能連成一條直線，但是低溫的時候數據點連起來明顯是一條彎彎的曲線。24V/5W 曲線的也存在同樣的情況，在低溫 500以前曲

24、線并不是簡單的線性，12V/5W 也是在 500之前是曲線，這說明教科書上給出的公式在我這次探究性物理實驗研究的 )1 (0TRTR三個小燈泡來說，在低于 500的時候是不滿足的，需要進一步精細測量來推測對應滿足的公式。 TR 在做實驗測數據的過程中，我同時發(fā)現了一個很奇怪的現象，就是用公式理論推導出來的鎢絲燈泡燈絲的溫度低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究13和 HR2000+光譜儀直接測量的燈絲溫度，尤其是電壓和溫度相對比較低的TT時候差距比較大，為了更直觀的表現這種差異，我把 24V/15W 兩個系列的理論溫度值和實測值做成了一張對比圖，如圖 12 所示：燈 絲 溫

25、 度 隨 電 壓 變 化 曲 線 理 論 和 實 測 數 據 對 比 圖0.0500.01000.01500.02000.02500.00.05.010.015.020.025.0燈 絲 電 壓 /V燈 絲 溫 度 /度實 測 值理 論 推 導 值圖 12.24V/15W 燈絲溫度隨電壓變化曲線理論和實測數據對比圖圖中可以直觀的看出來，24V/15W 燈絲溫度的理論值和實測值在 1600左右以上符合的很好，而在比較低的溫度差異比較大。燈 絲 溫 度 隨 電 壓 變 化 理 論 實 測 對 比 圖0.0200.0400.0600.0800.01000.01200.01400.01600.00.0

26、5.010.015.020.025.030.0電 壓燈 絲 溫 度實 測 溫 度 值理 論 溫 度 值圖 13.24V/5W 燈絲溫度隨電壓變化曲線理論和實測數據對比圖圖中可以直觀的看出來，24V/5W 燈絲溫度的理論值和實測值在 20V 左右以上符合的很好，而在比較低的溫度差異比較大。低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究14燈 絲 溫 度 隨 電 壓 變 化 理 論 /實 測 對 比 圖0.0500.01000.01500.02000.02500.00.02.04.06.08.010.012.014.0電 壓燈 絲 溫 度實 測 溫 度 值理 論 溫 度 值圖 14.1

27、2V/5W 燈絲溫度隨電壓變化曲線理論和實測數據對比圖圖中可以直觀的看出來，12V/5W 燈絲溫度的理論值和實測值在 6V 左右以上符合的很好，而在比較低的溫度差異比較大。綜上分析，我認為，教科書上的鎢絲燈燈絲電阻隨溫度的公式只適合于接近額定電壓附近情況 )1 (0TRTR此時鎢絲燈泡發(fā)光的溫度大約在 1500以上，而在電壓剛開始從零增加的時候是不符合的，低溫時候的電阻隨溫度公式需要進一步研究來找到符合實際事實的公式。3.2 不同規(guī)格燈泡額定工作溫度分析不同規(guī)格燈泡額定工作溫度分析24V/15W24V/5W12V/5W0.0500.01000.01500.02000.02500.0額 定 電

28、壓發(fā) 光 溫 度不 同 規(guī) 格 燈 泡 額 定 電 壓 下 發(fā) 光 溫 度 對 比 圖圖 15.三種規(guī)格燈泡在額定電壓下發(fā)光溫度對比圖低壓直流鎢絲燈泡燈絲電阻隨溫度電壓變化規(guī)律的實驗測量和探究15從圖中看出，24V/15W 的燈泡和 12V/5W 的燈泡雖然功率相差三倍，但是它們在額定電壓下發(fā)光的溫度是差不多的，都達到了 2300左右，而12V/5W 的燈泡在額定電壓下發(fā)光溫度卻低了很多，只有 1400左右，主觀上在做實驗時，我也發(fā)現了，24V/15W 的燈泡和 12V/5W 的燈泡明顯比 12V/5W的明亮；根據我查閱的資料，燈絲溫度越高，發(fā)出的光越多，人的主觀感覺就會越刺眼越亮，但是燈泡發(fā)光的多少，并不是能簡單由燈泡的額定功率來判定，并不是燈泡額定功率越大就會越亮，而是要根據額定功率和額定電壓共同確定！這是我做實驗根據實驗結果得到了又