家用电灯的伏安特性实验课题探究-物理论文.doc

家用电灯的伏安特性实验课题研究山西省阳泉市平定一中357班 刘子洲 指导老师：王兴龙摘要：本实验通过描绘伏安特性曲线的方法来研究钨丝灯泡和节能灯泡在某一电压变化范围内阻值的变化，了解它的导电特性，从而指导居民合理选择照明工具，达到更好的节能效果。关键字：电灯变暗 伏安特性曲线 节能原理 节能用电方案在我们日常生活中，我们常常会发现：我们用的电灯随着使用时间的增长灯丝会变黑，而且亮度也会大幅度降低。而市场上所卖的新型节能灯以使用寿命长、能耗低等优点受到了人们的欢迎。我们不禁对这些现象产生疑问：是什么原因使得家用电灯在使用过程中变暗？而节能灯为什么能受到欢迎？为了解答这些疑问，我们查阅了一些资料：电灯的灯丝是用熔点高的钨丝做的，这是因为灯泡发光时灯丝的温度在2000摄氏度以上，用钨丝比较耐用；灯泡使用时，钨丝在高温下升华为钨蒸气。关灯后，温度降低，钨蒸气凝华附着在灯泡壁上。时间长了，灯泡壁就会变黑，从而使亮度降低。 我们将一个有一定使用寿命的白炽灯摘下来，拆去玻璃灯罩，发现在灯罩内壁果然有一层黑色粉末。可是黑色粉末很薄，不足以影响电灯的亮度。我们结合本学期所学的导体的电阻定律，猜想：可能是灯丝随着使用寿命的增长灯丝升华变细，电阻变大，由P=U2/R，则R变大，P变小，所以变暗了。在实验之前，我们先用一个小的事例证明我们的观点：手电筒小电珠的灯丝电阻是多少？通过查阅资料，我们了解到，小电珠的灯丝电阻大约是25左右。两节干电池的提供的电压是3V。所以一切问题迎刃而解：电流I=3/2512（A）电功率PIU12336（W）真的是这样吗？我们感到很奇怪，电珠上明明写着03A（二节电池，3伏特），功率当然是09W了。那么问题出在哪里呢？让我们还是用实验来回答吧！【实验目的】通过实验来描绘小电珠的伏安特性曲线，分析变化规律。【实验器材】手电筒小电珠（25V）、变阻器（50）、直流毫安表（500mA）、直流电压表（3V）、20 V稳压电源、开关各一个、导线若干备用。【实验电路】实验电路如图（二）3511所示。 【实验步骤】按实验电路中的电路图连接实验器材，选择合适的仪表量程，组装连接好线路，将电路中的电流从小逐渐调大，测出通过电珠的电流和电压的相应的值，把数据记录在上页的表中：记录表格如下表1：实验次数123456789电压 U/V0.50.81.01.21.51.82.02.32.5电流 I/A0.080.090.100.110.130.150.170.180.20表-1根据实验数据描出的IU图象如图（二）3512所示：【实验现象】通过实验我们发现小电珠的IU图象并不是呈线性关系，而是一条稍向下偏的曲线。【实验解释及结论】由图可以看出随着电珠外加电压的增加，通过的电流不是线性增加的，增加的比率逐渐减小。这是由于随着电流变化，电阻的温度发生变化，从而使电阻发生了变化，电珠钨丝的电阻是随温度增高而变大的。 通过实验，我们更加明确了电灯变暗的原因：电阻增大导致电功率降低，从而使电灯变暗。【实验注意事项】1.本实验中，因被测小电珠灯丝电阻较小，因此实验电路必须采用电流表外接法。2.因本实验要作I-U图象，要求测出一组包括0在内的电压、电流值，因此变阻器要才采用分压接法。3.开关闭合前变阻器应滑至阻值最大的一端。4.开关闭合后，调节变阻器的滑片的位置，使灯泡的电压逐渐增大，可在电压表读数每增加一个定值（如0.5V）时，读取一次电流值，并将数据（要求保留两位有效数字）记录在表格中。调节滑片时，应注意电压表的示数不要超过小电珠的额定电压。接下来，我们计划在家庭电路中通过实验比较一下白炽灯与节能灯能耗的多少。【实验目的】由于我们对灯的亮度这一变量不能控制，所以根据现有条件我们只能用两只瓦数相同的节能灯和白炽灯在相同条件下接入家庭电路，比较它们的亮度。【实验器材】直流稳压电源 秒表 家用电表（2000转千瓦时）曼佳美牌25W节能灯泡 普通25W白炽灯泡【实验步骤】使家庭中除实验用的两只灯泡外的所有电器全部停止使用，将同为25W的白炽灯和节能灯单独接入家庭电路，用秒表从闭合开关开始计时，读出电表在单位时间t（s）内转的圈数n（圈）。每隔一定时间实验一次（如5天），观察灯泡并计算：每秒转的圈数：n=nt每秒消耗电能：W= n*3.6*10的六次电灯实际消耗的电功率P=每秒消耗电能W所以电灯实际消耗的电功率P=n*3.6*10的六次2000t按上述步骤多次实验，将实验数据分别记录到如下表格（表2）中：实验次数12345678910转过圈数n1111111111时间t(s)55.055.656.056.356.957.757.758.059.459.1实际功率P(W)21.821.621.221.321.120.820.820.720.220.3表-2.1实验次数12345678910转过圈数n1111111111时间t(s)50.450.851.951.752.252.653.353.653.954.5实际功率P(W)23.823.623.123.223.022.822.522.422.322.0表-2.2【实验解释及结论】通过实验发现：同样的额定功率，白炽灯的亮度远远小于节能灯。同时，随着实验次数的增多，两灯实际消耗的电功率没有发生太大的变化。但是白炽灯的内壁附着一层薄薄的黑色粉末，灯丝逐渐变细，根据电阻定律电阻变大，电功率变小，灯泡的亮度大大降低;而节能灯的亮度变化很不明显。到这里，我们更进一步证明实验一中的结论是正确的。所以，要想达到相同的照明效果，同等情况下需增加白炽灯的个数，这势必也会增加成本，不利于节能。随后，我们又进行了一个电灯市场价格的调查。调查发现：同为25W的额定功率，白炽灯的价格是 3元只，使用寿命600小时;节能灯的价格是30 元只，使用寿命4000小时，当地电费是0.5元千瓦时。并且该节能灯泡的亮度相当于白炽灯泡的4倍。假如在某一户人家，每天需照明5小时，亮度需达到25W节能灯的亮度。白炽灯使用两个月后会因亮度不够而报废，须立即更换。这样可以计算出：4只白炽灯泡一小时的用电量为：25W*41000=0.1KW一小时电费：0.1 KW*0.5=元一只节能灯泡一小时的用电量为：25W1000=0.025KW一小时电费：0.025 KW*0.5=0.0125元若设用电时间为t小时，则令3+0.05t=30+0.0125t解得t=720小时（即一个月）那么可知，如果使用时间在一个月以上，节能灯比白炽灯便宜。为了更加合理，我们需要进一步计算：为了计算简便，我们计算一年中节省的电费。节能灯的使用寿命为4000小时，大约为5个半月，且亮度不变，那么一年中则需买三个节能灯泡，一年的费用为30*3=90元白炽灯每个月换一次，每月需4个，一年中则需买4*12=48个节能灯泡,一年的费用为3*48=144元 节能灯一年的电费0.0125*5*30*12=22.5元 白炽灯一年的电费0.05*5*30*12=90元 一年中若用节能灯，费用为112.5元；用白炽灯，费用为234元。我们惊奇地发现：一年中白炽灯的电费是节能灯的4倍多！总费用也是节能灯的两倍以上！另外，我们查阅了一些有关节能灯节能原理的资料：节能灯主要是通过镇流器给灯管灯丝加热，大约在1160K温度时，灯丝就开始发射电子（因为在灯丝上涂了一些电子粉），电子碰撞氩原子产生非弹性碰撞，氩原子碰撞后获得了能量又撞击汞原子，汞原子在吸收能量后跃迁产生电离，发出253.7nm 的紫外线，紫外线激发荧光粉发光，由于荧光灯工作时灯丝的温度在1160K左右，比白炽灯工作的温度2200K-2700K低很多，所以它的寿命也大提高，达到5000小时以上，由于它不存在白炽灯那样的电流热效应，荧光粉的能量转换效率也很高，达到每瓦50流明以上。所以节能效率很高。通过对比计算，我们明显发现，节能灯不仅省电、环保，并且在同等条件下对人体更健康。在人们物质文化需求提高、节能减排措施实施的今天，人们更希望能用上经济环保健康的用电器，所以深受人们的欢迎。我们提倡大家使用节能灯，若使用时间比较短则可以节能灯和白炽灯搭配使用，用实际行动节约我们的资源。【小结与反思】这次专题研究，我亲自解开了电灯变暗之谜。通过这次活动，我在平时学习的基础上加深了对伏安特性曲线的理解，掌握了不少电能表方面的知识。不仅用这些方法验证了生活中一些现象的物理原理，通过自己探究获得了不少物理规律，而且联系生活提出了一套科学的生活用电方案。收获颇丰。学习与生活是可以紧密联系的，我们要善于观察生活中的点点滴滴，把书本上的知识运用到生活当中来。当然，实验中存在的问题和疏漏之处在所难免。比如，实验中有好多误差没能够及时纠正，实验设计还比较粗糙，另外，由于我现有的知识储备不够，节能灯节能的原理只能从其他途径来获得，没有得到亲自实验或是验证，这也是此次探究活动比较遗憾的地方。我希望在今后的学习过程