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基于NOBOOK的电学实验优化设计与误差分析——以“测量电源电动势和内阻”为例.pdf
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1、摘 要 利用 NOBOOK 软件设计仿真实验,排除电流引线极接触阻抗和引线电阻对测量结果的影响,讨论内外两种接法下电动势和内阻的线性回归关系。采用传统实验结合仿真手段优化实验设计,对数据处理和误差分析进行充分讨论。借助仿真消除偶然误差,探究非理想电表对电学实验误差的影响,厘清此类实验误差分析的思路和电路的选择原则,为实验的实施提供新的思路和方法。关键词 电源电动势;NOBOOK;DIS 实验;仿真实验中图分类号:G633.7 文献标识码:B文章编号:1671-489X(2023)11-0128-030 引言该实验常以干电池为测量对象,在使用过程中,其电动势逐渐降低,内阻逐渐升高,此外,电流引线
2、极接触阻抗和引线电阻也会对测量造成影响,因而实际实验中应尽量采用开尔文四线检测或开尔文电桥法测量低值电阻1。相比传统的两端检测(伏安法),开尔文四线检测能够进行更精确的测量,其优点在于:分离的电流和电压电极消除了布线和探针接触电阻的阻抗。但以上方法仍不能完全消除该偶然误差,且电路复杂对实验者操作要求较高。本文以 NOBOOK(以下简称“NB”)虚拟实验平台为工具,通过仿真条件下的传感器实验与非理想电表实验对比分析,探究电表内阻对测量结果的影响。学习该实验的几种不同测量方法2,掌握不同的误差分析思路,对于深入理解直流电路,培养学生的科学思维与科学探究能力有重要作用。1 基于 NOBOOK 的 D
3、IS 实验1.1 NB 简介NB 软件是一个包含物理、化学、生物实验的虚拟仿真教学软件,可以为学生提供简洁的实验界面及丰富的实验仪器,使实验过程更加便利。NOBOOK实验室可以作为实验教学的高效补充工具,使得抽DOI:10.3969/j.issn.1671-489X.2023.11.128基于 NOBOOK 的电学实验优化设计与误差分析*以“测量电源电动势和内阻”为例王刚 范若萌 潘咪 郝睿宁夏大学物理与电子电气工程学院 银川 750021象的物理规律直观化、可视化,创设平台让学生展示交流、互动完善,实现知识和方法的温故知新,培养学生的开放性思维,促进学生自主进行创造性决策3。1.2 DIS
4、实验要精确分析该实验的系统误差,首先要排除偶然误差。NB 虚拟实验平台可以设置理想参数,从而有效排除测量过程中由电源电动势和内阻的变化,以及电流引线极接触阻抗和引线电阻引起的偶然误差。DIS 实验可以自动采集实验数据,避免了传统实验中人工读取、记录实验数据带来的偶然误差。1.2.1 基本步骤打开 NB 物理实验,找到“测量电源电动势和内阻”实验,点击 DIS 实验,点击右上角载入实物图按钮,得到 DIS 实物图,点击“转电路图”按钮得到 DIS 实验电路图。点击传感器左侧调零按钮,设置电源电动势 E为 1.5 V、内阻 r 为 1;滑动变阻器阻值为 20。接入电路阻值依次为3、6、9、12、1
5、5、18。点击记录数据得到如表 1 所示的数据。1.2.2 结论线性回归分析如图 1 所示,由函数 U=1.50-1.00I可得,电源电动势E为1.5 V、内阻r为1,*项目来源:国家级创新训练项目(G2021107490010)。作者简介:郝睿,通信作者,教授。表 1 DIS 实验数据123456U/V1.121.29 1.35 1.391.411.42I/A0.380.21 0.15 0.110.090.08图 1 DIS 实验U-I图 U=1.50 1.00I1.11.31.500.20.4U/VI/A差。DIS 实验可以自动采集实验数据,避免了传统实验中人工读取、记录实验数据带来的偶然
6、误差。打开 NB 物理实验,找到“测量电源电动势和内阻”实验,点击 DIS 实验,点击右上角载入实物图按钮,得到 DIS 实物图,点击“转电路图”按钮点击传感器左侧调零按钮,设置电源电动势 E;滑动变阻器阻值为 20。、12、15、。点击记录数据得到如表 1 所示的数据。561.411.420.090.08实验教学-128-2023年6月上 第11期(总第557期)提高本实验的精确度。采用电流表外接,由电压表的分流作用引入的系统误差仅有 1%左右。采用电流表内接法,尽管电动势的测量值与真实值相等,但内阻测量的相对误差高达 50%,故测小电阻电池(干电池)的电动势和内阻时应采用电流表外接法。2.
7、2 测量水果电池电动势与内阻连接如图4a所示实物图,设置电动势E为2 V、内阻 r 为 5 000,滑动变阻器阻值为 10 000,电压表内阻为 1 000、灵敏电流计内阻为 1,图 2 测干电池实验实物图 b.内接法 a.外接法 b.内接法 图 2 测干电池实验实物图 图 3 干电池实验线性回归分析 图 3 干电池实验线性回归分析 a.外接法 U=-1.975 9 I+5.945 00246801234U/VI/Ab.内接法 a.外接法 U=-1.975 9 I+5.945 00246801234U/VI/Ab.内接法 U=-3.000 7I+6.001 1050123U/VI/A U=-1
8、.975 9 I+5.945 00246801234U/VI/A图 3 干电池实验线性回归分析 a.外接法 U=-1.975 9 I+5.945 00246801234U/VI/Ab.内接法 U=-3.000 7I+6.001 102460123U/VI/A与设置参数完全一致,测量结果无误差。该仿真实验能够排除引线电阻和引线极接触阻抗的影响,DIS实验自动采集实验数据,避免人工读取数据的偶然误差,且利用线性回归对数据进行处理真实可靠。2 基于 NB 的仿真实验利用 DIS 配传感器进行实验能够有效规避数据处理的偶然误差;而基于 NB 的实验还能排除电源参数变化、电流引线极接触阻抗和引线电阻对测
9、量的干扰;传感器实验中传感器可视为理想电表,当基于 NB 的仿真实验考虑电压表和电流表内阻时,测量结果会如何?以下做简单探讨。2.1 测量干电池电动势与内阻连接如图 2a 所示实物图,设置电源电动势 E为 6 V、内阻 r 为 2,滑动变阻器阻值为 20,电压表内阻为 1 000、电流表内阻为 1。连接如图 2b 所示实物图,设置电源电动势 E 为 6 V、内阻 r 为 2,滑动变阻器阻值为 20,电压表内阻为 1 000、电流表内阻为 1,电表读数保留到小数点后三位。闭合开关,改变阻值,记录电压表电流表读数 U 和 I,如表 2 所示。做线性回归分析如图 3 所示。仿真实验虽然排除了偶然误差
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