低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究ONE

1、论文题目：论文题目：低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究的实验测量和探究作者学校作者学校 作者姓名作者姓名 指导教师指导教师 老师老师研究时间研究时间 2015.9.152015.11.152015.9.152015.11.15低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究的实验测量和探究i目目 录录摘摘 要要.I正正 文文 .21 引引 言言 .21.1 问题的提出.21.2 研究的目的.21.3 研究现状综述.31.4 研究的意义.32 研究内容研究内容 .42.1 实验对

2、象.42.2 实验仪器和配套设备.42.3 实验地点.62.4 研究步骤以及相关数据记录.63 研究结果及其分析研究结果及其分析 .94 结论结论 .11参考文献参考文献 .12低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究i摘摘 要要 该探究性学习成果系统的实测的研究了额定电压/功率为 24V/15W 的低压直流钨丝灯泡的灯丝电阻 R 随着灯丝电压变化的规律，以及根据已有公式推算出对应的灯丝电阻发热温度，并对比利用专业设备 HR2000+光谱仪实测的钨丝温度数据进行了探究性的初步分析。通过实验数据分析，得出钨丝灯泡的灯丝电阻会随着所加直流电压明显改变，当灯丝电压为额定电压大约 5

3、0%的时候，灯丝的实际电阻为额定电压下灯丝电阻约 70%，同时实验发现，灯泡的亮度会随着电压明显改变，灯丝的亮度跟灯丝本身的温度息息相关，灯丝温度越高越亮，据分析，这是因为灯丝在不同电压下电阻不同，从而实际的发光功率也不同，灯丝温度相差比较大，从而发光的效果也会因此改变，根据实验数据测出每个不同大小电压值下钨丝的电阻 R，我发现，利用低压直流灯泡灯丝金属钨的电阻随着温度变化的公式， TR )1 (0TRTR，其中为金属钨的电阻温度系数，为钨丝0-13C105 . 4TTT，0R0的电阻，为钨丝的实际温度，,利用这个公式可以很容易反推算TCT 00出的理论灯丝温度1，即1)(10RTRT同时，这

4、个理论值对比专业设备光谱仪直接实测的灯丝温度，在接近额定电T压的时候吻合的很好，在电压低温时理论和实际偏离的比较大，我分析，教科书上的钨丝灯灯丝电阻随温度的公式只适合于接近额定电压 )1 (0TRTR附近情况此时钨丝灯泡发光的温度大约在 1500 度以上，而在电压刚开始从零增加的时候是不符合的，低温时候的电阻随温度公式需要进一步研究来找到符合实际物理事实的公式。低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究2正正 文文1 引引 言言1.1 问题的提出问题的提出钨丝灯泡是比较常见的照明用灯泡，它是利用电流的热效应制成，其工作原理是，当电流通过灯丝（材料一般为钨丝熔点 3000以上）时

5、产生热量，螺旋状的灯丝不断聚集热量，当温度达到 2000以上时，就会发出可见光，灯丝温度越高，发出的光就越亮，虽然钨丝灯泡由于发光原理，大量能量用于发热，导致发光效率底下，耗电量比较大，所以逐步被低耗电高发光效率的节能灯，荧光灯等冷光源代替，然而，由于低能耗的节能灯、荧光灯发出的光内含相对比较多的紫外线，对人体体表尤其是青少年视力的影响问题逐步浮出水面2，曾经被逐步取代的钨丝灯作为黑体热辐射光源，发出的光有类似太阳的连续光谱性，包含的紫外线比较少，更适合于青少年读书学习的照明用，所以本研究本研究课题本着科学严谨的态度，以我们生活中常见的低压直流钨丝小灯泡为研究对课题本着科学严谨的态度，以我们生

6、活中常见的低压直流钨丝小灯泡为研究对象，用实验的方法测得数据，深入研究钨丝灯泡的核心部件象，用实验的方法测得数据，深入研究钨丝灯泡的核心部件-发光灯丝的电阻发光灯丝的电阻随着所加电压的变化规律以及发光灯丝的温度与所加电压的数值关系，利用课随着所加电压的变化规律以及发光灯丝的温度与所加电压的数值关系，利用课本查阅的理论公式推算对应不同电压下的灯丝温度以及使用本查阅的理论公式推算对应不同电压下的灯丝温度以及使用 HR2000+光谱仪直光谱仪直接测量所得的灯丝温度进行对比研究接测量所得的灯丝温度进行对比研究，从研究结论中进一步得到低压直流钨丝灯的工作规律，实测验证钨丝灯泡钨丝的电阻温度电阻公式，深入

7、了解这 TR一常见生活用品背后的物理知识，1.2 研究的目的研究的目的研究目的：我决定利用两个月的课余时间来从实验角度上，探究低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度、电压变化规律以及这些物理量相互之间的关系。该项研究的实验对象和实验条件较容易选取和构建。我选定了额定电压功率24V/15W 的低压直流钨丝灯泡作为研究的实验对象，原因如下：低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究31、我的物理背景知识已经具备。物理课本里了解到钨丝灯（一般称之为白炽灯）的发光原理，也学习了基本的电压电流的基本知识欧姆定律，然而钨丝灯的灯丝的电阻却是一个随着电压温度变化的物理量，在不同电压下会有不同的电阻大

8、小，形成这种物理现象的本质是钨丝电阻是随着温度变化的， TRT满足 , 0-130C105 . 4),1 (TTTTRTR，,这些信息我通过查阅物理课CTTCR0000为灯丝实际温度，的钨丝电阻，是本和习题以及网络上的期刊都得到了，基本的欧姆定律的分压法电路我也学过了，所以我想通过自己连接电路并实测获得一手的实验数据来了解这一点。2、研究器材，场所条件具备，和研究预计所需时间合适。探究实验所需要的器材和场所，爸爸工作单位的实验室已经具备，关于重要的专业设备HR2000+光谱仪，爸爸和他的同事教我学会了简单入门的测试方法，也比较容易掌握。我预计利用 3-4 个周末时间到实验室做实验，所有不同研究

9、对象的所有相关数据的采集只需要 6-8 小时完成，之后的数据分析和相关图表等结论的生成大致需要 3-4 周的周末时间就可以。3、考虑到实验的安全性，选择了低压直流额定电压/功率分别为24V/15W，低压直流钨丝灯泡，据查资料，它的工作电压 24V 在人体安全电压36V 以下。1.3 研究现状综述研究现状综述钨丝灯作为人类最早的照明电器在历史上起到了不可或缺的作用，关于低压直流钨丝灯的电阻也有前人做了很多系统研究13，本项研究利用实验的方法直接测量了低压直流钨丝灯的电阻随电压和温度变化的规律，以及利用理论推算不同电压下的灯丝温度和实测灯丝温度的对比，通过查阅相关文献，知道现无任何研究机构个人做过

10、这方面的实验研究。所以，本课题有一定创新性，原创性。1.4 研究研究的意义的意义本项研究，利用实验的方法直接测量了 24V/15W 低压直流钨丝灯的电阻随低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究4电压和温度变化的规律，以及利用理论推算不同电压下的灯丝温度和实测灯丝温度的对比，可以进一步验证钨丝电阻的随温度变化的物理特性，并根 TRT据实验数据的结果来推测出更符合实际情况的钨丝电阻随温度变化公式. TR2 研究内容研究内容2.1 实验对象实验对象额定电压/功率分别为 24V/15W 钨丝灯泡; 图 1.实验所测低压直流钨丝灯泡2.2 实验仪器实验仪器和配套设备和配套设备图 2.

11、精度 0.5 的直流电流表 1 个，直流电压表 1 个；低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究5图 3.滑线变阻器 1 个图 4.HH1713 型直流稳压电源 1 个 图 5.数字万用表 1 个低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究6 图 6. HR2000+光谱仪及测试探头和光纤导线若干，计算机和处理软件 Microsoft office EXCEL；2.3 实验实验地点地点青岛理工大学嘉陵江校区物理实验中心电学实验室 303 房间；2.4 研究步骤以及相关数据记录研究步骤以及相关数据记录2.4.1 电路原理图设计电路原理图设计额定电压/功率为 24V

12、/15W 规格钨丝灯泡根据公式初步估计电阻PUR2分别为根据物理课本的基本知识，我选择电流表外接的分压法电路，原4 .38理图如图 7 所示：低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究7 图 7.分压法外接测试电路图实验实物连接原理示意图如图 8 所示：图 8.分压法外接测试实物连接示意图我自己动手连接的实验实物连接原理实拍照片如图 9 所示：图 9. 分压法外接测试实物连接实拍照片2.4.2 24V/15W 灯泡实测数据灯泡实测数据将实验室拉上窗帘，关闭照明电源，尽量减少杂光，室温为 15.6，此时的灯泡电阻阻值直接用数字万用表测量为,根据公式带8 . 3 )1 (0TRTR

13、入，可以算出 0时钨丝灯泡的钨丝电阻,55. 36 .150045. 01)6 .15(0RR所以对应的钨丝温度T1)(282. 02 .222155. 3)(0045. 011)(10TRTRRTRT低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究8然后，连接好电路，移动滑线变阻器，将初始灯泡电压 V 设置为零，电压表量程选择为 30V，电流表量程选择为 750mA,打开稳压电源开关，逐步移动滑线变阻器，改变灯泡上的电压，分别从 0V，2.0V,4.0V,为间隔，记录对应的电流数据，同时打开 HR2000+光谱仪的电源，连接到电脑 USB 插口，运行配套的测试软件，将光谱仪的测试口

14、对准灯丝，读出对应的温度，如表 1 所示：序号项目0123456789101112电压值U(V)0.02.04.06.08.010.012.014.016.018.020.022.024.0电流值I（mA）0210265310345380415445475505525555589电阻 R()3.89.515.119.423.226.328.931.533.735.638.139.640.7实测灯丝温度T（）12.5205.8400.5678.9900.81200.71455.81698.81856.51985.72100.42254.62335.8理论推导灯丝温度T(）15.6372.5723

15、.0992.21230.01424.11586.91749.61887.32006.32162.82256.72325.5表 1. 24V/15W 灯泡数据低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究93 研究结果及其分析研究结果及其分析本实验研究中，综合以上数据，24V/15W 灯泡的电阻 R 大小随着电压 U变化曲线图如图 10 所示：24V/15W钨 丝 灯 电 阻 电 压 特 性 曲 线 图0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.00.02.04.06.08.010.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 22.0 24.0

16、 26.0电 压 U/V电 阻 R/欧 姆图 10. 24V/15W 灯泡的电阻大小随着电压变化曲线图图中可以明显看出，随着钨丝灯泡上的电压增加，电阻是明显增加的，从 0V一直到额定电压 24V，钨丝电阻从 3.8 欧姆增加到了 40.7 欧姆，当灯丝电压为额定电压大约 50%的时候，灯丝的实际电阻为额定电压下灯丝电阻约 70%。24V/15W 灯泡的电阻 R 大小随着实测温度变化曲线图如图 11 所示：灯 泡 钨 丝 电 阻 随 温 度 变 化 曲 线 图0.05.010.015.020.025.030.035.040.045.00.0500.01000.01500.02000.02500.

17、0钨 丝 温 度 /度电 阻 R/欧 姆图 11. 24V/15W 灯泡的电阻大小随着灯丝实测温度变化曲线图低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究10 从图中可以明显的看出来，灯丝温度从室温 15.8上升迅速，到了额定电压的时候，温度高达 2335.8，可以预计的是，如果继续增加电压，温度会进一步上升，当超过了钨丝的熔点 3000以上的话，灯丝就会融化烧断了。另外，这张图中的钨丝的电阻，与温度之间，并不是简单的线性关系，而我查阅的公式可以很容易看出来电阻和温度的理论曲线应该是一条直线， )1 (0TRTR温度 1500左右以上的数据还能连成一条直线，但是低温的时候数据点连起

18、来明显是一条弯弯的曲线。 在做实验测数据的过程中，我同时发现了一个很奇怪的现象，就是用公式理论推导出来的钨丝灯泡灯丝的温度和 HR2000+光谱仪直接测量的灯丝温度T，尤其是电压和温度相对比较低的时候差距比较大，为了更直观的表现这种T差异，我把两个系列的理论温度值和实测值做成了一张对比图，如图 12 所示：灯 丝 温 度 随 电 压 变 化 曲 线 理 论 和 实 测 数 据 对 比 图0.0500.01000.01500.02000.02500.00.05.010.015.020.025.0灯 丝 电 压 /V灯 丝 温 度 /度实 测 值理 论 推 导 值图 12.灯丝温度随电压变化曲线理

19、论和实测数据对比图图中可以直观的看出来，灯丝温度的理论值和实测值在 1700左右以上符合的很好，而在比较低的温度差异比较大。我分析，教科书上的钨丝灯灯丝电阻随温度的公式只适合于接近额定电压附近情况此时钨丝灯泡发 )1 (0TRTR光的温度大约在 1500以上，而在电压刚开始从零增加的时候是不符合的，低温时候的电阻随温度公式需要进一步研究来找到符合实际物理事实的公式。低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究114 结论结论该探究性的实验系统的实测的研究了额定电压/功率为 24V/15W 的低压直流钨丝灯泡的灯丝电阻 R 随着灯丝电压变化的规律，以及根据已有公式推算出对应的灯丝电阻发热温度，并对比利用专业设备 HR2000+光谱仪实测的钨丝温度数据进行了探究性的初步分析。通过实验数据分析，得出钨丝灯泡的灯丝电阻会随着所加直流电压明显改变，当灯丝电压为额定电压大约