串并联电路电压特点科学实验探究

根据表一中实验三测得的数据U1=1.5V,U2=1・3V,即使再加每次电表允许产生的最大误差0.075V，U1+U2+误差值=2・95V,与U电源3.5V比仍然小0.55V，这个值也远远超过了允许的最大误差，对比这五组实验数据,我们不难发现都存在着与实验一相类似的规律，而由表二并联电路所测得的实验数据中，也存在U1不等于U2不等于U电源,且误差很大的现象。在实验中发现，当用电器为灯泡时的实验误差值普遍要比用电器为电阻时的误差值要大得多，而使用有夹子的铜导线做实验时的误差值普遍要比使用无夹子的铜导线要大得多。为此，我们对探究串、并联电路电压特点的实验存在的巨大误差展开了深入、全面的研究。我们做出了以下几种猜测:串、并联电路中造成电压特点与理论存在误差的原因可能是与导线的长短有关。串、并联电路中造成电压特点与理论存在误差的原因可能是开关承担了一部分电压。串、并联电路中造成各用电压特点与理论存在误差的原因可能是导线承担了一部分电压。串、并联电路中造成各用电压特点与理论存在误差的原因可能与导线接线柱线头所拧得松紧有关。1.串联电路实验串联电路的电源电压以及各用电器电压的测量。【实验器材】电压表1只、小灯座2个、小灯泡2个、10Q电阻2个、干电池3节、开关1只、导线若干。【改进后的实验过程】

注：（以下实验电源电压都是由电压表测量所得的数值，为保持实验的一致性，电压表正负接线柱的两根导线始终为带夹子的铜导线。（1）将电压表接在开关两端，闭合开关，两小灯泡均发光,观察此时电压表的示数。（2）选用长度为30cm及60cm的两种无夹子的铜导线记下U1，U2及电源电压的值。将电压表依次接在电源负极到LI、L1到L2、L2到开关、开关到电源正极这四条导线上，闭合开关，两小灯泡均发光,观察这四种情况下各电压表的示数。更换不同类型的导线，再次重复以上步骤，记录数据。将小灯泡更换为10Q定值电阻，重复步骤(2)(3),记录数据。实验数据如表三、表四所示:数据分析:由表三数据可知，当连接线路中的导线长度全都由30cm变成60cm时，U1+U2的值与电源电压之间的误差由0.05V提高到了0.1V，说明误差值在偏大，可得到的结论一：导线的长度会影响U1+U2的数值与电源电压间的误差，且导线越长，U1+U2的值越小，误差也就越大。证得猜想一是正确的。在表四实验一中，只有开关到电源正极用的是两端有夹子的导线，其余都是无夹子导线连接，而根据实验一的数据，我们发现无夹子导线两端的电压都为0V,而有夹子导线两端的电压为0.5V。而这个0.5V也正好是实验中电源电压与U1+U2之和的误差值，说明导线分到了电压。对比表四中的这五组实验数据，当连接导线用的是无夹子导线时，导线两端的电压基本上都为0，只有实验五有两组测得的是0.05V，而测开关两端的电压有三组为0,两组为0.05V。据数据分析，这个0.05V，也可以说是相当小的电压值。而有夹子导线两端的电压与此相比却要大得多。根据这五组的实验每一组的合计电压与我们测得的U1+U2与电源电压值的误差进行比较，不难发现，实验误差的存在，确实是因为导线与开关会分到

电压，对于有夹子的导线分到的电压则会更多。由表四可得结论二：串联电路中，除了用电器分到电压外，导线或开关也会分到电压，而且导线电阻越大，分到的电压也就越大，所以实际的U1+U2U电源。结论三：在实验中我们还发现，接线柱的线头连接得松紧也会影响U1+U2的大小，造成实验的误差的存在。而我们平时用的学生电源及干电池不能直接根据旋钮显示数值或干电池节数乘1.5V来做电源电压。结论：在串联电路中，造成串联电路各用电器电压和小于电源电压的原因是由于导线与开关会分到电压，接线柱的线头连接得松紧的影响，及做实验时用的学生电源按显示数值读数，干电池直接用1.5V电压计算造成电源电压不精确。为了进一步证实猜想，对并联电路也进行了误差探究实验:2.并联电路实验【实验器材】电压表1只、小灯座2个、小灯泡2个、电阻为10Q2个,3节干电池、开关1个、导线若干。【实验过程】选用大量程，用试触法来估测电压的大小，然后确定合适的量程。根据电路图，连接完成电路。先用灯泡并联。分别三次把电压表并联接入线路中:①测灯L1的电压；②测灯L2的电压；③测电源电压。（4）换不同类型的导线，再次重复第3步骤，并记下数据。（5）更换为10Q的定值电阻，再重复（3）（4）步骤，并记下数据。（6）重复实验，得出结论。实验数据如下表五所示:数据分析及结论:根据表五数据，我们发现在实验中，开关两端的电压只有实验一与实验四为0V，其余三组都分到电压。而且明显地发现，使用无夹子导线时，导线两端的电压为0V的有8组数据，有夹子导线两端的电压为0的有两组，因为我们的实验器材及人为读数方面的局限，在误差允许的范围内；在实验四出现的有夹子导线电压为0V，可能是我们实验器材及误读所造成。并联电路结论：由实验数据可得出分到电压确实与导线的电

阻大小及开关的接线柱的电阻有关，电阻越大，分到的电压也就越多，造成用电器两端的实际电压小于电源电压。但用电器两端电压与导线两端电压及开关两端电压加起来还是等于电源电压，这与串联电路的研究结果一致。根据以上的实验，我们大致得出了结论：实验所用的导线、开关并非是我们所假想的0电阻，导线存在较大的电阻，分走了一部分电压，而且我们实验所使用的电压表也并非我们所假象的那样0电阻，电压表也分走了一定的电压。比较实验所得出的数据，我们发现，使用小灯泡实验所得出的数据比使用定值电阻实验所得出的数据误差更大。我们对此也展开了讨论与研究。根据八年级上册科学课本上4.4影响导体电阻因素的内容和实验得出的数据，我们意识到：因为小灯泡发光的同时也发热，小灯泡温度升高，导致小灯泡电阻变大，分走了一定的电压，加大了误差。除此之外，我们实验所得的数据仍存在一定的小误差，对这误差的存在有些是无法避免的。但通过实验我们也得到了几种产生误差的原因和对今后实验改进的设想：

误差产生原因的几种分类学生电源直接读数电压与实际测出的电压间存在误差,新干电池也不能都以1.5V读数，它们的理论值与测量值之间都存在着一定的误差。由于导线本身存在电阻，或由于导线两端焊锡夹子电阻增大，分走了少量电压。电键(开关)会分走少量电压。

在连接线路时，由于线头的松紧而造成的误差。初中阶段实验器材本身局限造成的误差。学生在测量过程中读数所造成的误差。电表自身也有电阻造成误差。实验后的体会在初中科学的物理实验中，有些误差在实验中我们是没法避免的，如(5)(6)两种误差，但有些是我们可以通过实验过程中改进器材，或完善操作过程，在以后的实验中尽可能地设法减小。减小误差的几个方面：在连接电路时尽量用不带夹子的导线，且导线不能过长，现实生活中导线电阻不可避免，我们只能让它尽量地减小，而带夹子的导线由于经过焊锡会产生比较大的电阻，而我们初中阶段都默认为导线电阻为0这样会影响实验的结果。在连接导线时，要注意接线头要拧紧，以减小实验误差。

测量电源电压时，不能直接从学生电源或干电池的节数读电压，必须进行测量。读数时，眼睛正视，要读到估计位，以减小误差。做好正确的数据统计与分析。选择适当的电表量程，不能选得太大。

以上就是我们通过实验所得的一点收获与几点体会，我们在实验的过程中，充分地感受到了科学的乐趣一一追求真理、严谨真实的精神与态度，也相信，在误差的分析过程中，应该还有更好更多的改进，值得我们去进一步深思。串连蓄电池组的均充技术研究-单个蓄电池的电压与容量有限,在很多场合下要组成串连蓄电池组来使用。但蓄电池组的中的电池存在均衡性的问题。如何提高蓄电池组的使用寿命，提高系统的稳定性和减少，是摆在我们面前的重要问题。蓄电池的使用寿命是由多方面的因素所决定，其中最重要的是蓄电池本身的性能。此外，电池技术的低下和不合理的充放电制度也是造成电池寿命缩短的重要原因。对蓄电池组来说,除去上述原因，单体电池

间的不一致性也是个重要因素。针对蓄电池充放电过程中存在的单体电池不均衡的现象，笔者分析比较了目前的几种均充方法，结合实际捉出了无损均充方法，并进行了试验验证。现有的均衡充电方法实现对串联蓄电池组的各单体电池进行均充，目前主要有以下几种方法。在电池组的各单体电池上附加一个并联均衡电路，以达到分流的作用。在这种模式下，当某个电池首先达到满充时,均衡装置能阻止其过充并将多余的能量转化成热能，继续对未充满的电池充电。该方法简单，但会带来能量的损耗，不适合快充系统。在充电前对每个单体逐一通过同一负载放电至同一水平，然后再进行恒流充电，以此保证各个单体之间较为准确的均衡状态。但对蓄电池组，由于个体间的物理差异,各单体深度放电后难以达到完全一致的理想效果。即使放电后达到同一效果，在充电过程中也会出现新的不均衡现象。定时、定序、单独对蓄电池组中的单体蓄电池进行检测及均匀充电。在对蓄电池组进行充电时，能保证蓄电池组中的每一个蓄电池不会发生过充电或过放电的情况，因而就保证了蓄电池组中的每个蓄电池均处于正常的工作状态。运用分时原理，通过开关组件的控制和切换,使额外的电流流入电压相对较低的电池中以达到均衡充电的目的。该方法效率比较高，但控制比较复杂。540)this.width=540”vspace=5〉以各电池的电压参数为均衡对象，使各电池的电压恢复一

致。如图2所示，均衡充电时，电容通过控制开关交替地与相邻的两个电池连接,接受高电压电池的充电,再向低电压电池放电，直到两电池的电压趋于一致。540）this.width=540”vspace=5〉该种均衡方法较好的解决了电池组电压不平衡的问题，但该方法主要用在电池数量较少的场合。整个系统由单片机控制，单体电池都有独立的一套模块。模块根据设定程序,对各单体电池分别进行充电管理,充电完成后自动断开。该方法比较简单，但在单体电池数多时会使成本大大增加，也不利于系统体积的减小。无损均充电路本文提出了一种无损均充电路。均充模块启动后，过充的电池会将多余的电量转移到没有充满的电池中，实现动态均衡。其效率高损失少，所有的电池电压都由均充模块全程监控。1电路设计N节电池串联组成的电池组,主回路电流是Ich。各串联电池都接有一个均衡旁路，如图3所示。图中BTi是单体电池,Si是MOSFET,电感Li是储能元件。Si、Li、Di构成一个分流模块Mi。在一个充电周期中,电路工作过程分为两个阶段:电压检测阶段（时间为Tv）和均充阶段（时间为Tc）。在电压检测阶段，均衡旁路电路不工作,主电源对电池组充电，同时检测电池组中的单体电池电压,并根据控制算法计算MOSFET的占空比。在均充阶段，旁路

中被触发的MOSFET由计算所得的占空比来控制开关状态，对相应的电池进行均充处理。在这个阶段中，流经各单体电池的电流是不断变化的，也是各不相同的。540)this.width=540”vspace=5>除去连接在B1两端的Ml,所有的旁路分流模块组成都是一样的。在均充旁路中，由于二极管Di的单向导通作用，所有的分流模块都会将多余的电量从相应的电池转移到上游电池中，而Ml则把多余的电量转移到下游的电池中。2开关管占空比的计算充电时电池的荷电状态SOC(stateofcharge)可由下面的经验公式来得出，其中V是电池的端电压。SOC=—0.24V2+7.218V一53.088(1)SOC是电池当前容量与额定容量之比,SOC=Q/QToTALX100%。通过把电压检测阶段末期检测到的电池电压转化为荷电状态，而单节电池的储存容量Qest,n与SOC存在相应的关系,Qest,n可以被估算出来。在充电平衡阶段，从主充器充入单节电池的电量是IchTcep。其中,Tcep为一个充电周期内均充阶段的时间。为使在均充阶段达到单节电池储存容量的平衡，均充的目标Qtar应为：540)this.width=540”vspace=5>但是，在被激发的旁路和其他电池之间的充电转换是相互影

响的，单体电池经旁路输出给其他电池的电流和接收的充电电流很难用一个简单的公式进行计算。不过Gauss-Seidel迭代法可以解决这个问题。期望的储存容量Qn可以用下式来计算：540)this.width=540”vspace=5>其中,Idis,n是一个开关周期中的平均电流,Iobt,n是从其他被触发的旁路中获得的电流。Qtar是理想状态下电池经充电周期Ts达到均充时的电荷量,Qn是期望的储存容量，取Qtar=Qn,即(2)、(3)相等。通过相应换算,得到占空比的计算公式：540)this.width=540”vspace=5>这里的函数fN只是一个示意函数，表示Dn和D2……D3存在一定关系。3实验设计为了验证本文的均衡充电方法,以两节单体电池组成的蓄电池组为例进行实验和分析，主要验证旁路中开关管对电压的调节作用。控制流程见图4。540)this.width=540”vspace=5>由于没有现成的蓄电池，需用替代电池来进行实验。充电过程中蓄电池内阻和端电压都在不断变化