串并聯電路電壓特點科學實驗探究

串并聯電路電壓特點科學實驗探究

　　串并聯電路電壓特點科學實驗探究

　　林 蘭

　　（浙江省杭州市景芳中學）

　　摘 要：眾所周知，在科學實驗中，誤差不可避免，只能減小。然而，在研究“串、并聯電路電壓特點”的實驗中發現，不僅實驗所得的數據與書上所給出的結論相悖，而且存在的誤差十分之大。在驚訝之余，產生了這樣的疑問：為何會存在這么大的誤差？是什么原因造成的？對實驗中所用的導線與開關是否是零電阻產生了疑問，對此展開了一系列的實驗探究……

　　關鍵詞：串聯；并聯；電壓；誤差；實驗

　　一、背景分析

　　在八年級上冊的科學課本中，有許多不同的實驗，在這些實驗的操作過程中，我們會發現許多問題，而如何在課余時間科學合理地探究在實驗操作過程中所遇到的問題，也成為我們在課后自主學習與探究的重點與難點。

　　探究串并聯電路電壓特點的實驗是八年級上學期科學電學部分的一個較為重要的實驗，此實驗所得的結論與歐姆定律相結合的題目是此學期科學電學部分的一個難點。而當學生在學校的實驗室中按課本上的指示進行此實驗、記錄實驗所得數據時，發現在串聯電路實驗時U1+U2<U電源，并聯電路也存在著U電源不等于U1不等于U2，并且U1，U2都比電源電壓要小一點的問題。這與我們課本上的串聯電路電源電壓等于各用電器電壓之和，并聯電路U1=U2=U電源這一結論不相符合，為此我們對實驗進行了進一步的探究，去尋找實驗中存在誤差的原因。

　　二、實驗探究

　　我們知道誤差是測量值與真值之差異。在物理實驗中離不開對物理量的測量，在不考慮溫度因素的情況下，由于儀器、實驗條件、環境等因素的限制，物理量的測量值與客觀存在的真實值之間總會不可能避免地存在著一定的差異。當前中學物理實驗室所用的直流電表大部分都是磁電式電表，由于自身制造存在著較大的誤差，根據技術標準為2.5級的電表，每次測量電表自身允許誤差不超過量程的2.5%，即允許的最大誤差≤量程×2.5%。超過這一誤差就是誤差比較大了，如用一個量程為3V的電壓表，其允許的最大誤差是3×2.5%=0.075V，在實驗時在兩個量程都能選擇的情況下，我們往往要選擇小量程，因為當指針越靠近量程時，測出來的值越精確。而我們在做串、并聯電路的實驗過程中，由實驗數據發現存在誤差，得到以下數據（如表一、表二所示）

　　根據表一中實驗三測得的數據U1=1.5V，U2=1.3V，即使再加每次電表允許產生的最大誤差0.075V，U1+U2+誤差值=2.95V，與U電源3.5V比仍然小0.55V，這個值也遠遠超過了允許的最大誤差，對比這五組實驗數據，我們不難發現都存在著與實驗一相類似的規律，而由表二并聯電路所測得的實驗數據中，也存在U1不等于U2不等于U電源，且誤差很大的現象。在實驗中發現，當用電器為燈泡時的實驗誤差值普遍要比用電器為電阻時的誤差值要大得多，而使用有夾子的銅導線做實驗時的誤差值普遍要比使用無夾子的銅導線要大得多。為此，我們對探究串、并聯電路電壓特點的實驗存在的巨大誤差展開了深入、全面的研究。我們做出了以下幾種猜測：

　　（1）串、并聯電路中造成電壓特點與理論存在誤差的原因可能是與導線的長短有關。

　　（2）串、并聯電路中造成電壓特點與理論存在誤差的原因可能是開關承擔了一部分電壓。

　　（3）串、并聯電路中造成各用電壓特點與理論存在誤差的原因可能是導線承擔了一部分電壓。

　　（4）串、并聯電路中造成各用電壓特點與理論存在誤差的原因可能與導線接線柱線頭所擰得松緊有關。

　　1.串聯電路實驗

　　串聯電路的電源電壓以及各用電器電壓的測量。

　　【實驗器材】：電壓表1只、小燈座2個、小燈泡2個、10Ω電阻2個、干電池3節、開關1只、導線若干。

　　【改進后的實驗過程】

　　注：（以下實驗電源電壓都是由電壓表測量所得的數值，為保持實驗的一致性，電壓表正負接線柱的兩根導線始終為帶夾子的銅導線。）

　　（1）將電壓表接在開關兩端，閉合開關，兩小燈泡均發光，觀察此時電壓表的示數。

　　（2）選用長度為30cm及60cm的兩種無夾子的銅導線記下U1，U2及電源電壓的值。

　　（3）將電壓表依次接在電源負極到L1、L1到L2、L2到開關、開關到電源正極這四條導線上，閉合開關，兩小燈泡均發光，觀察這四種情況下各電壓表的示數。

　　（4）更換不同類型的導線，再次重復以上步驟，記錄數據。

　　（5）將小燈泡更換為10Ω定值電阻，重復步驟（2）（3），記錄數據。

　　實驗數據如表三、表四所示：

　　數據分析：

　　由表三數據可知，當連接線路中的導線長度全都由30cm變成60cm時，U1+U2的值與電源電壓之間的誤差由0.05V提高到了0.1V，說明誤差值在偏大，可得到的結論一：導線的長度會影響U1+U2的數值與電源電壓間的誤差，且導線越長，U1+U2的值越小，誤差也就越大。證得猜想一是正確的。在表四實驗一中，只有開關到電源正極用的是兩端有夾子的導線，其余都是無夾子導線連接，而根據實驗一的數據，我們發現無夾子導線兩端的電壓都為0V，而有夾子導線兩端的電壓為0.5V。而這個0.5V也正好是實驗中電源電壓與U1+U2之和的誤差值，說明導線分到了電壓。對比表四中的這五組實驗數據，當連接導線用的是無夾子導線時，導線兩端的電壓基本上都為0，只有實驗五有兩組測得的是0.05V，而測開關兩端的電壓有三組為0，兩組為0.05V。據數據分析，這個0.05V，也可以說是相當小的電壓值。而有夾子導線兩端的電壓與此相比卻要大得多。根據這五組的實驗每一組的合計電壓與我們測得的U1+U2與電源電壓值的誤差進行比較，不難發現，實驗誤差的存在，確實是因為導線與開關會分到電壓，對于有夾子的導線分到的電壓則會更多。由表四可得結論二：串聯電路中，除了用電器分到電壓外，導線或開關也會分到電壓，而且導線電阻越大，分到的電壓也就越大，所以實際的U1+U2<U電源。

　　結論三：在實驗中我們還發現，接線柱的線頭連接得松緊也會影響U1+U2的大小，造成實驗的誤差的存在。而我們平時用的學生電源及干電池不能直接根據旋鈕顯示數值或干電池節數乘1.5V來做電源電壓。

　　結論：在串聯電路中，造成串聯電路各用電器電壓和小于電源電壓的原因是由于導線與開關會分到電壓，接線柱的線頭連接得松緊的影響，及做實驗時用的學生電源按顯示數值讀數，干電池直接用1.5V電壓計算造成電源電壓不精確。

　　為了進一步證實猜想，對并聯電路也進行了誤差探究實驗：

　　2.并聯電路實驗

　　【實驗器材】

　　電壓表1只、小燈座2個、小燈泡2個、電阻為10Ω2個，3節干電池、開關1個、導線若干。

　　【實驗過程】

　　（1）選用大量程，用試觸法來估測電壓的大小，然后確定合適的量程。

　　（2）根據電路圖，連接完成電路。先用燈泡并聯。

　　（3）分別三次把電壓表并聯接入線路中：

　　①測燈L1的電壓；②測燈L2的電壓；③測電源電壓。

　　（4）換不同類型的導線，再次重復第3步驟，并記下數據。

　　（5）更換為10Ω的定值電阻，再重復（3）（4）步驟，并記下數據。

　　（6）重復實驗，得出結論。

　　實驗數據如下表五所示：

　　數據分析及結論：

　　根據表五數據，我們發現在實驗中，開關兩端的電壓只有實驗一與實驗四為0V，其余三組都分到電壓。而且明顯地發現，使用無夾子導線時，導線兩端的電壓為0V的有8組數據，有夾子導線兩端的電壓為0的有兩組，因為我們的實驗器材及人為讀數方面的局限，在誤差允許的范圍內；在實驗四出現的有夾子導線電壓為0V，可能是我們實驗器材及誤讀所造成。

　　并聯電路結論：由實驗數據可得出分到電壓確實與導線的電阻大小及開關的接線柱的電阻有關，電阻越大，分到的電壓也就越多，造成用電器兩端的實際電壓小于電源電壓。但用電器兩端電壓與導線兩端電壓及開關兩端電壓加起來還是等于電源電壓，這與串聯電路的研究結果一致。

　　根據以上的實驗，我們大致得出了結論：實驗所用的導線、開關并非是我們所假想的0電阻，導線存在較大的電阻，分走了一部分電壓，而且我們實驗所使用的電壓表也并非我們所假象的那樣0電阻，電壓表也分走了一定的電壓。比較實驗所得出的數據，我們發現，使用小燈泡實驗所得出的數據比使用定值電阻實驗所得出的數據誤差更大。我們對此也展開了討論與研究。根據八年級上冊科學課本上4.4影響導體電阻因素的內容和實驗得出的數據，我們意識到：因為小燈泡發光的同時也發熱，小燈泡溫度升高，導致小燈泡電阻變大，分走了一定的電壓，加大了誤差。除此之外，我們實驗所得的數據仍存在一定的小誤差，對這誤差的存在有些是無法避免的。但通過實驗我們也得到了幾種產生誤差的原因和對今后實驗改進的設想：

　　1.誤差產生原因的幾種分類

　　（1）學生電源直接讀數電壓與實際測出的電壓間存在誤差，新干電池也不能都以1.5V讀數，它們的理論值與測量值之間都存在著一定的誤差。

　　（2）由于導線本身存在電阻，或由于導線兩端焊錫夾子電阻增大，分走了少量電壓。

　　（3）電鍵（開關）會分走少量電壓。

　　（4）在連接線路時，由于線頭的松緊而造成的誤差。

　　（5）初中階段實驗器材本身局限造成的誤差。

　　（6）學生在測量過程中讀數所造成的誤差。

　　（7）電表自身也有電阻造成誤差。

　　2.實驗后的體會

　　在初中科學的物理實驗中，有些誤差在實驗中我們是沒法避免的，如（5）（6）兩種誤差，但有些是我們可以通過實驗過程中改進器材，或完善操作過程，在以后的實驗中盡可能地設法減小。減小誤差的幾個方面：

　　（1）在連接電路時盡量用不帶夾子的導線，且導線不能過長，現實生活中導線電阻不可避免，我們只能讓它盡量地減小，而帶夾子的導線由于經過焊錫會產生比較大的電阻，而我們初中階段都默認為導線電阻為0，這樣會影響實驗的結果。

　　（2）在連接導線時，要注意接線頭要擰緊，以減小實驗誤差。

　　（3）測量電源電壓時，不能直接從學生電源或干電池的節數讀電壓，必須進行測量。

　　（4）讀數時，眼睛正視，要讀到估計位，以減小誤差。

　　（5）做好正確的數據統計與分析。

　　（6）選擇適當的電表量程，不能選得太大。

　　以上就是我們通過實驗所得的一點收獲與幾點體會，我們在實驗的過程中，充分地感受到了科學的樂趣——追求真理、嚴謹真實的精神與態度，也相信，在誤差的分析過程中，應該還有更好更多的改進，值得我們去進一步深思。