测定“非正弦交流电有效值”的实验探究，本文主要内容关键词为：有效值论文,交流电论文,正弦论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
一、问题的提出
在课堂教学“归纳非正弦交流电有效值的计算方法”这节课后，一位学生对我提出：我还是不相信交流电表测得的电压值是有效值，能不能用实验的方法证明一下呢？课后，我和他一起动手实验，收获不小。
二、问题的解决过程
1.理论推导
2.实验论证
实验器材：教学演示交流电压表（量程0～10V）两只，学生稳压电源一个，滑动变阻器(50Ω 2A)一只，IN4007整流二极管一只，导线若干。
实验结论：实验测量结果与理论完全不符合。
为了找到实验出错的原因，我们选择不同的输入电压重复上述步骤(1)(2)，做了四次实验，数据归纳于表1。
表1
分析与发现：(1)理论分析时我们总是把整流二极管看做理想二极管，正向导通电压为零。实际上二极管的导通是需要0.6～0.8V的电压，并且随二极管的温度升高，导通电压略升高。(2)电路中没接用电器，无有用功率输出。通过整流二极管后输出的电压不满足电流热效应的定义。(3)分析表1的数据发现：在误差允许的范围内，
（注
：二极管正向导通电压，此时=0.6V）符合闭合电路欧姆定律。
实验结论：实验测得交流电有效值与理论值还是相差很大。
分析与发现：(1)可能图3的整流二极管输出的电压不是如图1b那样的标准波形。(2)可能交流电压表内的整流二极管在小电压时的非线性造成教学演示交流电压表在测小电压时误差较大。我们决定借助DIS计算机数据采集系统，通过电压传感器来检测一下整流前后电压的波形。
实验3：把图3电路中交流电压表换成电压传感器，重做实验2。借助DIS通用软件系统，显示电压随时间变化的实时波形，分析波形，得到半波整流后电阻R上输出的电压有效值
，归纳数据于表3（设理论上R输出的电压有效值为
）。
实验结论：(1)在误差允许的范围内，半波整流电路输出交流电有效值实验值与理论值相符。
(2)理论作出的半波整流输出电压随时间变化的图象，与通过DIS计算机数据采集系统得到的电压随时间变化的实时波形比较，两个波形图完全相符。
附：DISlab电压传感器测出的电源电压及半波整流后电阻R上输出波形
分析与发现：(1)实际二极管的反向电阻很大，所以在耐压范围内，二极管的反向电阻可以看成无穷大，所以反接在二极管两端的交流电压表示数与交流电源的有效值相等。(2)由于二极管的单向导电性，经过整流二极管，交流电变成脉动直流电流，所以如图4那样并联在二极管两端的交流电表无读数。(3)如果在图5的R两端并联一个电容（实验中用了C=3.3μF）作为补偿电路，效果会更好。(4)从这个实验可以作一个初步判定：交流电压表内应该有两套整流电路，流进电压表的电流是交流，但经过一个整流电路成为直流电流后再用表头测量，然后再通过另一个整流电路转化成交流再流出去。
实验5：若把交流电表换成量程相同的直流电压表接入如图6电路。测量交流电源的有效值。
实验结果：无论直流电压表正接、反接均无示数。
矛盾点：在课堂上我们看到：手摇发电机发电时，连接在发电机上的灵敏电流计指针会左右摆动，现象不一致。
实验6：若接成图7电路，用直流电压表测量电阻R两端的电压；
实验结果：直流电压表有示数，且无论电压表正接、反接示数大小均相等，比交流电压表测得的电压值小，小于
，如表4。
分析与发现：(1)接在手摇发电机上的灵敏电流计指示交流电的方向，并左右摆动，是在摇动发电机的频率很慢时现象明显，摇动稍微快一点，电流计指针就不再摆动，就停在某个位置附近抖动。家庭照明电路交流电的频率是50Hz，这个频率对直流电压表来说太大了，所以直流电表无反应。(2)图7电路，经整流二极管输出的电流已经是直流脉动电流，所以直流电压表正接、反接均有示数，且读数大小相等。
四、反思
电路图1a与电路图3是不等价的，电路图3中的交流电压表测得电压值才是半波整流后的交流电的有效值。
在中学阶段，分析二极管的工作原理时，均把二极管看成理想状态，重点考核二极管的单向导电特性。实际上：(1)在小电压状态下工作的二极管，其正向导通电压不能忽略。(2)二极管的反向电阻确实很大，若用多用表测量二极管的反向电阻，选择不同的倍率，读出的电阻大小是不一样的，此时的读数已经没有实际意义。(3)温度对整流二极管的正向导通电压有影响，如二极管导通次数较多次或导通时间较长，二极管的正向导通电压就略有不同。
在逐步改进实验的过程中让我对DIS数据采集系统和传感器的认识更加深入。在实验过程中，教学演示电压表的系统误差较大，曾使实验一度陷入僵局，实验结论没有明显的规律。DIS计算机数据采集系统结合电压传感器，很好地弥补了实验的缺陷，DIS强大的信息处理能力，实时、高效的处理数据，使本实验变得直观、准确、高效。直观——在实验平台上选择“示波”，电脑屏幕上立刻显示电压实时随时间变化的波形。准确——从图象上可以很快地作出相关判断，准确地读出数据，通过代换可以很快地换算出交流电的有效值。高效——选择“保存图象”，使实验数据的分析不受时间、空间限制。
总之，这个案例使我对一个词“教学相长”的理解更加深刻，使我对学生“质疑”的火花更加重视，使我对“理论源于实践，又高于实践”的真理体验更加真切。