串并联电路电压特点科学实验探究

串并联电路电压特点科学实验探究

串并联电路电压特点科学实验探究

串并联电路电压特点科学实验探究

2015-05-26

物理论文

串并联电路电压特点科学实验探究

串并联电路电压特点科学实验探究

林兰

（浙江省杭州市景芳中学）

摘要：众所周知，在科学实验中，误差不可避免，只能减小。然而，在研究“串、并联电路电压特点”的实验中发现，不仅实验所得的数据与书上所给出的结论相悖，而且存在的误差十分之大。在惊讶之余，产生了这样的疑问：为何会存在这么大的误差？是什么原因造成的？对实验中所用的导线与开关是否是零电阻产生了疑问，对此展开了一系列的实验探究……

关键词：串联；并联；电压；误差；实验

一、背景分析

在八年级上册的科学课本中，有许多不同的实验，在这些实验的操作过程中，我们会发现许多问题，而如何在课余时间科学合理地探究在实验操作过程中所遇

到的问题，也成为我们在课后自主学习与探究的重点与难点。

探究串并联电路电压特点的实验是八年级上学期科学电学部分的一个较为重要的实验，此实验所得的结论与欧姆定律相结合的题目是此学期科学电学部分的一个难点。而当学生在学校的实验室中按课本上的指示进行此实验、记录实验所得数据时，发现在串联电路实验时U1+U2 U电源，并联电路也存在着U电源不等于U1不等于U2，并且U1，U2都比电源电压要小一点的问题。这与我们课本上的串联电路电源电压等于各用电器电压之和，并联电路U1=U2=U电源这一结论不相符合，为此我们对实验进行了进一步的探究，去寻找实验中存在误差的原因。

二、实验探究

我们知道误差是测量值与真值之差异。在物理实验中离不开对物理量的测量，在不考虑温度因素的情况下，由于仪器、实验条件、环境等因素的限制，物理量的测量值与客观存在的真实值之间总会不可能避免地存在着一定的差异。当前中学物理实验室所用的直流电表大部分都是磁电式电表，由于自身制造存在着较大的误差，根据技术标准为2.5级的电表，每次测量电表自身允许误差不超过量程的2.5%，即允许的最大误差≤量程×2.5%。超过这一误差就是误差比较大了，如用一个量程为3V的电压表，其允许的最大误差是3×2.5%=0.075V，在实验时在两个量程都能选择的情况下，我们往往要选择小量程，因为当指针越靠近量程时，测出来的值越精确。而我们在做串、并联电路的实验过程中，由实验数据发现存在误差，得到以下数据（如表一、表二所示）

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：

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

：电压表1只、小灯座2个、小灯泡2个、10Ω电阻2个、干电池3节、开关1只、导线若干。

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。

（3）将电压表依次接在电源负极到L1、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。

（4）更换不同类型的导线，再次重复以上步骤，记录数据。

（5）将小灯泡更换为10Ω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+U2 U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

电压表1只、小灯座2个、小灯泡2个、电阻为10Ω2个，3节干电池、开关1个、导线若干。

（1）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。（2）根据电路图，连接完成电路。先用灯泡并联。

（3）分别三次把电压表并联接入线路中：