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

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
的实验测量和探究
作者学校
作者姓名
指导教师老师
研究时间 2015.9.15~2015.11.15
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
目录
摘要 (I)
正文 (2)
1 引言 (2)
1.1问题的提出 (2)
1.2研究的目的 (2)
1.3研究现状综述 (3)
1.4研究的意义 (3)
2 研究内容 (4)
2.1实验对象 (4)
2.2实验仪器和配套设备 (4)
2.3实验地点 (6)
2.4研究步骤以及相关数据记录 (6)
3 研究结果及其分析 (9)
4 结论 (11)
参考文献 (12)
摘 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50%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()T R 随着温度变化的公式())1(0T R T R ∆+=α，0-13C 105.4T T T -=∆︒⨯=-，α，其中α为金属钨的电阻温度系数，0R 为钨丝0℃的电阻，T 为钨丝的实际温度，C T ︒=00,利用这个公式可以很容易反推算出的理论灯丝温度[1]，即
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-=1)(10R T R T α 同时，这个理论值对比专业设备光谱仪直接实测的灯丝温度'T ，在接近额定电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())1(0T R T R ∆+=α只适合于接近额定电压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。

正文
1 引言
1.1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HR2000+光谱仪直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
R，深入了解这一常见生活律，实测验证钨丝灯泡钨丝的电阻温度电阻公式()T
用品背后的物理知识，
1.2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：
1、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小，形成这种物理现象的本质是钨丝电阻()T R 是随着温度T 变化的，满足 ()0-130C 105.4),1(T T T T R T R -=∆︒⨯=∆+=-，αα,
C T T C R ︒=︒0000为灯丝实际温度，的钨丝电阻，是,这些信息我通过查阅物理课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
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[1][3]，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()T R 的随温度T 变化的物理特性，并根据
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
()T R.
2 研究内容
2.1 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 实验仪器和配套设备
图2.精度0.5的直流电流表1个，直流电压表1个；
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
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
2.4.1 电路原理图设计
额定电压/功率为24V/15W 规格钨丝灯泡根据公式P
U R 2
=初步估计电阻分别为Ω4.38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，原理图如图7所示：
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
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Ω8.3,根据公式())1(0T R T R ∆+=α带入，可以算出0℃时钨丝灯泡的钨丝电阻,55.36
.150045.01)6.15(0Ω≈⨯+=
R R 所以对应的钨丝温度T []1)(282.02.222155.3)(0045.011)(10-≈⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=⎥⎦
⎤⎢⎣⎡-=T R T R R T R T α℃
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，将光谱仪的测试口对准灯丝，读出对应的温度，如表1所示：
表1.24V/15W灯泡数据
3 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：
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：
图11. 24V/15W灯泡的电阻大小随着灯丝实测温度变化曲线图
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
())1(0T R T R ∆+=α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，
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'T 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：
图12.灯丝温度随电压变化曲线理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())1(0T R T R ∆+=α只适合于接近额定电压附近情况此时钨丝灯泡发光的温度大约在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。

4 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50%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，利用公式推算的灯丝温度，和专业设备光谱仪直接实测灯丝温度'T ，在接近额定电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，经过思考，我认为教科书上的钨丝灯灯丝电阻随温度的公式())1(0T R T R ∆+=α只适合于接近额定电压附近情况，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。

通过这两个多月的时间的实验，我学习到了很多关于钨丝灯的物理知识，也许会了很多使用新的现代化专业设备的基本方法，关于钨丝灯的特性，虽然已被人们了解的比较多[4]，但是很多微观细节上的问题，需要人们进一步研究。

参考文献
[1] 强守仁,白炽电灯的灯丝电阻和实际电功率,《物理教学》[J],1991年01期,16-17;
[2] 周柳萍，朱超挺，何娣等，节能灯的紫外辐射防护方法研究.《中国照明电器》[J], 2011, 06期(06):1-4;
[3] 赵兴华，何其荣，对白炽灯在不同电压下阻值变化的实验探究，《物理通报》[J].2015年第7期，126-127;
[4] 王志清，白炽电灯十问，《物理》[J].2009年第三期，21-24；。