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

　　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。

　　【实验器材】：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。

　　【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。

　　（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

　　【实验器材】

　　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。

　　【实验过程】

　　（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：

　　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10Ω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：

　　1.误差产生原因的几种分类

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）电键（开关）会分走少量电压。

　　（4）在连接线路时，由于线头的松紧而造成的误差。

　　（5）初中阶段实验器材本身局限造成的误差。

　　（6）学生在测量过程中读数所造成的误差。

　　（7）电表自身也有电阻造成误差。

　　2.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：

　　（1）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。

　　（2）在连接导线时，要注意接线头要拧紧，以减小实验误差。

　　（3）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。

　　（4）读数时，眼睛正视，要读到估计位，以减小误差。

　　（5）做好正确的数据统计与分析。

　　（6）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——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。