CN101833030A

CN101833030A - 用于实验教学的测量交流电有效值的装置

Info

Publication number: CN101833030A
Application number: CN201010170561A
Authority: CN
Inventors: 缪庚平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-12
Filing date: 2010-05-12
Publication date: 2010-09-15

Abstract

一种用于实验教学的测量交流电有效值的装置，特点是在外壳正面安装有电阻性元件R1、变阻器R及正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′，变阻器R的一端与电阻性元件R1的接线柱e相连，另一端与一作为接线夹的鳄鱼夹g连接，R1的接线柱f与另一鳄鱼夹g′相连，电阻性元件R1与热效应测量装置的探头相正对，R1的接线柱e、f与示波器相连，鳄鱼夹g和g′能根据实验要求分别夹到三种电源的三对接线桩aa′、bb′、cc′上，热效应测量装置的读数能与电阻性元件R1上电压的有效值成一一对应关系。本技术能充分展示交流电有效值这一抽象概念的构建过程，真正实现交流电有效值的实验教学，有利增强学生的感性认识，结构合理操作方便快捷，实验误差小。

Description

用于实验教学的测量交流电有效值的装置

(一)技术领域

本发明涉及一种电学教具，特别是一种用于实验教学的测量交流电有效值的装置(或称交流电有效值演示器)，适用作高中物理交流电有效值的实验教学演示仪器使用。

(二)背景技术

交流电的有效值是高中物理课程中学生必须掌握的一个知识点，但是在高中物理教学中许多同学很难理解交流电的有效值这一抽象概念，而在中学的物理教学仪器目录中也没有相应的教具，从而制约了这一知识点实验教学的开展，使得同学们无法直观的理解交流电有效值的概念。但众所周知，交流电的有效值是通过电流的热效应来规定的，因此，在教学实践中采用的实验方法是：分别用交流电和直流电给电阻丝供电对水进行加热，同时用温度计测量水的温度变化以此换算成电阻丝由于热效应产生的热量。然而采用上述方法做实验存在以下缺点：一是实验器材不好筹备，且实验操作十分麻烦、费时，实验效率低；二是同时用量热器和温度计测量热量时，实验的误差较大，实验所得的数据难以佐证“交流电的有效值是用电流的热效应来规定的”这一结论。

现有技术中，如专利号为“2004200550573”，专利名称为“交流电有效值测量仪”的技术中公开了一种能够直接测量交流电有效值的仪器，然而它不是用来展示交流电有效值这一概念构建过程的教具，无法用于交流电有效值的实验教学。由于物理是一门实验科学，因此有必要研制出一种较直观又易于理解的演示教具或实验仪，才能方便地用于交流电有效值的实验教学。

(三)发明内容

本发明的目的是要提供一种用于实验教学的测量交流电有效值的装置(或称交流电有效值演示器)，它能够充分展示交流电有效值这一概念的构建过程，有利于增强学生对交流电有效值这一抽象概念的感性认识，具有结构简单、合理，操作方便快捷，实验误差小的显著优点。

本发明是这样构成的，它包括外壳，设于外壳内的电路控制板和外接电源插头，其特征在于：在外壳正面安装有电阻性元件R1、变阻器R及正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′(即接线柱aa′、bb′、cc′)，所述的(滑动)变阻器R的一端与电阻性元件R1的接线柱e相连接，另一端与一作为接线夹的鳄鱼夹g连接，所述的电阻性元件R1的接线柱f与另一接线夹即鳄鱼夹g′相连，所述的电阻性元件R1与热效应测量装置的探头相正对(相对应)，电阻性元件R1的接线柱e、f还与示波器相连，所述的鳄鱼夹g和g′能根据实验要求分别夹到正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′上，实验时，所述的热效应测量装置的读数能与电阻性元件R1上电压的有效值成一一对应关系。

所述的电路控制板包括稳压电源电路、正弦交流电电源电路、直流限流电路、矩形交流电电源电路和实验测量电路。

所述的变阻器R为滑动变阻器，该滑动变阻器R和电阻性元件R1相串联。改变滑动变阻器R的阻值，就可以改变电阻性元件R1上电压的大小：滑动变阻器R的阻值越大，电阻性元件R1上的电压越小。滑动变阻器R的作用是：用来调节电阻性元件R1上的电压大小，以保证每次实验时，三种电源加在电阻性元件R1上的电压有效值相等。

本发明的实验测量原理为：实验时，将鳄鱼夹g和g′分别夹到正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′上，则可以分别用正弦交流电、直流电和矩形交流电给电阻性元件R1供电，调节滑动变阻器R，控制电阻性元件R1上电压的大小，使热效应测量装置上显示的读数相等，由于各物理量成如下一一对应关系：[交流电的电压有效值或直流电的电压值]→[电阻性元件R1电流热效应的强度]→[热效应测量装置上显示的读数]，即：“交流电的电压有效值或直流电的电压值”、“电阻性元件R1电流热效应的强度”及“热效应测量装置上显示的读数”三者之间的各物理量成一一对应关系，故电阻性元件R1在以上三种电源的作用下电流的热效应相等，这样就可以用直流电压值表示正弦交流电和矩形交流电的有效值。

具体实验操作过程如下：实验时，先将鳄鱼夹g和g′夹到正弦交流电输出接线桩aa′上，给电阻性元件R1提供正弦交流电，调节滑动变阻器R，从(与热效应测量装置配合使用的)示波器上读出电阻性元件R1两端正弦交流电的电压最大值U_m，同时记下此时热效应测量装置上的读数N；再将鳄鱼夹g和g′夹到直流电输出接线桩bb′上，给电阻性元件R1提供直流电，调节滑动变阻器R，使热效应测量装置上的读数仍为N，然后从示波器上读出此时直流电的电压值U。由于两次热效应测量装置上的读数相等，说明直流电的热效应和正弦交流电的热效应相等，因此可以用直流电压值表示正弦交流电的有效值。故在误差允许范围内可得出

的关系，即

由此可验证：“正弦交流电的有效值是其最大值的

倍”这一结论。

再将鳄鱼夹g和g′夹到矩形交流电输出接线桩cc ′上，给电阻性元件R1提供矩形交流电，调节滑动变阻器R和矩形波占空比旋钮，使热效应测量装置上的读数仍为N，然后从热效应测量装置上读出矩形波正脉冲的电压U₁和时间T₁及矩形波电压为零时的时间T₂。同理可知，原来的直流电压值U仍可以用来表示此时的矩形交流电的有效值。设此时矩形交流电理论上的有效值为U′，电阻性元件R1的电阻值为R_L，根据交流电的有效值用电流热效应的规定，有：

\frac{U^{' 2}}{R_{L}} (T_{1} + T_{2}) = \frac{U_{1}^{2}}{R_{L}} T_{1} + \frac{0^{2}}{R_{L}} T_{2}

由上式可算出U′的值。故在误差允许范围内会得出U′＝U的关系，即理论有效值与实验有效值(直流电的电压值)相等。由此可验证：“交流电的有效值是用电流的热效应规定的”这一结论。

较之已有的测量交流电有效值装置，本发明具有结构简单合理，操作方便快捷，实验误差小(相对误差小于1％)的显著优点，它利用了物理量的一一对应关系，巧妙地将热效应测量装置的读数相等做为衡量交流电电压有效值和直流电电压值相等的条件，使实验操作方便快捷、准确，提高了课堂实验的演示效率和效果，充分展示交流电有效值这一抽象概念的构建过程，增强学生的感性认识，从而能真正实现交流电有效值的实验教学。

(四)附图说明

图1是本发明的一种结构示意图。

图2是本发明的一种实验测量电路原理图。

在附图中，1～外壳，2～外接电源插头，3～热效应测量装置，4～稳压电源电路，5～正弦交流电电源电路，6～直流限流电路，7～矩形交流电电源电路，8～实验测量电路，9～热效应测量装置上的光敏元件，10～矩形波占空比旋钮，11～电源指示灯，12～电源开关K，R1为电阻性元件(即电阻性元件R1)，V为数字电压表(即数字电压表V)，R2为可变电阻(如10KΩ的可变电阻R2)，VD为光敏元件(光敏二极管VD)。

其中，在上述图2的热效应测量装置3的电路原理图中，该热效应测量装置电路的工作原理是：当电阻性元件R1上的电压有效值增大时，其热效应增强，光敏元件(光敏二极管VD)的阻值变小，10KΩ可变电阻R2上的电压变大，则数字电压表V的读数变大，即数字电压表V上的读数与R1上电压的有效值成一一对应关系。

(五)具体实施方式

参照附图，本发明装置包括外壳1，设于外壳1内的电路控制板及其连接导线，和外接电源插头2，其特征在于：在外壳1正面安装有电阻性元件R1、滑动变阻器R及正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′，所述的滑动变阻器R的一端与电阻性元件R1的接线柱e相连接，另一端与一作为接线夹的鳄鱼夹g连接，所述的电阻性元件R1的接线柱f与另一接线夹即鳄鱼夹g′相连，所述的电阻性元件R1与热效应测量装置3的探头相正对(相对应)，所述的电阻性元件R1的接线柱e、f还与示波器相连，所述的鳄鱼夹g和g′能根据实验要求分别夹到正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′上，实验时，所述的热效应测量装置3的读数能与电阻性元件R1上电压的有效值成一一对应关系。

上述的电路控制板包括稳压电源电路4、正弦交流电电源电路5、直流限流电路6、矩形交流电电源电路7和实验测量电路8。

上述的电阻性元件R1为灯泡、电阻丝等电阻性元件，热效应测量装置3为红外线温度仪或以光敏元件为探头的自制测量装置，当热效应测量装置3是以光敏元件9为探头的自制测量装置时，其光敏元件9与电阻性元件R1相正对。

所述与电阻性元件R1的接线柱e、f相连接的示波器，即示波器与上述的热效应测量装置3配合使用，是用以显示出电阻性元件R1两端的电压波形。

实施例：

参照附图，当电阻性元件R1选用2.5V0.3A的灯泡，热效应测量装置3选用红外线光敏二极管VD为探头的自制测量装置实验时，先将鳄鱼夹g和g′夹到正弦交流电输出接线桩aa′上，给灯泡R1提供正弦交流电，调节滑动变阻器R，从配合热效应测量装置3使用的示波器上读出灯泡R1两端正弦交流电的电压最大值U_m，同时记下此时热效应测量装置3上的读数N；再将鳄鱼夹g和g′夹到直流电输出接线桩bb′上，给灯泡R1提供直流电，调节滑动变阻器R，使热效应测量装置3上的读数仍为N，然后从示波器上读出此时直流电的电压值U。由于两次热效应测量装置上的读数相等，说明直流电的热效应和正弦交流电的热效应相等，因此可以用直流电压值表示正弦交流电的有效值。具体实验数据如下：

故在误差允许范围内可得出

的关系，即

由此可验证：“正弦交流电的有效值是其最大值的

倍”这一结论。

再将鳄鱼夹g和g′夹到矩形交流电输出接线桩cc′上，给灯泡R1提供矩形交流电，调节滑动变阻器R和矩形波占空比旋钮10，使热效应测量装置3上的读数仍为N，然后从示波器上读出矩形波正脉冲的电压U₁和时间T₁及矩形波电压为零时的时间T₂。同理可知，原来的直流电压值U仍可以用来表示此时的矩形交流电的有效值。设此时矩形交流电理论上的有效值为U′，灯泡R1的电阻值为R_L，根据交流电的有效值用电流热效应的规定，有：

\frac{U^{' 2}}{R_{L}} (T_{1} + T_{2}) = \frac{U_{1}^{2}}{R_{L}} T_{1} + \frac{0^{2}}{R_{L}} T_{2}

由上式可算出U′的值。具体实验数据如下：

故在误差允许范围内会得出U′＝U的关系，即理论有效值与实验有效值(直流电的电压值)相等。由此可验证：“交流电的有效值是用电流的热效应规定的”这一结论。

本发明的未述部分与现有技术相同。

Claims

1.一种用于实验教学的测量交流电有效值的装置，它包括外壳(1)，设于外壳内的电路控制板和外接电源插头(2)，其特征在于：在外壳正面安装有电阻性元件R1、变阻器R及正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′，所述的变阻器R的一端与电阻性元件R1的接线柱e相连接，另一端与一作为接线夹的鳄鱼夹g连接，所述的电阻性元件R1的接线柱f与另一接线夹即鳄鱼夹g′相连，所述的电阻性元件R1与热效应测量装置(3)的探头相正对，电阻性元件R1的接线柱e、f还与示波器相连，所述的鳄鱼夹g和g′能根据实验要求分别夹到正弦交流电、直流电和矩形交流电三种电源的三对输出接线桩aa′、bb′、cc′上，实验时，所述的热效应测量装置(3)的读数能与电阻性元件R1上电压的有效值成一一对应关系。

2.根据权利要求1所述的用于实验教学的测量交流电有效值的装置，其特征在于：所述的电路控制板包括稳压电源电路(4)、正弦交流电电源电路(5)、直流限流电路(6)、矩形交流电电源电路(7)和实验测量电路(8)。

3.根据权利要求1所述的用于实验教学的交流电有效值演示器，其特征在于：所述的变阻器R为滑动变阻器，该滑动变阻器R和电阻性元件R1相串联。

4.根据权利要求1所述的用于实验教学的测量交流电有效值的装置，其特征在于：所述的电阻性元件R1为灯泡或电阻丝制成的电阻性元件，热效应测量装置(3)为红外线温度仪或以光敏元件为探头的自制测量装置，当热效应测量装置(3)是以光敏元件(9)为探头的自制测量装置时，该光敏元件(9)与电阻性元件R1相正对。

5.根据权利要求1所述的用于实验教学的测量交流电有效值的装置，其特征在于：所述与电阻性元件R1的接线柱e、f相连接的示波器，是用以显示电阻性元件R1两端的电压波形。