基于LabVIEW的测量伏安特性曲线的实验演示

江伟欣 吴先球

(1. 华南师范大学物理与电信工程学院，广东 广州 510006； 2. 华南师范大学物理学科基础课实验教学示范中心，广东 广州 510006)

测量小灯泡的伏安特性曲线是高中物理电学基础实验之一.[1]学生在初中时已经接触过滑动变阻器的限流式，但在理解分压电路上有一定的困难.[2]利用实验探究式教学可引导学生在观察实验的过程中自然生成物理规律，亲历物理观念建构过程，帮助学生理解物理原理.[3]

本文设计了一个基于LabVIEW及DAQ数据采集系统的实验教学装置，通过电路设计和连接，DAQ对数据的采集，LabVIEW对数据的处理，可用于课堂上切换实验电路，对电流表内外接法及分压限流电路进行实验探究，并实时描绘元件的伏安特性曲线，可用于探究式教学课堂上进行实验演示.

1 实验装置的整体设计

描绘伏安特性曲线实验主要探究电流表内外接法及分压限流电路的特点及适用条件，描绘元件的伏安特性曲线.

为了提高课堂实验演示的效率，实验装置的整体设计如下.

(1) 集成分压限流电路.电路选择如图1(a)所示，当fg断开时为限流电流，当fg导通时为分压电路，即只要调整一根导线就可快速切换分压限流电路，方便教师操作演示实验，同时加深学生对分压限流电路的理解.

(2) 灵活调整电流表内外接法.如图1(a)所示，当电压传感器接在ab两端为电流表外接法，当电压传感器接在ae两端即为电流表内接法，即同样只要调整一根导线即可实现电流表内外接法的转换，使实验演示更为方便快捷，实操性强.

(3) 灵活拆卸待测元件.如图1(b)所示，实验装置中利用香蕉插头及接线座固定元件，只要将与元件连接好的香蕉插头插进电路中的接线柱即可对元件进行测量，也可灵活拆卸更换电路元件，实现在一个电路板上测量不同元件的功能.

(4) DAQ实时采集数据.利用NI myDAQ数据采集系统同时测量电路中的电压和电流值，有效提高数据测量的时效性和准确性.

(5) LabVIEW处理实验数据.利用LabVIEW软件将实验数据记入表格并描绘出元件的伏安特性曲线，取代传统的手工作图方法，提高数据处理分析的时效性和科学性.

(a)装置原理图

(b)实物装置图

2 实验演示及分析

2.1 实验演示限流及分压电路

断开fg两端使电路为限流电路，闭合电路开关，点击“开始采集”，从计算机操作面板上看到实时电流电压值，不断调节滑动变阻器并点击“记录数据”，将实时数据记入表格中，点击“描点”将多个数据点描在坐标图中，如图2所示为限流电路得到的数据描点图.随后，断开开关，连接fg，将电路调整为分压电路，重复相同操作即可得到分压电路的数据描点图，如图3所示.

图2 限流电路得到的数据点

图3 分压电路得到的数据点

结果显示，利用限流电路得出来的数据点都集中在坐标系的一个角落中，即滑动变阻器并不能很好地改变待测电阻上的电压，而在分压电路中测得的数据点就可以大范围均匀地分布在坐标系中.可以让学生从图表中“看到”限流电路和分压电路的区别，加深了学生对两种电路的理解.

2．2 实验演示电流表内外接法

将电压传感器接在ab两端即电流表外接时，闭合电路开关，点击“开始采集”获得电流表外接时电压电流数据，紧接着调整电压传感器使其接在ae两端即电流表内接，重复操作获得电流表内接法时电压电流数据.实验数据如表1所示.

表1 电流表内外接法电压电流值

通过比较电流表内外接法时的数据，让学生清楚地看到电流表位置的变化会影响电压电流值的变化，打破学生在初中时对“理想电表”的认识.

2．3 测量电阻的伏安特性曲线

将待测电阻固定在电路板上，闭合电路开关，点击“开始采集”，不断改变滑动变阻器滑片位置并点击“记录数据”将多组实验数据记入表格，点击“描点”将数据点描在坐标图中，点击“数据拟合”得到如图4所示电阻的伏安特性曲线，并得到拟合直线的斜率的倒数即电阻值.

图4 电流表外接法下获得的电阻伏安特性曲线

利用电流表外接测得电阻的阻值约为33 Ω，利用电流表内接测得的阻值约为36 Ω，即可通过本实验演示验证“内大偏大，外小偏小”的规律，加深学生对实验规律的理解.

同时利用多用电表测量得到电阻阻值约为34 Ω，计算得到本实验装置测量的电阻值相对误差为δ=2.5%，不确定度uA=0.58，即本装置能较为精准地测量电阻值.

2．4 测量小灯泡的伏安特性曲线

断开电路开关，将电阻元件拆卸下来，换上连接好香蕉插头的小灯泡元件，闭合电路开关，点击“开始采集”，不断改变滑动变阻器滑片位置并点击“记录数据”将多组实验数据记入表格，点击“描点”，即可测量小灯泡的伏安特性曲线，如图5所示.可以直观的看到小灯泡的伏安特性曲线不再是一条直线，而是弯曲的曲线.并且可以从图线的趋势中看到小灯泡的电阻是越来越大的.[4]

图5 小灯泡的伏安特性曲线

3 结束语

在教学应用的角度上，本实验装置在电路的设计上集成了电流表内外接法及分压限流电路.在课堂上通过改变一根导线即可切换实验电路，加深学生对电路结构的认识，提高课堂实验演示的灵活性.同时利用LabVIWE可实时描绘元件的伏安特性曲线，增强数据处理的时效性，提高课堂效率.