基爾霍夫定律及疊加原理的驗證-實驗報告

./本科實驗報告2015年11月5日實驗報告實驗目的和要求〔必填實驗目的：1、驗證基爾霍夫電流、電壓定律的正確性,加深對基爾霍夫定律的理解。2、驗證疊加定理及其適用范圍。3、掌握萬用表、直流電流表及穩(wěn)壓電源的使用方法。實驗要求：1,基爾霍夫定律實驗研究：實驗電路圖如圖1所示,實驗前先任意設定三條支路和三個閉合回路的電流正方向。分別將兩路直流穩(wěn)壓源接入點路。按照電路板實際情況及要求進行操作。裝訂線將直流穩(wěn)壓源接入電路中,測量各個節(jié)點之間的電壓值,并作出記錄,與計算值相比較,得到相應的實驗所需結果。裝訂線2,疊加定律實驗研究：實驗電路圖如圖2所示,由電壓源,電流源,電阻,穩(wěn)壓二極管組成。在A、B之間接入電壓源,開關S斷開,測量各點電壓與各支路電流,研究電壓源單獨工作時電路各部分狀況,將測量數(shù)據(jù)記錄于表中。將A、B間短路,開關S接通,接入電流源,再次測量各點電壓與各支路電流,研究電流源單獨作用時電路各部分狀況,將測量結果記錄于表中。將電壓源US和電流源IS同時接通,重復上述測量,將測量數(shù)據(jù)記錄于表中。根據(jù)表1中的測量數(shù)據(jù)驗證疊加定律是否成立。將AD中的穩(wěn)壓二極管換成線性電阻,重復以上三步,分析實驗數(shù)據(jù)。〔圖1〔圖2二、實驗內容和原理〔必填實驗原理：裝訂線1,基爾霍夫電流定律〔KCL：對電路中任一節(jié)點而言,應有ΣI=0。裝訂線2,基爾霍夫電壓定律〔KVL：對電路中任一閉合回路而言,應有ΣU=0。3,疊加定理：若干個電源在某線性網(wǎng)絡的任一支路產(chǎn)生的電流或在任意兩個節(jié)點之間產(chǎn)生的電壓,等于這些電源分別單獨作用于該網(wǎng)絡時,在該部分所產(chǎn)生的電流與電壓的代數(shù)和。但是,對于非線性網(wǎng)絡,疊加定律將不再適用,也不能用疊加定律計算或處理功率,能量等二次的物理量。實驗內容：詳見"操作方法和實驗步驟"。主要儀器設備〔必填1,直流穩(wěn)壓電源：HY3002D〔F-3三路直流穩(wěn)壓電源為三位數(shù)字電壓、電流顯示的含有三路獨立的電源輸出的直流穩(wěn)壓電源,其中兩路為0~30V連續(xù)可調,最大輸出電流分別為2A；一路固定5V輸出,最大輸出電流3A。兩路可調電源都可在穩(wěn)壓和穩(wěn)流之間轉換。2,萬用表：MY61數(shù)字萬用表；具有32個功能量程；3位半LCD顯示,最大顯示值為1999；全量程過載保護,自動電源關斷；電池不足指示；適用頻率范圍：40Hz~400Hz。3,直流電流表。4,實驗用電路板?！惨妶D3裝訂線裝訂線〔圖3四、操作方法和實驗步驟基爾霍夫定律實驗研究〔KCL：實驗電路如圖1所示,取ADEFA,BADCB,FBCEFA為閉合回路的電流正方向,I1,I2,I3方向如圖1所示。將Us1=6V,Us2=12V的兩路直流電壓源接入電路。具體方法：用導線連接電源與電路板上電壓源輸入端,調整電源輸出電壓穩(wěn)定為6V,12V。將電流插座接通。用數(shù)字電流表分別測量各支路電流I1,I2,I3,將測量數(shù)據(jù)記錄于表格中,與計算值相比較,驗證基爾霍夫電流定律是否成立?！踩鐖D4具體方法：將電流表兩端導線接入電路,注意電流表接入方向,有時需調整量程。讀取,提取數(shù)據(jù)后需重新連接插座處電路。BBADECF510Ω510Ω1kΩ330ΩUs1=6VUs2=12V510Ω++--I1I3I2R1R3D4R2R5A2A1A3基爾霍夫定律實驗研究〔KVL：實驗電路如圖1所示,電壓源不變。用數(shù)字萬用表測量各節(jié)點間電壓,記錄測量數(shù)據(jù),與計算值相比較,驗證基爾霍夫電壓定律是否成立。具體方法：將萬用表調至直流電壓檔適當檔位,兩端觸筆接觸待測節(jié)點導線〔主要是電阻兩端導線,全程保持電路通路。裝訂線疊加定律實驗探究：裝訂線實驗電路如圖2所示,在A,B間接入10V直流電壓源Us,斷開開關S,測量個點電壓和各支路電流,探究僅有電壓源作用時電路狀態(tài)。記錄測量數(shù)據(jù),測量方法與前一實驗一致。將A,B兩點短路,接通開關S,接入20mA電流源,再次測量各點電壓和各支路電流,探究僅有電流源作用時電路狀態(tài),將測量數(shù)據(jù)記錄于表中?！矊嶒炿娐啡鐖D5〔圖5將Us與電流源Is同時接通,重復測量各電流,電壓等數(shù)據(jù),將測量數(shù)據(jù)記錄于表中,探究電壓源和電流源共同作用時電路狀態(tài)。并根據(jù)測量數(shù)據(jù)驗證疊加定律是否成立?！矊嶒炿娐啡鐖D6將支路AD中的穩(wěn)壓二極管更換為電阻R,其阻值為任務<3>中電壓源Us與電流源Is共同作用時測得的UAD/IAD,重復未更換時的操作,測量Us與Is單獨作用以及共同作用時,電路各點電壓與各支路電流,記錄測量數(shù)據(jù)于表中。根據(jù)測量結果驗證疊加定理是否成立?！矊嶒炿娐啡鐖D7裝訂線裝訂線<圖7>五、實驗數(shù)據(jù)記錄和處理1、基爾霍夫定律實驗研究各支路電流測量值I1〔mAI2<mA>I3<mA>計算值-1.914-5.9887.914測量值-1.92-5.977.86可由電流測量值得：I3=I1+I2各節(jié)點間電壓測量值Us1〔VUs2〔VUFA〔VUAB〔VUAD〔VUCD〔VUDE〔V計算值6.0012.000.98-5.994.04-1.980.98測量值6.0011.990.98-5.954.04-1.950.96可由電壓測量值得：US1=UFA+UAD+UDEUS2=-UAB+UAD-UCD2、疊加定律實驗研究穩(wěn)壓二極管UAC〔VUAD〔VUCB〔VUDB〔VIAC〔mAIAD〔mAICB〔mAICD〔mAUS單獨作用6.575.163.354.755.889.306.100IS單獨作用-6.745.166.77-5.17-6.779.5813.3-20.2US與IS共同作用-0.175.2110.094.69-0.1529.520.1-20.3不妨令,U〔1、I〔1：電壓源單獨作用時的電壓、電流U〔2、I〔2：電流源單獨作用時的電壓、電流U〔3、I〔3：電壓源與電流源共同作用時的電壓、電流由測量數(shù)據(jù)得,UAC〔3=UAC〔1+UAC〔2UAD〔3≠UAD〔1+UAD〔2UCB〔3=UCB〔1+UCB〔2UDB〔3≠UDB〔1+UDB〔2IAC〔3=IAC〔1+IAC〔2IAD〔3≠IAD〔1+IAD〔2ICB〔3=ICB〔1+ICB〔2ICD〔3=ICD〔1+ICD〔2裝訂線將穩(wěn)壓二極管換成線性電阻R〔R經(jīng)計算為176.7Ω裝訂線UAC〔VUAD〔VUCB〔VUDB〔VIAC〔mAIAD〔mAICB〔mAICD〔mAUS單獨作用6.512.563.307.246.414.26.20IS單獨作用-6.752.656.77-2.65-6.714.813.3-20.2US與IS共同作用-0.145.2410.084.67-0.14129.220.2-20.3不妨令,U〔1、I〔1：電壓源單獨作用時的電壓、電流U〔2、I〔2：電流源單獨作用時的電壓、電流U〔3、I〔3：電壓源與電流源共同作用時的電壓、電流由測量數(shù)據(jù)得,UAC〔3=UAC〔1+UAC〔2UAD〔3=UAD〔1+UAD〔2UCB〔3=UCB〔1+UCB〔2UDB〔3=UDB〔1+UDB〔2IAC〔3=IAC〔1+IAC〔2IAD〔3=IAD〔1+IAD〔2ICB〔3=ICB〔1+ICB〔2ICD〔3=ICD〔1+ICD〔2六、實驗結果與分析〔必填1,基爾霍夫定律實驗探究由測量值可發(fā)現(xiàn)：I3=I1+I2US1=UFA+UAD+UDEUS2=-UAB+UAD-UCD可得：在該電路中,基爾霍夫電流定律與基爾霍夫電壓定律成立。2,疊加定律實驗研究接入穩(wěn)壓二極管時,由測量值可發(fā)現(xiàn)：UAD、UDB、IAD三項符合疊加定律,其他各項都不符合疊加定律。接入線性電阻時,由測量值可發(fā)現(xiàn)：所有支路電流和節(jié)點間電壓,均符合疊加定律。由實驗數(shù)據(jù)可得,在任何數(shù)據(jù)中,基爾霍夫定律均成立。而疊加定律僅在線性電路中成立〔如接入穩(wěn)壓二極管電路,在與二極管無關的線性電路中疊加定律成立,流經(jīng)二極管的電流,二極管兩端的電壓等就不符合疊加定律。七、討論、心得心得：這次的實驗不太順利,探究疊加定律時,發(fā)現(xiàn)二極管反向也有不小的電路,原來這個二極管被燒壞了。換上新的二極管后,實驗才繼續(xù)下去。當時,我們已經(jīng)測量了許多的數(shù)據(jù),只能作廢,這反映了我們對這個實驗原理的不熟悉〔實際上,當測出AD間電路符合疊加定律時就應該發(fā)現(xiàn)問題。裝訂線不過,經(jīng)過這個教訓后,我們更加深刻地了解了疊加定律的含義。我們進行了分工,一個負責測量操作,一個負責讀數(shù)計數(shù),提高了速度,總算按時完成了實驗內容。裝訂線這次實驗,和我們電基理論課緊密結合,讓我對相關電路原理有了更為深刻的原理,這些定律不再是冷冰冰的等號,而是觸手可及的科學。思考：1、如果設定不同的電壓與電流參考方向,基爾霍夫定律是否依然成立？成立,基爾霍夫定律與設定的參考方向無關。2、如果電路中含有非線性器件,基爾霍夫定律是否依然成立？是,基爾霍夫定律在任何電路〔線性非線性,直流交流均符合。因為他代表的是電荷守恒和能量守恒。3、與電流源IS串聯(lián)的電阻R4變大或變小時,對電路中各支路的電流有何影響？電阻R4變大,各支路的電流變大；電阻R4變小,各支路的電流變小。〔橋式