自动绘制电阻的伏安特曲线的装置

一、原理

使用器材：电源、开关、小灯泡、滑动变阻器、电流传感器，电压传感器，主板，扩展板，电池，两块LED显示屏。

实验过程：采用电压传感器和电流传感器直接测出电路中的电压、电流，同时通过编程，将电压和电流值显示在LED显示屏上，避免了学生读数发生错误，当我们每隔2秒移动一次滑动变阻器，LED显示屏就改变一次数据。我们设定采集数据上限为20组，每采集一组数据，计算机屏幕上就画一个点，采集20组以内的数据，准确描绘小灯泡的伏安特性曲线。

我们应用了控制变量法，通过改变接入电路中的滑动变阻器的电阻值，改变小灯泡两端的电压和电路中的电流，同时使用mind+开源软件描绘伏安特性曲线。影响导线电阻大小的因素有：材料、长度、横截面积，外界因素是温度。当小灯泡两端的电压变大时，灯丝的材料、长度、横截面积都没有发生变化，只有灯丝温度升高了，导致钨丝的电阻增大，电流与电压不成正比，因此它不是一条经过原点的直线。小灯泡的灯丝电阻随温度的升高而增大，不是固定值，所以图像是一条经过原点的曲线。

二、创新点

创新点：

一是如何使用电压、电流传感器自动采集电压、电流值；

二是如何将采集到的数据传输到计算机中；

三是利用计算机如何实时自动生成伏安特性曲线图像。

三、难点

我们将电路图中的电压表和电流表用电压传感器（0-5V）和电流传感器（0-3A）代替，市面上现有的电压传感器大多数参数为（80V,200A），18V以下要通过独立供电实现，比较麻烦，我们通过对京东、天猫、淘宝、DFROBOT、等多平台的海量搜索，最终找到了一款适合我们的电压和电流传感器。通过连接2个显示屏，直接将数据显示出来。

四、学科知识应用情况

本设计的思路创设，是利用了电压、电流传感器自动采集的原理。

本设计的实现过程，是利用了开源软件Mind+实现的。

本设计的绘图系统，不仅利用了普通物理实验器材，如：电源、开关、灯泡、滑动变阻器、导线；而且利用了开源硬件，如：主板、扩展板、电流传感器、电压传感器、LED显示屏。

五、应用展望

本项目未来的应用展望是在课堂上快速为我们绘制各种电学元件的伏安特性曲线，包括定值电阻，小灯泡，发光二极管，光敏电阻，热敏电阻。我们可以对它们的图像进行比较，研究不同元件的电阻阻值发生变化的原因。

六、进一步完善该项目的设想

我们通过增减干电池的数量来改变电源电压，换用不同规格的小灯泡多次实验，使实验结论具有普遍性，避免偶然性。我们选购了额定电压为1V，2.5V，3.8V，4.5V，6V的小灯泡，可以描绘出不同规格的小灯泡的伏安特性曲线，加以比较，得出普遍结论。同时我们可以将小灯泡换成发光二极管来描绘发光二极管的伏安特性曲线，我们可以将发光二极管的伏安特性曲线与小灯泡的伏安特性曲线加以比较得出相应的结论。两者的图像走向正好相反，为什么会出现截然相反的两种不同的图像呢？白炽灯利用了灯丝电阻电流的热效应，使灯丝温度上升到白炽程度而发光的，发光二极管是靠PN结中的原子跃迁发光的。同时，我们注意到发光二极管具有单向导电性，需要毫安或微安级的电流传感器。

该项目的设计仅是对探究--小灯泡的电功率实验课后拓展的一个改进，我们设想，将小灯泡换成其他电学元件，根据伏安特性曲线了解元件的阻值在不同温度、光照条件、压力条件如何变化，更好的利用它们的特性，实现温度自动控制、压力自动控制、光照自动控制和实现远距离操作。

七、项目说明

1.器材展示图