伏安特性曲线在解题中的运用

摘要伏安特性曲线在解题中的运用专业：综合理科教育学号：201003113018姓名：卢小凡指导教师：冯春杰摘要图像能形象地表达物理规律，能直观地描述物理过程，能鲜明地表示物理量之间的关系及变化趋势，伏安特性曲线图的特点是形象、直观、鲜明。伏安特性曲线常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，以I-U图像叫做导体的伏安特性曲线图。这种图像是物理学中常用的图像法之一。是物理学中用来解决物理问题的一种方法及手段。由于在物理学中的广泛运用。本文认为，伏安特性曲线在科学理论和实践的基础上，大大的简化了解题中的困难。关键词：伏安特性曲线解题过程运用摘要目录目录摘要................................................................................................11前言.................................................................................................42影响伏安特性曲线的因素.............................................................53伏安特性曲线的适用范围.............................................................64分析伏安特性曲线的优缺点.........................................................75伏安特性曲线在解题中的运用.....................................................85.1伏安特性曲线在二极管中的运用...............................................85.2伏安特性曲线在电路中的运用.................................................105.3伏安特性曲线在PN结中的运用...............................................106结论...............................................................................................13参考文献..........................................................................................14致谢..............................................................................................151.前言1.前言伏安特性曲线常用纵坐标表示电流I、横坐标表示电压U，以此画出的I-U图像叫做伏安特性曲线图。它是物理学常用的图像法之一。它有着广泛的应用，特别是用在解题中有着极其重要的意义。在物理学中它不仅运用在解决二极管、PN结中的问题(如：模电问题)。而且还用于解决电路中等多方面的问题。伏安特性曲线是图像方法之一，图像在中学物理中应用十分广泛[1],是分析解决物理问题的一种有效手段,许多时候运用伏安特性曲线解题可大大简化解题过程,使某些难题迎刃而解,以达到事半功倍的目的[2]。从初中开始一直到大学都学习物理学中相关的知识，起初自己一直对物理这一门学科充满好奇心听别人说学起来很有趣。但是后来自己再怎么努力还是学不好物理，但是自己从来没有放弃对它的学习。可能是和物理有缘吧！大学物理学成为我的专业知识。经过自己的努力，物理逐渐学好啦！因而更激起我学习的欲望。在学习的过程中，我就对伏安特性曲线有了兴趣因为发现它在解决物理学中的相关问题都有着广泛的运用。2.影响伏安特性曲线的因素2.影响伏安特性曲线的因素常见导体的电阻率-物体电阻计算公式:R=ρL/S,其中,L为物体长度,S为物体的横截面积,比例系数ρ叫做物体的电阻系数或是电阻率,它与物体的材料有关,而影响物体材料电阻率的因素很多，一般金属材料的电阻率随温度的升高而增大，而半导体材料的电阻则与之相反，随温度的升高而减小[2]。而以一个实验为例，探究伏安特性曲线的因素。由于电流增大，小灯泡的功率也增大，温度升高，电灯丝材料的电阻率增大，因此电灯丝的电阻增大，所以灯丝电阻并不是一个定值。由于电流越大，灯丝电阻越大，它的伏安特性曲线(I－U图线)。由此图表明；非纯电阻的伏安特性曲线并不是一条直线，在该曲线上，任意一点与原点连线的斜率表示该点(在此电压与电流下)的电阻的倒数，斜率越小，电阻越大。根据串联电路的性质，通过逻辑推理，可得出电阻与导体的长度成正比；根据并联电路的性质，通过逻辑推理，可得出电阻与导体的横截面积成反比[3]。3.伏安特性曲线的适用范围3.伏安特性曲线的适用范围伏安特性曲线的适用范围也即是欧姆定律的适用范围。它适用于是纯电阻电路也就是说电能全部是用来产生热能。过原点的直线那是说明电阻是个定值，电阻就是斜率K。小灯泡的电阻随温度的升高电阻变大，这个是电阻随温度变化的规律，这个变化跟欧姆定律无关的，但每一点的电阻都是可以用欧姆定律求出来的，这个电阻就是该点的斜率。符合欧姆定律的伏安特性曲线不一定是直线，伏安特性反映的是电阻随温度的变化。如果电阻是定值那曲线就是条直线，如果电阻是变化的，那么它就是条曲线。小灯泡的电阻是随温度变化的，但小灯泡的电阻是纯电阻，所以可以通过欧姆定律求出它每一点的电阻，画出的特性曲线来。4.分析伏安特性曲线的优缺点4.分析伏安特性曲线的优缺点用伏安特性曲线的方法去解决相应的电路问题一般分为外接法和内接法。而内外接法都具有个自的优缺点，即是伏安特性曲线的优缺点。内接法适用于测大阻值电阻(如b图），外接法适用于测小阻值电阻（如a图）。内接法依据串联分压原理可知，由于电流表的电阻较小，分压值较小，外接法依据并联分流原理可知，由于电压表的电阻较大。分流值较小伏安法测电阻缺点是精度不很高，但所用的测量仪器比较简单，而且使用也方便伏安法测电阻无论外接还是内接都存在误差,而选择外接或内接是为了尽可能的减小误差，而Rx2=Ra×Rv，RX在误差允许范围内等于临界。当RX2Ra×Rv，选择内接，当RX2Ra×Rv,选择外接即大内小外。而误差的分析,来源于电压表和电流表的分流和分压作用。1.当RX2Ra×Rv时，RX大,若选择外接,此时电压表与Rx相比,大小相当或小于,所以此时电压表存在分流作用，电流表示数不准确，电压表准确。而选择内接，电流表测精确电流，又因为电流表电阻较小，分压作用小，所以此时电压表的误差较小，则选择内接。2.当RX2Ra×Rv时，RX小，若选择内接,此时电流表电阻与被测电阻大小相当,而此时电流表测准确电流，但电流表却与RX有相当程度的分压贡献，所以电压表测的是RXV+RaV,故不准确。而选择外接,电压表精确,又因为电压表电阻较大，分流作用小，所以电压表误差小，选择外接[4]。5.伏安特性曲线在解题中的运用5.伏安特性曲线在解题中的运用图像能形象地表达物理规律，能直观地描述物理过程，能鲜明地表示物理量之间的关系及变化趋势，因此，图像在中学物理中应用十分广泛，是分析解决物理问题的一种有效手段。伏安特性曲线包括电阻的伏安特性曲线和电源的伏安特性曲线，许多时候运用伏安特性曲线解题可大大简化解题过程，使某些难题迎刃而解，以达到事半功倍的目的[5]。5.1伏安特性曲线在二极管中的运用在二极管的伏安特性曲线中，由于二极管加正向电压和反向电压时呈现出不同的状态,所以我们分正向伏安特性和反向伏安特性来说明。对二极管施加正向偏置电压时，则二极管中就有正向电流通过(多数载流子导电)，随着正向偏置电压的增加，开始时，电流随电压变化很缓慢，而当正向偏置电压增至接近二极管导通电压时，电流急剧增加，二极管导通后，电压的少许变化，电流的变化都很大[6]。对器件施加反向偏置电压时，二极管处于截止状态，其反向电压增加至该二极管的击穿电压时，电流猛增，二极管被击穿，在二极管使用中应竭力避免出现击穿观察，这很容易造成二极管的永久性损坏。所以在做二极管反向特性时，应串入限流电阻，以防因反向电流过大而损坏二极管。反向伏安特性曲线该段曲线与横轴重合,说明电压的绝对值增大时,电流始终维持在零。这段曲线所对应的电压区域叫二极管的截止区,一点所对应的电压值叫击穿电压,另一段曲线很陡,说明电压的微小变化会引起电流的很大变化,此时我们称二松管进入了反向击穿状态[7]。关于二极管的伏安特性曲线还有以下几点需要说明:第一,在没有限流措施的情况下,二极管加过大的正向电压或反向电压,都有可能使PN结因流过太大的电流而击穿,造成二极管的永久性损坏,因此加电压时要特别加以注意。但另一方面我们看到,处于线性区和反向击穿区的二极管,均具有电压的微小变化会引起电流的急剧变化的特点,利用这个特点可以使二极管在电路中起稳压作用,但前提是要有限流措施。5.伏安特性曲线在解题中的运用第二,伏安特性曲线所在坐标系横轴的正向和反向刻度是不一样的,也就是说,使二极管正向导通的电压比使它反向击穿的电压小得多。同理,纵轴刻度也是不一样的,因为正向电流比反向电流大得多。5.伏安特性曲线在解题中的运用5.2伏安特性曲线在电路中的运用伏安特性曲线直观形象地反映了电流与电压的变化规律,运用伏安特性曲线(U—I图像或I—U图像)分析讨论某些物理电路问题不仅简单易行,而且可以深刻的理解物理概念和物理规律。但是要注意区分电源的伏安特性曲线与负载的伏安伏安特性曲线,真正理解两种伏安特性曲线。下面用事例来说明两种伏安特性曲线的区别及应用[8]。一、电源和负载的伏安特性曲线在电动势E和内阻r一定的电源两端,接一个阻值为R的定值电阻,组成一个闭合回路。如图1所示,如果用U表示闭合电路的路端电压,I表示通过电路的电流强度,据欧姆定律有以下规律:U=IR;U=E-Er在U—I坐标系上分别画出以上函数的图象,即直线OP和AB,如图2所示,该图象中AB叫做电源的伏安特性曲线,OP叫做负载的伏安特性曲线(当然也可以画I—U图象)。当负载不是定值电阻时,其伏安特性曲线不再是一条倾斜直线而是一条曲线。在实际应用中，常用纵坐标表示电流I，横坐标表示电压U，画出通过导体的电流随加在导体两端电压变化关系的图象称为导体的伏安特性曲线。对于某一金属导体，当温度没有显著变化时，其电阻值是不变的，其伏安特性曲线为一过原点的直线。5.3伏安特性曲线在PN结中的运用在该实验过程中,学生们往往是首次接触到非线性电阻,对实验结果给出的伏安特性曲线的形成原理无法理解。而多数大学物理实验教程中并没有详细地给出伏安特性曲线的形成机理。基于此因,从PN结的导电原理出发,详细地分析了伏安特性曲线的形成机理，理论分析大学物理教学实验中所用的二极管,其主要结构就是一个PN结。半导体中有两种可以导电的载流子:电子和空穴。N型半导体主要靠电子导电,存在少量空穴;P型半导体主要靠空穴导电,存在少量电子。在半导体材料中,如果其中一半是N型半导体,另一半是P型半导体,则在N型和P型的交界处就形成PN结。PN结是P型半导体与N型半导体相互接触时，其交IUOεU1I1IMABCP5.伏安特性曲线在解题中的运用界区域称为PN结。P区中的自由空穴和N区中的自由电子要向对方区域扩散，造成正负电荷在PN结两侧的积累，形成电偶极层。电偶极层中的电场方向正好5.伏安特性曲线在解题中的运用阻止扩散的进行。当由于载流子数密度不等引起的扩散作用与电偶层中电场的作用达到平衡时，P区和N区之间形成一定的电势差，称为接触电势差。由于P区中的空穴向N区扩散后与N区中的电子复合，而N区中的电子向P区扩散后与P区中的空穴复合，这使电偶极层中自由载流子数减少而形成高阻