“自制四端低值電阻”開放實驗教學的實踐

王 婷, 田俊紅

(蘭州交通大學 數理學院, 甘肅 蘭州 730070)

“自制四端低值電阻”開放實驗教學的實踐

王 婷, 田俊紅

(蘭州交通大學 數理學院, 甘肅 蘭州 730070)

將自制四端低值電阻的標定用于開放實驗中,不僅可提高學生綜合使用實驗儀器及動手的能力,還可加深學生對測量不確定度理論知識的理解。實驗中讓學生自主選擇制作材料、實驗器材、設計實驗電路、確定實驗方法。用非等精度測量法測量自制四端低值電阻。應用測量不確定度理論,采用加權平均法,給出測量結果的不確定度。開放模式的實驗教學設備利用率高、實驗效果好,有利于培養學生的實踐和創新能力。

開放實驗； 低阻值； 非等精度； 不確定度

實驗教學對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有特殊作用[1]。開放式實驗教學模式提供了探究的、自主的學習方式和教學環境。在強化專業核心課程實驗的基礎上,以給學生提供一個知識系統全面、時間自主開放的實驗平臺為目的,構建了適合開放的實驗內容。學生運用所掌握的知識選擇或提出實驗項目、設計實驗方案、選擇實驗儀器、搭建電路、觀察現象、排除故障、分析數據、獲得結論。在專業實習期間由學生自由選擇實驗項目,可完全脫離實驗指導書,不再局限于某種實驗方法或儀器設備的操作使用。實驗綜合性較強,內容涉及面廣,學生可進行產品設計、工藝方案的優化、原型的制造及最終產品的成形。學生在實驗過程中得到的訓練是多方面的。開放實驗能最大限度地發揮學生的主觀能動性,激發學生的實驗熱情,提高他們的實驗興趣,使學生真正參與到實驗中來,更好地培養創新和動手能力,提升學生分析問題和解決問題的能力[2-3]。“自制四端低值電阻”實驗項目是專業實習的專題實驗項目之一。

1 需求分析、方案設計

“自制四端低值電阻”開放實驗是基于專業生產實習而設計的,是專業實習的專題實驗項目之一,專業實習的專題實驗項目每3～4人一組。實驗內容既來源于、服務于專業核心理論課程教學,又反映出大學物理實驗課程的教學目標。不確定度表明的是被測值的分散性,無法準確獲知以便對測量結果進行修正的一種未定系差,該值大致范圍只能憑借經驗或儀器的生產廠家提供。為充分利用實驗教學中心的實驗室資源,給出電橋、銅絲、電位差計、標準電阻等器材,以非等精度、低阻值、不確定度為關鍵詞的自主開放性實驗項目。由學生設計實驗并給出結果,用不同方法、不同儀器進行測試自制四端低值電阻。應用測量不確定度理論,對不同測量方法測量值的不確定度進行定量分析。

1.1 查閱文獻、設計實驗方案

這一過程增強了學生自我汲取知識的能力和科學思維能力。查閱相關文獻可知:將漆包銅絲根據四端鈕直流標準電阻器電氣原理,在塑料或陶瓷骨架上繞制線圈并在同一端分別引出2個端子,即四端鈕,可得到四端電阻[4-6],如圖1所示。實驗方案設計流程如圖2所示。經項目小組討論分析制作出實物成品,用不同型號的電橋及標準電阻器,對自制的四端低值電阻進行測量,評定不確定度。

圖1 四端鈕直流標準電阻器電氣原理圖

圖2 實驗方案設計流程圖

1.2 數學模型

被測電阻的實際值可表示為(v表示不確定度)

(1)

(2)

2 選擇儀器和測量方法

此過程必須經過分析、比較、總結、歸納等積極的思維活動。雙臂電橋屬于一次平衡測量,讀數直觀、方便。用DHJQ-3型非平衡電橋實現雙臂電橋,配用不同精度的直流電阻器,采用不同設置進行測試。實際操作時對比較臂采用由大到小的檔位,為保證等精度測量,調節讀數盤時統一由小到大逐位調節。此方法為間接測量。標準電阻是作為復現電阻單位的計量器具[7]。對電阻的測量方法有多種,測量精度取決于使用的儀器。要達到高精度的測量,必須遵守同標稱值測量的原則[8-9]。

獲得被測電阻的數值有2種方法[10]:計算法和直讀法。采用計算法時,需用儀表分別測出比較臂的電阻,由公式(1)計算得出。直讀法是從儀器上直接獲得測試值。電橋法測量是用電橋作為測量儀器,應用電橋線路測量電阻的方法是最基本的測量方法,其優點是當電橋完全平衡時,不受電流變化的影響[11]。為保證精度,采用雙臂電橋測量小電阻。將自制的四端電阻采用非等精度測量法進行測試,分析測量結果。

3 搭建電路、實驗操作

此過程可以通過觀察、分析現象、排除實驗故障,訓練學生的實際動手能力。用DHJQ-3型非平衡電橋實現開爾文電橋功能,分別取BZ3型1 Ω標準電阻、ZX-10型模擬標準電阻1 Ω檔,設置不同的R1(R2)橋臂電阻值,調節R3橋臂電阻,使數字檢流計讀數為0,等精度測得一系列值如表1、表2所示。

表1 用BZ3型標準電阻測量數據 室溫16 ℃

表2 用ZX-10型模擬標準電阻測量數據 室溫16℃

由雙臂電橋設計理論可知,橋臂電阻R1及R2取值越大,被測電阻越精確。在此將橋臂電阻R1取值由9 000 Ω增加到11 000 Ω進行測試比較,測試數值見表3所示。

表3 用BZ3型標準電阻改變R1橋臂測量數據 室溫16℃

4 分析數據、獲得結論

4.1 誤差分析

應用誤差理論知識:對表1、表2通過公式(1)計算自制四端電阻的阻值,利用貝塞爾公式求得標準偏差,查表知測量10次時A類因子[12]的數值,確定A類不確定度,B類不確定度為系統誤差即Δ儀,不計標準電阻的不確定度,計算合成不確定度C。表3中測試過程為非等精度測量值,分別對每次測量結果求合成不確定度,根據非平衡電橋使用說明書中允許誤差[13]知測量范圍在0.1～1 Ω時,誤差為0.5%,則由間接測量的相對不確定度理論分析,計算出合成不確定度。經分析計算被測電阻表示如下:

R1=(0.205 1±0.002 0)Ω

R2=(0.205 3±0.002 1)Ω

R3=(0.203 5±0.001 2)Ω

當待測量是用不同方法或不同準確度儀器測得的,這些測量值為非等精度測量值,從這些測量值求最佳估值的方法叫加權平均。對上述3種不同的測量方法測得的電阻值進行加權(p1、p2、p3)平均,可以得到

p1:p2:p3=u2(R2)·u2(R3):u2(R1)·u2(R3):u2(R2)·u2(R1)

4.2 結果表示

依據傳統不確定度有效數據的保留方法:首位非零數≤3取2位、首位非零數>3取1位。則被測電阻測量結果表示為R=(0.204 3±0.001 0) Ω，室溫16 ℃。

5 結語

開放實驗教學重視工程實踐實訓和提高運用現代新技術、新方法探索知識的能力,是提升工科教學質量和人才培養質量的有效措施。“自制四端低值電阻”開放實驗項目,通過選材制作成品,選用標準電阻及電橋完成數據測試,利用Excel軟件用加權平均法對測試數據進行測量值的不確定度評定,最終完成標定過程；實際測試時對自制的同一成品在不同溫度下進行,測試結果顯示:19 ℃時電阻為R=(0.179 2±0.001 1)Ω,16 ℃時電阻為R=(0.204 3±0.001 0)Ω。可以看出隨溫度升高銅絲電阻值減小,與理論一致。實踐證明，開放式實驗教學對于學生開闊視野、拓寬思路、激發靈感、提高綜合素質具有特殊作用。

References)

[1] 武高輝,楊韜,趙希文,等.本科生創新精神與實踐能力培養體系的構建與實踐[J].高等工程教育研究,2002(3):21-23.

[2] 鄧曉燕,馮太合,孫宗海,等.“過程控制儀表與裝置”實驗教學改革與實踐[J].自動化與儀器儀表, 2015(9):151-152.

[3] 毛有武,余曉武,謝明立,等.材料工程開放模式實驗教學與實踐[J].實驗室研究與探索,2011,30(9):245-247.

[4] 謝響明.直流標準電阻器的聯接方法及分析計算[J].裝備制造技術,2010(7):56-57.

[5] 林騏.低阻值四端鈕直流標準電阻器的并聯和計算[J].電測與儀表,1998(10):25-26.

[6] 路潤喜,劉燕虹,李繼東,等.低溫度,等系數標準電阻器的研制[J].儀器儀表學報,2007(增刊1):388-391.

[7] 李瑞堅,蔡小宏.標準電阻自動檢定裝置測量值的不確定度評定[J].計量與測試技術,2014(8):85-87.

[8] 夏燕芬.標準電阻測量結果不確定度分析報告[J].工業計量,2012(增刊1):238-240.

[9] 譚波.小阻值標準電阻的數字化檢定[J].計量技術,2006(2):41-43.

[10] 譚波,龍燕,唐桂蘭,等.源表法檢定標準電阻[J].計測技術,2010(6):32-34.

[11] 曹智,羅敏,于靈.直流標準電阻器(0.005級及以下)校準結果測量不確定度評定[J].計量與測試技術,2013(9):95-96.

[12] 周珺,王婷.工科物理實驗教程[M].北京:高等教育出版社,2013.

[13] 杭州大華儀器制造有限公司.DHQJ-3型非平衡電橋使用說明書[Z].

Practice on open experimental teaching of “Self-made four-terminal low-value resistor”

Wang Ting, Tian Junhong

(School of Mathematics and Physics, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

The calibration of the “Four-terminal low-value resistor” is used in the open experiment, which can not only improve the students’ comprehensive use of experimental instruments and their hands-on ability, but also deepen their understanding of the theoretical knowledge of measurement uncertainty. In the experiment, the students are allowed to choose the materials and experimental equipment, design the experimental circuit, and determine the experimental methods by themselves. The unequal precision measurement is used to measure the “Self-made four-terminal low value resistor”. The uncertainty theory of measurement and the weighted average method are applied to obtain the uncertainty of the measurement results. The experimental teaching equipment with the open mode has the high utilization ratio and the good experimental effect, which is beneficial for training the students’ practical and innovative ability.

open experiment; low resistance value; unequal precision; uncertainty

O4-8；G642.423

: A

: 1002-4956(2017)09-0185-03

2017-03-15

甘肅省自然科學基金項目(148RJZA027)；蘭州交通大學實驗教改項目(201623)

王婷(1973—),女,寧夏中寧,碩士,講師,主要從事大學物理實驗教學.

E-mail:wt1234222@sina.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.046