低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究.docx
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低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律的实验测量和探究
论文题目：
低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律
的实验测量和探究
作者学校
作者姓名
指导教师老师
研究时间2015.9.15~2015.11.15
低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度电压变化规律
的实验测量和探究
摘要
该探究性学习成果系统的实测的研究了额定电压/功率分别为24V/15W，24V/5W，12V/5W三种规格的低压直流钨丝灯泡的灯丝电阻R随着灯丝电压变化的规律，以及根据已有公式推算出对应的不同功率下的灯丝电阻发热的温度，并对比利用专业设备HR2000+光谱仪实测的钨丝温度数据进行了探究性的初步分析。
通过实验数据分析，得出钨丝灯泡的灯丝电阻会随着所加直流电压明显改变，当灯丝电压为额定电压大约50%的时候，灯丝的实际电阻为额定电压下灯丝电阻约70%，而且额定电压相同的钨丝灯泡，额定功率越小，灯丝电阻随着电压变化的趋势越明显，同时实验发现，灯泡的亮度会随着电压明显改变，而灯丝的亮度跟灯丝本身的温度息息相关，据分析，这是因为灯丝在不同电压下实际的发光功率也不同，灯丝温度相差比较大，从而发光的效果也会因此改变，根据实验数据测出每个不同大小电压值下钨丝的电阻R，我发现，利用低压直流灯泡灯丝金属钨的电阻
随着温度变化的公式
，
，其中
为金属钨的电阻温度系数，
为钨丝0℃的电阻，
为钨丝的实际温度，
利用这个公式可以很容易反推算出的理论灯丝温度[1]，即
同时，这个理论值对比专业设备光谱仪直接实测的灯丝温度
，在接近额定电压的时候吻合的很好，在电压低温时理论和实际偏离的比较大，说明教科书上的钨丝灯灯丝电阻随温度的经验公式只适合于额定电压附近范围的情况，而在电压刚开始从零增加的时候是不符合的，低温时候的电阻随温度公式根据数据处理EXCEL拟合为。
正文
1引言
1.1问题的提出
钨丝灯泡是比较常见的照明用灯泡，它是利用电流的热效应制成，其工作原理是，当电流通过灯丝（材料一般为钨丝熔点3000℃以上）时产生热量，螺旋状的灯丝不断聚集热量，当温度达到2000℃以上时，就会发出可见光，灯丝温度越高，发出的光就越亮，虽然钨丝灯泡由于发光原理，大量能量用于发热，导致发光效率底下，耗电量比较大，所以逐步被低耗电高发光效率的节能灯，荧光灯等冷光源代替，然而，由于低能耗的节能灯、荧光灯发出的光内含相对比较多的紫外线，对人体体表尤其是青少年视力的影响问题逐步浮出水面[2]，曾经被逐步取代的钨丝灯作为黑体热辐射光源，发出的光有类似太阳的连续光谱性，包含的紫外线比较少，更适合于青少年读书学习的照明用，所以本研究课题本着科学严谨的态度，以我们生活中常见的低压直流钨丝小灯泡为研究对象，用实验的方法测得数据，深入研究钨丝灯泡的核心部件----发光灯丝的电阻随着所加电压的变化规律以及发光灯丝的温度与所加电压的数值关系，利用课本查阅的理论公式推算对应不同电压下的灯丝温度以及使用HR2000+光谱仪直接测量所得的灯丝温度进行对比研究，从研究结论中进一步得到低压直流钨丝灯的工作规律，实测验证钨丝灯泡钨丝的电阻温度电阻公式
，深入了解这一常见生活用品背后的物理知识，
1.2研究的目的
研究目的：
我决定利用两个月的课余时间来从实验角度上，探究低压直流钨丝灯泡灯丝电阻随温度、电压变化规律以及这些物理量相互之间的关系。
该项研究的实验对象和实验条件较容易选取和构建。
我选定了三种不同额定电压功率的低压直流钨丝灯泡作为研究的实验对象，原因如下：
1、我的物理背景知识已经具备。
物理课本里了解到钨丝灯（一般称之为白炽灯）的发光原理，也学习了基本的电压电流的基本知识欧姆定律，然而钨丝灯的灯丝的电阻却是一个随着电压温度变化的物理量，在不同电压下会有不同的电阻大小，形成这种物理现象的本质是钨丝电阻
是随着温度
变化的，满足
这些信息我通过查阅物理课本和习题以及网络上的期刊都得到了，基本的欧姆定律的分压法电路我也学过了，所以我想通过自己连接电路并实测获得一手的实验数据来了解这一点。
2、研究器材，场所条件具备，和研究预计所需时间合适。
探究实验所需要的器材和场所，爸爸工作单位的实验室已经具备，关于重要的专业设备HR2000+光谱仪，爸爸和他的同事教我学会了简单入门的测试方法，也比较容易掌握。
我预计利用3-4个周末时间到实验室做实验，所有不同研究对象的所有相关数据的采集只需要6-8小时完成，之后的数据分析和相关图表等结论的生成大致需要3-4周的周末时间就可以。
3、考虑到实验的安全性，选择了低压直流额定电压/功率分别为24V/15W，24V/5W，12V/5W三种规格的低压直流钨丝灯泡，据查资料，它们的工作电压都在人体安全电压36V以下。
1.3研究现状综述
钨丝灯作为人类最早的照明电器在历史上起到了不可或缺的作用，关于低压直流钨丝灯的电阻也有前人做了很多系统研究[1][3]，本项研究利用实验的方法直接测量了三种不同规格的低压直流钨丝灯的电阻随电压和温度变化的规律，以及利用理论推算不同电压下的灯丝温度和实测灯丝温度的对比，通过查阅相关文献，知道现无任何研究机构个人做过这方面的实验研究。
所以，本课题有一定创新性，原创性。
1.4研究的意义
本项研究，利用实验的方法直接测量了三种不同规格的低压直流钨丝灯的电阻随电压和温度变化的规律，以及利用理论推算不同电压下的灯丝温度和实测灯丝温度的对比，可以进一步验证钨丝电阻
的随温度
变化的物理特性，并根据实验数据的结果来推测出更符合实际情况的钨丝电阻随温度变化公式
.
2研究内容
2.1实验对象
额定电压/功率分别为24V/15W，24V/5W，12V/5W三种规格钨丝灯泡;
图1.实验所测低压直流钨丝灯泡
2.2实验仪器和配套设备
图2.精度0.5的直流电流表1个，直流电压表1个；
图3.滑线变阻器1个
图4.HH1713型直流稳压电源1个
图5.数字万用表1个
图6.HR2000+光谱仪及测试探头和光纤
导线若干，计算机和处理软件MicrosoftofficeEXCEL；
2.3实验地点
青岛理工大学嘉陵江校区物理实验中心电学实验室303房间；
2.4研究步骤以及相关数据记录
2.4.1电路原理图设计
额定电压/功率分别为24V/15W，24V/5W，12V/5W三种规格钨丝灯泡根据公式
初步估计电阻分别为
根据物理课本的基本知识，我选择电流表外接的分压法电路，原理图如图7所示：
图7.分压法外接测试电路图
实验实物连接原理示意图如图8所示：
图8.分压法外接测试实物连接示意图
我自己动手连接的实验实物连接原理实拍照片如图9所示：
图9.分压法外接测试实物连接实拍照片
2.4.224V/15W灯泡数据
将实验室拉上窗帘，关闭照明电源，尽量减少杂光，室温为15.8℃，此时的灯泡电阻阻值直接用数字万用表测量为
，然后，连接好电路，移动滑线变阻器，将初始灯泡电压V设置为零，电压表量程选择为30V，电流表量程选择为750mA,打开稳压电源开关，逐步移动滑线变阻器，改变灯泡上的电压，分别从0V，2.0V,4.0V,,,为间隔，记录对应的电流数据，同时打开HR2000+光谱仪的电源，连接到电脑USB插口，将光谱仪的测试口对准灯丝，读出对应的温度，如表1所示：
序号
项目
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压值U（V）
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
24.0
电流值I（mA）
0
210
265
310
345
380
415
445
475
505
525
555
589
电阻R（
）
3.8
9.5
15.1
19.4
23.2
26.3
28.9
31.5
33.7
35.6
38.1
39.6
40.7
灯丝温度（℃）
15.8
表1.24V/15W灯泡数据
2.4.324V/5W灯泡数据
同样暗室环境下，电压表量程选择为30V，电流表量程选择为300mA,打开稳压电源开关，逐步移动滑线变阻器，改变灯泡上的电压，分别从0V，2.0V,4.0V,,,为间隔，记录对应的电流数据和灯丝对应的温度，如表2所示：
序号
项目
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压值U（V）
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
12.0
14.0
16.0
18.0
20.0
22.0
24.0
电流值I（mA）
0
54
81
101
118
134
149
164
176
189
201
216
230
电阻R（
）
28.5
37.0
49.4
59.4
67.8
74.6
80.5
85.4
90.9
95.2
99.5
101.9
104.3
灯丝温度（℃）
15.8
表2.24V/5W灯泡数据
2.4.412V/5W灯泡数据
电压表量程选择为15V，电流表量程选择为750mA,打开稳压电源开关，逐步移动滑线变阻器，改变灯泡上的电压，分别从0V,1.0V,2.0V,,,为间隔，记录对应的电流数据和灯丝对应的温度，如表3所示：
序号
项目
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
电压值U（V）
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
10.0
11.0
12.0
电流值I（mA）
0.0
145
195
220
245
265
280
295
310
330
345
365
375
电阻R（
）
2.8
6.9
10.3
13.6
16.3
18.9
21.4
23.7
25.8
27.2
29.0
30.1
32.0
灯丝温度（℃）
15.8
表3.12V/5W灯泡数据
3研究结果及其分析
3.1研究结果
本实验研究中，综合以上数据，24V/15W灯泡的电阻R大小随着电压U变化曲线图如图10所示：
图10.24V/15W灯泡的电阻大小随着电压变化曲线图
3.2研究结果的分析
从实验数据分析，可以得出手机的电磁辐射对桑蚕的孵化和成长过程是有相当显著的负面影响的。
第一，相对无辐射家蚕组，有辐射家蚕组孵化时间很短，孵化率只有无辐射组的一半儿左右，很多卵都死亡了；整个饲养过程中，两组饲养方式，投食频率投食食物相同，但最终顺利长大的无辐射家蚕组有21条，而有辐射组只顺利存活了4条，死亡率是无辐射家蚕组的4倍多；这可以很明显的看出，手机的电磁辐射对蚕的生命生存能力造成的不良影响很大。
第二，无辐射家蚕组I的25粒卵平均用了10.0天孵化出，有辐射家蚕组II的只用了5.5天孵化出，少用了几乎一半儿的时间，无辐射家蚕组的幼虫阶段生长周期从孵化到完成所有蜕皮平均一共30天，有辐射家蚕组一共大约用了23天，比无辐射组短了7.0天，由此可见，手机辐射环境下的不论是蚕卵的孵化还是幼虫的生长过程中明显发育速度增加，新陈代谢增快了。
第三，无辐射组蚕幼虫最终体长平均42.00mm直径6.20mm，平均近似质量1.268g，，有辐射组的最终平均体长33.00mm直径5.00mm，平均近似质量0.647g分别比对照无辐射组少了21%,19%和49%，由此可见，手机辐射环境下的蚕幼虫发育虽然速度增快了，但是生长发育的质量降低，体长、直径、平均体重都明显的比无辐射组要差。
3.3手机对家蚕辐射的微观机理解释
根据查阅参考文献，我了解到，手机能够随时打电话，是因为通过手机上的天线收发的电磁波，频率在800～1800兆赫。
当电磁辐射照射生物活时，一部分电磁波被反射，另外一部分被吸收。
而吸收的多少与生物体中组织的含水量有关：
含水量高的组织，如血液，吸收电磁辐射的能量较多；含水量低的组织，如脂肪、骨骼，吸收的能量较少。
在我设计的实验中，手机辐射组中，手机电磁波作用于桑蚕全身，桑蚕内部没有骨骼，大约含有98%的水分，所以对电磁辐射的吸收是很强的，这些电磁辐射主要产生的是热效应，是蚕内部温度升高，细胞分裂速度新陈代谢速度会增快，所以实验结论中发现的辐射环境中蚕卵孵化加速，生长蜕皮都加速现象可以得到初步的解释；同时，在此过程中，电磁波肯定会对以更加复杂和不可预知的方式对桑蚕的内脑、神经节、食道、肌肉产生很多影响，从而使得本次探究实验中生长环节中两组桑蚕的各项参数都有很大的差异，而且是不良影响。
所以，我认为，同样作为生物体的我们，在生长发育中，虽然个体和质量要远远超过蚕宝宝，但是手机辐射在使用过程中非常集中的被脑组织吸收，局部也会形成热效应损伤脑组织，会干扰人体的生理系统。
所以我们青少年要格外谨慎地使用手机，认真做好防护工作。
4课题的讨论
本课题研究方法是采用了对比的方法；构建的无电磁辐射辐射环境，是利用静电屏蔽的理论；构建的强电磁辐射环境，利用常规的3G、4G无线通信网络信号，这些都具有较强的科学性；
本课题研究结果是通过饲养桑蚕，通过具体实践环节实现，结果具有较强的可靠性；
本研究成果的价值：
第一，对于青少年必须学会科学使用手机，尽可能减少手机使用频率，在必须要较长时间通话时，左右耳交替；在接打电话时，最好先将手机远离头部，以避免手机较大功率发射时对头部的辐射。
第二．呼吁社会及电磁波管理部门的重视，加强对电磁波的合理使用。
电磁辐射污染看不见摸不着，不易被感知，我们应该小心对待。
电磁波管理部门在技术层面做好功率大小控制，科学的管理。
第三，青少年必须注意科学饮食，平时多吃一些水果蔬菜，尤其是富含维生素B的食物，如胡萝卜、海带、油菜、卷心菜及动物肝脏等，增加机体抵抗电磁辐射污染的能力。
当然，本课题目前研究有其局限性，首先，实验桑蚕的数量不够大，生物统计学意义的会因此降低，另外，对于用圆形金属铁盒加盖通过导线鳄鱼夹连接到铁的暖气片上，理论上可以屏蔽掉大多数的电磁辐射，在实际环境里面还是存在微弱的电磁辐射的。
对于提供的手机构建的强电磁辐射环境，是简单的，而且没有精确的对手机辐射量定量的测量，其提供的电磁辐射还是不够强。
进一步研究的建议，最好能结合相关科研机构，提供更加微弱电磁辐射的环境进行无电磁辐射的实验；提供强磁场源的科研机构，进行强电磁辐射的实验，从而得到更明显的实验结论。
5结论
本研究解决了一直困扰我们电磁辐射对生物体影响的问题。
研究结果说明：
从桑蚕的成长过程，可以看到，电磁辐射对其发育是有一定影响的。
结论一：
我们青少年在生长发育过程，还是尽量远离电磁辐射，多做预防，即减少手机使用频率，从而减少电磁辐射对青少年生长发育的不良影响，养成良好的生活习惯。
结论二：
过强的电磁辐射不应该忽视，应该引起电磁波管理部门的重视，加强对电磁的合理使用，尽量减少过强电磁辐射对我们生活看不见的不良影响。
参考文献
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