实验二基尔霍夫定律和叠加原理的验证实验报告答案资料全.docx

1、实验二基尔霍夫定律和叠加原理的验证实验报告答案资料全实验二 基尔霍夫定律和叠加原理的验证一、实验目的1.验证基尔霍夫定律的正确性，加深对基尔霍夫定律的理解。2.验证线性电路中叠加原理的正确性及其适用范围， 加深对线性电路的叠加 性和齐次性的认识和理解。3.进一步掌握仪器仪表的使用方法。二、实验原理1基尔霍夫定律基尔霍夫定律是电路的基本定律。它包括基尔霍夫电流定律 (KCL) 和基尔霍 夫电压定律 (KVL) 。(1)基尔霍夫电流定律 (KCL) 在电路中，对任一结点，各支路电流的代数和恒等于零，即 I 0 。(2)基尔霍夫电压定律 (KVL) 在电路中，对任一回路，所有支路电压的代数和恒等于零

2、，即 U 0。基尔霍夫定律表达式中的电流和电压都是代数量， 运用时，必须预先任意假 定电流和电压的参考方向。 当电流和电压的实际方向与参考方向相同时， 取值为 正；相反时，取值为负。基尔霍夫定律与各支路元件的性质无关， 无论是线性的或非线性的电路， 还 是含源的或无源的电路，它都是普遍适用的。2叠加原理在线性电路中， 有多个电源同时作用时， 任一支路的电流或电压都是电路中 每个独立电源单独作用时在该支路中所产生的电流或电压的代数和。 某独立源单 独作用时，其它独立源均需置零。 （电压源用短路代替，电流源用开路代替。 ） 线性电路的齐次性（又称比例性） ，是指当激励信号（某独立源的值）增加 或减

3、小 K 倍时，电路的响应（即在电路其它各电阻元件上所产生的电流和电压 值）也将增加或减小 K 倍。三、实验设备与器件1.直流稳压电源 1 台2.直流数字电压表 1 块3.直流数字毫安表 1 块4.万用表 1 块5.实验电路板 1 块四、实验内容1基尔霍夫定律实验按图 2-1 接线。图 2-1 基尔霍夫定律实验接线图(1)实验前，可任意假定三条支路电流的参考方向及三个闭合回路的绕行方向。图 2-1 中的电流 I1、I2、I3 的方向已设定，三个闭合回路的绕行方向可设为 ADEFA 、BADCB 和 FBCEF 。(2)分别将两路直流稳压电源接入电路，令 U1=6V ，U2=12V 。(3)将电路

4、实验箱上的直流数字毫安表分别接入三条支路中，测量支路电流， 数据记入表 2-1 。此时应注意毫安表的极性应与电流的假定方向一致。(4)用直流数字电压表分别测量两路电源及电阻元件上的电压值，数据记 入表 2-1 。表 2-1 基尔霍夫定律实验数据被测量I1(mA)I2(mA)I3(mA)U1(V)U2(V)UFA(V)UAB(V)UAD(V)UCD(V)UDE(V)计算值1.935.997.926.0012.000.98-5.994.04-1.970.98测量值2.086.388.436.0511.990.93-6.244.02-2.080.97相对误差7.776.516.430.8%-0.08

5、-5.104.17-0.50-5.58-1.02%2叠加原理实验(1)线性电阻电路图 3.4 2.1分别将两路直流稳压电源接入电路，令 U1=12V ，U2=6V2令电源 U1 单独作用， BC 短接，用毫安表和电压表分别测量各支路电流及各电阻元件两端电压，数据记入表 2-2表 2-2 叠加原理实验数据（线性电阻电路）测量项目实验内容U1 (V)U2(V)I1 (mA)I2 (mA)I3 (mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UF A (V)U1单独作用12.0408. 69-2. 426. 302. 420. 803. 234. 444. 44U2单独作用06.05- 1.

6、193. 582. 37- 3.59-1. 181. 21- 0. 60- 0. 60U1、U2共同作用12.046.057. 551. 168.62- 1.16- 0. 384. 443. 843. 842U2单独作用012.03- 2.397. 184. 75- 7.17- 2 . 372. 44- 1. 21- 1. 213令 U2单独作用，此时 FE 短接。重复实验步骤的测量， 数据记入表 2-24令 U1和 U2共同作用，重复上述测量，数据记入表 2-25取 U2=12V ，重复步骤的测量，数据记入表 2-2(2)非线性电阻电路按图 2-2 接线，此时开关 K 投向二极管 IN400

7、7 侧。重复上述步骤的测量过程，数据记入表 2-3表 2-3 叠加原理实验数据(非线性电阻电路)测量项目实验内容U1 (V)U2(V)I1 (mA)I2 (mA)I3 (mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UF A (V)U1单独作用12.0308.73- 2.566.192. 570. 603.174. 474. 47U2单独作用06.060000- 6000U1、U2共同作用12.036.067. 9507. 950- 1. 944.044. 034. 042U2单独作用012.050000- 12000(3)判断电路故障按图 2-2 接线，此时开关 K 投向 R5( 3

8、30 )侧。任意按下某个故障设置 按键，重复实验内容的测量。数据记入表 2-4 中，将故障原 因分析及判断依据 填入表 2-5 。表 2-4 故障电路的实验数据测量项目实验内容U1、U2共同作用U1(V)U2(V)I1 (mA)I2 (mA)I3 (mA)UAB(V)UCD(V)UAD(V)UDE(V)UFA(V)故障一12.086.0403.263.26-3.26-1.061.63010.34故障二12.056.0711.674.3516.02-4.35-1.4205.975.97故 障 三12.036.027.8107.810-2.023.983.983.98表 2-5 故障电路的原因及判

9、断依据原因和依据故障内容故 障 原 因判断依据故障一FA 之间开路I1=0 ；UFA=10.34 V故障二AD 之间电阻短路UAD = 0 ；I3 =16.02 mA故障三CD 之间电阻开路I2 = 0 ； UAB = 0 ； UCD =2.02V五、实验 预习1.实验注意事项(1)需要测量的电压值，均以电压表测量的读数为准。 U1 、U2 也需测量，不应取电源本身的显示值。(2)防止稳压电源两个输出端碰线短路。(3)用指针式电压表或电流表测量电压或电流时，如果仪表指针反偏，则必 须调换仪表极性，重新测量。此时指针正偏，可读得电压或电流值。若用数显电 压表或电流表测量， 则可直接读出电压或电流

10、值。 但应注意： 所读得的电压或电 流值的正确正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。(4)仪表量程的应及时更换。2.预习思考题(1)根据图 2-1 的电路参数，计算出待测的电流 I1、I2、I3 和各电阻上的电压 值，记入表 2-1 中，以便实验测量时，可正确地选定毫安表和电压表的量程。答：基尔霍夫定律的计算值根据基尔霍夫定律列方程如下：(1)I1 + I2 = I3 (KCL )(2)( 510+510 )I1 + 510 I3 = 6 (KVL )(3)(1000+330 )I3 + 510 I3 = 12 (KVL)由方程( 1 )、(2 )、( 3)解得：I1 = 0.00193A=

11、 1.93 mAI2 = 0.00599A= 5.99 mAI3 = 0.00792A= 7.92mAUFA =510 0.00193=0.98 VUAB = 1000 0.00599 = 5.99VUAD =510 0.00792=4.04VUDE =510 0.00193=0.98 VUCD = 330 0.00599 = 1.97V（2）实验中，若用指针式万用表直流毫安档测各支路电流，在什么情况下可 能出现指针反偏，应如何处理？在记录数据时应注意什么？若用直流数字毫安表 进行测量时，则会有什么显示呢？答：指针式万用表万用表作为电流表使用， 应串接在被测电路中。 并注意电 流的方向。即将红

12、表笔接电流流入的一端（ “ ”端），黑表笔接电流流出的一端 （“ ”端）。如果不知被测电流的方向，可以在电路的一端先接好一支表笔，另 一支表笔在电路的另端轻轻地碰一下， 如果指针向右摆动， 说明接线正确； 如 果指针向左摆动 （低于零点，反偏 ），说明接线不正确，应把万用表的两支表笔位 置调换。记录数据时应注意电流的参考方向。 若电流的实际方向与参考方向一致， 则 电流取正号 ，若电流的实际方向与参考方向相反，则电流取负号。若用直流数字毫安表进行测量时， 则可直接读出电流值。 但应注意： 所读得 电流值的正、负号应根据设定的电流参考方向来判断。（3）实验电路中，若有一个电阻器改为二极管，试问叠

13、加原理的叠加性与齐 次性还成立吗？为什么？答： 电阻改为二极管后，叠加原理不成立。因为二极管是非线性元件，含 有二极管的非线性电路，不符合叠加性和齐次性。六、实验报告1. 根据实验数据，选定实验电路图 2.1 中的结点 A，验证 KCL 的正确性。答：依据表 2-1 中实验测量数据， 选定结点 A ，取流出结点的电流为正。通 过计算验证 KCL 的正确性。I1 = 2. 08 mA I2 = 6. 38 mA I3 = 8. 43mA即 8.43 2.08 6.38 0.03 02. 根据实验数据， 选定实验电路图 2.1 中任一闭合回路， 验证 KVL 的正确 性。答：依据表 2-1 中实验

14、测量数据，选定闭合回路 ADEFA ，取逆时针方向为 回路的绕行方向电压降为正。通过计算验证 KVL 的正确性。UAD = 4.02 V UDE = 0. 97 V UFA= 0. 93 V U1= 6. 05V6.05 0.97 4.02 0.93 0.03 0结论： U1 U DE UAD U AF 0 ， 证明基尔霍夫电压定律是正确的。 同理，其它结点和闭合回路的电流和电压， 也可类似计算验证。 电压表和电 流表的测量数据有一定的误差，都在可允许的误差范围内。3.根据实验数据，验证线性电路的叠加性与齐次性。 答：验证线性电路的叠加原理：（1）验证线性电路的叠加性依据表 2-2 的测量数据

15、，选定电流 I1 和电压 UAB 。通过计算，验证线性电 路的叠加性是正确的。验证电流 I1 ：U1单独作用时： I1 （ U 1单独作用） = 8.69mAU2单独作用时： I1（U2单独作用） = - 1.19mAU1、U2共同作用时： I1 （U1、U2共同作用） = 7.55mA即 7.55 8.69 （ 1.19） 7.50结论：I1 （U1、U2共同作用）= I1 （U1单独作用） + I1（U2单独作用） 验证电压 U AB：U1单独作用时： U AB （U1单独作用） = 2. 42 VU2单独作用时： U AB （U2单独作用） = - 3.59VU1、U2共同作用时： UA

16、B（U1、U2共同作用） = -1.16V即 1.16 2.42 （ 3.59） 1.17 结论：UAB（U1、U2共同作用）= UAB（U1单独作用）+ U AB（U2单独作用） 因此线性电路的叠加性是正确的。（2）验证线性电路的齐次性依据表 2-2 的测量数据，选定电流 I1 和电压 UAB 。通过计算，验证线性电 路的齐次性是正确的。验证电流 I1 ：U2单独作用时： I1（U2单独作用） = - 1.19mA2 U 2单独作用时： I1 （2 U 2单独作用） = - 2. 39mA即 2.39 2 （ 1.19） 2.38结论：I1 （2U2单独作用） = 2 I1（U2单独作用）验

17、证电压 U AB：U2单独作用时： U AB （U2单独作用） = - 3. 59 V2 U 2单独作用时： UAB（U2单独作用） = - 7. 17V7.17 2 （ 3.59） 7.18结论： UAB（2U 2单独作用） = 2 UAB （U2单独作用）因此线性电路的齐次性是正确的。同理，其它支路电流和电压， 也可类似计算。 证明线性电路的叠加性和齐次 性是正确的。3 ）对于含有二极管的非线性电路，表 2-3 中的数据。通过计算，证明非线性电路不符合叠加性和齐次性。4.实验总结及体会。附：1）基尔霍夫定律实验数据的相对误差计算同理可得：2）基尔霍夫定律实验数据的误差原因分析产生误差的原因主要有：1 ）电阻值不恒等电路标出值，以 510 电阻为例，实测电阻为 515 ，电 阻误差较大。2）导线连接不紧密产生的接触误差。3）仪表的基本误差。3）基尔霍夫定律实验的结论数据中绝大部分相对误差较小，基尔霍夫定律是正确的附：叠加原理的验证实验小结（1）测量电压、电流时，应注意仪表的极性与电压、电流的参考方向一致，这样纪录的数据才是准确的。（2 ）在实际操作中， 开关投向短路侧时， 测量点 F 延至 E 点，B 延至 C 点， 否则测量出错。（3）线性电路中，叠加原理成立，非线性电路中，叠加原理不成立。功率 不满足叠加原理。