北化自动控制原理实验

2024-09-18

北化自动控制原理实验（精选7篇）

北化自动控制原理实验篇1

实验五：图的应用

班级学号姓名

一、实验预备知识复习C++中的全局变量的概念。复习图的邻接矩阵和邻接表两种存储方式。复习图的两种遍历方法和求图的最小生成树的方法。

二、实验目的掌握图的邻接矩阵和邻接表两种存储方法。掌握有关图的操作算法并用高级语言实现。熟悉图的构造算法，了解实际问题的求解效率与采用何种存储结构与算法有着密切联系。掌握图的两种搜索路径的遍历算法。掌握求图的最小生成树的普里姆算法和克鲁斯卡尔算法。

三、实验内容创建给定的图，从邻接表和邻接矩阵两种存储方式中选择一种。对所创建的图进行深度和广度优先搜索遍历，给出遍历过程中的顶点序列。3 求图的最小生成树，按构造顺序输出边的序列。编写一个主函数，将上面函数连在一起，构成一个完整程序。将实验源程序调试并运行。

四、实验要求

所建立的图为：

 用邻接表存储结构时，所创建的单链表以结点的从小到大排列。 注意标志数组visited[n+1] 的定义和赋值。

 将顶点1作为起点。

五、实验结果

给出源程序及输入、输出结果。

六、实验总结

实验过程中遇到的问题及解决方法，收获。

北化自动控制原理实验篇2

这样的实验方式存在一些弊端:

1.实验设备高度集成学生在开始进行实验的时候, 只是依据给定的电路来连接;对于控制系统的参数, 只是盲目调节电位器值和电容值, 更不知调整的参数对应系统的哪些具体参数, 不能对课堂学习的内容加深理解。

2.实验设备可扩展性差可改变参数有限, 使得综合性实验难以开展。

3.实验分组过大学生参与性差, 自动控制原理实验学时有限, 要想在有限学时里巩固和掌握课堂内容, 是很困难的。

4.自动控制原理课程中有大量繁琐的计算与曲线绘制任务, 实验室里应用示波器, 如频率特性等实验效果不好。

目前高校仿真实验的开发日益增多, 如文献[2]和文献[3]中都对MATLAB软件在课程实验中的应用做了介绍, 本文中根据我校《自动控制原理》课程及实验的要求和实验的条件, 利用MATLAB中的具有可视化编程能力的图形用户界面编程工具、SIMULINK仿真功能和控制系统工具箱中丰富的库函数等, 开发了“自动控制原理”仿真实验平台。

该平台充分考虑了本课程的特点, 基本上覆盖了所要求的实验内容, 用户界面良好, 具有一定的交互功能和仿真运行功能。通过人机对话, 用户可以设置系统的模型, 根据要求该软件可进行图形分析和系统性能指标分析。该实验仿真平台作为课后实验和验证的虚拟仿真环境, 可以辅助教学, 用于课堂演示, 与电子线路模拟实验互相补充, 有效地提高了该课程的教学质量。

一、《自动控制原理》实验仿真平台

1. 仿真实验平台的设计原则

仿真实验平台整体设计采用Windows风格、面向对象的软件开发技术。为了操作简单易懂, 使软件具有可扩展性, 平台的设计过程中遵循了以下原则:

(1) 简单性和一致性设计中保证用户界面使用简单, 易于掌握, 界面元素保持一致性, 这样学生可以很快的掌握实验操作。

(2) 灵活性和可靠性用户能够根据需要进行扩展和补充课件的内容, 保证用户能够正确、可靠地使用并保证有关程序和数据的安全性。

2.《自动控制原理》仿真实验平台的内容

根据《自动控制原理》课程的内容及特点, 结合本人在该课程授课过程中的经验, 如图1所示, 本实验平台所包括的实验分为五大实验模块。

二、实验平台的设计

图形用户界面 (Graphical User Interface, 简称为GUI) 是用户与计算机进行信息交流的窗口, 本文中利用GUIDE创建图形用户界面。在算法上, 充分利用MATLAB控制系统工具箱[4,5], 调用各种控制系统的M函数, 配合编制的用户界面, 用户可以通过某种方式来选择或者激活用户界面上的菜单、对话框以及控件等图形对象来运行一些特定的M文件, 方便地对实现各个实验, 得到期望的实验结果和图形。

软件设计上主要包括界面的创建、数学模型的输入、实验结果的实时显示等。根据实验内容安排, 将实验分为若干小部分, 使得整个软件的层次分明、界面友好。

1. 仿真实验平台的主界面

利用MATLAB6.5版中的图形用户界面设计向导编辑器GUIDE完全进行可视化编程, 即可完成实验操作主界面的创建。在图形的设计过程中, GUIDE提供了下面一些工具:菜单编辑器、对象浏览器、属性编辑器、控件布置编辑器、网格标尺设置编辑器和GUIDE应用属性设置编辑器等。用户将它提供的工具与编程经验结合起来, 可以方便地创建友好的图形用户界面。

实验仿真平台的主界面如图2所示。

实验系统的五个实验模块, 可以通过两种方式来进入各个实验窗口:单击主界面上相应的按钮和通过菜单栏相应的命令, 我们将重点介绍其中的两个实验。

2. 线性系统的时域分析实验

线性系统的时域分析实验过程如下:建立系统的数学模型后, 给定系统输入, 分析系统响应曲线从而了解系统的稳定性、动态特性及稳态特性, 具有直观、物理概念清晰、比较准确以及能提供系统时间响应的全部信息的特点。

以二阶系统的单位阶跃响应为例, 典型二阶系统的传递函数为

进行拉氏反变换就可以得到系统输出随时间变化的表达式y (t) , 当阻尼比取不同的值时, 输出y (t) 不同, 系统的特性也不同, 可以分为无阻尼、欠阻尼、临界阻尼及过阻尼。

根据上述分析, 所设计的实验平台要求能实现下面两个功能:

(1) 可以随时改变值, 得到对应的y (t) 曲线并显示, 所完成的实验操作界面如图3所示, 可以在界面上输入阻尼比的值, 如图3中给定=0.5, 要求绘出系统在欠阻尼情况时的阶跃响应曲线。按下窗体上的“绘图”按钮, 然后按下“确定”按钮, 系统的阶跃响应曲线就会显示在窗口中的坐标系上。

按下窗口中的“grid on”按钮可以在坐标轴上添加网格, 按下“grid off”按钮, 取消网格显示。实验完成后按下“退出”按钮, 关闭该窗口, 返回主菜单, 再次选择要完成的实验。

(2) 可以将几组不同阻尼比时的输出曲线显示于一个坐标系下, 这样学生可以很方便的比较不同阻尼值时系统的阶跃响应特性有什么变化。

在输入阻尼比值时输入多个值, 即阻尼比数组, 就将不同阻尼比对应的一组阶跃响应曲线显示于一个坐标系上, 便于比较分析, 如图4, 在输入阻尼比的窗口中输入一组阻尼比值:0, 0.5, 1.0, 2.0, 则将系统分别在四个阻尼比时对应的单位阶跃响应曲线绘制于一个坐标系内, 四条响应曲线分别代表无阻尼、欠阻尼、临界阻尼及过阻尼的情况, 学生可以很清楚地了解到四种情况时的系统输出情况。

3. 线性系统的根轨迹实验

线性系统的根轨迹实验过程如下:建立系统的开环传递函数数学模型, 绘出系统的根轨迹图, 了解系统某个参数变化时闭环极点的变化过程, 从而分析系统的性能。

给定系统的开环传递函数为, 系统有两个开环极点, 两个开环零点, 根据根轨迹的绘制法则, 系统有两条根轨迹分支。

所完成的实验操作界面如图5所示, 首先在界面上“输入分子系数”和“输入分母系数”窗口内输入建立系统的开环传递函数数学模型, 按下“加载示例”按钮及“确定”按钮, 就可以在窗口上的坐标系内绘出系统的根轨迹图, 两条根轨迹分支以不同的颜色显示。同样可以根据需要选择给根轨迹图加上网格显示或者去掉网格显示。

图6至图8分别给出了控制系统的Bode图实验、控制系统的Nyquist实验、离散系统的脉冲响应实验的操作界面, 实验界面的操作方法与线性系统的时域分析试验及线性系统的根轨迹实验界面的操作方法相同。

三、结论

《自动控制原理》实验仿真平台的开发对学生学好该课程具有很好的辅助作用。与硬件实验相比, 该实验平台不仅具有显示的直观性、实时性与逼真性, 而且操作灵活, 节省了大量的人力、物力和时间, 提高了教学效率。该实验仿真平台通过在我校《自动控制原理》课程教学过程中使用, 效果良好。

参考文献

[1]胡寿松.自动控制原理 (第5版) [M].北京:科学出版社, 2007

[2]李文磊, 柳士荣.MATLAB在自动控制原理实验中的应用[J].实验技术与管理, 2006, 2

[3]袁晓梅.Matlab环境下《信号与系统》虚拟实验的开发[J].高等职业教育天津职业学报, 2005, 2

[4]魏克新, 王云亮, 陈志敏, 等.MATLAB语言与自动控制系统设计 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 2004

北化自动控制原理实验篇3

摘要：自动控制原理是高等学校控制类专业的专业基础课。传统的自动控制原理实验或者以单纯的Matlab软件仿真来进行，或者利用集成的硬件实验箱来开展实验。文章提出了一种新的实验设计思路，在Matlab软件仿真的基础上，增加对象性实验设计，由学生自己动手搭建实验电路，得出实验数据。不但锻炼了学生的动手能力，而且将理论和实践很好地结合在一起，有助于学生更好地理解抽象的理论知识。

关键词：自动控制原理；对象性实验设计；模拟电路；二阶系统；频率特性

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）05-0017-03

1 概述

自动控制原理是高等院校控制类专业的一门极为重要的专业基础课。其特点是教学内容抽象，数学含量大，计算繁杂，学生不易理解。而该课程实用性强、设计面广，因此实验教学成为帮助学生掌握自动控制理论的重要环节。搞好实验教学，选取合适的实验对象，不仅可以使学生对所学理论有更深刻的理解，同时也可以提高学生的学习兴趣。

2 自动控制原理实验内容设置

为了满足应用型本科的培养目标，我校课程设置实践环节比重较大，该课程实验设置24个学时。同时为了让学生体会到理论与实际的紧密关系，实验课程除了Matlab仿真应用外，增设实际对象操作实验。具体安排如下：

实验一：控制系统的数学模型（2学时）

实验二：典型环节模拟电路及其数学模型（4学时）

实验三：线性系统的动态性能分析（2学时）

实验四：线性系统稳定性和稳态误差分析（2学时）

实验五：典型二阶系统模拟电路及其动态性能分析（4学时）

实验六：线性系统的根轨迹（2学时）

实验七：典型系统频域特性分析（4学时）

实验八：线性系统的频率法串联校正（2学时）

实验九：线性系统的PID控制（2学时）

3 对象性实验的设计

学生对看得见、摸得着的东西兴趣较大，因此实验对象的选取在符合理论仿真的同时，需要具备可观察性和可操作性。上述实验内容中，实验二、实验四、实验七均采用实际对象进行实验，实验对象选择发光二极管或者电机（由于电机对于低电压有死区，因此制作了特殊的驱动电路）。

3.1 典型环节模拟电路及其数学模型

自动控制原理中典型环节为比例、积分、微分、惯性、比例积分和比例微分，研究这些环节的特性主要是观察分析它们的阶跃响应以及其参数的变化对环节的影响。该实验目的是让学生学会使用模拟电路构造典型环节，掌握其特性，并能根据响应曲线建立传递函数。使用实验对象观察这些环节的阶跃响应，比使用示波器直接观察波形更具演示性，而且学生也更容易联想到其他更多的实际对象。

实验过程先进行Matlab仿真，如图1所示，之后再进行实际对象电路搭建实验，如图2所示。

以比例积分环节为例，其模型相当于比例环节和积分环节的并联，其仿真原理图及结果如图3所示。由于仿真为理想情况，所以其输出特性只跟设置的仿真极限参数有关，阶跃设置滞后1秒钟（为了观察到无阶跃的情况）。

将电路连接好如图4所示，设置比例系数和积分时间常数后，闭合开关相当于给系统阶跃输入，电机将会以某一速度（由比例系数决定）缓慢提速（提速快慢由积分时间常数决定），当到达最大速度时（由电路饱和电压决定），速度不再增加。对于发光二极管则是以某一亮度缓慢变亮，达到某一亮度后停止增加。为了让学生对实验结果有量的概念，将转速及光照强度在实验模块上设计电路测量并显示出来，进行记录，以便与仿真结果进行比对。

3.2 典型二阶系统模拟电路及其动态性能分析

该实验的主要目的是为了让学生掌握典型二阶系统模拟电路的构成，学会运用模拟电子元件构造控制系统；掌握二阶系统动态性能指标实测的方法；能够定量分析阻尼系数、自然频率与最大超调量Mp和调节时间之间的关系；学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

典型二阶控制系统实验电路由一个非周期性环节和一个积分环节串联等效而成。在实验中为了实现参数的线性调节，非周期性环节使用一个积分环节的反馈回路构造。根据典型积分环节的模拟电路构成，得到如图5所示的二阶控制系统模拟电路。

该电路对应的方框图如图6所示：

由系统方框图推导出该二阶系统闭环传递函数为：

将该二阶系统模拟电路的闭环传递函数与典型二阶控制系统传递函数的标准式比较，可以得出二阶系统的阻尼比为，无阻尼自然振荡频率为。

同样将电路按照图2方式接入实验对象，可观察到改变阻尼系数（R2的值）后得到二阶系统的阶跃响应：无阻尼时，电机转速忽高忽低，呈振荡状态；欠阻尼时电机转速忽高忽低，但逐渐稳定到某值；临界阻尼和过阻尼时电机转速逐渐升高到某值稳定下来。其仿真原理图及结果如图7所示：

3.3 典型系统频域特性分析

该实验的主要目的是为了让学生加深了解模拟典型环节及二阶系统频率特性的物理概念；掌握模拟典型环节及二阶系统频率特性的实测方法；学会根据频率特性建立系统传递函数；了解实际频率特性与理想特性的不同，并确定近似条件。

频域特性分析的方法是对典型环节输入幅值固定、频率可变的正弦信号，观察输出的特性。由于实验对象本身不是纯比例环节，具有固有频率，因此要达到演示效果必须设置输入频率在对象固有频率范围内（小范围频率特性）。

以惯性环节为例（呈低通特性），输入频率较低的正弦信号，电机的转速也将按正弦规律高低变化，而且会产生相位差（由正弦的频率和惯性环节的参数决定）；当频率高到某值的时候，惯性环节输出电压驱动的电机两个方向的最大转速减小，相位差变大；当频率再高，惯性环节输出接近零，电机将不会转动。

4 结语

在自动控制原理实验中引入实验对象具有较强的演示效果，而且比较贴近于生活实际和工程实际。如此一来，不仅提高了学生对实验的兴趣，给学生留下比较深刻的印象，而且锻炼了学生的工程实践能力，在今后的学习和工作中可以很容易地联系到工程实际对象。该实验在我校已对两届学生实施，效果良好，目前正在进一步设计其他实验内容的对象化，使自动控制原理实验更具趣味性，以获得更好的教学效果。

参考文献

[1] 宋乐鹏.改革自动控制原理实验教学注重学生工程素质培养[J].中国冶金教育，2009，（1）：65-66.

[2] 刘艳.基于虚拟仪器的“自动控制原理”实验教学改革探索[J].林区教学，2009，（11）：9-10.

[3] 张栋.自动控制原理实验教学改革探索与实践[J].实验室科学，2011，（10）：37-40.

[4] 王秀霞.自动控制原理综合实验系统的设计[J].实验室研究与探索，2009，28（10）：62-63.

[5] 胡寿松.自动控制原理[M].北京：科学出版社，2001：13-14.

基金项目：该课题受桂林电子科技大学信息科技学院院内教改项目：《自动控制原理与仿真实验教改研究》的资助。项目号：桂电信科2010SJY04

作者简介：于新业（1979-），男，桂林电子科技大学信息科技学院讲师，硕士，研究方向：模式识别与智能控制；马姝靓（1981-），女，桂林电子科技大学信息科技学院讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制工程；易艺（1983-），男，桂林电子科技大学信息科技学院实验师，研究方向：智能仪器系统。

北化自动控制原理实验篇4

1 传统实验教学存在的问题

笔者所在学校最初的《自动控制原理》实验教学模式单一——教师先设定实验教学内容, 然后给学生讲解实验目的、实验原理、实验步骤、实验分析、实验总结等, 之后就是学生自己动手操作, 按照实验指导书要求按部就班地接线、测数值、分析实验结果、验证所学的理论知识。在这种单一的实验教学模式下, 学生的学习兴趣不高, 大部分都持应付的态度。由于实验箱数量有限, 实验只能分组进行, 每组一般3人左右。在实验过程中, 每个组基本都是一个学生在做实验, 其他人参与得非常少。这样, 很难使所有学生都参与实验, 学生的实验积极性不高, 总想着每个组只要出实验结果即可, 不在乎自己是不是参与了实验。学生的这种实验心态导致其对实验不重视。同时, 在实验分组时, 都是学生自由组合, 这样就会使学生在选择分组时投机取巧, 总想与平时学习好、动手能力强的学生一组, 这样自己就不用做了, 由学习好、动手能力强的学生来做。总之, 在这种单一的实验教学模式下, 不认真做实验的学生很多。虽然教师也认识到了这些问题, 在实验中也向学生强调了实验事项和要求, 但是学生还是不能从内心重视实验, 整体实验效果一般。再加上这种传统的实验教学模式死板、缺乏新意, 完成每次实验的程序一成不变, 学生只需按照实验指导书上的实验内容去接线、分析和测试, 就能得出实验结果, 学生在实验中缺少思考, 只是简单地做实验。这种固定的实验教学模式缺乏多变性, 限制了学生的思维, 影响了学生实验过程中能动性的发挥, 不利于学生的个性发展, 也不利于学生创新能力的培养, 实验效果自然不理想。

2 实验教学改革

随着机械类专业人才培养方案的不断调整, 结合机械类专业工程实践性强的特点, 在专业课程教学中, 必须注重对学生创新能力的培养, 注重将所学的专业知识与工程实践相结合。《自动控制原理》作为机械类专业一门重要的控制类课程, 要与工程实践紧密结合, 注重课程实验教学, 改变传统单一的实验教学模式, 精选实验内容, 提高全体学生的参与度, 为学生创造条件, 发挥学生的能动性, 从而提高实验教学效果。具体实验教学的改进是通过引入MATLAB仿真, 在传统实验的基础上, 新增仿真实验。我们可以将该课程的实验分为两部分, 即实验台的动手接线、测量和分析实验, 到机房进行的MATLAB仿真实验。这样的实验教学内容丰富、紧凑, 让学生学会用MATLAB仿真软件来分析和设计工程实践系统, 拓展学生的知识面, 让实验教学和工程实践紧密结合, 时刻给学生的课程学习创造工程实践环境, 抓紧课程学习的主线, 有利于激发学生的实验兴趣, 提高实验教学效果。

2.1 学生自主选择验证性实验内容

在实验台完成实验的过程中, 对于验证性实验, 教师不指定具体实验内容, 由学生自行根据所学的课本知识和实验指导书选择自己感兴趣的实验来做, 按照要求完成实验规定的学时。这种不指定具体实验内容的教学模式有利于发挥学生的实验主动性和选择性, 学生可以根据自己的实际情况, 针对自己所学的课本知识, 结合自己的兴趣选择实验内容, 从而激发学生的实验兴趣。以往, 教师确定了实验内容, 学生无自主选择权, 可能学生对某些实验根本不感兴趣, 但是也要去做, 学生的实验积极性自然不高。因此, 学生自选实验内容能够很好地提高学生的实验参与度, 激发他们的学习兴趣。

2.2 增加综合性和设计性实验

针对验证性实验中实验过程简单、学生相对较容易做的特点, 为了提高实验教学质量, 增加实验难度, 也为了提高学生的分析和设计能力, 要增加综合性和设计性实验。可以结合机械类专业现有的实验和生产实践来挖掘综合性和设计性实验内容, 比如带学生到机械类的数控机床实验室、PLC控制实验室、液压与气动实验室等, 有条件的还可以带学生到附近的工厂去参观学习, 给学生介绍机械设备中《自动控制原理》的相关知识, 让学生观看机械设备的运转情况, 分析其中的控制问题, 找出不足, 思考改进的方法, 从而培养学生的创新思维, 让学生直观地认识到《自动控制原理》的重要性。通过参加机械设备的运转情况, 学生能够树立工程实践意识, 启发思维, 为后续综合性和设计性实验的顺利开展打下基础。教师要提前做好综合性和设计性实验的素材准备工作, 实验内容要结合当地的机械工程实际, 从工程实际出发设置综合性和设计性实验, 将实验内容和工程实际相结合, 增强学生的实验意识。通过综合性和设计性实验, 培养学生分析和解决实际问题的能力, 使学生学以致用, 针对不同的设计性题目和要求, 激发他们的潜力, 发挥他们的才能, 自行设计实验方案, 完成运行和分析, 直到最终完成设计性实验。这种设计性实验既能让学生熟悉自动控制实验设备和仪器, 也能培养学生用所学知识分析和解决实际问题的能力, 培养学生的创新思维能力, 为以后的工作打好基础。

2.3 增加MATLAB仿真实验

在传统实验的基础上新增MATLAB仿真实验, 使学生学会用计算机辅助分析和设计, 降低课程的抽象性, 通过仿真实验使课程的内容更加直观。MATLAB仿真软件应用广泛, 功能强大, 适用于该课程中的系统建模、系统稳定性分析、系统时域分析、系统根轨迹、系统的频率响应、系统的校正和设计等。MATLAB仿真实验的增加使得自动控制实验内容更丰富, 提高了实验效果。将MATLAB仿真实验与和设计性实验相结合, 用仿真实验来演示设计性实验的内容, 模拟设计性实验的每个环节, 便于观测实验结果。如果能够对设计性实验中的方案加以修改, 对参数进行调整, 通过仿真很容易观测到结果的变化, 可以更好地帮助分析和设计系统。借助MATLAB仿真实验, 综合性和设计性实验更加直观, 同时, 学生也可以应用先进的计算机仿真工具辅助分析和设计。

3 实验考核方式改革

传统的实验考核方式侧重实验报告, 主要是按照实验报告给学生打分。这种考核方式容易造成学生只重视实验报告的书写而忽略了实验过程。为了使学生重视实验的全过程, 必须改革实验考核方式, 以考核为杠杆, 引导学生重视实验的各个环节。考虑到《自动控制》课程实验包括三大部分, 即验证性实验、综合性和设计性实验、MATLAB仿真实验, 实验成绩比例可以设置为验证性实验占20%, 综合性和设计性实验占40%, 仿真实验占40%, 以此引起学生对实验各个模块的重视。在每个实验模块的考核中, 要将学生的考勤、实验参与程度、实验准备、实验完成情况和实验报告等作为考核依据。这种实验考核方式能使学生重视实验的每个环节, 提高实验教学质量。

4 结束语

机械类专业《自动控制原理》实验教学的改革解决了传统实验教学模式单一、学生创新思维能力不足等问题, 通过在实验教学中引入机械工程实际, 为学生创造了机械工程实践环境, 使实验内容与机械工程实际紧密结合, 既巩固了学生的理论知识, 又提高了学生分析和解决问题的能力。另外, MATLAB仿真实验的增加可以将抽象的课程变得更加直观, 激发学生的实验兴趣, 从而提高实验教学质量。

摘要：《自动控制原理》是机械类专业一门重要的控制类课程。该课程工程实践性强, 因此必须重视其实验教学。结合该课程实验教学现状, 对实验内容、实验模式和实验考核等进行了一系列改革, 以通过实验激发学生的学习兴趣, 巩固学生的课程理论知识, 提高学生分析问题和解决问题的能力, 并通过改革提升实验教学效果, 提高学生的实践能力和创新能力。

关键词：机械类专业,《自动控制原理》,实验教学,创新能力

参考文献

[1]姚立健.面向农机专业的“自动控制原理”课程教学改革[J].中国电力教育, 2012 (32) :59-60, 62.

[2]李春卉.浅谈“自动控制原理”教学中创新能力的培养[J].中国电力教育, 2010 (22) :105-106.

[3]刘建群.“机械工程控制基础”课程教学改革的思考与实践[J].广东工业大学学报 (社会科学版) , 2016 (12) :88-89.

[4]王蕊.Matlab在《机械控制工程基础》教学中的应用[J].机电产品开发与创新, 2011 (4) :179-180, 187.

[5]高丙朋.新疆高校少数民族班《自动控制原理》课程教学探索[J].新疆职业大学学报, 2011 (4) :78-80.

从实验原理到数据处理篇5

例1 测量一节干电池的电动势和内阻的实验中设计电路如图1所示，准备了下列器材：

A.电压表V1，量程0～2 V，内阻约为2 kΩ

B.电压表V2，量程0～5 V，内阻约为5 kΩ

C.电流表A1，量程0～0.6 A，内阻约为1 Ω

D.电流表A2，量程0～3 A，内阻约为0.2 Ω

E.最大阻值约为10 Ω滑动变阻器R1

F.最大阻值约为100 Ω滑动变阻器R2

G.开关和导线若干

（1）为了能尽量准确地进行测量，电流表应选________________________________________电压表应选________________________________________滑动变阻器应选________________________________________（填仪器字母代号）

（2）进行多次测量后，得到多组电压表电流表的读数，处理数据求得被测干电池的电动势E=________________________________________V，内电阻r=________________________________________Ω.

解析原理采用闭合电路欧姆定律E=U+Ir （U=E-Ir）知道U、I，如何得到E、r？即如何处理数据得出结论？图象法作U-I曲线（图2），划线时尽量多的点落在直线上，不在直线上的点均匀分布在直线的两侧，误差大的舍去.由解析式（U=E-Ir）可以看出图象斜率表示-r，U轴截距表示电源电动势，I轴截距表示短路电流.

评论利用图线进行数据处理是物理实验中常用的一种方法.最好是利用直线来解决，如力学中“用单摆测重力加速度”的实验就可以利用图线来求g.

《测电源的电动势和内阻》时不同的电路设计，原理的表达形式不同但都为闭合电路欧姆定律.电学设计性实验创新方向比较开阔，求解此类电学设计性实验考题的关键是在弄清原理的基础上将基本方法灵活迁移，从方法迁移中寻找问题的突破口.

例2 （2014年全国卷Ⅰ）利用如图3（a）所示电路，可以测量电源的电动势和内阻，所用的实验器材有：待测电源，电阻箱R（最大阻值为999.9 Ω），电阻R0（阻值为3.0 Ω），电阻R1（阻值为3.0 Ω），电流表A（量程为200 mA，内阻为RA=6.0 Ω），开关S. 实验步骤如下：

①将电阻箱阻值调到最大，闭合开关S；

②多次调节电阻箱，记下电流表的示数I和电阻箱相应的阻值R；

③以1I为纵坐标，R为横坐标，作1I-R图线（用直线拟合）；

④求出直线的斜率k和在纵轴上的截距b.

回答下列问题：（1）分别用E和r表示电源的电动势和内阻，则1I与R的关系式为________________________________________.（2）实验得到的部分数据如表2所示，其中电阻R=3.0 Ω时电流表的示数如图3（b）所示，读出数据，完成下表.答：①________________________________________；②________________________________________.

（2）中根据电流表读数原理可得：其读数为0.110 A，其倒数为9.09 A-1.

点评以上两例一易一难考查的方向不变主要体现在基本仪器的使用、实验原理的理解与迁移、实验数据的分析.同时创新实验的设计与应用也是近几年高考考查的热点.

规律再探寻.

例3 某研究性学习小组欲测定一块蓄电池的电动势E和内阻r，该小组的两同学利用相同的器材分别设计了如图4（a）、（b）所示的两个电路，R0为定值电阻，试完成下列问题.

（1）先直接用多用电表测定该电池的电动势.在操作无误的情况下，多用电表的选择开关和表盘示数如图5所示，其示数为________________________________________V.

（2）这两个同学通过正确实验，然后将实验数据经过处理后在同一个坐标系中作出了如图6所示的图象，则图线A所选的实验原理图是

北化自动控制原理实验篇6

初中学生学习了物理热现象中金属物质热胀冷缩的原理，金属热胀冷缩的微观原理是在金属固体中，金属离子间力的作用比较大，绝大多数金属离子被束缚在平衡位置附近做微小的振动。温度升高，金属离子的无规则运动加剧，加剧到一定程度，离子间的作用力已经不能把金属离子束缚在固定的平衡位置附近。宏观表现为金属受热温度升高后体积膨胀。高中学生在磁场章节磁性材料中学习了磁性物质的居里点，任何物质在磁场的作用下都能或多或少地被磁化，只是被磁化程度不同。像铁那样能够被强烈磁化的物质叫铁磁性材料。磁化后的铁磁性物质，它们的磁性并不因外磁场消失而完全消失，仍然剩余一部分磁性。铁磁性物质按剩余磁性的情形分为两种，一种如碳钢、钨钢、铝、镍、钴的合金等，它们的剩余磁性较强而且不易消失，能够保留较强的磁性，这种材料叫做硬磁性 (又称永磁材料) ，另一种如软铁、硅钢、镍铁合金，它们的剩余磁性较弱而且容易消失，这种材料叫做软磁性材料。实验指出，当温度高达一定程度时，硬磁性材料将消失而成为软磁性材料，这一温度叫居里点。电饭锅中使用的是居里点为105℃左右的稀土磁性材料。金属热胀冷缩、磁性材料居里点这两个物理原理在电饭锅温度控制中得到了很好的应用。

二、电饭锅温度控制的过程解释

在日常生活中，我们用电饭锅煮饭是一件很平常的事情，我们通过电饭锅的红黄两个指示灯来判断它是否工作。其实它们的工作过程是这样的：

(1) 插上导线插头通电→红指示灯亮→发热盘发热→升温至70℃低温控制电路断开→升温至105℃高温控制电路断开→两条电路都断开黄指示灯亮。

(2) 红黄两指示灯有三根引出线，电路有两种，一是氖管和电阻串联后直接通在220伏电路上，另一种是低压发光二极管和变压电路相连接。三根引出线中红灯线直接和发热盘的一个接头相连接 (同时连到了电源的一条线) ，黄灯线和高温控制触头相连 (它的上游是低温控制开关和电源另一条线的连接点) ，第三根线也称中性线和高温控制开关的另一个触头相连 (它的上游是发热盘的另一个接头) 。

(3) 红指示灯的作用是监督发热盘是否存在电压，表示发热盘是否在工作。黄指示灯是被高温控制开关和低温控制开关所控制，二者只要有一个导通就对黄指示灯短路，黄指示灯就不亮。但是如果两者都断开则黄指示灯通过发热盘电阻和电源相通而发光。

三、电饭锅温度控制的物理解释

(1) 双电路供电，分高温控制电路和低温控制电路。高温控制就是内锅底部高于某温度 (具体温度由磁性材料决定) 就断开电路，让发热盘停止工作。低温控制是当内锅底部低于某温度 (具体温度可调整) 电路导通能够让发热盘工作，高于某温度则断开电路，不再向发热盘供电。对发热盘而言只要有一路导通就能工作。在高温控制电路和低温控制电路的控制下，发热盘就能在某一温度区间自动工作，完成煮饭、保温的任务。

(2) 高温控制的原理，电路中有一个常开触头，磁缸中有一块磁性材料，居里点大约105℃，开始煮饭时通过拨动杠杆吸在发热盘底部 (同时将一根弹簧压缩) ，这是利用了磁极能吸引铁磁质的物理原理，常开触头闭合，电路导通，电饭锅发热盘工作，当温度升高到105℃以上超过了磁性材料的居里点而失去磁性，在被压缩的弹簧作用下，磁性材料自动脱落，带动电路断开。当然如果需要可用手拨动杠杆使磁铁性材料块脱离底部—触头断开—断电—停止工作。

(3) 低温控制的原理，金属片热胀冷缩—高温时断开电路—低温时合上电路供电。它是一个常闭触头，升温后金属片受热膨胀压迫簧片，使触头断开；降温后金属片冷缩簧片反弹，触头闭合。调温开关可调节临界点，一般在70℃～80℃。

四、电饭锅温度控制的两个探究性物理实验

实验1：低温控制开关对温度的控制

原理：常温下闭合是一个常闭开关，温度升至某值 (如70℃) 就自动断开。反之，温度下降低于70℃就自动闭合。电饭锅中用来实现保温目的。利用的是金属热胀冷缩物理学原理。

器材：酒精灯、火柴、低温开关、导线、电池、小灯。

步骤： (1) 将低温开关和导线、电池、小灯组成一个串联电路，常温下小灯泡发光，说明电路导通。 (2) 点燃酒精灯，对低温开关加热，温度升高超过某一温度 (如70℃) 后，小灯熄灭，说明电路断开。 (3) 当低温开关冷却温度下降低于70℃时，小灯泡发光，说明电路又导通。

实验2：高温控制开关对温度的控制

原理：常温下断开是一个常开开关，手动操作后依靠磁性吸合，当温度升至某值 (如105℃) 就自动断开。电饭锅中用来实现防止煮饭煮过头的目的。利用的是磁性材料居里点的物理学原理。

器材：酒精灯、火柴、磁缸、金属线、老虎钳、烧杯、清水。

步骤： (1) 用老虎钳将一段金属线和固定磁性材料的金属片连接，提起金属线下面的磁性材料块能和铁片吸合，说明具有磁性。 (2) 点燃酒精灯，对磁性材料加热，当温度升高到某一温度时，和磁性材料吸合的金属片自动分离，说明磁性材料块失去磁性。 (3) 将磁性材料块放入盛有清水的烧杯中，冷却，再和金属片接触能吸合，说明磁性材料恢复了磁性。

五、电饭锅的简单维修

学习了电饭锅的物理原理就可以对电饭锅进行简单维修，需要的工具有：大小合适的螺丝刀、老虎钳、万用表。对不能正常工作的电饭锅先拿出内锅再倒置从底部打开，第一步先目测检查有没有烧坏的地方，主要是各连接导线。第二步用万用表测量发热盘是否存在电阻，电阻为无穷大说明发热盘已坏。第三步测量低温开关是否导通，一般情况下它不易损坏，常温下客观存在应该导通即电阻为零，否则已坏。第四步用左手从电饭锅壳体内压住高温开关再用右手轻压和高温开关相连的一根金属杠杆 (类似于煮饭时在外壳侧面的操作) ，如果发现有磁性吸力说明高温开关没有坏，否则已坏。

参考文献