通过交互式模拟实验，测量并比较不同电学元件（标准电阻、小灯泡、半导体二极管）的电流-电压特性曲线（I-U特性曲线），掌握电学元件的基本特性，理解线性和非线性元件的区别，培养数据分析和科学探究能力。
电学元件的I-U特性测定
实验原理与步骤
实验目的
虚拟器材
- 直流电源（0-12V可调）
- 标准电阻（1-100Ω可调）
- 小灯泡（6V，0.3A）
- 半导体二极管（1N4007或类似型号）
- 电流表（0-12A测量范围）
- 电压表（0-12V测量范围）
- 导线、开关
- 数据记录与图表分析工具
伏安特性原理
电学元件的伏安特性（I-U特性曲线）是描述元件两端的电压与通过元件的电流之间关系的曲线。根据伏安特性曲线的形状，可以将电学元件分为线性元件和非线性元件。
1. 线性元件 - 标准电阻
对于理想的线性电阻元件，其伏安特性遵循欧姆定律：
$$I = \frac{U}{R}$$
其中：
- I - 电流，单位为安培（A）
- U - 电压，单位为伏特（V）
- R - 电阻，单位为欧姆（Ω）
线性电阻的伏安特性曲线在坐标系中表现为一条过原点的直线，斜率为1/R。这意味着电流与电压成正比例关系，电阻R在电压变化过程中保持恒定。
2. 非线性元件 - 小灯泡
灯丝电阻（如白炽灯泡）是典型的非线性元件。随着电流增大，灯丝温度升高，其电阻值也随之增大。因此，小灯泡的伏安特性曲线不是直线，而是一条上凸的曲线。
灯丝的电阻与温度的关系可近似表示为：
$$R = R_0[1 + \alpha(T - T_0)]$$
其中：
- R - 温度T下的电阻
- R₀ - 参考温度T₀下的电阻
- α - 温度系数
- T - 当前温度
- T₀ - 参考温度
实际测量时，小灯泡在低电压下表现出较小的电阻值（即较陡的I-U曲线斜率），而在高电压下表现出较大的电阻值（较平缓的I-U曲线斜率）。
3. 非线性元件 - 半导体二极管
半导体二极管是典型的非线性元件，其伏安特性曲线高度非线性。二极管具有单向导电特性，正向偏置时导通，反向偏置时基本不导通。
二极管的伏安特性可用肖特基方程近似描述：
$$I = I_s(e^{\frac{U}{nV_T}} - 1)$$
其中：
- I - 二极管电流
- Is - 反向饱和电流
- U - 二极管两端电压
- n - 理想因子（通常在1-2之间）
- VT - 热电压（约25.7mV，在室温下）
实际上，硅二极管在正向偏置约0.6-0.7V以下时几乎不导通，超过这个阈值后电流快速上升；而在反向偏置时，只有很小的漏电流。
通过测量和比较不同元件的伏安特性曲线，可以更深入地理解它们的电学行为和应用特点。
实验元件特性
1. 标准电阻
标准电阻是理想线性元件的近似，由电阻合金（如锰铜、镍铬合金等）制成，具有恒定的电阻值和较低的温度系数。
特点：
- 伏安特性为一条过原点的直线
- 电阻值R = U/I，在一定功率范围内基本保持恒定
- 符合欧姆定律
- 电流方向改变时，伏安特性的斜率不变（对称性）
应用：分压、分流、负载、基准等各种电路应用
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 电阻范围 | 1Ω - 100Ω | 本实验中可调范围 |
| 温度系数 | ±50ppm/°C | 标准金属膜电阻 |
| 功率 | ≤2W | 超过功率会导致电阻发热变值 |
2. 小灯泡
小灯泡的电阻是温度的函数。当电流通过灯丝时，灯丝发热，温度升高，电阻增加。
特点：
- 伏安特性为非线性曲线，上凸形状
- 冷态电阻（初始状态）远小于热态电阻（工作状态）
- 启动电流较大，稳定后电流减小
- 电阻值随电压（温度）增加而增加
应用：照明、指示、温度传感器、电流限制器等
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 额定电压 | 6V | 标称工作电压 |
| 额定电流 | 0.3A | 标称工作电流 |
| 冷态电阻 | ≈5Ω | 室温下测量值 |
| 热态电阻 | ≈20Ω | 工作温度下的电阻值 |
3. 半导体二极管
半导体二极管是由P型和N型半导体材料组成的PN结，具有单向导电特性。
特点：
- 伏安特性高度非线性，不对称
- 正向导通需要超过阈值电压(约0.6-0.7V)
- 正向导通后，电流随电压快速增大
- 反向偏置时，仅有微小漏电流
- 反向击穿电压达到后会发生雪崩击穿，电流急剧增大
应用：整流、检波、开关、稳压、保护等电路
| 参数 | 典型值 | 说明 |
|---|---|---|
| 正向电压降 | 0.6-0.7V | 导通时的电压降 |
| 最大正向电流 | 1A | 连续工作电流 |
| 反向漏电流 | ≤5μA | 反向偏置时的微小电流 |
| 反向击穿电压 | ≥50V | 超过此电压可能损坏二极管 |
实验步骤
标准电阻的I-U特性测量
步骤一： 选择"标准电阻"元件，设置适当的电阻值（例如50Ω）。
步骤二： 从0V开始，逐步增加电压至12V，每次增加约1V，记录每个电压值下的电流。
步骤三： 点击"记录当前数据点"，将测量数据添加到数据表中。
步骤四： 完成测量后，观察I-U曲线图，验证其线性关系。
步骤五： 计算各点的电阻值(R=U/I)，验证电阻是否恒定。
小灯泡的I-U特性测量
步骤一： 选择"小灯泡"元件，观察电路连接。
步骤二： 从0V开始，小幅度增加电压（每次约0.5V），记录每个电压值下的电流。
步骤三： 观察灯泡亮度随电压的变化，记录发光起始电压。
步骤四： 计算不同电压下的"动态电阻"(R=U/I)，观察其随电压（温度）的变化趋势。
半导体二极管的I-U特性测量
步骤一： 选择"半导体二极管"元件，注意二极管的正负极性。
步骤二： 正向偏置测量：从0V开始，小步长增加电压（0.1V左右），特别注意0.5V-0.8V范围，记录电流值。
步骤三： 反向偏置测量：将电源极性反接，从0V增加到-5V，记录漏电流值。
步骤四： 观察正向导通阈值电压，测定二极管的正向压降。
比较分析
步骤一： 在同一坐标系中绘制三种元件的I-U特性曲线。
步骤二： 比较线性元件和非线性元件的区别。
步骤三： 分析温度对小灯泡和二极管特性的影响。
观察提示
实验过程中请特别关注以下现象：
- 标准电阻：I-U曲线是否为直线？斜率是否等于1/R？
- 小灯泡：电流随电压的增加是否逐渐变缓？灯丝发热后电阻如何变化？
- 二极管：正向导通阈值约在多少伏？超过阈值后电流增长速度有何特点？反向漏电流有多大？
- 各元件的电阻随电压（电流）变化的趋势如何？动态电阻 Rdyn = dU/dI 与静态电阻 R = U/I 有何不同？
- 思考：非线性元件在电路中会带来哪些特殊作用和挑战？
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互动模拟区域
标准电阻
小灯泡
半导体二极管
伏安特性测量电路
当前测量：标准电阻 (50Ω)
参数调节与数据显示
测量结果
电流：
0.12
A
功率：
0.72
W
电阻：
50.00
Ω
测量数据表
| 元件 | 电压 (V) | 电流 (A) | 电阻 (Ω) |
|---|
I-U特性曲线
标准电阻
小灯泡
半导体二极管
该图表动态显示电压与电流的关系。可以观察不同元件的伏安特性曲线形状，比较线性元件和非线性元件的差异。