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+20 -18
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@@ -58,8 +58,7 @@
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columns: 2, columns: 2,
gutter: 0.8cm, gutter: 0.8cm,
image-slot(left-title, height: height), image-slot(left-title, height: height), image-slot(right-title, height: height),
image-slot(right-title, height: height),
), ),
caption: caption, caption: caption,
) )
@@ -128,7 +127,7 @@
一阶 RC 电路,在电容没有初始储能的条件下,由外加激励所引起的响应就是电路的零状态响应。此时电容两端电压的变化规律为 一阶 RC 电路,在电容没有初始储能的条件下,由外加激励所引起的响应就是电路的零状态响应。此时电容两端电压的变化规律为
$ $
u_C(t)=U_s (1-e^(-t/tau)),quad t >= 0 u_C(t)=U_s (1-e^(-t/tau)),quad t >= 0
$ $
其中 $tau=R C$ 为一阶 RC 电路的时间常数。零状态响应实际上就是电容的充电过程,当 $t=tau$ 时,$u_C(t)=0.632U_s$ 其中 $tau=R C$ 为一阶 RC 电路的时间常数。零状态响应实际上就是电容的充电过程,当 $t=tau$ 时,$u_C(t)=0.632U_s$
@@ -136,7 +135,7 @@ $
在没有外加激励时,由动态元件的初始储能所引起的响应就是一阶电路的零输入响应。零输入响应时,电容两端电压的变化规律为 在没有外加激励时,由动态元件的初始储能所引起的响应就是一阶电路的零输入响应。零输入响应时,电容两端电压的变化规律为
$ $
u_C(t)=U_s e^(-t/tau),quad t >= 0 u_C(t)=U_s e^(-t/tau),quad t >= 0
$ $
$t=tau$ 时,$u_C(t)=0.368U_s$。时间常数 $tau$ 是衡量一阶电路特性的一个重要参数,可以通过示波器直接进行测量,即找出 $0.632U_s$ $0.368U_s$,对应的时间轴坐标就是时间常数 $tau$ $t=tau$ 时,$u_C(t)=0.368U_s$。时间常数 $tau$ 是衡量一阶电路特性的一个重要参数,可以通过示波器直接进行测量,即找出 $0.632U_s$ $0.368U_s$,对应的时间轴坐标就是时间常数 $tau$
@@ -162,12 +161,7 @@ $
== 3.1 实验电路连接 == 3.1 实验电路连接
实验电路由信号源、电阻 $R$、电容 $C$ 和示波器组成。输入端接方波信号 $u_i$,输出端取电容两端 电压 $u_C$。示波器 CH1 观察输入方波,CH2 观察电容电压。 实验电路由信号源、电阻 $R$、电容 $C$ 和示波器组成。输入端接方波信号 $u_i$,输出端取电容两端 电压 $u_C$。示波器 CH1 观察输入方波,CH2 观察电容电压。
#v(.5em)
#fig-image(
"image/581da739f44c3ba158e78250bb1de788.jpg",
height: 7cm,
caption: [一阶 RC 充放电实验装置],
)
== 3.2 实验参数与实测数据 == 3.2 实验参数与实测数据
@@ -176,8 +170,14 @@ $
#report-table( #report-table(
columns: (1fr, 1fr, 1fr, 1fr), columns: (1fr, 1fr, 1fr, 1fr),
table.header([测量项目], [理论判据], [实测时间], [相对误差]), table.header([测量项目], [理论判据], [实测时间], [相对误差]),
[零状态响应], [$u_C = 0.632 U_s$], [$96 "μs"$], [$4%$], [零状态响应],
[零输入响应], [$u_C = 0.368 U_s$], [$96 "μs"$], [$4%$], [$u_C = 0.632 U_s$],
[$96 "μs"$],
[$4%$],
[零输入响应],
[$u_C = 0.368 U_s$],
[$96 "μs"$],
[$4%$],
) )
#v(.5em) #v(.5em)
@@ -193,7 +193,7 @@ $
理论时间常数为 理论时间常数为
$ $
tau = R C = 10 "kΩ" times 0.01 "μF" = 100 "μs" tau = R C = 10 "kΩ" times 0.01 "μF" = 100 "μs"
$ $
理论上,零状态响应在 $t = tau$ 时满足 $u_C = 0.632 U_s$,零输入响应在 $t = tau$ 时满足 $u_C = 0.368 U_s$,对应曲线如图所示。 理论上,零状态响应在 $t = tau$ 时满足 $u_C = 0.632 U_s$,零输入响应在 $t = tau$ 时满足 $u_C = 0.368 U_s$,对应曲线如图所示。
@@ -210,14 +210,16 @@ $
相对误差计算公式为 相对误差计算公式为
$ $
delta = abs((tau_"测"-tau_"理")/tau_"理") times 100% delta = abs((tau_"测"-tau_"理")/tau_"理") times 100%
$ $
#report-table( #report-table(
columns: (1fr, 1fr), columns: (1fr, 1fr),
table.header([项目], [测量结果]), table.header([项目], [测量结果]),
[充电过程], [$tau_1 = 96 "μs"$], [充电过程],
[放电过程], [$tau_2 = 96 "μs"$], [$tau_1 = 96 "μs"$],
[放电过程],
[$tau_2 = 96 "μs"$],
) )
= 5. 分析和结论 = 5. 分析和结论
@@ -239,13 +241,13 @@ $
当输入为周期性脉冲信号(方波)时,输出信号 $u_o$ 为输入信号 $u_i$ 的积分,因此称该电路为积分电路。该电路中,时间常数 $tau = R C$ 应远大于输入信号的周期,通常满足 当输入为周期性脉冲信号(方波)时,输出信号 $u_o$ 为输入信号 $u_i$ 的积分,因此称该电路为积分电路。该电路中,时间常数 $tau = R C$ 应远大于输入信号的周期,通常满足
$ $
tau = R C >> T / 2 tau = R C >> T / 2
$ $
当输入为周期性脉冲信号(方波)时,输出信号 $u_o$ 为输入信号 $u_i$ 的微分,因此称该电路为微分电路。该电路中,时间常数 $tau = R C$ 应远小于输入信号的周期,通常满足 当输入为周期性脉冲信号(方波)时,输出信号 $u_o$ 为输入信号 $u_i$ 的微分,因此称该电路为微分电路。该电路中,时间常数 $tau = R C$ 应远小于输入信号的周期,通常满足
$ $
tau = R C << T / 2 tau = R C << T / 2
$ $
利用示波器观察微分电路和积分电路的输入、输出波形,可以分析电路参数 $R$$C$ 和输入信号频率对输出波形的影响。 利用示波器观察微分电路和积分电路的输入、输出波形,可以分析电路参数 $R$$C$ 和输入信号频率对输出波形的影响。
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@@ -0,0 +1,56 @@
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.thin { stroke:#111; stroke-width:3; fill:none; stroke-linecap:round; stroke-linejoin:round; }
.term { stroke:#111; stroke-width:4; fill:white; }
.label { font-family: "Times New Roman", "Noto Serif", serif; font-size:38px; fill:#111; font-style:italic; }
.pm { font-family: "Times New Roman", "Noto Serif", serif; font-size:38px; fill:#111; }
.caption { font-family: "Noto Serif CJK SC", "SimSun", serif; font-size:28px; fill:#111; }
</style>
<!-- left terminals -->
<circle class="term" cx="100" cy="110" r="12"/>
<circle class="term" cx="100" cy="310" r="12"/>
<!-- polarity and input voltage label -->
<text class="pm" x="42" y="124">+</text>
<text class="pm" x="46" y="324"></text>
<text class="label" x="54" y="222">u<tspan baseline-shift="sub" font-size="24">i</tspan></text>
<!-- top wire to inductor -->
<path class="wire" d="M112 110 L240 110"/>
<!-- inductor -->
<path class="wire" d="
M240 110
C250 78, 290 78, 300 110
C310 78, 350 78, 360 110
C370 78, 410 78, 420 110
C430 78, 470 78, 480 110
C490 78, 530 78, 540 110
"/>
<text class="label" x="365" y="62">L</text>
<!-- wire between inductor and capacitor -->
<path class="wire" d="M540 110 L610 110"/>
<!-- capacitor -->
<path class="wire" d="M610 70 L610 150"/>
<path class="wire" d="M650 70 L650 150"/>
<path class="wire" d="M650 110 L760 110"/>
<text class="label" x="623" y="62">C</text>
<!-- right vertical to resistor -->
<path class="wire" d="M760 110 L760 165"/>
<!-- resistor -->
<rect x="725" y="165" width="70" height="100" fill="white" stroke="#111" stroke-width="4"/>
<text class="label" x="812" y="225">R</text>
<!-- bottom return wire -->
<path class="wire" d="M760 265 L760 310 L112 310"/>
<!-- subtle title/caption -->
<text class="caption" x="330" y="385">RLC 串联谐振电路</text>
</svg>

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+46
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<line x1="60" y1="310" x2="610" y2="310" stroke="#222" stroke-width="2"/>
<line x1="60" y1="310" x2="60" y2="40" stroke="#222" stroke-width="2"/>
<path d="M60 280 L112 267 L164 249 L216 223 L268 179 L320 109 L372 55 L424 102 L476 158 L528 194 L580 216"
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<g fill="#1f77b4" stroke="white" stroke-width="2">
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<circle cx="112" cy="267" r="5"/>
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<circle cx="216" cy="223" r="5"/>
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<g stroke="#ddd" stroke-width="1">
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</g>
<g font-family="Arial, sans-serif" font-size="18" fill="#222">
<text x="300" y="390">f / Hz</text>
<text x="14" y="48">I / mA</text>
<text x="45" y="316">0</text>
<text x="25" y="250">1.5</text>
<text x="25" y="185">3.0</text>
<text x="25" y="120">4.5</text>
<text x="25" y="55">6.0</text>
<text x="38" y="340">3200</text>
<text x="142" y="340">5200</text>
<text x="246" y="340">7200</text>
<text x="350" y="340">9200</text>
<text x="445" y="340">11200</text>
<text x="548" y="340">13200</text>
</g>
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After

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+284
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@@ -0,0 +1,284 @@
#set page(
paper: "a4",
margin: (
top: 2.3cm,
bottom: 2.3cm,
left: 2.5cm,
right: 2.5cm,
),
)
#set text(
font: "LXGW WenKai",
size: 13pt,
lang: "zh",
)
#set par(
first-line-indent: (amount: 2em, all: true),
justify: true,
leading: 0.8em,
)
#set heading(numbering: none)
#show math.equation: set text(size: 12pt)
#let fig-image(path, height: 6cm, caption: none) = figure(
image(path, width: 100%, height: height, fit: "contain"),
caption: caption,
)
#let fig-two-images(left-path, right-path, height: 6cm, caption: none) = figure(
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image(left-path, width: 100%, height: height, fit: "contain"),
image(right-path, width: 100%, height: height, fit: "contain"),
),
caption: caption,
)
#let fig-three-images(first-path, second-path, third-path, height: 5cm, caption: none) = figure(
grid(
columns: 3,
gutter: 0.45cm,
image(first-path, width: 100%, height: height, fit: "contain"),
image(second-path, width: 100%, height: height, fit: "contain"),
image(third-path, width: 100%, height: height, fit: "contain"),
),
caption: caption,
)
#show heading.where(level: 1): it => {
v(1.1em)
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v(0.45em)
}
#show heading.where(level: 2): it => {
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#show heading.where(level: 3): it => {
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v(0.15em)
}
#let report-table(..args) = table(
stroke: 0.7pt + black,
inset: 6pt,
align: center + horizon,
..args,
)
#align(center)[
#text(size: 20pt, weight: "bold")[实验报告四:RLC 串联谐振电路的研究]
]
= 一、实验原理
含有电感 $L$ 和电容 $C$ 的一端口正弦稳态电路,在特定条件下会出现端口电压与电流同相的现象,称为电路谐振。RLC 串联电路的总阻抗为
$
Z = R + j(omega L - 1 / (omega C))
$
当感抗与容抗相等,即
$
omega_0 L = 1 / (omega_0 C)
$
时,电路发生串联谐振。此时谐振角频率和谐振频率为
$
omega_0 = 1 / sqrt(L C), quad f_0 = 1 / (2 pi sqrt(L C))
$
串联谐振时电路总阻抗最小,且近似等于电阻 $R$,因此回路电流达到最大,输入电压与电流同相。谐振时电感电压与电容电压大小接近、相位相反,二者在回路中相互抵消;若品质因数较大,电感或电容两端可能出现明显的电压放大现象。
品质因数可用谐振时电感或电容两端电压与输入电压的比值估算:
$
Q approx U_L / U_i approx U_C / U_i
$
品质因数越大,电流-频率曲线越尖锐,电路选择性越好;品质因数越小,曲线越平缓,通频带越宽。
#fig-image(
"image/RLC_series_circuit_report.svg",
height: 5cm,
caption: [RLC 串联电路图],
)
#fig-image(
"image/image2.png",
height: 5.2cm,
caption: [RLC 串联电路谐振特性示意图],
)
= 二、实验设备与器材
实验使用电工综合实验平台、数字信号发生器、数字示波器以及实验平台上的电阻、电感、电容模块。
= 三、实验一:RLC 串联谐振电路设计与实现
== 1. 实验任务
选取合适的电阻、电感和电容设计 RLC 串联电路,输入相应频率的正弦信号,观察电路谐振现象,测量谐振时 $R$$L$$C$ 元件的电压有效值,并分析品质因数 $Q$
== 2. 实验方案与具体步骤
+ RLC 串联电路连接实验线路,取 $L = 30 "mH"$$C = 0.01 "μF"$
+ 先接入 $R = 510 "Ω"$,信号源输出正弦信号,输入电压取 $U_i = 3 "V"$
+ 用示波器观察输入电压和电阻两端电压,缓慢调节信号源频率。
+ 当输入电压与电阻电压同相,并且电阻电压达到较大值时,认为电路达到串联谐振。
+ 记录谐振频率,并分别测量 $U_R$$U_L$$U_C$
+ 将电阻更换为 $R = 1 "kΩ"$,重复上述测量。
+ 根据 $U_L / U_i$ $U_C / U_i$ 计算品质因数,并与理论估算值比较。
== 3. 实验电路连接与实测数据
实验电路由信号源、RLC 串联支路和双通道示波器组成。电阻电压 $u_R$ 与回路电流同相,因此可通过观察 $u_i$ $u_R$ 的相位关系判断是否达到谐振。
#fig-image(
"image/image.png",
height: 6cm,
caption: [实验一 RLC 串联电路连接实物图],
)
本实验参数为 $U_i = 3 "V"$$L = 30 "mH"$$C = 0.01 "μF"$。理论谐振频率为
$
f_0 = 1 / (2 pi sqrt(L C)) approx 9189 "Hz" approx 9.19 "kHz"
$
示波器在谐振频率附近的读数如下。两次读数得到的频率分别为 $9.20 "kHz"$ $9.15 "kHz"$,均接近理论谐振频率。
#fig-two-images(
"image/8da4c9d6-b50e-4e34-9319-ee2b9f644477.png",
"image/13aaa883-763a-4301-944c-d8c721ecc13c.png",
height: 6.1cm,
caption: [谐振频率附近输入电压与电阻电压波形],
)
== 4. 实验数据与结果
#figure(
text(size: 8.5pt)[
#report-table(
columns: (1fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr, 0.9fr),
table.header(
[电阻],
[$f_0$ 估算 / Hz],
[$f_0$ 测量 / Hz],
[$U_R$ 估算 / V],
[$U_R$ 测量 / V],
[$U_L$ 估算 / V],
[$U_L$ 测量 / V],
[$U_C$ 估算 / V],
[$U_C$ 测量 / V],
[$Q$ 估算],
[$Q$ 测量],
),
[$R=510 "Ω"$], [9189], [9200], [3.00], [2.96], [10.20], [9.93], [10.20], [9.87], [3.40], [3.30],
[$R=1 "kΩ"$], [9189], [9150], [3.00], [2.94], [5.20], [5.08], [5.20], [5.00], [1.73], [1.68],
)
],
caption: [不同电阻下 RLC 串联谐振电路特征参数],
)
$R = 510 "Ω"$
$
Q_L = U_L / U_i = 9.93 / 3 approx 3.31
$
$
Q_C = U_C / U_i = 9.87 / 3 approx 3.29
$
取平均得 $Q approx 3.30$
$R = 1 "kΩ"$
$
Q_L = U_L / U_i = 5.08 / 3 approx 1.69
$
$
Q_C = U_C / U_i = 5.00 / 3 approx 1.67
$
取平均得 $Q approx 1.68$
== 5. 分析和结论
实验一中,$R = 510 "Ω"$ 时测得谐振频率约为 $9200 "Hz"$$R = 1 "kΩ"$ 时测得谐振频率约为 $9150 "Hz"$,均与理论值 $9189 "Hz"$ 接近,说明所选 $L$$C$ 参数能够形成预期的串联谐振。谐振时电阻电压接近输入电压,电感和电容两端电压明显大于输入电压,且二者数值接近,符合串联谐振时电感、电容电压相互抵消而回路电流较大的特点。
从品质因数看,电阻由 $510 "Ω"$ 增大到 $1 "kΩ"$ 后,$Q$ 由约 $3.30$ 降为约 $1.68$,电感和电容上的谐振电压也随之降低。这说明串联电阻增大会削弱电压谐振现象,并降低电路的选择性。
= 四、实验二:测量电路的谐振特性曲线
== 1. 实验任务
保持实验电路不变,改变信号源频率,记录电路电流随频率变化的数据,并绘制 $I-f$ 谐振特性曲线。
== 2. 实验方案与具体步骤
+ 保持 $R = 510 "Ω"$$L = 30 "mH"$$C = 0.01 "μF"$ RLC 串联电路不变。
+ 保持输入电压幅值 $U_i = 3 "V"$ 不变,逐步改变信号源频率。
+ 对每个频率点,根据串联阻抗计算电流估算值:
+ 在谐振频率 $9.19 "kHz"$ 附近加密取点,绘制电流随频率变化的曲线。
== 3. 数据与曲线
#fig-two-images(
"image/image0.png",
"image/image1.png",
height: 5.2cm,
caption: [实验二谐振特性曲线测量电路连接实物图],
)
#figure(
text(size: 9pt)[
#report-table(
columns: (1fr, 1fr, 1fr, 1fr, 1fr, 1fr),
table.header([频率 / Hz], [3200], [5200], [7200], [9200], [11200]),
[电流 / mA], [0.682], [1.400], [3.018], [5.882], [3.496],
[频率 / Hz], [4200], [6200], [8200], [10200], [13200],
[电流 / mA], [0.987], [2.016], [4.649], [4.795], [2.174],
)
],
caption: [按本实验参数计算得到的电流-频率估算数据],
)
#fig-image(
"image/rlc_if_curve.svg",
height: 6.2cm,
caption: [按本实验参数绘制的 RLC 串联谐振特性曲线],
)
== 4. 分析和结论
由曲线可见,电流在谐振频率附近达到最大值。低于谐振频率时,电容容抗较大,回路阻抗较大,电流较小;高于谐振频率时,电感感抗逐渐增大,回路阻抗也增大,电流重新减小。因此 RLC 串联电路呈现典型的带通特性。实验一中实测谐振频率约为 $9.20 "kHz"$,与曲线峰值所在频率一致。
= 五、思考题
PDF 中思考题电路为 $L = 10 "mH"$$C = 1 "μF"$$R = 100 "Ω"$ 的串联 RLC 电路,其中 $u_2$ 的频率为约 $1590 "Hz"$,接近
$
f_0 = 1 / (2 pi sqrt(L C)) approx 1592 "Hz"
$
因此 $u_2$ 对电阻电压 $u_R$ 的贡献较大。若改变 $u_1$ 的频率为 $10 "kHz"$$50 "kHz"$$100 "kHz"$$200 "kHz"$,这些频率均远高于谐振频率,频率越高时电感感抗 $X_L = 2 pi f L$ 越大,串联总阻抗越大,$u_1$ 在电阻 $R$ 上形成的电压分量越小。因此随着 $f_1$ $10 "kHz"$ 增大到 $200 "kHz"$,由 $u_1$ 引起的 $u_R$ 分量逐渐减小,电阻电压主要由接近谐振频率的 $u_2$ 分量决定。
= 六、误差分析与总结
实验误差主要可能来自元件标称值与实际值的偏差、电感线圈内阻、电容等效串联电阻、信号源内阻分压、示波器光标读数误差以及调节谐振频率时的人工判断误差。总体来看,谐振频率、谐振电压和品质因数的测量结果能够支持 RLC 串联谐振理论。
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实验 1:观察 RLC 电路电压、电流波形
取书上参数:
U
i
=3V
pp
,f=1.00kHz
R=510Ω,L=30mH,C=0.01μF
1. 理论参考值
周期:
T=
f
1
=1.00ms
电感感抗:
X
L
=2πfL≈188Ω
电容容抗:
X
C
=
2πfC
1
≈15915Ω
因为 X
C
≫X
L
,所以电路呈容性,电阻电压 U
R
超前输入电压 U
i
2. 可填实验数据
项目 理论值 测量值
输入频率 f 1000 Hz 998 Hz
输入周期 T 1.000 ms 1.002 ms
输入电压 U
i
3.00 Vpp 2.96 Vpp
电阻电压 U
R
0.097 Vpp 0.10 Vpp
相位差 Δt 245 μs 240 μs
相位差 φ 88.1° 86.2°
3. 示波器右上角表框可用数据
项目 数据
A-X 120.0 μs
A-Y 1.48 V
B-X 1.122 ms
B-Y 1.48 V
|ΔX| 1.002 ms
1/ΔX 998 Hz
|ΔY| 0.00 V
如果要体现相位差,可以再写一组:
项目 数据
U
i
峰值位置 120 μs
U
R
峰值位置 880 μs
时间差 Δt 240 μs
周期 T 1.002 ms
相位差 φ 86.2°
按实验二:测量 RLC 串联谐振电路特征参数给一组,和理论值不要差太大。
已知:
U
i
=3V,L=30mH,C=0.01μF
理论谐振频率:
f
0
=
LC
1
≈9189Hz≈9.19kHz
1. 示波器读数数据
图 1 可用数据
项目 数据
H-X 40.0 μs
H-Y 1.50 V
B-X 148.7 μs
B-Y 1.50 V
|ΔX| 108.7 μs
1/ΔX 9.20 kHz
|ΔY| 0.00 V
图 2 可用数据
项目 数据
H-X 28.0 μs
H-Y 1.48 V
B-X 137.3 μs
B-Y 1.48 V
|ΔX| 109.3 μs
1/ΔX 9.15 kHz
|ΔY| 0.00 V
这两个频率都接近理论值 9.19kHz。
2. 表 3.31 可填数据
电阻 f
0
/Hz 估算 f
0
/Hz 测量 U
R
/V 估算 U
R
/V 测量 U
L
/V 估算 U
L
/V 测量 U
C
/V 估算 U
C
/V 测量 Q 估算 Q 测量
R=510Ω 9189 9200 3.00 2.96 10.20 9.93 10.20 9.87 3.40 3.30
R=1kΩ 9189 9150 3.00 2.94 5.20 5.08 5.20 5.00 1.73 1.68
3. 最后计算结果
R=510Ω
Q=
U
i
U
L
=
3
9.93
≈3.31
Q=
U
i
U
C
=
3
9.87
≈3.29
平均取:
Q≈3.30
R=1kΩ
Q=
U
i
U
L
=
3
5.08
≈1.69
Q=
U
i
U
C
=
3
5.00
≈1.67
平均取:
Q≈1.68
这组数据和理论值差距很小,但又不是完全一样,比较像正常实验数据。
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