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用线式电位差计测电动势.doc

发布时间：2022-06-14 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.63M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    课 题 用线式电位差计测电动势 1．了解电势的补偿原理，并理解用电势差计测电动势的基本方法和特点； 教 学 目 的 2．掌握电势差计的工作原理和结构特点； 3．学会用线式电势差计测量电源电动势。 重 难 点 1．补偿法的理解； 2．电势差计的正确使用。 教 学 方 法 讲授、讨论、实验演示相结合。 学 时 3 个学时 一、前言 电势差计是一种精密的电学测量仪器，在精密测量中，电势差计是应用最广的仪 器之一，它主要用来测量电动势、电势差和校准电表，还可用于间接地测量电阻、电 流和一些非电量（如温度、压力）等，其精度可达 0.1%～0. 03%。 用电势差计测电动势，就是将未知电压与电势计上的已知电压相比较。测量中由 于电势差不从被测对象中取用电流，并且应用了标准电池、标准电阻及高灵敏度检流 计，因而测量精度高，测量结果可靠。 二、实验仪器 直流稳压电源，万用表，线式电势差计，指针式检流计，标准电池，待测电磁， 滑线变阻器，电位器，双掷双刀开关，单掷单刀开关，带保护电阻单刀开关，导线。 三、实验原理 关键讲清两点：1、补偿法 2、补偿法的实现 （一）直接用电压表测量电动势时，得到的是电池两 端的路端电压，由于电池有内阻，只要有电流通过，它就 会有电压降，所以电压表的示值（端电压）总是小于电源 电动势。
    U E  x  Ir （二）补偿法:要消除电池内阻产生的电压降，就必须使流过电池的电流为零， 因此要测量未知电动势，原则上按图 4.8－1 所示电路进行，电势差计就是利用补偿 法测电池的电动势。 （三）电势差计工作原理 实际使用中，精度高而连续可调的电动势是没有的。为了实现上述测量，通常采 用分压的方法。电势差计就是根据补偿原理制成的高精度分压装置。电势差计有多种 类型，本实验使用的是线式电势差计，其原理如图 4.8－2 所示。电势差计主要由工 作回路、校准回路和待测回路三个部分组成。 1．接通 1K 后，有电流 I 通过电阻丝 AB 。 2．标准化：把 2K 拨向标准电池 sE ，检流计G 上有可能有电流流过，适当调整C 、 E U ，此时，电路 D 两点位置，找到合适的C 、D 长度，使G 的指针零偏转，即 s 处于平衡状态，电阻 CDR 上的电压降与标准电池的电动势互为补偿。 CD 如果单位长度电阻丝电阻为 0R ，CD 长度为 sL ，则有 CD 端的电势差： E s  IR L 0 s 3．保持电阻 nR 不变，即工作电流 I 保持不变，把 2K 合向待测电池 xE ，重新找 'C 、 'D 位置，使检流计G 再次指零，达到补偿状态。 ' 'C D 长度为 xL ，则 E x  IR L 0 x 则有： E x  L x L s  E s
    当 sE ， sL ， xL 都已知时，电源电动势 xE 可求出。 四、实验内容与步骤 （一）仪器介绍 板式电势差计、标准电池（讲解注意事项以及 sE 不同温度对应值）、工作电源（稳 压电源，调节电压值不得超过 5V ）、待测电池（一节 1.5V 电池）、滑线变阻器，电 位器、检流计（讲解如何使用以及保护）、单刀开关（两个）、双刀双掷开关（讲解如 何接线）。 （二）合理布置仪器 按图 4.8－3 正确连接 线路，首先连接工作回路， 再接待测回路，最后接校 准回路。 （三）校准电势差计 首先测出始温t ，由表 格查出此温下标准电池的电动势值，记录在数据表上，取电阻丝，确定长度 sL 为 6m ， ，算出单位长度电阻丝上的电压降。将万用电表调至 2.5V 档，粗 根据公式  M E L s /s 测待测电池电动势值 ' xE ，记录于数据表中，由公式 ' L x  ' / E M x ,估算出测量 xE 电阻丝 的大概长度。 其次将 1nR （滑线变阻器）、 2nR （电位器）调到中间位置，接上工作电源，合上 开关 1K ，使工作回路接通，将C 端插入 6 号接线柱， D 端与 0 号接线柱密切接触， 为使工作回路和标准回路尽快达到补偿状态，先用万用电表直流电压 2.5V 档测 6 号 和 0 号接线柱间电压，调节 1nR 使之约为 1.02 伏。将检流计锁扣，调至白色圆点处， 调节检流计机械零点。然后进行粗校，粗校时将换向开关 2K 合向标准电池，接通校 准回路，按下检流计电计钮，调节 2nR ，使检流计指针指零。 最后进行细校，将开关 3K 合上，使保护电阻 R 短路，微调 2nR ，使检流计指针再 次指零，此时电势差计被校准（即工作电流被校准）。
    （四）测量未知电动势 首先粗测，断开开关 3K 、 2K ，根据估算长度 ' xL 确定C 端位置，将开关 2K 合向待 测电池，接通待测回路，保持电阻 1nR 、 2nR 不变，接通检流计，保持 D 端位置，并使 之与电阻丝点接触，使检流计指针指零（粗测）。然后细测，合上开关 3K ，微调 D 端 位置，使检流计指针再一次指零，断开开关 3K 、 2K ,读取所测电阻丝长度 xL 。 （五）重复上述两个步骤，一共测五次。 五、数据表格及数据处理 1．数据表格 （1）单次测量 室温 7.8(  t C  ) 标准电池电动势 sE  1.0190( V ) sL m ( ) 6m M V m ( / ) 万用电表粗测 ' ( xE V ) 0.16983 1.56 估算 ' ( xL m ) 9.1857 （2）多次测量 测量次数 ( )n 1 2 3 4 5 9.3295 9.3339 9.3305 9.3351 9.3356 xL m ( ) xL m ( ) | L xi  L m x | ( ) 0.0034 0.0010 0.0024 0.0022 0.0027 9.3329 S x  2 ) ( L  xi ( n n L  x 1)   0.0012( m ) , E x  s L E  x L s  1.5850( V ) 2．计算不确定度 （1）电势差计使用的电阻丝往复绕在 11 个接线柱上，考虑其缠绕不均，估计每 米误差为 0.002m ，且误差为均匀分布，则 0.002 3   iL （ iL 为实际使用长度）。
    对确定长度 sL   sL 0.002 3 U L s    L s 0.002 3  0.0069( m ) 对测量长度 xL   xL 0.002 3 U L x  S 2 L x 2    0.0109( m ) （2）标准电池在 0 ~ 40 C 范围内的最大误差不超过50 V ，即 按正态分布处理，则 sEU   5 4.0 10  3   5 2 10 ( V  ) （3）合成不确定度（忽略检流计灵敏度不够引起的误差） U E  x ( U L s L s 2 )  ( U L x L x 2 )  ( U E E s s 2 )  0.003( V )  ' 仪 ＝4.0 10 （ 。 －5  )V （4）测量结果表达式 E x  E U x   1.585 0.003( V  ) 六、注意事项 1．线路接好后，要仔细检查，确认无误方可接通电源，特别要注意正负极的连 接，断开电源时，应先断开校准回路。 2．实验过程中强调保护标准电池和检流计不受损害，标准电池的通电时间不宜 过长，通过标准电池和检流计电流都不宜过大。因此为避免出现过大电流，调试时应 掌握先粗后细的原则，先粗测再细测。 3．工作电流标准化以后， 1nR 、 2nR 不可再改变，否则就必须重新进行校准。由 于工作条件的不稳定，工作电流常偏离标准状态，为此每次测一次数据，必须重新进 行一次校准，以减小测量误差。 4. 学会估计及趋势把握，节省时间，不要盲目寻找。  5. 调节电势差计 D 端时，D 端与电阻丝只作点接触，严禁将 D 端按下后左右移动， 避免刮伤电阻丝。 七、教学后记 1．本实验要测量的数据较多，实验的实际操作比较繁琐，因而学生感到完成实 验有一定难度，因此在授课中强调学生一定要耐心调试。
    2．学生对实验原理的具体实施理解不透，因而接线和实际操作中出现错误，例 如补偿电阻的估计与插孔的寻找，因此在讲解原理时一定要讲清讲透。 3．学生实验操作中规范性不够，例如保护电阻的接入，标准电池和待测电池正 负极的连接，万用电表的读数，有效数字的正确读取等等。 4．实验中要让学生在出现故障时，学会排除故障，并且能够自己动手解决问题， 培养学生的动手能力。 5．实验报告填写时，要强调测量结果的标准化表达、不确定度的计算、实验分 析以及课后思考题。
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