電位差計研究型報告

1、電位差計的應(yīng)用研究型報告 電位差計的應(yīng)用研究型報告第一作者：第二作者：能源與動力工程學(xué)院2015年12月13日目錄摘要1、 實驗?zāi)康?、 實驗原理1、1補償原理 1、2 UJ25型電位差計3、 實驗儀器4、 實驗步驟4、1自組電位差計自組電位差計測干電池電動勢4、2 UJ25型箱式電位差計箱式電位差計測固定電阻5、 數(shù)據(jù)處理5、1自組電位差計測干電池電動勢5、2箱式電位差計測固定電阻6、 討論6、1實驗操作中的細(xì)節(jié)分析6、2實驗改進(jìn)自組電位差計測干電池電動勢6、3 UJ25型電位差計內(nèi)部線路簡圖6、4 UJ25型電位差計測電壓誤差進(jìn)一步分析7、 感想8、 參考文獻(xiàn)1摘要電位差計是一種

2、精確度很高的電壓測量方式，運用補償原理，通過使待測電壓與并聯(lián)電阻兩端電位差相等，用電阻兩端電壓代替待測電壓。本文將從實驗?zāi)康?、原理、儀器、步驟以及實驗的誤差、改進(jìn)、注意事項等方面探討自組電位差計與箱式電位差計的特點。關(guān)鍵詞：自組電位差計 UJ25型電位差計 實驗改進(jìn) 誤差分析AbstractPotentiometer is a high accuracy voltage measurement, using the principle of compensation, by making the measured voltage is equal to the potential differ

3、ence across the resistor in parallel with a voltage across the resistor in place of the test voltage. This article from the experimental purposes, principles, instruments, procedures and experimental error, improvements, etc. Discussion precautions from a potentiometer and box potentiometer features

4、.Keywords: self-potentiometer to UJ25 type Potentiometer Experiment improved error analysi141、實驗?zāi)康?#160;學(xué)習(xí)補償原理和比較測量法。 牢固掌握基本電學(xué)儀器的使用方法，進(jìn)一步規(guī)范實驗操作 。培養(yǎng)電學(xué)實驗的初步設(shè)計能力。    學(xué)習(xí)儀器誤差限和不確定度的估算。2、實驗原理 1、1補償原理 測量干電池電動勢Ex的最簡單辦法是把伏特表借到電池的正負(fù)極上直接讀數(shù)（見圖1）,但由于電池和伏特表的內(nèi)阻（電池內(nèi)阻r0，伏特表內(nèi)阻R

5、不能看做），測得的電壓 并不等于電池的電動勢。它表明：因伏特表的接入，總要從被測電路上分出一部分電流，從而改變了被測電路的狀態(tài)。我們把由此造成的誤差稱為接入誤差。為了避免接入誤差，可以采用如圖2所示的“補償”電路。如果cd可調(diào)，E>，則總可以找到一個cd位置，使所在回路中無電流通過，這時=。上述原理稱為補償原理；回路Gdc稱為補償回路；ESABE構(gòu)成的回路稱為輔助回路。為了確認(rèn)補償回路中沒有電流通過（完全補償），應(yīng)當(dāng)在補償回路中接入一個具有足夠靈敏度的檢流計G，這種用檢流計來判斷電流是否為零的方法，稱為零示法。由補償原理可知，可以通過測定來確定，接下來的問題便是如何精確確定，在此采用比較

6、測量法。如圖2所示，把接入的抽頭，當(dāng)抽頭滑至位置cd時，G中無電流通過，則=，其中是I流過的電流；再把一電動勢已知的標(biāo)準(zhǔn)電池接入的抽頭，當(dāng)抽頭滑至位置ab時，G再次為0，則，于是： (1)   這種方法是通過電阻的比較來獲得待測電壓與標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢的比值關(guān)系的。由于是精密電阻,可以精確讀出，是標(biāo)準(zhǔn)電池，其電動勢也有很高的準(zhǔn)確度，因此只要在測量過程中保持輔助電源E的穩(wěn)定并且檢流計G有足夠的靈敏度，就可以有很高的測量準(zhǔn)確度。按照上述原理做成的電壓測量儀器叫做電位差計。 應(yīng)該指出，式（1）的成立條件是輔助回路在兩次補償中的工作電流I必須相等。事實上，為了便于讀

7、數(shù),應(yīng)當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化（例如?。@樣就可由相應(yīng)的電阻值直接讀出即。預(yù)先設(shè)置好，調(diào)節(jié)但不改變，直到；再接入，調(diào)節(jié)，并保持工作電流不變。1、2 UJ25型電位差計 UJ25型電位差計是一種高電勢電位差計，測量上限為1.911110V，準(zhǔn)確度為0.01級，工作電流=0.1mA。它的原理如圖3所示，圖4是它的面板，上方12個接線柱的功能在面板上已表明。圖中為兩個步進(jìn)的電阻旋鈕，標(biāo)有不同溫度的標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢的值，當(dāng)調(diào)節(jié)工作電流時做標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢修正之用。（標(biāo)有粗、中、細(xì)、微的四個旋鈕）做調(diào)節(jié)工作電流之用。是標(biāo)有電壓值（即之值）的六個大旋鈕，用以測出未知電壓的值。左下角的功能轉(zhuǎn)換開關(guān)，當(dāng)其處于“斷”時

8、，電位差計不工作；處于“N”時，接入可進(jìn)行工作電流的檢查和調(diào)整；處于和時，測第一路或者第二路的未知電壓。標(biāo)有“粗”、“細(xì)”、“短路”的三個按鈕是檢流計（電計）的控制開關(guān)，通常處于斷開狀態(tài)，按下“粗”，檢流計接入電路，但串聯(lián)一大電阻R',用以在遠(yuǎn)離補償?shù)那闆r下，保護(hù)檢流計；按下“細(xì)”，檢流計直接接入電路，使電位差計處于高靈敏度的工作狀態(tài)；“短路”是阻尼開關(guān)，按下后檢流計線圈被短路，擺動不止的線圈因受很大的電磁阻尼而迅速停止。3、實驗儀器 ZX-21電阻箱兩個、UJ25型電位差計、指針式檢流計（即原理圖中G）、標(biāo)準(zhǔn)電池、穩(wěn)壓電源、待測干電池、雙刀雙擲開關(guān)、電子檢流計、待校電壓表、

9、待測電流表、導(dǎo)線若干。4、實驗步驟 4、1自組電位差計自組電位差計測干電池電動勢（1）標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢與溫度有關(guān)，冬天時實驗室溫度通常低于室溫20攝氏度，因此讀出溫度計上溫度示數(shù)（通常為標(biāo)準(zhǔn)電池上自帶溫度計），對其進(jìn)行溫度修正。標(biāo)準(zhǔn)電池溫度修正公式為： 其中，為20攝氏度時的電動勢，可取=1.01860V。（2）設(shè)計并連接自組電位差計的線路 畫出電路圖（如圖5），注意正確使用開關(guān)，安排好工作電流標(biāo)準(zhǔn)化及測量的補償回路。 按照回路進(jìn)行連接，先連接輔助回路，再連接補償回路。本實驗中，電源選用箱式電源，輔助回路干路上必須串聯(lián)一個開關(guān)，用以保護(hù)電路

10、。檢流計無法承受較大電流的沖擊，因此應(yīng)在補償回路中串聯(lián)一個大電阻（本實驗中阻值為1）與開關(guān)并聯(lián)的電路元件，同時在補償調(diào)節(jié)中采用躍接法，用以保護(hù)檢流計。連接電路后，打開箱式電源開關(guān)，調(diào)節(jié)箱式電源電壓電流使電源電壓E3V，開始準(zhǔn)備測量。（3）工作電流標(biāo)準(zhǔn)化，測量干電池電動勢 如圖5所示，輔助回路中串聯(lián)電阻箱和,初始時，斷開，調(diào)節(jié)=1.018.8，調(diào)節(jié)=，使輔助回路中電流為1mA。將接入回路，斷開，保持不動，調(diào)節(jié)使檢流計指針為零（使用說明）（檢流計檔位先為1后為30nA,下同），閉合開關(guān),再次調(diào)節(jié)使檢流計示數(shù)為零，記錄和。將接入回路，保證+不變，同時調(diào)節(jié)和，使得檢流計示數(shù)變?yōu)榱悖{(diào)節(jié)方法同

11、上，記錄和。保證不變，調(diào)節(jié)使檢流計偏轉(zhuǎn)1014格。記錄和。（4）實驗重復(fù)三次，記錄三組數(shù)據(jù)。4、2 UJ25型箱式電位差計箱式電位差計測固定電阻(1) 調(diào)解工作電流：將功能轉(zhuǎn)換開關(guān)置N，溫度補償電阻旋至修正后的標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢“1.018V”的后兩位，分別按下“粗”、“細(xì)”按鈕，調(diào)節(jié)至檢流計指零。(2) 測量待測電壓：功能轉(zhuǎn)換開關(guān)置或，分別按“粗”，“細(xì)”調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)至檢流計指零，則的顯示值即為待測電壓。(3) 連接檢測電路如圖6。調(diào)節(jié)R使其電阻與接近，連接3V電源至電源接線柱，連接檢流計至檢流接線柱，連接標(biāo)準(zhǔn)電池至標(biāo)準(zhǔn)接線柱，連接待測電壓至接線柱，完成以上步驟。記錄，,。5、數(shù)據(jù)處理5、1自

12、組電位差計測干電池電動勢原始數(shù)據(jù)次數(shù)格數(shù)11018.82084.51470.01633.31491.11633.31121018.82082.61488.41622.91518.41622.91131018.82075.01467.01626.81447.91626.811 （1） : （2） ：（3） :（4） ：（5） :(6) :（7） :(8) 靈敏度誤差：靈敏度誤差可忽略原因：很小，可忽略不計。綜上所述：5、2箱式電位差計測固定電阻1801.581401.478666、討論6、1實驗操作中的細(xì)節(jié)分析實驗的精確度取決于實驗方法的正確性，實驗器材的精確度，數(shù)據(jù)處理的科學(xué)性等多方面的因素。

13、但一個實驗是否能夠成功實現(xiàn)理想中的效果，卻與實驗者在實驗過程中的操作水平密不可分。有時候一個小小的失誤都會使實驗結(jié)果偏離真實值，實驗失敗。現(xiàn)在我們所做的實驗都已經(jīng)經(jīng)過了許多代人的嘗試，在程序上，技術(shù)上都已逐漸趨于成熟。每一個小的步驟都有它的意義所在。而實驗中又會有一些小竅門，幫助我們得到在有限的條件下得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。接電路是要將各接線柱擰緊，防止接頭處阻值增大，使系統(tǒng)誤差增大。打開電源后，putout開關(guān)要按下。實驗開始前，打開檢流計開關(guān)，先進(jìn)行調(diào)零。再調(diào)整過程中一旦調(diào)好就不能變動，否則會使誤差增大。在調(diào)解過程中可以先使被調(diào)量向一個方向產(chǎn)生較大的變化，觀察指針的偏轉(zhuǎn)方向，這樣在之后的調(diào)節(jié)里就

14、很清楚電阻，增大減小檢流計指針偏轉(zhuǎn)方向。自組電位差計實驗中，在檢流計調(diào)零一定要先按下電計鍵。電子檢流計比較敏感，指針晃動幅度大，因此可以在適當(dāng)?shù)臅r候按“短路”使擺動不定的指針迅速停止。檢流計，電壓表，電流表讀數(shù)時，注意觀察在刻度盤下方平面鏡中指針的像是否與指針重合，重合時即可讀數(shù)，降低了讀數(shù)誤差。因為箱式電源上顯示的最小電流為0.01A，因此無法在電源顯示屏上顯示，因此通過控制電壓與兩個電阻箱的電阻和控制輔助回路電流。在初次調(diào)節(jié)時將調(diào)為可以大大減少接入標(biāo)準(zhǔn)電池后電阻的調(diào)節(jié)范圍，減少實驗時間。在測量靈敏度時保持前一個值不變，既使實驗簡單，又可以減少過程中的一個數(shù)據(jù)，降低不確定度。6、2實驗改進(jìn)自

15、組電位差計測干電池電動勢改進(jìn)目的：消除由于輔助回路電流微小變化引起的誤差。分析實驗步驟可知，在實驗過程中并不能保證輔助回路電流保持不變，為1mA。首先，實驗中采用的是箱式電源（如圖8），可以發(fā)現(xiàn)，顯示屏上的電流最小顯示值為0.01A，無法顯示0.001A的電流，同時電壓顯示分度值為0.1V，存在顯示誤差。再者，在調(diào)節(jié)電阻的過程中，一開始+為3000，但之后的過程中被調(diào)節(jié)，使電阻和發(fā)生了變化。因此，我們不難發(fā)現(xiàn)，整個過程中都沒有明確保證。改進(jìn)中我們直接放棄控制的準(zhǔn)確值，只保證其在1mA附近，不超過各種器材所能承受的電流大小。選擇將標(biāo)準(zhǔn)電池與待測電池分別并聯(lián)在和兩端，分別在兩個補償回路中接入檢流計

16、，因此檢流計指針同時為零時，和電流一定相等，可直接進(jìn)行計算。測量待測電池內(nèi)阻。電池的重要參數(shù)除了電動勢還有電池內(nèi)阻。如圖8所示，待測電阻兩端并聯(lián)定值電阻,接入后調(diào)節(jié)檢流計示數(shù)為零，因此改進(jìn)步驟：閉合 ,調(diào)節(jié) 使電流表電流約為1mA，閉合 ，調(diào)節(jié) 使檢流計 為零，閉合 ，調(diào)節(jié) 使檢流計 和 同時為零，記錄 和 。 閉合 ，調(diào)節(jié) 和 使檢流計 和 同時為零，記錄 和 。即可按照以上公式求得 和 。重復(fù)三次，取平均值，減小隨機誤差。6、3 UJ25型電位差計內(nèi)部線路簡圖實驗是難以通過內(nèi)部構(gòu)造分析箱式電位差計的使用方法，而如果知道了其內(nèi)部構(gòu)造就能更深入地掌握UJ25型電位差計的特征。圖9 UJ25型電

17、位差計內(nèi)部線路簡圖6、4 UJ25型電位差計測電壓誤差進(jìn)一步分析以如下數(shù)據(jù)為例：1.47866（1）電位差計儀器誤差（2）溫度誤差（3）檢流計誤差,實驗時檢流計最小檔位為10nA=A,靈敏度誤差約為數(shù)量級，與電位差計儀器誤差相比過小，可忽略不計。7、感想本次實驗，我們了解了一種更精確的測量電動勢的方法補償法。運用補償法的原理，通過使補償回路中電流為零排除電源內(nèi)阻等的干擾。同時我們也了解了一種精度很高的測量儀器UJ25型電位差計。通過課下查找資料，我們發(fā)現(xiàn)UJ25型電位差計雖然使用范圍較?。ㄓ捎谄洳僮鬏^繁瑣，量程較小，箱身笨重不方便搬運，輔助器件多等原因），但卻可以為數(shù)字電壓表，其他型號電位差計

18、校準(zhǔn)，可以看出，它的精度非常高，其測量值可以作為約定真值使用。再者，此次實驗使我對電學(xué)實驗有了更深一步的了解。包括電路的連接，電器元件的保護(hù)，電學(xué)儀器的讀數(shù)和使用等。在做完此次試驗后，完成其他電學(xué)實驗時我明顯感覺到得心應(yīng)手了很多。我認(rèn)為，這學(xué)期所有的電學(xué)實驗都存在共同點，學(xué)會了一個，其他的也將變得容易。對于基礎(chǔ)物理實驗這門課，我想提一點建議。我感覺學(xué)校開放的實驗位置有一點緊張。我認(rèn)為預(yù)約實驗是很重要的，因為一次實驗是很難將實驗的整體過程研究清楚，而做一次預(yù)約能夠幫助同學(xué)們了解實驗過程，彌補最初的不足。同時，預(yù)約實驗是進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)的最佳時間，沒有正式實驗室的限制，可以將自己的想法付諸實施。而這學(xué)期的預(yù)