电位差计及其应用.doc

探究性实验报告电位差计及其应用学 号 15051138 学 生 姓 名 江 浚 源 第二 作者 学号 15051129 第二 作者 姓名 孙 泊 涵 第三 作者 学号 15051122 第三 作者 姓名 王 金 宇 2016年11月29日摘要电位差计的测量准确度高，且避免了测量的接入误差，但操作复杂，不容易实现测量的自动化。电位差计作为补偿法的典型应用，在电学实验中仍有重要的训练价值。直流比较式电位差计仍是目前准确度较高的电压测量仪表，在数字电压表及其他精密电压测量仪表的检定中，常作为标准仪器使用。关键字：电位差计，补偿法目录摘 要.2目 录.2一、实验目的.3二、实验原理.31.补偿原理32.UJ25型电位差计.3三、实验仪器.4四、实验内容.41.自组电位差计.42.UJ25型箱式电位差计.5五、数据处理.51.自组电位差计测干电池电动势52.箱式电位差计测固定电阻6六、实验反思与改进.61.反思与总结.72.改进与建议.7参考文献.7附录.7原始实验数据纸8一、 实验目的1、学习补偿原理和比较测量法；2、牢固掌握基本电学仪器的使用方法，进一步规范实验操作；3、培养电学实验的初步设计能力；4、熟悉仪器误差限和不确定度的估算；二、 实验原理1. 补偿原理为了避免接入误差，可以采用如图一所示的“补偿”电路。如果cd可调，EEx，则总可以找到一个cd位置，是Ex所在回路中无电流通过，这时Vcd=Ex。上述原理称为补偿原理；回路ExGdcEx称为补偿回路；ESABE构成的回路成为辅助回路。为了确认补偿回路中没有电流通过（完全补偿），在补偿回路中接入一个具有足够灵敏度的检流计G，这种用检流计来判断电流是否为零的方法，称为零式法。 图一这里可以通过比较测量法测定Vcd从而确定Ex。如上图所示，把Ex接入RAB的抽头，当抽头滑至位置cd时，G中无电流通过，则Ex=IRcd，其中I是通过RAB的电流；再把一电动势已知的标准电池EN接入RAB的抽头，当抽头滑至位置ab时，G再一次为0，则EN=IRab，于是EX=RcdRabEN 这种方法是通过电阻的比较来获得待测电压与标准电池电动势的比值关系的。由于RAB是精密电阻，Rcd/Rzb可以精确度出，EN是标准电池，其电动势也有很高的精确度，因此只要在测量过程中保持辅助电源E的稳定并且检流计G有足够的灵敏度，EX就可以有很高的测量准确度。按照上述原理制成的电压测量仪器叫做电位差计。应该指出，式的成立条件是辅助回路在两次补偿中的工作电流I必须相等。事实上，为了便于读数，I=EN/Rab应当标准化（例如I=I0=1mA）,这样就可以由相应的电阻值直接读出Vcd，即EX=I0Rcd2. UJ25型电位差计UJ25型电位差计是一种高电势电位差计，测量上限为1.911110V，准确度为0.01级，工作电流I0=0.1mA。它的原理如图二所示，图中的RAB为两个步进的电阻旋钮，标有不同温度的标准电动势的值，当调节工作电流时做标准电池电动势修正之用。RP(标有粗，中，细，微的四个旋钮)做调节工作电流I0之用。RCD是标有电压值（即I0Rx之值）的六个大旋钮，用以测出未知电压的值。UJ25型电位差计使用方法如下：调节工作电流：将功能转换开关置N，温度补偿电阻RAB旋至修正后的标准电池电动势“1.08伏”的后两位，分别按下“粗”，“细”按钮，调节RP至检流计指零。测量待测电压：功能转换开关置X1或X2，分别按“粗”，“细”按钮，调节RCD至检流计指零，则RCD的显示值即为待测电压。 图二三、 实验仪器ZX-21电阻箱（两个）、指针式检流计、标准电池、稳压电池、待测干电池、双刀双掷开关；UJ25型电位差计、电子检流计、待校电压表、待测电流表。四、 实验内容1. 自组电位差计（1）设计并连接自足电位差的线路画出电路图，注意正确使用开关，安排好工作电流标准化及EX测量的补偿回路。按设计要求（E3V， EX1.51.6V，I= I01mA, EN按温度修正公式算出），设置各仪器或元件的初值或规定值。标准电池温度修正公式为EN3.9910-5(t20)0.9410-6(t20)2910-6(t20)3式中，E20为20时的电动势，可取E20=1.01860V。（2）工作电流标准化，测量干电池电动势。（3）测量自组电位差计的灵敏度。 自组电位差计电路2. UJ25型箱式电位差计（1）调节工作电流：将功能转换开关置N、温度补偿电阻RAB旋至修正后的标准电池电动势“1.018”后两位，分别按下“粗”、“细”按钮，调节RP至检流计指零。（2）测量待测电压：功能转换开关置X1或X2，分别按“粗”、“细”按钮，调节RCD至检流计指零，则RCD的显示值即为待测电压。五、 数据处理1. 自组电位差计测干电池电动势T=18 E20=1.01862VEN=E20-3.9910-5（18-20）-0.9410-6（18-20）2+910-9（18-20）3=1.0870VR1/R2/R1/R2/R1/R2/一1018.72063.11555.41526.41584.71497.1二1018.72063.11555.51526.31585.51496.3三1018.72063.31555.51526.51586.71495.3平均1018.72063.21555.51526.41585.61496.2EX= (R1/R1)EN=1.5555V不确定度计算仪器误差限：R1=100010-3+0+10210-3+8510-3+0.7510-2+0.020=1.115(R1)=R1/3=0.6437R2=200010-3+0+60210-3+3510-3+0.2510-2+0.020=2.165(R2)=R2/3=1.250R1=100010-3+50010-3+50210-3+5510-3+20.510-2+0.020=1.565(R1)=R1/3=0.9036R2=100010-3+50010-3+20210-3+6510-3+20.410-2+0.020=1.598(R2)= R2/3=0.9226仪器灵敏度及误差灵敏度：S=10div/(1585.6-1555.5)=0.3322 div/V灵敏度误差：灵（EX）=0.2/S=0.6020 V U灵（EX）=灵（EX）/3=0.3476 V不确定度合成： u(Ex)Ex=1R1-1R1+R22u2R2+uR2R1+R22+1R1+R22u2R1+uR2R1+R22=0.000718U(Ex)= ExU(Ex)/ Ex=0.00112 V最终结果表示为：ExU(Ex)=(1.5550.001) V2. 箱式电位差计测固定电阻（1） 电路图（2） 数据记录RN=200 UAB=1.42006 V UCD=1.617103 V（3） 计算RXRX= (UAB/ UCD) RN=175.6301（4） 不确定度计算(RN)=RN/3=0.127仪1=0.01（1.42006+0.01）=1.4310-4 V(UAB)= 仪1/3=8.2510-5 V仪2=0.01%（1.617103+0.01）=1.62710-4 V(UCD)= 仪2/3=9.3910-5 V（5） 不确定度合成(RX)RX=(uABuAB)2+(uCDuCD)2+(RNRN)2=6.40310-4(RX)= RX(RX)/ RX=0.1125（6） 最终结果表示为RX(RX)=(175.60.1)六、 实验反思与改进1. 反思与总结本次实验看似简单，其实也有很多需要注意的地方。实验前应充分做好预习，不急于实验，先弄清仪器的使用方法，避免盲目操作损坏实验仪器。连接电路时，应先仔细阅读电路图，按顺序连好各个元件，其中要注意个元件的正负极之分。连好电路之前要养成保持总开关断开的好习惯。使用检流计之前，应该先大概估计一下电流，否则，即使再快地断开开关，也可能会使指针因摆动角度过大从而造成仪器损坏。这次实验是我第二次进行的电学实验，通过实验学习了解了电位差计的原理与应用，明白了补偿原理和比较测量法，巩固掌握了一些电学仪器的操作方法，规范了自己的实验操作。电子检流计是一种极其精密的检测电路中电流的仪器。其可以通过旋转调节旋钮选择不同的量程以适应检测多种情况中电路内的电流是否为零。它的灵敏度很高，在电路中出现很小的电流值的改变都会引起很大的变化，因此它能协助电位差计进行高精度的使用补偿法的测量。2. 改进与建议（1） 实验中由于电压的不稳定会导致结果出现一定的误差，我们可以对干电池和电压电源在一段时间内测量，得到电压关于时间的函数。或者，在实验前后各测一次，取平均值。另外，由于电阻箱的最小分度值为0.1，无法做到电阻阻值的连续变化，这就要求我们应正确选择检流计的灵敏度，从而减小实验误差。（2） 在做实验之前，多数同学都仅仅是看书完成实验预习报告，少部分同学会找视频观看实验流程、操作。这就会导致对实验的整体认识模糊，对实验的具体操作方法掌握不到位。所以，老师在课堂上的实验演示是很重要的，能增强学生对实验操作方法、步骤的认识，更直观的理解整个实验要点，从而能减少实验仪器损耗，减少老师后续的工作量。参考文献1 李朝荣. 基础物理实验（修订版）J.北京:北京航空航天大学出版社，2010 2 何圣静.物理实验手册.机械工业出版社.1989年4月.附录原始实验数据纸9