自组电位差计实验电路的研究

1.摘要

在本实验中，相关材料上列举了一个自组电位差计的实验电路，由此，我们思考能否对已知电路进行一些改动并用此电路进行测量。我们参考了UJ-25型电位差计的电路，设计了我们的实验电路，并在实验中应用此电路对未知电动势进行了测量，同样取得了很好的测量精度与准确度。

2.实验原理

2.1 补偿原理：

由于如果直接把伏特表接到干电池两级进行测量，会因伏特表分流产生接入误差，为了避免接入误差。采用补偿电路（如图1所示）

图1

当外电路电压E大于Ex时，可以找到一个CD位置，使Ex所在的回路中无电流通过，此时Vcd=Ex。这就是补偿原理。

2.2零示法：

在找CD位置使Vcd=Ex的过程中，由于无法对电压是否相等作出直观判断，故无法判定电压是否相等。此时，在补偿电路中串联入一个灵敏度足够高的检流计，当检流计偏转为零时，即可确定此时Vcd=Ex。

2.3 测量原理：（请参照图2）

先由温度对电池的修正公式算出在实验室条件下的标准电池的电压值EN再由EN算出当I=1mA时AB的阻值，调好AB。双刀双掷开关打到左端，调节CD，使检流计指针不偏转（此时主干路中电流为标准电流）。将双刀双掷开关打到右侧，同时调节变阻箱AB、CD，使其电阻之和不变（保证干路电流不变），同时使检流计指针不再偏转。

此时变阻箱CD的读数乘以1mA即为未知电源的电压。

3.实验仪器：

ZX-21电阻箱（2个）、指针式检流计、标准电池、稳压电源、待测干电池、双刀双掷开关。

4.主要步骤：

4.1按照设计好的实验电路对电路进行连接。（图2为设计的实验电路）

4.2对电路进行查线，并检查是否已将电路元件调制到安全位置（变阻箱阻值接入最大，开关断开等）。

4.3 测量并读取数据（要读出试验现场温度计的示数）。

4.4 断开电路开关，拆分电路。

5.A数据记录与处理（在实验中所用的即为该电路，因此数据直接使用实验数据）

5.1 数据记录

原始数据记录请参见随打印

版上交的原始数据记录单

t=20℃

5.2 数据处理

5.2.1计算标准电池温度修正值

EN≈E20-3.99*10 (t-20)-0.94*10 (t-20) +9*10 (t-20) 

E20为20℃下标准电动势的值 在本实验中 E20=1.01861V t=21.8℃

5.2.2 灵敏度测量

S=

灵敏度误差（对Ex位置进行）

△Ex=

U(灵)= △Ex=0.000124V

5.2.3待测电压计算

Ex=1mA*1497.9=1.4979V

5.2.4 不确定度的计算

△RAB =

同理可求出△RCD=2.100Ω △RA`B`=1.625Ω △RC`D`=1.680Ω

由U(R)=△R/可求出 U(RAB)=0.638Ω U(RCD)=1.212Ω U(RA`B`)=0.938Ω U(RC`D`)=0.970Ω

将所得数据代入上式所得结果为

U(Ex)=1.4979*5.35*10=0.0008V

故 EX=(1.4979+0.0008)V

5.2.5 相对误差

（用UJ25型电位差计测出电动势为1.49768V）

相对误差t=%

5.B数据记录与处理（该实验为使用书上电路做的，以作对比）

5.1 数据记录（原始数据附在打印版）

5.2 数据处理

5.2.1灵敏度测量

S=

灵敏度误差（对Ex位置进行）

△Ex=

U(灵)= △Ex=

5.2.2 不确定度的计算

U (R1) = U(R2)= U(R1`)= U(R2`)=

U (Ex) =

Ex= (1.401+0.001) V

5.2.3 相对误差

（用UJ25型电位差计测出电动势为1.398905V）

相对误差t=%

6讨论与反思

6.1 关于本实验的讨论

关于本设计实验电路优缺点的分析

在应用此电路图设计自组电位差计的优点是便于理解，因为与UJ-25型电位差计的电路相似，不必在对电路进行分析理解，相应的，原理也很简单。但同时，该电路也有不足。在调整两个变阻箱的阻值使检流计指针不偏转的过程中，由于同时还要保证两个电阻之和不发生改变，这就为调节工作增加了一定难度。

此外，在通过Ａ，Ｂ两组实验数据处理的结果对比可以看出，按仿U-J25型电位差计的电路图所测出的结果不论是灵敏度还是相对误差都相对而言比较小。这对实验无疑是有好处的。当然，限于条件，并没有多次反复实验，结果具有一定偶然性。　

对电位差计系列实验的建议

对实验仪器的改进：

a.两个电阻箱能够设计成一个带有步进功能的双重电阻箱，设定好电阻之和后，在调节一个电阻值时，另一个电阻的阻值将会同步变化，保持两个电阻的阻值之和不变，保证了干路电流不发生变化，这样实验的准确度和复杂度都会大大降低。

b.能否将实验仪器的外壳换成有机玻璃等透明材料，这样可以使同学更好地理解各个仪器的内部构造和工作原理，对实验能有更深刻的理解。或者可以在现场放置一台拆开的损坏的实验仪器，让同学能够在拆装中更好地了解仪器的工作原理，同时也提高了动手能力。

6.2关于该系列实验的经验教训

a.在组装电路时，要按照电路图，从电路的一端出发，先连好干路，再分别逐次连接各支路、不能因为某条支路简单就主观认为可以同时连好。否则，很容易导致导线的连接错误，或使多组导线纠缠在一起，为下一步的电路查线增加了难度。

b.在使用检流计的过程中，用制动按钮使检流计快速止动，要选取其在大概的平衡位置附近，否则，在松开制动按钮后，因指针要偏向到当前的平衡位置，可能会使指针因摆动角度过大从而造成仪器损坏。

c.在这个实验中，要注意不能在理论上主观认为实验电路的正确与否。比如在测电流表内阻的实验中，根据在预习中设计的电路连接了测量电路，但却没有能测出数据，因为对电流的理解不够深刻，所以设计的电路图有致命的错误，平衡时是没有电流的。这个问题提醒我们在设计实验电路时，要与实际联系，不能凭借主观臆断。

6.3 一点感想

这个学期已经到了尾声，物理实验到交上这篇报告的时候，也做了5个了。相比较泛泛而过的演示实验，物理实验给了我们更大的空间和自由度来验证书中学过的物理原理或者是将所学的知识付诸于实践。初高中，学校也是限于经济方面的约束，并没有给我们提供足够的物理实验的机会，所以，一开始，对物理实验还是有点担心的。但随着做过的实验数目的增加，对实验也有了更多的体会，也更熟练了。在实验中也逐渐培养了严谨的实验态度。对每一个实验步骤，对每一个实验数据，都不能掉以轻心。同时，在实验过程中，戒骄戒躁，要有耐心。在课后的数据处理环节，要准确理解不确定度中每一项的来源，分清A类和B类分量；在计算过程中适当多保留数据……林林总总，需要注意的细节问题确实不少。

最后，要感谢带我实验的陈注里老师和判实验报告的莫西老师。陈老师在实验的时候仔细审查了我的电路图，从而确保了实验的成功；对该实验的各个原理部分也讲得很清楚。莫西老师对我实验报告的细微的错误都做出了指正，并写了错误原因。在此感谢两位老师。