《基础物理》实验报告
学院: 国际软件学院 专业: 数字媒体技术 2011 年 6 月 3日
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大学物 理 实 验 报 告
实验题目:开尔文电桥测导体的电阻率
姓名: 杨晓峰 班级: 资源0942 学号:36 日期:20##-11-16
实验目的:
1.了解双臂电桥测量低电阻的原理和方法。
2.测量导体电阻率。
3.了解单、双臂电桥的关系和区别。
实验仪器
本实验所使用仪器有?双臂电桥、直流稳压电源 、电流表、电阻、双刀双掷换向开关、标准电阻、低电阻测试架(待测铜、铝棒各一根)、直流复射式检流计(?C15/4或6型)、千分尺(螺旋测微器)、米尺、导线等。
实验原理:
双臂电桥工作原路:工作原理电路如图1所示,图中Rx是被测电阻,Rn是比较用的可调电阻。Rx和Rn各有两对端钮,C1和C2、Cn1和On2是它们的电流端钮,P1和P2、Pn1和Pn2是它们的电位端钮。接线时必须使被测电阻Rx只在电位端钮P1和P2之间,而电流端钮在电位端钮的外侧,否则就不能排除和减少接线电阻与接触电阻对测量结果的影响。比较用可调电阻的电流端钮Cn2与被测电阻的电流端钮C2用电阻为r的粗导线连接起来。R1、R1'、R2和R2'是桥臂电阻,其阻值均在lOΩ以上。在结构上把R1和R'1以及R2和R2'做成同轴调节电阻,以便改变R1或R2'的同时,R1'和R2'也会随之变化,并能始终保持
测量时接上RX调节各桥臂电阻使电桥平衡。此时,因为Ig=0,可得到被测电阻Rx为
1、 为了消除接触电阻对于测量结果的影响,需要将接线方式改成下图方式,将低电阻Rx以四端接法方式连接
图1 直流双臂电桥工作原理电路
可见,被测电阻Rx仅决定于桥臂电阻Rz和R1的比值及比较用可调电阻Rn而与粗导线电阻r无关。比值R2/R1称为直流双臂电桥的倍率。所以电桥平衡时
被测电阻值=倍率读数×比较用可调电阻读数
因此,为了保证测量的准确性,连接Rx和Rn电流端钮的导线应尽量选用导电性能良好且短而粗的导线。
只要能保证,R1、R1'、R2和R2'均大于1OΩ,r又很小,且接线正确,直流双臂电桥就可较好地消除或减小接线电阻与接触电阻的影响。因此,用直流双臂电桥测量小电阻时,能得到较准确的测量结果。
由图???和图???,当电桥平衡时,通过检流计G的电流IG = 0, C和D两点电位相等,根据基尔霍夫定律,可得方程组(1)
(1)
解方程组得
(2)
通过联动转换开关,同时调节R1、R 2、R3、R,使得成立,则(2)式中第二项为零,待测电阻Rx和标准电阻Rn的接触电阻Rin1、R ix2均包括在低电阻导线Ri内,则有
(3)
实际上即使用了联动转换开关,也很难完全做到。为了减小(2)式中第二项的影响,使用尽量粗的导线以减小电阻Ri的阻值(Ri<0.001?),使(2)式第二项尽量小,与第一项比较可以忽略,以满足(3)式。
金属电阻率的测定
1、按图5所示连接电路,取电源电压为15V,调节滑线变阻器是电流表指示为1A;
2、由长到短分别测量铜杆不同长度的电阻(每隔5cm测一次,总共至少6次);3、用数显卡尺在铜杆的不同部位测量其直径多次并记录。
实验内容及步骤:
1.电阻及电阻率的测量。
(1)将铜棒按4端接法接入双臂电桥 C1 P1 C2 P2接线柱,估计北侧电阻,选择适合的倍率,接通电源,按下电源,按下粗细调节钮、调整Rn使电桥平衡,记录 Rn值有公式算出Rx的值,测Rn5次。
(2)用卡尺测出铜棒长度L,用千分尺在铜棒不同位置测出铜棒的直径D、5次,记录在表格中,有公式求出铜的电阻率p
2.金属电阻温度系数的测定
(1)。测量电阻的R-t曲线,并根据曲线计算电阻的温度系数。首先,将YJ-HW-II型实验仪的“电缆”座通过电缆与恒温箱连接。将实验仪左侧开关置于“设定”,选择所需温度点,调节温度“粗选”、“细选”使到达合适位置。然后按下开关使置于“测量”。打开加热开关,观察仪器显示至选定温度并稳定下来后,将电阻插入恒温箱中,稍侯电阻升温结束,把信号接入实验仪的输入端,得到选定温度上Pt100的电阻值。
2、重复以上步骤,分别测量设定温度为600C、700C、800C、900C、1000C时Pt100电阻的值。根据所记录的数据,绘出R-t曲线。并在曲线上选取不同两点,计算电阻的温度系数。
3. 用双臂电桥测出电阻的精确值。
数据记录:
电阻R的值
铜棒的值:
数据处理:
以电阻1#为例估算不确定度,表示结果。
R== =
R== =
Rx= (R+ R)/2= =
S=△n/(△R/R)= =
电阻箱引入误差 ,式中N为转盘数,R为使用值,m为电阻箱等级,比例臂m取0.1,比较臂m取0.02。按均匀分布:
= =
= =
= =
检流计平衡指示不确定度为:
= =
传播率为:
=
=
=
测量结果:
Rx=( ) ;P=0.683; E=
思考题:
1.电桥平衡后,若各桥臂电阻保持不变,只把检流计和电源的位置互换,是否仍能平衡?说明理由。
2.分析电路原理图,若改变R/R时,G的指针只发生单向偏转,而且比值越小偏转越小,R=0时偏转为零,则何处可能有故障?
实验感想与小结
通过本次实验,我掌握了电桥法测电阻的一般原理,并学会使用了QJ19型
单双电桥、FMA型电子检流计等以前未使用过的电学实验仪器,并进一步巩固了数据处理的一元线性回归法和不确定度的计算方法,对用Excel等电脑技术解决实际问题更加熟练。
通过“测铜的电阻率”和“将QJ19型电桥改接单电桥测中值电阻”两个实验的对比,我对实验数据的多次测量与否有了较为深入的思考。
1、在“测铜的电阻率”的实验中,多次测量取平均值减少误差的思想2次被用到,具体的:
a) 热电动势影响的消除。由于线路中电流较大,产生大量焦尔热。又由于各部分结构不均匀,因而各部分温度也不均匀,从而会产生附加热电动势。考虑到热电动势只和I2R有关,而与I的方向无关,而电阻上电压降的正负却和电流方向有关,故采用改变电流方向的办法。假定热电势与电阻上电压降原来是相加关系,电流反向后,则成相减关系,从而两次测得的电阻值一偏大,一偏小,取两次平均是较好的结果。
b) 测铜杆截面圆直径时,用数显卡尺在铜杆的不同部位进行不少于5次的测量,取平均值得铜杆的直径d。这样处理减小了因铜杆粗细不均匀而导致的误差,使计算结果更加精确。
2、而在“将QJ19型电桥改接单电桥测中值电阻”的实验中,由于测量中电路并未改变,并不需要多次测量,因此只测量了一组数据,再通过不确定度的计算对误差的可能取值范围进行估计。
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