十一线式电位差计测量电动势

大学物理实验报告

实验名称   十一线式电位差计测量电动势

实验日期                             

实验人员                             

 

【实验目的】

1. 了解电位差计的结构，正确使用电位差计；

2. 理解电位差计的工作原理——补偿原理；

3. 掌握线式电位差计测量电池电动势的方法；

4. 熟悉指针式检流计的使用方法。

【实验仪器】

11线板式电位差计、检流计、标准电池、待测电池、稳压电源、单刀双掷开关、保护电路组

【实验原理】

电源的电动势在数值上等于电源内部没有净电流通过时两极件的电压。如果直接用电压

表测量电源电动势，其实测量结果是端电压，不是电动势。因为将电压表并联到电源两端，

就有电流I通过电源的内部。由于电源有内阻r0，在电源内部不可避免地存在电位降Ir0，因而电压表的指示值只是电源的端电压（U=E-Ir0）的大小，它小于电动势。显然，为了能够准确的测量电源的电动势，必须使通过电源的电流I为零。此时，电源的端电压U才等于其电动势E。

    1. 补偿原理

  如图1所示，把电动势分别为ES、EX和检流计G联成闭合回路。当ES＜ EX时，检流计指针偏向一边。当ES＞ EX时，检流计指针偏向另一边。只有当ES  = EX时，回路中才没有电流，此时I＝0，检流计指针不偏转，我们称这两个电动势处于补偿状态。反过来说，若I＝0，则ES  = EX。

图1 补偿电路

2. 十一线电位差计的工作原理                                                           

如图2所示，AB为一根粗细均匀的电阻丝共长11米，它与直流电源组成的回路称作工作回路，由它提供稳定的工作电流I0；由待测电源EX、检流计G、电阻丝CD构成的回路称为测量回路;由标准电源ES、检流计G、电阻丝CD构成的回路称为定标（或校准）回路。调节总电流I0的变化可以改变电阻丝AB单位长度上电位差U0的大小。C、D为AB上的两个活动接触点，可以在电阻丝上移动，以便从AB上取适当的电位差来与测量支路上的电位差（或电动势补偿）。

图2 电位差计原理图

1) 预设

当直流电源接通，K2既不与ES接通、又不与EX接通时，流过AB的电流I0和CD两端的电压分别为

                                                       （1）

        （2）

式中R为直流电源的总电阻。当电键K2倒向 1时，则AB两点间接有标准电源ES和检流计G。适当移动C和D点的位置以改变UCD 。当UCD＝ES时，检流计的指针指零，标准电池无电流流过，此时UCD就是标准电池的电动势，电位差计达到了平衡。令C、D间长度为lS ，因为电阻丝各处粗细均匀、电阻率都相等，则电阻丝单位长度上的电压降为ES/lS 。

2）测量

   在保证工作电流I0不变的条件下，将K2拨向2，则CD两点间的ES换接了待测电源EX，由于一般情况下ES  ≠ EX，因此检流计的指针将左偏或右偏，电位差计失去了平衡。此时如果合理移动C和D点的位置以改变UCD，当UCD＝EX时，电位差计又重新达到平衡，使检流计G的指针再次指零。令C、D两点之间的距离为lX，则待测电池的电动势为

EX ＝ESlX/lS        

所以，调节电位差计平衡后，只要准确量取lX值就很容易得到待测电源的电动势。这就是用补偿法测电源电动势的原理。

【实验步骤】

（1）按图2连接好电路。

（2）测量电源电动势

粗调：接通电源E ，K2倒向“1”，估算lS大约应取的长度，将“C”插入适当的插孔。

中调：适当改变C、D位置，到G的指针基本不偏转为止。

（该步骤采用先找到G的指针向相反方向偏转的两个状态，然后用逐渐逼近的方法可以 迅速找到平衡点。）

微调：使保护开关电阻的取值为零，微调触点D的位置，调至完全平衡，记录lS的长度。

（3）K2倒向“2 ”，用相同的步骤测出lX

（4）计算EX的值

（5）重复步骤（2）（3）（4）进行测量，测量数据计入表格。

【数据记录】

1．记下实验所用标准电池的电动势ES

              ES＝          

2．记录表格

【数据处理】

【误差分析】

1.         电阻丝粗细不均匀或电阻率不均匀导致电阻丝长度有误差；

2.         检流计指针没有完全处于“0”刻度时就进行读数导致测量误差；

3.         检流计的屏蔽端钮没有接地，电位差计存在在绝缘不良的地方产生电位差，给测量结果带来误差；

4.         实验过程中由于时间过长或者环境温度出现明显波动导致标准电池电势出现比较大的变化带来误差；

*【实验改进】*

1.   将板式电阻改为数字滑动变阻器

2.   把直尺读数改为自动读数器

3.   直尺上镶磁性物质，使之与移动铁片相互作用

4.   把直尺与滑片接触处改为凹槽（类似天平的游码形式）

5.   把电阻线改为绣花针般的金属杆，不好变形（影响试验结果）

6.   将电阻线绕成圆柱壮，方便读数。（分光计读数盘的启示）---弹簧式千分电阻变阻器

7.   将电阻线固定在凹槽中

8.   改滑块为接触式圆孔，使电阻线接触穿过。