1、實(shí)驗(yàn)6 電位差計(jì)的原理和使用 電位差計(jì)是測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和電位差的主要儀器之一。用電位差計(jì)測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)，就是將未知電壓與電位差計(jì)上的已知電壓相比較。由于應(yīng)用了補(bǔ)償原理和比較測(cè)量實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)量的結(jié)果僅僅依賴于準(zhǔn)確度極高的標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻以及高靈敏度的檢流計(jì)，測(cè)量精度可高達(dá)005。它不僅被用來精確地測(cè)量電動(dòng)勢(shì)、電壓、電流和電阻，而且還用來測(cè)量電量,如溫度、壓力、位移和速度等。在校準(zhǔn)電表和直流電橋等直讀式儀表上也有重要作用。電位差計(jì)的優(yōu)點(diǎn)很多，但也有一些缺點(diǎn)，如測(cè)量過程比較煩瑣，工作時(shí)間比較長(zhǎng)，工作電流容易變化，易影響測(cè)量結(jié)果，因此每次使用都采用校準(zhǔn)和測(cè)量?jī)蓚€(gè)步驟。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 掌握電位差計(jì)的工作

2、原理、結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)和操作方法；2. 掌握用箱式電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電壓的基本方法。【預(yù)習(xí)檢測(cè)題】1. 用電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)有何優(yōu)缺點(diǎn)？并與電壓表的測(cè)量進(jìn)行比較并說明。2. 什么叫補(bǔ)償法？它有何優(yōu)點(diǎn)？3. 在使用電位差計(jì)進(jìn)行測(cè)量前，必須先對(duì)電位差計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)，為什么？【實(shí)驗(yàn)儀器】 十一線電位差計(jì)；標(biāo)準(zhǔn)電池；1#電池；檢流計(jì)；箱式電位差計(jì)；穩(wěn)壓電源。【實(shí)驗(yàn)原理】一、補(bǔ)償原理用電壓表無法測(cè)量電源的電動(dòng)勢(shì)。如圖 (a)所示的電路中，電壓表所測(cè)的是電源的端圖電壓u(，r為電源的內(nèi)阻，I為流過電源的電流)。僅在I=0時(shí)，端電壓u才等于電動(dòng)勢(shì)Ex，但只要電壓表與電源一并聯(lián)接，I就不可能為零，故欲測(cè)電源電動(dòng)勢(shì)，應(yīng)

3、采用其它的方法。電位差計(jì)是將待測(cè)電動(dòng)勢(shì)與標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行比較測(cè)量的儀器。它的基本原理如圖 (b)所示。設(shè)為一連續(xù)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)電源電動(dòng)勢(shì)，而為待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。若調(diào)節(jié)，使流過檢流計(jì)G中電流為零（即回路中電流I=0），則=。上述過程的實(shí)質(zhì)是，不斷地用已知的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)與比較，直到檢流計(jì)指示電路中電流為零時(shí)，說明二者已相等。電路呈這種狀態(tài)，稱為補(bǔ)償狀態(tài)。這種方法稱為補(bǔ)償法。二、電位差計(jì)的工作原理怎樣才能獲得連續(xù)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，并如何與未知電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行比較呢？電位差計(jì)就是為達(dá)此目的而設(shè)計(jì)的一種測(cè)量?jī)x器。1. 基本結(jié)構(gòu)電位差計(jì)的基本線路如圖 (a)(線式電位差計(jì)原理圖)和4.19.2 (b)(箱式電位差計(jì)原理圖)，

4、電位差計(jì)型號(hào)不同，但它們基本都由三個(gè)回路組成。下面就圖4.19.2 (b)做詳細(xì)分析。(a)線式電位差計(jì)原理圖 (b) 箱式電位差計(jì)原理圖圖 (1)工作電流調(diào)節(jié)回路它由高穩(wěn)定度的電源E、限流電阻、標(biāo)準(zhǔn)電阻以及開關(guān)組成。(2)校準(zhǔn)回路由標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計(jì)G、標(biāo)準(zhǔn)電阻以及開關(guān)和組成。(3)測(cè)量回路由待測(cè)電源 (或待測(cè)電位差)，標(biāo)準(zhǔn)電阻，檢流計(jì)G，開關(guān)和組成。分析圖(b)，平衡補(bǔ)償在電位差計(jì)中是這樣來實(shí)現(xiàn)的：利用工作電流回路上的壓降與待測(cè)電動(dòng)勢(shì) (或)進(jìn)行比較，當(dāng)改變的大小時(shí)，也隨之變化，直到G指零時(shí)，即達(dá)到平衡補(bǔ)償。這時(shí)=，為了便于測(cè)量，要求儀器工作電流I恒等于某一定值，則在不同的處，可直接標(biāo)出它相

5、應(yīng)的值。這樣在測(cè)量時(shí)一達(dá)到平衡補(bǔ)償即可直接讀出待測(cè)電動(dòng)勢(shì)。因此，要使用電位差計(jì)，必須讓工作電流調(diào)節(jié)到儀器所規(guī)定的數(shù)值，這步驟稱為工作電流的校準(zhǔn)(或標(biāo)定)。2. 測(cè)量(1)工作電流的校準(zhǔn)如圖 (b)，利用標(biāo)準(zhǔn)電池(已知電動(dòng)勢(shì)為)校準(zhǔn)儀器的工作電流：調(diào)節(jié)使，合上及，并將倒向S一邊，則標(biāo)準(zhǔn)電池與工作回路并聯(lián)。調(diào)節(jié)使檢流計(jì)G示零(即校準(zhǔn)回路電流為零)，此時(shí)電位差計(jì)達(dá)到平衡補(bǔ)償，兩端的電位差。工作電流I校準(zhǔn)完畢，它數(shù)值上等于。(2)比較測(cè)量保持工作電流I不變（即保持、不變），把倒向X一邊，調(diào)節(jié)Rx直至檢流計(jì)G指零，此時(shí)測(cè)量回路達(dá)到平衡補(bǔ)償狀態(tài)。可從儀器上直接讀出被測(cè)的（或）的值。【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】 一、利用線

6、式電位差計(jì)測(cè)量干電池的電動(dòng)勢(shì)線式電位差計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電阻絲長(zhǎng)1l米，往復(fù)繞在木板的十一個(gè)接線插孔0、1、2、10上，每?jī)蓚€(gè)插孔橫向相鄰間電阻絲長(zhǎng)為1米。插頭C可插入010中任一位置。電阻絲BO旁附有最小分度為毫米的米尺，接頭D可在其上滑動(dòng)，使得CD間的電阻絲長(zhǎng)度可在011米間連續(xù)變化。為可變電阻，用來調(diào)節(jié)工作電流。雙刀轉(zhuǎn)換開關(guān)用來選擇接通標(biāo)準(zhǔn)電池還是待測(cè)電池。電阻除用來保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電池和檢流計(jì)外，還用來以提高測(cè)量的精度。1. 接線。接線時(shí)須斷開所有開關(guān)，尤其要注意幾個(gè)電源的正負(fù)極性，不可錯(cuò)接，調(diào)到最大值。2. 校準(zhǔn)工作電流。首先選定電阻絲單位長(zhǎng)度上的電壓降A(chǔ)伏米，記下室溫t，求出室溫下的標(biāo)準(zhǔn)電池的電

7、動(dòng)勢(shì) (t)伏，調(diào)節(jié)C、D兩活動(dòng)接頭，使C、D間電阻絲長(zhǎng)度為 （）例如，(t)=1.0186V，選定A=0.2000Vm，則=5.093m；接通，將倒向一邊，調(diào)節(jié)，按一下滑動(dòng)接頭D，看檢流計(jì)指針是否偏轉(zhuǎn)，若偏轉(zhuǎn)再重復(fù)該步驟，直到檢流計(jì)的指針不再偏轉(zhuǎn)。按下使保護(hù)電阻短路，再次微調(diào)Rp使檢流計(jì)G的指針無偏轉(zhuǎn)，此時(shí)電阻絲上每米的電壓降為0.2000伏。記錄(t)、A、及。3. 斷開固定，即保持工作電流不變。將倒向一邊，活動(dòng)接頭D移至米尺左邊“0”刻線處，按下接頭D，同時(shí)移動(dòng)插頭C，找出使檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)方向改變的兩相鄰插孔，接通，將C插在數(shù)字較小的插孔上，然后向右移動(dòng)接頭D，在G的指針不偏轉(zhuǎn)時(shí)記下CD

8、間電阻絲的長(zhǎng)度。重復(fù)這一步驟三次，將相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄。根據(jù)求出平均值及誤差。4. 確定誤差方法。由于檢流計(jì)的靈敏度以及其它的原因，造成小于某一電流值時(shí)，檢流計(jì)指針無法分辨有否電流，使得電阻絲上每米的電壓降A(chǔ)存在誤差A(yù)，它可通過以下方法確定，若測(cè)得G的指針開始向左偏轉(zhuǎn)時(shí)CD間電阻絲的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，開始向右偏時(shí)為L(zhǎng)，記錄下L與L，則厶AA二、UJ31型電位差計(jì)測(cè)電池的端電壓在實(shí)際使用中，常將電位差計(jì)做成箱式的。在線路上作了一些合理改進(jìn)，以便能直接讀出待測(cè)電位差或電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值。UJ3l型電位差計(jì)面板圖及測(cè)量電路圖如3.13-3(a)、(b)所示。 (a)UJ31型電位差計(jì)測(cè)量電路圖 (b)UJ31型電位

9、差計(jì)原理圖圖1. 按圖 (a)將外接的標(biāo)準(zhǔn)電池、檢流計(jì)、工作電源和被測(cè)電動(dòng)勢(shì)(或電位差)按其極性與電位差計(jì)連接。2. 測(cè)量前先校正檢流計(jì)零位，檔選擇合適的量程。再根據(jù)室溫算出標(biāo)準(zhǔn)電池在該溫度下的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，并依此將調(diào)至相應(yīng)位置,置于標(biāo)準(zhǔn)位置。3. 校準(zhǔn)工作電流：按下“粗”按鈕，選調(diào) (粗)，再調(diào)(中)，使G的指針無偏轉(zhuǎn)。再按下“細(xì)”按鈕，用來精確補(bǔ)償至G無偏轉(zhuǎn)，則電流得以校準(zhǔn)(在此過程中，可利用“短路”按鈕使擺動(dòng)的檢流計(jì)指針迅速靜止)。4. 測(cè)量未知電動(dòng)勢(shì)(或電位差)：取=，見表中的五組數(shù)據(jù)，測(cè)出五組的值。保持不變，將置旋鈕“未知1”或“未知2”，（根據(jù)自己接的位置定），依次調(diào)節(jié)測(cè)量轉(zhuǎn)盤(即Rx)I、，使電位差計(jì)處于補(bǔ)償狀態(tài)。在調(diào)節(jié)中應(yīng)先估計(jì)一下未知電動(dòng)勢(shì)(電位差)的大小，并把測(cè)量轉(zhuǎn)盤I置于估計(jì)數(shù)值上，然后先按下“粗”鈕大致補(bǔ)償后，再按下“細(xì)”鈕精確補(bǔ)償之。使的值是三個(gè)讀數(shù)盤的讀數(shù)相加值與的倍率的乘積。注意：調(diào)節(jié)滑線讀數(shù)盤時(shí)不允許逆時(shí)針旋過0mV處，也不允許順時(shí)針旋過最大刻度處。5. 計(jì)算待測(cè)電池兩端的電壓，寫出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及誤差