电位差计研究性实验报告.docx

北京航空航天大学物理实验研究性报告
——A09电位差计及其应用
目录
1. 摘要
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2. 实验原理
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补偿原理
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UJ25型电位差计
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3. 实验仪器
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4. 实验步骤
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自组电位差计
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UJ25型箱式电位差计
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5 实验数据处理
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自组式电位差计测电动势
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UJ25型箱式电位差计测电动势
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UJ25型箱式电位差计测电阻
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6. 误差分析与实验改进
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自组式电位差计
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UJ25型箱式电位差计
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改进
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7. 实验感想与体会
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【参考文献】
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本研究性实验重新探究了电位差计实验中的补偿法原理应用,对自组式电位差计和UJ25型箱式电位差计的相关实验进行了分析,讨论和改进,此外,我们还利用实验室现有仪器设计了一些切实可行的新实验。
关键字:电位差计;补偿原理;UJ25型电位差计;电阻;系统误差。

电位差计是利用电压补偿原理制成的一个内阻真正无穷大的电压表,用于精密测量电势差或者电压。同理,利用电流补偿原理也可以制作一内阻为零的电流表,用于电流的精密测量。
正是由于补偿原理,电位差计的测量精确度非常高,而且还避免了测量的接入误差,作为补偿法的典型应用,在电学实验中有重要的训练价值。此外,直流比较式电位差计仍是目前准确度最高的电压测量仪表,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。但它的操作比较复杂,也不易实现测量的自动化。在数字仪表迅速发展的今天,电压测量已逐步被数字电压表所代替,后者因为内阻高(一般可达1MΩ~10MΩ),自动化测量容易,得到了广泛的应用。故电位差计除了高精度测量之外,出现的场合已不多。
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(如图1左所示) 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右所示)
图1
补偿原理:
补偿原理正是电位差计高精确度的来源,它精巧的利用了电阻之间的分压定律而使得电位差计变为内阻真正无穷大的电压表,补偿原理,顾名思义,就是用一个补偿电路和补偿电阻来补偿内阻非无穷大所带来的介入误差,故称补偿。
零示法:
为了避免接入误差,可以采用如图1右所示的补偿电路。若cd可调,E > Ex,则总可以找到一个cd位置,使E 所在回路中无电流通过。上述原理称为补偿原理;回路Ex→G→d→c→Ex 称为补偿回路;E→S→A→B→E构成的回路称为辅助回路。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,这种用检流计来判断电流是否为零的方法,称为示零法。
测量原理:
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
标准电池温度修正公式为:
EN ≈[ - ×10-5(t - 20) - ×10-6(t - 20)2 + 9×10-9(t - 20)3]V
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。
由补偿原理可知,可以通过测定 Vcd来确定 Ex,接下来的问题便是如何精确确定Vcd,在此采用比较测量法。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是流过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再次示零,则EN=IRAB,于是:
Ex = EN (1)
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/Rab可以精确读出,EN是标准电池,其电动势也有很高的准确度,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。按照上述原理做成的电压测量仪器叫做电位差计。
应该指出,式(1)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(例如取I = I0 = 1mA),这样就可由相应的电阻值直接读出Vcd 即Ex=I0Rcd。
UJ25型电位差计
UJ25型电位差计是一种高电势电位差计,