电位差计(指导书)

物理实验指导书

所属课程： 大学物理实验 实验名称： 用电位差计测量电动势 面向专业： 全院理工科 实验室名称：物理实验室

2006年 2 月

一、实验目的：

1、掌握电位差计的工作原理和结构特点。 2、学习使用线式电位差计测量电动势。

二、实验仪器、设备：

名称 十一线滑线式电位差计 检流计 电阻器 双刀双掷开关 标准电池 待测电源 直流稳压电源 型号、规格 --- J0409 --- +20℃ 5号电池 XJ17233L 备注 上海胜新电器厂 浙江温州广明电表厂 上海电表厂 --- 上海精密科学仪器厂 --- 上海无线电21厂

三、原理摘要——测量公式、测量电路图、光路图或其它示意图：

若将电压表并联到电池两端（图1），就有电流I通过电池的内部。由于电池有内电阻r在电池内部不可避免的存在电位降落Ir，因而电压表的指示值只是电池端电压V= Ex-Ir的大小。显然，只有当I=0时，电池两端的电压V才等于电动势Ex。

怎样才能使电池内部没有电流通过而又能测定电池的电动势EX呢？这就需要采用补偿法。

如图2所示，接通K1后，有电流I通过电阻丝AB，并在电阻丝上产生电压降落IR。如果再接通K2，可能出

图1电压表测量电池的端电压 现三种情况：

（1）当Ex>VCD时，G中有自右向左流动的电流（指针偏向一侧）。 （2）当Ex图2 电位差计原理图 图3 箱式电位差计原理图

在补偿状态时，Ex=IRCD。设每单位长度电阻丝的电阻为r0，CD段电阻丝的长度为LX，于是

EX=Ir0LX (1)

将可变电阻Rn的滑动端固定，即保持工作电流I不变，再用一个电动势为Es的标准电池替换图2中的Ex，适当地将C、D的位置调至C’、D’，同样可使检流计G的指针不偏转，达到补偿状态。设这时C’、D’段电阻丝的长度为Ls，则

Es=IrC’D’=Ir0Ls (2)

将式（1）和（2）相比得到

Ex=Es·Lx/Ls (3)

式（3）表明，待测电阻的电动势Ex可用标准电池的电动势Es和在同一工作电流下电位差计处于补偿状态时测得的Lx和Ls来确定。

用线式电位差计测电池的电动势的装置

1、 线式电位差计

线式电位差计具有结构简单、直观、便于分析讨论等优点，而且测量结果亦较准确。具体结构见图4。图中的电阻丝AB长11米。往复绕在木板的十一个接线插孔0、1、2、……、10上，每两个插孔间电阻丝长为1米。插头C可选插在插孔0、1、……10中任一个位置。电阻丝B0旁边附有带毫米刻度的米尺，接头D在它上面滑动。插头AB间的电阻丝长度可在0～11间连续变化。Rn为可变电阻，用来调节工作电

图4 线式电位差计实验线路

流。双级转换开关K2用来选择接通标准电池Es或待测电池Ex。电阻R是用来保护标准电池和检流计的。在电位差计处于补偿状态进行读数时，必须关闭K3，使电阻R短路，以提高测量的灵敏度。

2、 标准电池

这是一种用来作电动势标准的原电池。

由于内电阻高，在充放电情况下会极化，不能用它来供电。当温度恒定时，它的电动势恒定。在不同的温度（0～＋40℃）时，标准电池的电动势Es(t)要按下述公式换算

Es(t)=Es(20)－39.94×10-6(t－20)－0.929×10-6(t－20)2+0.0090×10-6(t－20)-3伏

其中Es(20)是＋20℃时的标准电池电动势，其值应根据所用标准电池的型号确定。

使用标准电池时要注意：

（1） 必须在温度波动小的条件下保存。应远离太阳光直射。 （2） 正负级不能接错。通入或取自标准电池的电流不应大于10-5～10-6安。不允许将两电

极短路连接或用电压表去测它的电动势。

（3） 标准电池是装有化学物质溶液的玻璃容器，要防止振动或摔坏。一般不可倒置。在

容器内加了微孔塞片的标准电池可防止倒置而损坏（具体情况要看标准电池外壳的说明）。

四、实验内容与步骤：

用线式电位差计测电池的电动势

1、按图4连接电路，注意（E、ES、Ex的正负极的接法），移动A、B的位置，使检流计中没有电流通过，此时AB间电阻线上电位差Vs等于被测电动势Ex，量得AB间的长度LX，则有EX=VO*LX。

2、工作电流标准化

工作电流标准化，调整Rp，改变通过电阻线AB上的电流，使电阻线上单位长度间的电位差为事先规定的数值。

(1)首先设定电阻线上的单位长度间的电位差Vo，为计算方便，在本实验中，取工作电流标准化Vo=0.2000伏/米。

(2)确定Ls；记下室温t，换算出在此温度下标准电池的电动势Es(t)，调节m、n两或活动点，使AB之间的长度为Ls= Es(t)/V0米。

(3)断开K3，在保护电阻起作用的情况下，接通电源Ea,把双刀开关K2合向标准电池一方，调节电阻箱Rn,使检流计指针基本指在“0”位置，（这一步称为粗调），然后把K3合上，使保护电阻短路，此时发现检流计指针有偏转，调节Ro,使检流计指针在“0”位置，这时无电流通过检流计（这一步称为细调），此时，电阻线上单位长度间的电位差Vo=0.20000伏/米。

3、测量Ex

把K3断开，接上保护电阻，把K3合向Ex一方，移动A、B两点，使检流计指针基本上指在“0”位置，然后合下K3，使保护电阻短路，移动n端，使检流计指针在“0”位置，此时无电流通过检流计，记录A、B之间的长度Ls。

4、重复内容2、3三次，得三个Lx数据Lx(1)、Lx(2)、Lx(3)。由这三个数据分别求得 Ex(1)=VoLx(1)、Ex(2)=VoLx(2)、Ex(3)=VoLx(3)。 5、求Ex=

Ex(1)Ex(2)Ex(3)

36、求标准误差、写出最后结果。

五、实验数据记录：

t=16 ℃； Es=1.0188伏； Vo=0.2000 伏/米； Ls=5.0938 米； 次数 测量值 1 7.5320 0.0000 2 7.5318 0.0002 3 7.5322 0.0002 平均值 Lx △Lx Ls=7.5320 0.00013 六、数据处理：

Ex=VoLx=0.20000×7.5320=1.5064 (V) σ(Ls) = 0.001 m

(7.53207.5320)2(7.53187.5320)2(7.53227.5320)2 σ(Lx) =

31 = 0.0002 ≈ 0.02(mm)

σ ( Lx )σ ( Ls ) Er = LxLs0.00020.0005=5.09375 7.5320= 0.0001 ≈ 0.1%

σ(Ex) = Ex·Er

= 1.5064×0.0001 = 0.00015 ≈ 0.001 (V) 式中： σ(L)=0.0005 m

2222Ls=

Es Voσ(Lx)=

(LxiLx)231i13

结果表示：Ex =Ex±σ(Ex) = 1.506±0.001 (V)

Er=0.1 %

七、实验指导要点及注意事项：

1、记录室温，确定标准电池的电动势值。

2、注意各仪器放置的位置，位置要合理。 3、防止标准电池倾倒。

实验中可能出现的故障及排除方法：

1、 在调节工作电流或测量电动势过程中检流计指针总是向某一方向偏转： (1)工作电源稳压电源无电压输出。

(2)工作电源稳压电源有电压输出，但无电流输出，其产生的影响与(1)相同。在这种情况下，检查工作电源正极接至电阻箱Ra的导线、Ra接至十一线电阻线A端导线、工作电源负极接至十一线电阻线B端导线是否断开，以及导线是否牢接与接线柱。 (3)Es或Ex的正负极接反。

(4)工作电源电压输出过高或过低。实验时工作电源的电压取5～6V。

2、按下K2后，检流计指针不偏转，产生这种故障的可能性： （1）电源无电流流出。 （2）检流计的导线断裂。 （3）检流计是否坏。 （4）检流计的锁是否打开。

2、 为了使电流标准化，在调节电流时，最后一定要把保护电阻短路。

八、预习题：

1、为什么用伏特计无法测准电动势？

答：由于伏特计的内阻不可能无限大，所以当伏特计和电阻构成一回路时，读数V就不等于电池的电动势。

2、何谓电位差计的工作电流的标准化？为何要使工作电流标准化？

大：调节Ra，使通过十一线电阻线的电流值为某一确定值，使电阻线上单位长度上的电位差为事先规定的数值。

3、要使工作电流标准化，要调节那一个仪器才能达到这一目的？ 答：只能调节Ra。

4、使工作电流标准化的过程中，保护电阻起什么作用？

答：在使工作电流标准化的过程中，可能使检流计的电流较大，所以加上保护电阻，以减小通过检流计的电流，从而起到保护检流计的作用。

5、使用检流计要注意什么事项？ 答：首先打开检流计的“锁”，然后调节零点，在调节工作电流标准化的过程中以及测量待测电动势过程中，应在检流计回路中串接以保护电阻。当通过检流计的电流将为零时，再短路保护电阻。实验完毕，应锁上检流计的“锁”。

6、使用标准电池要注意些什么？ 答：（1）必须再温度波动小的情况下保存。应远离热源，避免太阳光直射。 （2）正负极不能接触。不允许用电压表直接测量。

（3）不允许把标准电池作为普通电池接上负载，更不允许把标准电池短路。

（4）不允许把标准电池倾倒。因此在做实验时，不应把它放在桌子边缘，以免碰翻，应把它放在安全之处。

7、怎样确定变准电池的电动势？

答：标准电池的电动势与温度有关，所以要确定其电动势的值，首先必须测量实验室的气温，然后由公式：Es(t)=Es(20)-39.94×10(t-20) 确定，式中Es(20)为它在t=20℃的电动势值。

8、Ls的大小应怎样定？

答：若我们事先规定的电阻线上每米之间的电位差，则Ls=Es/V0 9、Vo的意义使什么？

答：Vo为我们事先规定的电阻线上每米之间的电位差。

6九、复习思考题：

1、在使用工作电流标准化及测量未知电动势得过程中，若检流计的指针总是向某一方向偏，其故障在什么地方？

(1)工作电源稳压电源无电压输出。

(2)工作电源稳压电源有电压输出，但无电流输出，其产生的影响与(1)相同。在这种情况下，检查工作电源正极接至电阻箱Ra的导线、Ra接至十一线电阻线A端导线、工作电源负极接至十一线电阻线B端导线是否断开，以及导线是否牢接与接线柱。

(3)Es或Ex的正负极接反。

(4)工作电源电压输出过高或过低。实验时工作电源的电压取5～6V。

2、在本实验中，通过调节变阻箱Rn，使工作电流标准化。试问根据所使用的仪器，你是否有其它方法达到工作电流标准化？

调节电源的电压 输出。