北航基础物理研究性报告讲解

北航基础物理研究性报告讲解

北航基础物理实验研究性报告1051 电位差计及其应用

140221班

2015-12-13

第一作者:邓旭锋14021014

第二作者:吴聪14021011

目录

1.引言 (4)

2.实验原理 (5)

2.1补偿原理 (5)

2.2 UJ25型电位差计 (8)

3.实验仪器 (10)

4.实验步骤 (10)

4.1自组电位差计 (10)

4.2 UJ25型箱式电位差计 (11)

5.实验数据处理 (12)

5.1 实际测量Ex的大小 (13)

5.2 不确定度的计算 (13)

5.3 测量结果最终表述 (14)

5.4 实验误差分析 (14)

6.实验改进与意见 (14)

6.1 实验器材的改进 (8)

6.2 实验方法改进 (10)

6.3 实验内容的改进 (10)

7.实验感想与体会 (21)

【参考文献】 (24)

摘要:将电位差计实验中的补偿法原理应用于电学物理量的测量中，该方法可以用来精确测量电流、电阻、电压等电学量，也可以利用电位差计，获得比较精确的二极管伏安特性曲线可以避免了因电表的内阻而引起的测量误差。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；补偿法；UJ23型电位差计；电阻；系统误差。

1.引言

电位差计是电压补偿原理应用的典型范例，它是利用电压补偿原理使电位差计变成一内阻无穷大的电压表，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。

电位差计的测量精确度高，且避免了测量的接入误差，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106～107Ω),自动化测量容易，得到了广泛的应用。尽管如此，电位差计作为补偿法的典型应用，在电学实验中仍然有重要的训练价值。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。

2.实验原理

2.1补偿原理

测量干电池电动势Ex的最简单办法是把伏特表借到电池的正负极上直接读数（见图1）,但由于电池和伏特表的内阻（电池内阻，伏特表内阻R不能看做），测得的电压并不等于电池的电动势。它表明：因伏特表的接入，总要从被测电路上分出一部分电流，从而改变了被测电路的状态。我们把由此造成的误差称为接入误差。

图1 用电压表测电池电动势

为了避免接入误差，可以采用如图2所示的“补

偿”电路。如果cd可调，E >E

x

，则总可以找到

一个cd位置，使E

x

所在回路中无电流通过，这

时V

cd =E

x

。上述原理称为补偿原理；回路

E

x →G→d→c→E

x

称为补偿回路；

E→S→A→B→E构成的回路称为辅助回路。为了确认补偿回路中没有电流通过（完全补偿），应当在补偿回路中接入一个具有足够灵敏度的检流计G，这种用检流计来判断电流是否为零的方法，称为示零法。

图2 补偿法测电动势

由补偿原理可知，可以通过测定 V cd

来确定 E x ，接下来的问题便是如何精确确定V cd

，在此采用比较测量法。如图2所示，把E x 接入R AB

的抽头，当抽头滑至位置cd 时，G 中无电流通过，则E x =IR cd ，其中I 是流过R AB

的电流；再把一电动势已知的标准电池E N 接入R AB

的抽头，当抽头滑至位置ab 时，G 再次为0，则E N =IR ab

，于是： E x =ab

cd R R E N

（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R AB

是精密电阻，ab

cd

R R 可以精确读出，E N

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，E x

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=

ab N R E 应当标准化（例如取I=I 0=1mA ），这样就可由相应的电阻值直接读出

V cd 即E x =I 0R cd

。 2.2 UJ25型电位差计

UJ25型电位差计是一种高电势电位差计，测量上限为1.911110V ，准确度为0.01级，工作电流I 0

=0.1mA 。它的原理如图3所示，图4是它的面板，上方12个接线柱的功能在面板上已表明。图中AB R 为两个步进的电阻旋钮，标有不同温度的标

准电池电动势的值，当调节工作电流时做标准电池电动势修正之用。R P

（标有粗,中，细，微的四个旋钮）做调节工作电流I 0之用。R CD 是标有电压值（即x

R I 0之值）的六个大旋钮，用以测出未知电压的值。左下角的功能转换开关，当其处于“断”时，电位差计不工作；处于“N ”时，接入N E 可进行工作电流的检查和调整；处于1

X 和

X时，测第一路或者第二路的位置电压。标有2

“粗”、“细”、“短路”的三个按钮是检流计（电计）的控制开关，通常处于断开状态，按下“粗”，检流计接入电路，但串联一大电阻R',用以在远离补偿的情况下，保护检流计；按下“细”，检流计直接接入电路，使电位差计处于高灵敏度的工作状态；“短路”是阻尼开关，按下后检流计线圈被短路，摆动不止的线圈因受很大的电磁阻尼而迅速停止。

图3 UJ25型电位差计原理图