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1、一、实验简介直流电桥是一种用比较法测量电阻的仪器，主要由比例臂、比较臂、检流计等构成桥式线路。测量时将被测量与已知量进行比较而得到得测量结果，因而测量精度高，加上方法巧妙，使用方便，所以得到了广泛的应用。电桥的种类繁多，但直流电桥是最基本的一种，它是学习其它电桥的基础。早在1833年就有人提出基本的电桥网络，但一直未引起注意，直至1843年惠斯通才加以应用，后人就称之为惠斯通电桥。单电桥电路是电学中很基本的一种电路连接方式，可测电阻范围为1106。通过传感器，利用电桥电路还可以测量一些非电量，例如温度、湿度、应变等，在非电量的电测法中有着广泛的应用。本实验是用电阻箱和检流计等仪器组成惠斯通电桥
2、电路，以加深对直流单电桥测量电阻原理的理解。本实验的目的是通过用惠斯通电桥测量电阻，掌握调节电桥平衡的方法，并要求了解电桥灵敏度与元件参数之间的关系，从而正确选择这些元件，以达到所要求的测量精度。二、实验原理电阻按其阻值可分为高、中、低三大类，R1的电阻为低值电阻，R1M 的称高值电阻，介于两者之间的电阻是中值电阻，通常用惠斯通电桥测中值电阻。1、惠斯通电桥的工作原理惠斯通电桥原理，如图6.1.2-1所示。2、电桥的灵敏度图6.1.2-1电桥是否平衡，是由检流计有无偏转来判断的，而检流计的灵敏度总是有限的，假设电桥在R1/R2=1时调到平衡，则有Rx=R0，这时若把R0改变一个微小量 R0，则
3、电桥失去平衡，从而有电流IG流过检流计。如果IG小到检流计觉察不出来，那么人们会认为电桥是平衡的，因而得到Rx=R0+R0，R0就是由于检流计灵敏度不够高而带来的测量误差Rx。引入电桥的灵敏度，定义为S=n/(Rx/Rx)式中的Rx是在电桥平衡后Rx的微小改变量（实际上若是待测电阻Rx不能改变时，可通过改变标准电阻R0的微小变化R0来测电桥灵敏度），n是由于 Rx引起电桥偏离平衡时检流计的偏转格数，n越大，说明电桥灵敏度越高，带来的测量误差就越小。S的表达式可变换为S=n/(R0/ R0)= n/IG（IG/(R0/ R0)）=S1S2其中S1是检流计自身的灵敏度，S2=IG/(R0/ R0)
4、由线路结构决定，故称电桥线路灵敏度，理论上可以证明S2与电源电压、检流计的内阻及桥臂电阻等有关。3、交换法（互易法）减小和修正自搭电桥的系统误差自搭一个电桥，不考虑灵敏度，则R1、R2、R0引起的误差为Rx/ Rx=R1/ R1+R2/ R2+R0/ R0。为减小误差，把图6.1.2-1电桥平衡中的R1、R2互换，调节R0， 使IG=0，此时的R0记为R0,则有Rx=R2/ R1 R0，R =R0R 0这样就消除了R1、R2造成的误差。这种方法称为交换法，由此方法测量Rx 的误差为Rx/ Rx=1/2(R0/ R0+R0/ R0)即仅与电阻箱R0的仪器误差有关。若R0选用具有一定精度的标准电阻
5、箱，则系统误差可以大大减小。三、实验内容1、按直流电桥实验的实验电路图，正确连线。2、线路连接好以后，检流计调零。3、调节直流电桥平衡。4、测量并计算出待测电阻值Rx，微调电路中的电阻箱，测量并根据电桥灵敏度公式:S=n/(Rx/ Rx)或S=n/(R0/ R0)计算出直流电桥的电桥灵敏度。5、记录数据，并计算出待测电阻值。四、实验仪器本实验用到的实验仪器有：电压源、滑线变阻器（2个）、四线电阻箱（3 个）、检流计、待测电阻、电源开关，实验场景如下图组所示：直流电桥（散装版）电压源：电源开关：鼠标点击，打开或关闭电源。电源指示灯：打开电源时，指示灯变亮；关闭时，指示灯变暗； 调节电压值旋钮：左
6、击或右击、按下鼠标左键或右键可以改变电源电压大小。实验场景中的图片如下：滑线变阻器：滑动片：可以左右拖动滑动片，粗调滑线变阻器在线路中的电阻值。微调按钮：点击或按下微调按钮，微调滑线变阻器在电路中的电阻值。实验场景图，如下图所示：四线电阻箱：四线电阻箱，为电路提供一定大小的电阻，同时有分压的功能，电阻箱上有六个不同档位的旋钮，依次对应0.1档、1档、10档、100档、1000档、10000 档。每个旋钮有09，共10个刻度值。左击电阻箱上的旋钮，旋钮顺时针旋转； 右击，旋钮逆时针旋转。实验场景中的图片如下图所示：检流计：检流计在电路中充当平衡指示器的作用，它主要由两个接线柱、一个调零旋钮、一个
7、档位旋钮、一个短路按钮和一个电计按钮组成。如下图所示：调零旋钮：进行检流计调零工作时用到，给检流计调零。档位旋钮：打到红点所在位置，检流计处于短路状态；打到白点位置检流计处于直接状态，也就是工作状态。短路按钮：短路按钮按下，检流计处于短路状态。电计按钮：电计按钮按下，检流计处于工作状态。电源开关：电源开关，控制电路的闭合。界面中有两个按钮，一个是闭合，一个是断开。点击闭合，开关闭合，显示闭合图片；点击断开，开关断开，显示断开图片。实验场景中的图片如下图所示：待测电阻：待测电阻，为电路提供一定大小的电阻，在试验中不需要调整，是实验中需要被测量的量，没有调节界面，场景图如下图所示：五、实验指导1、
8、主窗口介绍成功进入实验场景窗体，实验场景的主窗体如下图组所示：直流电桥（散装版）在实验场景主窗体的右上角有“工具箱”和“帮助”两个菜单项。工具箱提供实验中可能用到的工具；点击帮助菜单项，弹出帮助文档。在场景的下方，从左到右，依次是“实验仪器栏”、“实验提示栏”和“实验内容栏”。实验仪器栏里放置着实验用到的仪器，点击拖动，可以把相应的仪器拖到实验场景中去，供实验使用。实验提示栏，即时提示实验信息或相关的操作信息。实验内容栏，是相关实验名称的列表，点击实验名称可以重新开始实验和进行实验的切换。实验大场景主要由一张桌子组成，本实验中，实验仪器都放在桌子上面。在实验场景中，可以在一定范围内拖动指定仪器
9、。把鼠标放在仪器上面，按下Delete 键，可以删除指定仪器到仪器栏。双击场景中的仪器可以进入仪器的调节窗体。注：实验刚开始时，实验仪器就被初始化到实验桌上。直流电桥（散装版） 的实验仪器较多，所以它实验仪器不允许拖动和删除。2、连线当鼠标移动到实验仪器接线柱的上方，拖动鼠标，便会产生“导线”，当鼠标移动到另一个接线柱的时候，松开鼠标，两个接线柱之间便产生一条导线，连线成功；如果松开鼠标的时候，鼠标不是在某个接线柱上，画出的导线将会被自动销毁，此次连线失败。根据实验电路图正确连线，连线操作完成，如下图所示：3、检流计调零线路连接完毕后，断开电源开关，打开检流计调节界面，按下检流计的电计按钮，旋
10、转检流计的档位旋钮至直接当（白点所在位置），旋转调零旋钮，并观察检流计的指针，当检流计的指针指向零点，调零成功。如下图所示：4、根据实验内容调节电路（1） 滑线变阻器调节。实验刚开始时，电桥一般处于不平衡状态，为了防止过大的电流通过检流计，应将与检流计串联的滑线变阻器的阻值调到最大，随着电桥逐渐平衡，再逐渐减小滑线变阻器的阻值，以提高检测的灵敏度。（2） 根据直流电桥电路图连接好电路，然后在数据表格中点击“连线”模块下的“确定状态”按钮，保存连线状态。（3） 测量未知电阻，电路连接好以后，选取合适的比例臂，调节电桥平衡，在数据表格的相应位置，记录下电阻箱R1、R2、R3(即R0处)的电阻值。然
11、后互换电路中的电阻箱R1、R2，并保持它们的电阻值不变，调节R3使电桥平衡，并在列表的相应位置记下R3的值（即R0处），根据互换法测电阻公式，计算出未知电阻Rx。测量三次，测量三次，最后计算出电阻待测电阻的平均值，填入数据表格的相应位置。（4） 测量电桥灵敏度。根据待测电阻值，调节并设定电阻箱R1、R2、电压源、和滑线变阻器的值，在这个环境下测量电桥灵敏度，设定以后在数据表格中点击“测量并计算出电桥的灵敏度”模块下的“确定状态”按钮，保存状态。（5） 确定测量灵敏度的环境以后，调节电阻箱R3使电桥平衡，记下电桥平衡时电阻箱R3的值（即下面列表中的R0），然后在小范围内改变电阻箱R3的电阻值，记
12、下电阻箱相对平衡位置改变的值，即R0，和检流计指针相对平衡位置偏转的格数，即n0，测量三次，记录实验数据，根据计算电桥灵敏度公式计算出电桥灵敏度的平均值，填入数据表格的相应位置。（6） 直流电桥灵敏度研究。确定测量灵敏度的环境以后，依次把电压表的电压打到0.5V、1.0V、1.5V、2.0V、2.5V、3.0V，分别在这些电压下调节电阻箱R3使电桥平衡，记下电桥平衡时电阻箱R3的值，然后在小范围内改变电阻箱R3 的电阻值，记下电阻箱相对平衡位置改变的值,即R0，和检流计指针相对平衡位置偏转的格数，即n0，记录测量数据，并根据测量数据计算出相应电桥环境下的电桥灵敏度。（7） 记录数据程序提供记录数据表格，在做实验的过程中，可以把测量数据和计算数据填到数据表格中去。点击场景右上角的记录数据按钮，可弹出记录数据窗体，如下图所示：把测量和计算出来的数据，填入相应的位置，实验结束。六、思考题如果取桥臂电阻R1= R2，调节R0从0到最大，检流计指针始终偏在零点的一侧，这说明什么问题？应作怎样的调整，才能使电桥达到平衡？七、参考资料1. 赵凯华，陈熙谋电磁学高等教育出版社2. 马文蔚等物理学教程高等教育出版社3. 谢行恕，康士秀，霍剑青 大学物理实验 高等教育出版社4. 陆廷济，胡德敬，陈铭南 物理实验教程 同济大学出版社
