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1、实验 21 用电位差计测量未知电动势电位差计是通过与标准电势源（一般为饱和型或不饱和型标准电池）的电压进行比较 来测定未知电动势的仪器。由于电路设计中采用补偿法原理，使被测电路在实际测量时通 过的电流强度为零，从而可以达到非常高的测量准确度。电位差计被广泛地应用在计量和 其它精密测量中。虽然随着科学技术的进步，高内阻、高灵敏度仪表的不断出现，在许多 测量场合都可以由新型仪表逐步取代电位差计的作用，但电位差计这一典型的物理实验仪 器，采用的补偿法原理是一种十分可贵的实验方法和手段。它不仅在历史上有着十分重要 的意义，至今仍然是值得借鉴的好方法。本实验所采用的FB325新型十一线电位差计便是 该种
2、实验专用仪器。一、实验目的1学习“补偿法” 在实验测量中的应用；2掌握电位差计的工作原理及其进行测量的基本方法； 3学习对实验电路参数的估算及校准的方法。二、实验仪器FB325型一线电位差计；FB204/A标准电势、待测电势和直流稳压电源；AC5/2检流计；滑线变阻器；双刀双掷及单刀双掷开关；专用接线若干三、实验原理1补偿法原理补偿法是一种准确测量电动势（电压）的有效方法。如图21-1所示，设E0为一连续可调的标准电源电动势（电压），而 E %为待测电动势，调节E。使检流计G示零（即回路电流 I = 0 ），则E二E。上述过程的实质是，不断地用已知标准X0电动势（电压）与待测的电动势（电压）进
3、行比较，当检流计 指示电路中的电流为零时，电路达到平衡补偿状态，此时被测 电动势与标准电动势相等，这种方法称为补偿法 。这和用一把 标准的米尺来与被测物体（长度）进行比较，测出其长度的基本思想一样。但其比较判别的手段有所不同，补偿法用示值为零来判定 。但电动势连续可调的标准电源很难找到，那么怎样才能简单地获得连续可调的标准电 动势（电压）呢？简单的设想是：让一阻值连续可调的标准电阻上流过一恒定的工作电流， 则该电阻两端的电压便可作为连续可调的标准电动势。2电位差计原理电位差计就是一种根据补偿法思想设计的测量电动势（电压）的仪器。图 21-2 是一种直流电位差计的原理简图。它 由三个基本回路构成
4、：工作电流调节回路，由工 作电源E、限流电阻R、标准电阻R和R组成；P N X校准回路，由标准电池E、平衡指示仪G、标准N电阻R组成；测量回路，由待测电动势EX检 NX流计G,标准电阻R组成。通过测量未知电动势EXX 的两个操作步骤，可以清楚地了解电位差计的原理。图21-2电位差计原理图Eo（1）“校准”：图中开关K拨向标准电动势En 侧，取Rn为一预定值（对应标准电势值气二Rn X10二1.0186V），调节Rp使平衡指示仪G示零，使工作电流回路内的中流过一个已知的“标准”电流10，且10 = ”NEx图21-3十一线电位差计电路图FB325型电位差计主要由十一根一米长的电阻线组成，其中第十
5、一根电阻 线为圆盘状，AB间总电阻为110欧姆。E： FB204电位差计专用工作电源，3V、6V两档；K1：单刀双掷开关，作为工作电源连接开关；R1：滑线变阻器，0380Q连续可调；G：直流检流计；K2：双刀双掷开关；R2：保护电阻，5KQ ；EN： FB204标准电势源；EX： FB204待测电动势。(2) “测量”：将开关K拨向未知电动势Ex一侧，保持10不变，调节滑动触头B,X0R使检流计示零，则E = I -R = ,xE。被测电压与补偿电压极性相顶且大小相等，因X 0 X R NN而互相补偿(平衡)。这种测 E 的方法叫补偿法。补偿法具有以下优点：X 电位差计是一电阻分压装置，它将被
6、测电动势Ex和一标准电动势直接比较。E的XX值仅取决于于及en ,因而测量准确度较高。RNN 在上述“校准”和“测量”两个步骤中，平衡指示仪两次示零，表明测量时既不从 校准回路内的标准电动势源中吸取电流，也不从测量回路中吸取电流。因此，不改变被测 回路的原有状态及电压等参量，同时可避免测量回路导线电阻及标准电势的内阻等对测量 准确度的影响，这是补偿法测量准确度较高的另一个原因。3. FB325新型一线电位差计工作原理十一线电位差计是一种教学型电位差计，由于它是解剖式结构，十分有利于学习和掌 握电位差计的工作原理，培养看图接线、排除故障的能力。如图21-3 所示， E 为待测电X动势，E为标准电
7、池。稳压电源E、滑线变阻器R1与长度为L的电阻丝AB为一串联电N路，工作电流I在电阻丝AB上产生电位差。触点D,C可在电阻丝上任意移动，因此可P得到随之改变的电位差U 。DC合上K1， K2向上合上，接通E，调节可调工作电源E，改变工作电流I或改变触NP点D, C位置，可使检流计G指零，此时U 与E达到补偿状态。贝I：DC NE = U = I - r -L = A-L(211)NDC 1 P 0 DCS式中r为单位长度电阻丝的电阻，L为电阻丝DC段的长度，A为单位长度电阻丝 0S上的电压降。工作电流I保持不变，K2向下合到E处，即用E代替E，调节触点D,C的位置，PXXN使电路再次达到补偿，
8、此时若电阻丝长度为L，贝I：XE 二I -r -L 二 A-L(212)X P o XX为了实验方便，一般都选定单位长度电阻丝上的电位差A为一简单的数字，并根据标 准电池E的数值，由E = A-L ，计算出L的长度。然后将触点D,C移至L的长度N N S S S位置上，调节可调工作电源，改变工作电流I使电路补偿，此时单位长度电阻丝上的电位P差A值等于选定值。这一步骤称为工作电流标准化，或称为电位差计定标，A称为标准化 系数，单位为V /m。定标后，测量E时，只要测得L (即D,C长度)，就可求出E的XXX大小。在科学实验中，对某种量进行精确的测量，常需要用标准件来比较、定标。本实验的定标过程体
9、现在用标准电势源（或标准电池）来进行电位差计工作电流的标准化。四、实验内容用FB325新型一线电位差计测定FB204待测电动势（或干电池电动势）FB325 型新型十一线电位差计 是取代老式十一线电位差计实验板 的实验装置，其中的十根电阻线绕 在有机玻璃棒上，每根电阻线等价 于老式实验板的一米电阻线，第十 一根电阻线改为圆盘式电阻器，其 电阻值等价于一根电阻线。每米电 阻值等于10。，总电阻为110。 调节 C 接点 ，长度调节范围 ： 0 10.00 m ，调节步长1.00 m 。调 节 D 接点，长度调节范围：图21-4FB325型电位差计实验仪实物面板图图21-5 FB325型一线电位差计
10、0 1000 mm ，调节步长 1mm 配合刻度盘游标）。1. 标定电位差计工作电流先根据十一线电位差计的结构，知道电阻丝的总长度 LAB=11.000m ，按每米电压降为 0.2V 校准,可满足测量待测电动势的需求。2. 计算标准电动势对应的电阻丝长度图21-6是用FB204标准电动势对FB325电位差计实验仪进行标定的实验线路。仔细读懂此图,有利于实验的顺利进行。先按线路图连接好实验线路，设标定十一线定位差计的工作点为：A=0.2V/m，由于标准电势源的电动势是1.0186V,计算得图 21-6=5.093m1)1.0186VL 二CD 0.2V / m于是把C点插头插到插座5,接着把刻度
11、盘调节到0.093m,把K2先合向上，在检流计串联保FB325SS1十一电逆差计R2I粗工作电薄3.6FB2的待测电动势Hh取 J图21-7用标定好的FB325电位差计测定待测电势源的实验线路图Ex1=0.05VEx2=0.1VEx3=0.15VEx4=0.3VEx5=0.6VEx6=0.9VEx7=1.2VEx8=1.5VEx9=1.7VEx10=1.9V护电阻的条件下，按下电位差计按钮，调节R1,使检流计指零，然后把K2合向细调，再仔细调节 R1, 再一次使检流计指零，于是电位差计的工作电流就标定好了。3测量 FB204 待测电动势 先把检流计灵敏度调到低档，估计一下大致把 L 设置好，接
12、着把双刀双掷开关 K2CD向下合，通过调节L 的长度，反复使检流计指零，最后可根据L 的长度，得到待测电CD CD动势的值EX。见图21-7。E = 0.2(V / m) - L (m)(21-2)XCD4数据处理(1) 按实验内容要求计算各实验电路参数。(2) 按公式计算待测干电池的电动势。四、注意事项( 1)使用电位差计一般要先接通工作回路，然后再接通补偿回路，断开时按相反循 序进行操作。(2) FB204 内置标准电势源一般不怕短路，如果不小心造成短路，一旦短路故障排除， 电路即恢复正常。(但如果采用外接标准电池，则必须严格按其使用注意事项操作，以免造 成不必要的经济损失。)(3) 待测电动势不宜输出大电流，如需要测量内阻时，并联电阻R取值不宜太小， 一般可预置R二ioon左右，调节电阻箱时，要特别注意防止短路。(4) 电源保险丝烧断，可用同规格的保险丝更换，不可随意用大电流的保险丝代替 以免故障扩大。
