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1、上 海 电 力 学 院物理实验指导书所属课程：大学物理实验实验名称：惠斯通电桥面向专业：全院理工科实验室名称： 物理实验室2006 年 2 月精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 9 页上海电力学院物理实验室一、实验目的：1了解用惠斯通电桥测电阻的原理和电路特点。2学会用箱式直流电桥和自组电桥测电阻。3了解用交换法消除误差的方法。4了解惠斯通电桥的应用。二、实验仪器、设备：名称型号、规格购买地址及联系方式备注滑线变阻器BX7-14 上海胜心电器厂电阻箱ZX21 旋转式上海市控江路 1677 号上海精密科学仪器导线- 上海 21
2、厂 北京东路科技金城待测电阻 RX1，RX2- 自制直流稳压电源XJ17233L 上海无线电 21 厂箱式直流电桥QJ23 直流上海电表厂检流计J0409 浙江温州广明电表厂电键- - 三、实验原理 (测量公式及其它示意图 )：用伏安法测电阻时，除了因使用的电流表和电压表准确度不高带来的误差外，线路本身还存在不可防止的误差。在伏安法线路上经过改良的电桥线路克服了这些缺点。它不用电流表和电压表因而与电表的准确度无关，而是将待测电阻和标准电阻相比较以确定待测电阻是标准电阻的多少倍。由于标准电阻的误差很小，电桥法测电阻可到达很高的准确度。在如图 1 所示的电路中， 如果 Rx、R0、R1及 R2各电
3、阻的阻值是任意选定的，则检流计中可能有电流Ig 通过，但是，假设四个电阻值选配得适当时，可使检流计无电流通过， 即 Ig=0， 此时 C、 D 两点的电位相等， 于是 VAC=VAD,VCB=VDB，设通过 ACB 一路的电流为 I1，通过 ADB 一路的电流为 I2，则有：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 9 页上海电力学院物理实验室I1R1 = I2R2和I1Rx = I2 R0以上两式相除得0RRx = 21RR上式可写成 Rx = 21RRR0 = N R0 (1) 假设 R1、R2和 R0为标准电阻， Rx 为待
4、测电阻，则由上式可知，待测电阻的阻值可用三个标准电阻的阻值表示出来，式中 N 称为比率系数。 一般将电阻 R1、R2、R0和 Rx 叫做电桥的 “ 臂” ，将接有检流计的对角线CD 称为“ 桥” ，当桥上没有电流通过时 Ig=0 ，则称电桥到达平衡。 (1)式称为电桥的平衡条件。可见，电桥的平衡与工作电流大小无关，因此调节电桥到达平衡有两种方法。一种是保护比较臂不变，调节比率系数N倍率的值。后一种方法准确度很低。目前广泛采用具有特定比率系数值的前一种方法。当检流计足够灵敏时， 被测电阻的准确度只与R0的准确度和 R1/R2有关。采用交换法可以消除由于R1/R2的误差对 RX带来的影响。 其方法
5、是当电桥平衡时，记下比较电阻的数值Rx，然后在 R1和 R2不变的情况下，交换RX和 R0的位置，重新调整比较电阻的数值使电桥到达新的平衡。假设此时比较电阻的示值为R0，则有：Rx = 21RRR0 (2) 与等式 Rx = 21RRR0 联立，可得：00RRRX(3)可见，Rx的数值只与比较电阻有关，完全消除了R1/R2的误差对测量结果的影响。实验中发现，当N 为 1 或与 1 相去不远时采用交换法比较方便。图 1 惠斯通电桥示意图。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 9 页上海电力学院物理实验室四、实验内容与步骤：1、自
6、组惠斯通电桥测电阻将待测电阻 Rx、三个电阻箱 R1、R2、R0 、检流计 G、滑线变阻器及电源如图 1 所示连接。设置N 为 1即R1、R2阻值相等，闭合电键，观察检流计偏向，增大或减小比较电阻，再闭合电键，观察检流计偏向，使通过检流计的电流逐渐为零并最终为零。记下此时比较电阻的阻值示数R0。保持 R1、R2阻值大小及位置不变，交换待测电阻和比较电阻的位置，同上重新调节比较电阻使电桥平衡，记下此时比较电阻的阻值示数R0 。注意：1、滑线变阻器的滑片尽量放在滑线中央，防止加在电桥上的电压过大或过小。2、接通电源， 观察检流计指针偏转方向及幅度，假设偏转很大应立即断开电源，以保护检流计。3、电桥
7、将达平衡时，可以短路检流计上的保护电阻以提高电桥的灵敏度。2、用箱式电桥测电阻本实验采用 QJ-23 型携带式直流电桥。箱式电桥可用外接电源，也可用内接电源，左边的接线柱“B”是用来接外接电源的。本实验使用内接电源，因此在“B”处不要再接入电源，短接即可。箱式电桥的检流计可以用外接检流计，也可以用内接检流计，左下方的接线柱“G”处有以活动短路片，如需外接灵敏度高的检流计时，“内接”检流计用短路片短路，在接线柱上接入外部检流计即可。本实验采用内部检流计，因此，要用短路片将“外接”短路此时接线柱间露出“内接”字样，内部检流计接入线路。检流计上有零点调节旋钮，用来调节没有电流通过时的零点。检流计右侧
8、下的两个按钮开关B、C 分别与电源及检流计串联，相当于滑线式电桥中的电源开关和检流计开关，按下B 接通电源，按下G 接通检流计，按下后朝顺时针方向旋转可以锁住。1、将箱式电桥面板上左边的G 内接，指针自由摆动，假设指针不停在零点，可以轻轻旋转检流计零点调节旋钮C，使指针停在零点。2、将待测电阻接到Rx 的两个接线柱上。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 9 页上海电力学院物理实验室3、估计被测电阻的阻值，然后将比例臂旋转至适当的比率系数保证测量结果有四位有效数字。4、先按下按钮 B接通电源再按下按钮G放开时应先放 G，再放
9、B。B、G按下的时间不能太长 ，看检流计指针是否偏转假设偏转大，应立即放开G、B ，按阻值从大到小调节R0，直到检流计偏转为零。记下此时的比率系数N 和R0的数值，则待测电阻Rx=N* R0。5、按上述方法测量另一个待测电阻。6、测量完毕，必须放开G 和 B，左边检流计接至“外接” 。注意：1、比率系数的选取，要使测量值的有效数字最多即四个电阻旋钮都要用到2、测量前，检查检流计的指针是否归零。3、按下检流计按钮G的时间要短，观察一下检流计指针偏转情况，即松开G ，再松开 B。4、观察电桥平衡后，仍应将G按钮按下又松开反复几次，以防止电磁阻尼的影响而确认电桥平衡5、实验结束，一定要松开按钮G 、
10、B，将短路片短接“内接” 。五、实验数据记录：待测电阻RX1 RX2 自组电桥第一次102 103 第二次103 104 几何均值102 104 箱式电桥比率 N 1 10 R0 103 103 RXNR0 103104 RXXR XR * 1.001 0.002102 1.012 0.006104* 根据箱式电桥标注，当N =1 时，电桥精度为0.002；当 N =10 时，电桥精度为0.005。 XR=XR 精度，当不是一位数时，XR XR提取公因式10n，以保持一位有效数字的误差如上数据显示。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5
11、 页，共 9 页上海电力学院物理实验室数据处理1、自组电桥00RRRXRX1=251092.910002. 183.9RX2=4710012.110030.195. 92、箱式电桥RX = N * R0 RX1 = 1 103 =103 RX2 = 10 103 = 104 实验室给定 XR=XR 精度 1XR 103103 2XR 1046104所以RX1=1.001 0.002 103 RX2 =1.012 0.006104 六、预习题：1、何谓电桥得四个“臂” ，请在滑线式电桥中指出这四个“臂” 。答: 图 1 中电阻 R1、R2、Rx和 R0称为电桥的四个臂。2、何谓比率系数，在自组式
12、电桥及箱式电桥中这个系数怎样确定？答: 电桥的比率系数为21RR，自组式电桥的比率系数R1、R2之比来表示；箱式电桥中可直接旋动比率钮设置。3、惠斯通电桥所测量电阻的范围是什么？答: 惠斯顿电桥可精确测量109999 欧姆的中值电阻。4、与伏安法相比，用电桥法测电阻有什么优点？为什么？答: 与伏安法相比，用电桥法测电阻有以下优点：防止因使用的电流表和电压表准确度不高带来的误差，克服线路本身不可防止带来的误差。电桥法测电阻可到达很高的准确度。5、试简述实验过程。答: 详见原理部分。6、调节电桥平衡有那几种方法，本实验采用哪一种？精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 -
13、- - - - - -第 6 页，共 9 页上海电力学院物理实验室答: 调节电桥平衡有这两种方法：第一种：取比率系数N为某一值，调节比较臂R0，使电桥平衡。第二种：保持比较臂R0固定，调节比率系数N的值，使电桥平衡。本实验采用第一种方法。7、何谓电桥平衡？其标志是什么？电桥平衡的条件是什么？答: 其标志是：检流计指针在零刻度线。电桥平衡条件为：0RRx=21RR或 Rx = 21RRR0 = N R08、滑线式电桥实验中将Rx与 R0互换位置后，重新测量的目的是什么？答: 为了克服 R1、R2电阻箱系统误差给测量带来的影响，提高测量精度。9、本实验用箱式电桥测电阻时，用的是外接电源还是内接电源
14、？用内接检流计还是外接检流计？答: 本实验用箱式电桥时，用内接电源和内接检流计。10、箱式电桥的两个按钮B、G各起什么作用？使用时要注意些什么？答: 箱式电桥中按钮 B， 相当于自组电桥中的电源开关( 接通工作电源 E的开关)。按钮 G相当于自组电桥中的检流计开关接通检流计的开关。当测量时，先按 B接通电源 E ，再按 G ， 。测量完毕，应先放G ，再放 B。七、预习思考题：1、 在自组惠斯通电桥中，检流计支路中的保护电阻起什么作用？如何使用调节？答：起到一个保护作用，当电桥严重不平衡时，旋至大阻值处以保护检流计不至于过流，而当电桥接近平衡时，应置于零值位置以提高灵敏度。2、如果按图 5-4
15、 连成电路，接通电源后，1检流计指针总是向某一方向偏转；2不偏转，分析这两种情况下电路故障的原因？答：(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， 检查由滑线变阻器的分电压是否加在图1 所示的 AC两点，加在 AB AD BC DC 点都无法使电桥平衡。(3)工作电源电压输出过高或过低。实验时工作电源的电压取56V。3、QJ-23 型电桥能否测以下各电阻， 如果可能， 相应比率臂和标准电阻0R 应分精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 9 页上海电力
16、学院物理实验室别取什么值？假设比率选择不合适，对结果有何影响？设Rx;17500;7243;330M. 答：、330M不可以。69相应比率臂和标准电阻0R 1690。相应比率臂和标准电阻0R 应分别取： 0.01 和 6780。17500相应比率臂和标准电阻0R 应分别取： 10 和 1750。7243相应比率臂和标准电阻0R 应分别取： 1 和 7234。假设比率选择不合适， 会给实验结果带来很大的误差，因为不同的比率有不同的准确度相对应见P51表 5-1 。4. 用自组电桥测一组值约为250 的电阻，假设比率选1:100，可否采用交换法进行测量？答：不可以，在实验中会发现，当比率为1 或与
17、 1 相去不远时采用交换法比较方便，而比率与1 相比差得较大，则交换前后0R 与0R 必然相差很大，受实验条件的限制0R 与0R 可能很难保证都有足够的有效数字。同时，由实验发现，如果比率相差太大，0R 与0R 相差也非常大。在实验中宜采用 1:1 或 1:10.八、实验中可能出现的故障及排除方法：1、接通电源后，检流计指针不偏转，产生这种故障的可能性：答: 1电源无电流流出，或无电压加在电桥上，如滑线变阻器断裂。2检流计的导线断裂。3检流计是否坏。2、不管怎样调节 Rs，检流计指针总是向某一方向偏转：答： 1四个“桥臂”上的导线断裂。2电压没有加在AC两点参看图 1 ，而是加在 AB AD BC DC等几种情况精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 9 页上海电力学院物理实验室九、参考教材、文献1、陈发堂、邹乾林等编， 大学物理实验教程，上海电力学院。2、马葭生，宦强主编，大学物理实验，华东师范大学出版社，1997。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 9 页
