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1、中原工学院理学院物理实验中心指导教师曾灏宪用电位差计测热电偶的电动势用电位差计测热电偶的电动势物理实验中心第物理实验中心第 8实验室实验室注意事项注意事项安全安全人身安全人身安全电电开水开水仪器安全仪器安全调节调节旋钮等旋钮等用力不能过猛、速度不能太快用力不能过猛、速度不能太快特殊仪器应按照使用说明的要求特殊仪器应按照使用说明的要求（标准电池，见指导书（标准电池，见指导书P47P47）纪律纪律严禁抄袭（实验数据或实验报告），否则本次实验成绩严禁抄袭（实验数据或实验报告），否则本次实验成绩0 0分分一、实验目的一、实验目的1.1.了解电位差计的工作原理。了解电位差计的工作原理。2.2.掌握用电位
2、差计测量电动势的方法。掌握用电位差计测量电动势的方法。【重点重点】电位差计的使用方法】电位差计的使用方法【难点难点】工作电流标准化的调节】工作电流标准化的调节二、背景介绍二、背景介绍电位差和电动势是电学实验中经常碰到的物理量，对它们的值进行测电位差和电动势是电学实验中经常碰到的物理量，对它们的值进行测量时，一般情况下都是使用伏特表，但由于测量支路的分流作用，这量时，一般情况下都是使用伏特表，但由于测量支路的分流作用，这样测出的电位差并不是用电元件上电位差的真实值。若能使测量支路样测出的电位差并不是用电元件上电位差的真实值。若能使测量支路上的电流为零，就能得到准确的结果。电位差计就是根据这个原理
3、设上的电流为零，就能得到准确的结果。电位差计就是根据这个原理设计的。计的。电位差计是采用补偿法测量电位差或电动势的一种仪器。它通过将未电位差计是采用补偿法测量电位差或电动势的一种仪器。它通过将未知电势与电位差计上的已知电势相比较，此时被测的未知电压回路上知电势与电位差计上的已知电势相比较，此时被测的未知电压回路上没有电流，测量结果仅仅依赖于准确度极高的标准电池、标准电阻以没有电流，测量结果仅仅依赖于准确度极高的标准电池、标准电阻以及高灵敏度的检流计。及高灵敏度的检流计。电位差计的测量准确度可达到电位差计的测量准确度可达到99.99%99.99%或更高，可以用来精确测量电动或更高，可以用来精确测
4、量电动势、电位差、电流、电阻、温度、压力、位移和速度等物理量，在生势、电位差、电流、电阻、温度、压力、位移和速度等物理量，在生产检测和科学实验中得到了广泛的应用。产检测和科学实验中得到了广泛的应用。三、实验原理三、实验原理要求从三个方面来掌握要求从三个方面来掌握补偿法原理补偿法原理电位差计的工作原理电位差计的工作原理热电偶热电偶1 1、补偿法原理、补偿法原理补偿法原理图补偿法原理图电位补偿法又称比较法，是通过将未知电动势与已知的标电位补偿法又称比较法，是通过将未知电动势与已知的标准电动势进行比较从而得到未知电动势值的测量方法。准电动势进行比较从而得到未知电动势值的测量方法。按照图示将按照图示将
5、2 2个电动势对接个电动势对接当当2 2个电动势相等时，无电流个电动势相等时，无电流优点优点因为没有电路中附加电阻的分压作用，测量较精确因为没有电路中附加电阻的分压作用，测量较精确调节调节EN的值，当检流计指的值，当检流计指0的的时候，电路中没有电流，此时时候，电路中没有电流，此时EN=Ex，就知道了未知电动势，就知道了未知电动势的值。的值。2 2、电位差计的工作原理电位差计的工作原理通过前面给出的简单例子中的电路实际上无法完成测量工通过前面给出的简单例子中的电路实际上无法完成测量工作作如何让如何让E EN N可变？可变？如何解决如何解决E EN N不能通过较大电流的问题？不能通过较大电流的问
6、题？为了解决上面的问题，采用下面的电路为了解决上面的问题，采用下面的电路通过调节旋钮开关通过调节旋钮开关K2可以分别将可以分别将“标准回路标准回路”和和“待测回路待测回路”与电位差与电位差计工作电源计工作电源E相连，形成相连，形成2个补偿个补偿电路电路。电位差计电路原理图电位差计电路原理图I2、图中，图中，RN为标准电池的温度补偿为标准电池的温度补偿电阻，需要根据标准电池的工作温度电阻，需要根据标准电池的工作温度计算出标准电池的电动势值计算出标准电池的电动势值EN ，然后然后相应调节相应调节RN的值的值（使其读数等于（使其读数等于EN ）。）。1、标准电池标准电池EN的输出电压与工作温度有关。
7、的输出电压与工作温度有关。注注2：电位差计的工作电流被设计为某：电位差计的工作电流被设计为某个标准值个标准值 I，称为，称为标准工作电流标准工作电流，我们，我们必须在这个电流下进行测量。此时有必须在这个电流下进行测量。此时有注注1：RN的阻值在仪器制造时由制造商的阻值在仪器制造时由制造商根据不同温度下的根据不同温度下的EN确定。所以确定。所以RN的读的读数被表示成数被表示成 ，也就是某个温度下，也就是某个温度下EN的值。的值。3、RP为电位差计工作为电位差计工作工作电流工作电流的的调节调节电阻电阻，当选定当选定RN之后，再通过调节之后，再通过调节RP使电路中的使电路中的实际电流等于标准工作电流
8、实际电流等于标准工作电流 I。 4、通过、通过K2接入待测电动势，可调节接入待测电动势，可调节Rx的大小使得的大小使得Ex与与Rx两端电压补偿，此时两端电压补偿，此时可知可知Ex的值就是的值就是说明说明：实际上这里还是用标准电池作为标准来衡量别的电动势，只是并：实际上这里还是用标准电池作为标准来衡量别的电动势，只是并没有让它们直接比较，而是依靠中介没有让它们直接比较，而是依靠中介 I 的作用进行间接比较：的作用进行间接比较：5、结果：因为工作电流是经过标准化的，、结果：因为工作电流是经过标准化的，Rx两端的电压与其阻值是一一对两端的电压与其阻值是一一对应的，所以可以将其读数表示为其两端的电压值
9、，如下图应的，所以可以将其读数表示为其两端的电压值，如下图热电偶热电偶热电偶是用来测温的一种仪表。热电偶是用来测温的一种仪表。两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当合成回路，当2 2个接合点的温度不同时，在回路中就会产个接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为温差电效应。生电动势，这种现象称为温差电效应。T1T2热电偶示意图热电偶示意图12 为为温差系数温差系数四、实验仪器四、实验仪器下图是该实验仪器组合下图是该实验仪器组合电位差计电位差计检流计检流计标准电池标准电池烧杯、温度烧杯、温度计、热电偶计、热电
10、偶1 1、电位差计、电位差计 UJ31UJ31型型与游标卡尺的读法一样与游标卡尺的读法一样2 2、电位差计、电位差计 UJ34UJ34型型3 3、检流计、检流计 AZ19AZ19型型交流电源供电，背后有电源开关交流电源供电，背后有电源开关电池供电，无电源开关电池供电，无电源开关接线柱接线柱主旋扭主旋扭调零旋钮调零旋钮4 4、标准电池、标准电池用于校准用于校准B组，一般不用组，一般不用一般使用这一组一般使用这一组接到电位差计的接到电位差计的“标标准准”接线柱接线柱5 5、热电偶、热电偶热电偶热电偶冷端，室温冷端，室温热端，应与温热端，应与温度计水银头高度计水银头高度一致度一致五、操作步骤五、操作
11、步骤大致分为四步大致分为四步准备工作；准备工作；工作电流的标准化；工作电流的标准化；测量；测量；整理仪器、打扫卫生。整理仪器、打扫卫生。因为有因为有2种型号的电位差计，仪器操作旋钮布局、结构和具种型号的电位差计，仪器操作旋钮布局、结构和具体操作上有些地方不太一样，请注意区分。体操作上有些地方不太一样，请注意区分。A A、准备工作、准备工作A.1A.1 将电位差计转换开关将电位差计转换开关K K2 2放在放在“断断”档，将控制开关档，将控制开关K K0 0放在放在“断断”档（档（UJ31UJ31型型则是将则是将3 3个控制按钮全部松开）个控制按钮全部松开）。如果是如果是UJ31UJ31型，还应将
12、型，还应将量程开关量程开关K1K1放在放在“X1”“X1”档档，表示，表示R R的读数倍率为的读数倍率为1 1倍，如果是倍，如果是“X10”“X10”档档，最后读数应该乘以，最后读数应该乘以1010）。）。UJ34UJ34型没有型没有K1K1开关，不用管。开关，不用管。UJ31型型A.2A.2A.2A.2 接线。接线。按照电位差计面板上的标识分别连接检流计、按照电位差计面板上的标识分别连接检流计、标准电池和热电偶。标准电池和热电偶。注意：注意： 标准电池上“+”极接电位差计上“标准”接线柱的“+”极；检流计不分正负极，接到“电计”（UJ34型）或“检流计”（ UJ31型）接线柱上； 热电偶容易
13、断，已经连接好，如非必要，请不要动。A.3A.3A.3A.3 将桌面上的电源开关打开。将桌面上的电源开关打开。并打开检流计电源开关并打开检流计电源开关（如果有的话）（如果有的话）， 进行进行调调0 0。将将“主旋扭主旋扭”由由“关机关机”旋至旋至“调零调零”档，稍等片刻，等档，稍等片刻，等检流计指针基本稳定后，调节检流计指针基本稳定后，调节“调零调零”旋钮使指针指旋钮使指针指0 0。然后然后将主旋钮旋至最大档将主旋钮旋至最大档30mV30mV档位档位待用待用。（为什么为什么要用要用最最大档位？大档位？ ）注意：注意：调调0 0之后不要再动之后不要再动“调零调零”旋钮旋钮。A.4A.4A.4A.
14、4 读出室温读出室温（注意精度）（注意精度），根据公式（，根据公式（P47P47）计算）计算E EN N，并，并将将R RN N调好，使调好，使R RN N读数等于读数等于E EN N；例如下图中读数为；例如下图中读数为（注意小（注意小白点对应的位置）白点对应的位置）1 . 0 1 8 6 7 VB B、工作电流标准化工作电流标准化B.1B.1 打开电位差计背面的电源开关打开电位差计背面的电源开关（UJ31UJ31型只有型只有1 1个，而个，而UJ34UJ34型有型有2 2个，必须都打开）个，必须都打开），将转换开关，将转换开关K2K2旋至旋至“标准标准”档；档；B.2B.2 使用使用K K0
15、 0的的“粗粗”（将（将UJ31UJ31型型上的按钮上的按钮“粗粗”按下按下，或，或UJ34UJ34型旋至型旋至“粗粗”），观察检流计指针的偏转。，观察检流计指针的偏转。B.2.1B.2.1调节调节R RP P使使检流计指针向检流计指针向0 0刻度偏转刻度偏转 （此时是粗调，不需（此时是粗调，不需要严格指要严格指0 0） ；（此时检流计在（此时检流计在30mV30mV档）档）B.2.2B.2.2顺次减小检流计档位直至顺次减小检流计档位直至1mV1mV档，观察档，观察检流计指针的偏转检流计指针的偏转，重复重复B.2.1B.2.1B.3B.3 B.4B.4B.3B.3 将电位差计控制开关将电位差计
16、控制开关K K0 0旋至旋至“细细”（如果是（如果是UJ31UJ31型，型，则将按钮则将按钮“粗粗”弹起，弹起，“细细”按下）按下），继续继续调节调节R RP P使检流使检流计计严格严格指零；指零；（此时检流计在（此时检流计在1mV1mV档）档）B.4B.4 标准化完成，标准化完成，将将K K2 2以及以及K K0 0置于置于“断断”状态。状态。按照按照“先粗调后细调（先粗调后细调（K0）、先大档位后小档位（检流计由）、先大档位后小档位（检流计由30mV到到1mV档，档，最小必须用到最小必须用到1mV档）档）”的原则调节仪器。这里考察学生的原则调节仪器。这里考察学生“手脑并用手脑并用”的能的能
17、力！力！做这一部分内容的时候要用到做这一部分内容的时候要用到“标准电池标准电池”，所以考虑到标准电池的特点，所以考虑到标准电池的特点，要求操作必须流畅，或者要求操作必须流畅，或者在非操作（思考、犹豫等）情况下应将在非操作（思考、犹豫等）情况下应将K2以及以及K0置置于于“断断”状态！状态！C C、测量、测量C.1C.1 给烧杯给烧杯里加入里加入适量开水。适量开水。注意注意大约1/4杯，水太多了冷却慢，太少了温度达不到；确保温度计测量的温度与热电偶工作端的温度一致；热电偶另一端置于空气中，温度 t0即为前面测量的室温；C.2C.2 将开关将开关K K2 2旋至旋至“未知未知1”1”（热电偶都已经
18、连接至热电偶都已经连接至“未知未知1 1”接线柱接线柱），将检流计重新置于，将检流计重新置于30mV30mV档；档；C.3C.3C.3C.3 使用使用K K0 0的的“粗粗”（将（将UJ31UJ31型型上的按钮上的按钮“粗粗”按下按下，或，或UJ34UJ34型旋至型旋至“粗粗”），观察检流计指针的偏转。，观察检流计指针的偏转。C.3.1C.3.1调节调节R R使使检流计指针向检流计指针向0 0刻度偏转刻度偏转 （此时是粗调，不需要（此时是粗调，不需要严格指严格指0 0） ；（此时检流计在（此时检流计在30mV30mV档）档）C.3.2C.3.2顺次减小检流计档位直至顺次减小检流计档位直至1mV
19、1mV档，观察档，观察检流计指针的偏转检流计指针的偏转，重复重复C.3.1C.3.1注意：注意：UJ31型的型的R3可连续旋转，但是可连续旋转，但是这一段没有电阻也没有读数，这一段没有电阻也没有读数，避免使用这一段。避免使用这一段。如果旋至超过如果旋至超过100还不满足要求，还不满足要求，要使用要使用R2。C.47C.47C.4C.4 将电位差计控制开关将电位差计控制开关K K0 0旋至旋至“细细”（如果是（如果是UJ31UJ31型，型，则将按钮则将按钮“粗粗”弹起，弹起，“细细”按下）按下），继续继续调节调节R R使检流使检流计计严格严格指零；指零；（此时检流计在（此时检流计在1mV1mV档
20、）档）C.5C.5 一次测量完成，一次测量完成，先读出温度计示数，再读先读出温度计示数，再读R R读数，读数，记记入表中。入表中。C.6C.6 待温度下降待温度下降46 46 ，重复，重复C.4C.5C.4C.5，一共测量，一共测量4848组数组数据。据。C.7C.7 测量完成，将测量完成，将K K0 0、K K2 2断开。然后将数据给老师检查，断开。然后将数据给老师检查，并在实验记录本的相应位置签字。并在实验记录本的相应位置签字。D D、整理仪器、打扫卫生、整理仪器、打扫卫生D.1D.1 将电位差计上将电位差计上K K0 0置于置于“断断”档（档（UJ31UJ31上的按钮全部弹上的按钮全部弹
21、起），起），K K2 2置于置于“断断”档，档，R R和和R RP P归零，关闭背部的电源归零，关闭背部的电源；D.2D.2 将检流计主旋钮左旋到底，置于关机，并将导线取下；将检流计主旋钮左旋到底，置于关机，并将导线取下；D.3D.3 将标准电池的连接导线取下；将标准电池的连接导线取下；D.4D.4 关闭桌面电源；关闭桌面电源；D.5D.5 将烧杯中的剩水倒掉将烧杯中的剩水倒掉；D.6D.6 用用拧干拧干的湿抹布将实验台和仪器表面擦一遍；的湿抹布将实验台和仪器表面擦一遍；D.7D.7 打扫实验室。打扫实验室。六、数据记录与处理六、数据记录与处理T（）T（）Ex（mV）将数据记入下表，回去后按照
22、后面的要求进行处理：将数据记入下表，回去后按照后面的要求进行处理：1.在坐标纸上作出在坐标纸上作出Ex-T曲线；曲线；2.根据热电偶的电动式近似公式，用逐差法计算出直线斜率，即为根据热电偶的电动式近似公式，用逐差法计算出直线斜率，即为温差系数温差系数，并进行误差分析。，并进行误差分析。数据处理方法及作图要求参考指导书第一章相关内容数据处理方法及作图要求参考指导书第一章相关内容七、七、 实验中易出现的问题及解决方法实验中易出现的问题及解决方法检流计怎么调节指针都不动检流计怎么调节指针都不动，检查背部的电源开关是否打，检查背部的电源开关是否打开。开。检流计不发生偏转检流计不发生偏转，检查补偿回路是
23、否通路。，检查补偿回路是否通路。检流计不能回零位检流计不能回零位，这时检查工作回路是否通路，或电源，这时检查工作回路是否通路，或电源的极性是否正确。校准时总向一边偏，说明标准电池极性的极性是否正确。校准时总向一边偏，说明标准电池极性接反了。接反了。八、课堂讨论题八、课堂讨论题1 11.1.为什么测量前要为什么测量前要进行进行工作电流工作电流标准化标准化？先将标准电池先将标准电池E EN N接入，根据接入，根据E EN N的大小确定的大小确定R RN N的值，然后调节可变电的值，然后调节可变电阻阻R RP P，使检流计，使检流计G G指零，只是工作电路中已具有工作电流指零，只是工作电路中已具有工
24、作电流I I0 0=E=EN N/R/RN N，校准工作即完成。工作电流校准后，才可以进行测量。测量时，校准工作即完成。工作电流校准后，才可以进行测量。测量时，用待测电池用待测电池E Ex x取代取代E EN N接入电路，保持接入电路，保持R RP P不变（即保持不变（即保持I I0 0不变），再不变），再调节调节R R的大小，使检流计的大小，使检流计G G再次指零，则有：再次指零，则有：此时对应的电压值即为待测电动势值。由此可见，只有此时对应的电压值即为待测电动势值。由此可见，只有进行工作进行工作电流标准化电流标准化之后，此计算公式才成立。之后，此计算公式才成立。八、课堂讨论题八、课堂讨论题
25、2 22.2.原理图中，原理图中，E E、EN EN 、EXEX的极性是否可以全部反接？为什的极性是否可以全部反接？为什么？么？ 电源电源E E、E EN N 、E EX X 的极性是可以全部反接的。因为这样也能满足电的极性是可以全部反接的。因为这样也能满足电压补偿的条件，使检流计指零。压补偿的条件，使检流计指零。3.3.原理图中，若其中一个（或两个）原理图中，若其中一个（或两个）E E、EN EN 、EX EX 的极性反的极性反接是否可以？会有什么现象？为什么？接是否可以？会有什么现象？为什么？若其中一个（或两个）电源的极性反接，是不可以的；否则会发若其中一个（或两个）电源的极性反接，是不可以的；否则会发生检流计指针始终朝一个方向偏转的现象，因为这时不能满足电生检流计指针始终朝一个方向偏转的现象，因为这时不能满足电压补偿的条件。压补偿的条件。九、思考题九、思考题1.1.实验中，发现检流计指针始终朝一个方向偏转的现象，实验中，发现检流计指针始终朝一个方向偏转的现象，分析其原因。分析其原因。2.2.P129P129，2 2、3 3两题两题
