E.用線式電勢差計測電池的電動勢.05說課材料_第1頁
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文檔簡介

1、Good is good, but better carries it.精益求精,善益求善。E.用線式電勢差計測電池的電動勢.05-實驗名稱用線式電勢差計測電池的電動勢一、前言電動勢是電學(xué)中一個常用而又重要的物理量,電勢差計是精密測量中應(yīng)用較為廣泛的儀器之一。電勢差計是根據(jù)補償原理構(gòu)造的一種精密儀器,補償原理是把未知電壓與電勢計上的已知電壓相比較。測量中由于電勢差計不從被測對象中取用電流,因而不改變被測對象的原有狀態(tài),并且應(yīng)用了標(biāo)準(zhǔn)電池、標(biāo)準(zhǔn)電阻及高靈敏度檢流計,因而測量精度高,測量結(jié)果可靠。電勢差計不僅可以高精度測量電動勢、電勢差和校準(zhǔn)電表,還可用于間接地測量電阻、電流及一些非電學(xué)量(如溫度

2、、壓力)等,其精度可達(dá)0.1%或更高。近年來,隨著集成技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,電勢差計的地位已經(jīng)逐漸被高性能的數(shù)字電壓表所取代,但是關(guān)于補償原理的物理思想,在測量技術(shù)中仍然有著重要的意義。二、教學(xué)目標(biāo)了解補償法測電勢差的原理。掌握電勢差計的工作原理和結(jié)構(gòu)特點。學(xué)會用線式電勢差計測量直流電源的電動勢。V圖1電壓表測量電源電動勢三、教學(xué)重點理解補償法的基本原理。四、教學(xué)難點學(xué)會用定長法測量電動勢。五、實驗原理電源的電動勢等于電源開路時電源正負(fù)極間的電勢差。如圖1,直接用電壓表測量電源電動勢時,由于電源存在內(nèi)阻,所以在電源內(nèi)部必然存在電壓降。根據(jù)歐姆定律有,顯然電壓表的示值一般小于電池電動勢,只有當(dāng)

3、回路中電流時,才有。為了精確測量電動勢值,必須加上一個電壓與電源電動勢互相抵消,當(dāng)電源內(nèi)部電流為零時,補償電壓就等于電源的電動勢,這就是本實驗采用的補償法。補償法原理如圖2,其中是待測電動勢,是高精度連續(xù)可調(diào)電動勢。當(dāng)調(diào)節(jié)使檢流計指針指零,電路中沒有電流時,回路達(dá)到補償狀態(tài),兩電動勢大小相等,方向相反,在數(shù)值上有,此時電路達(dá)到補償狀態(tài)。圖2補償法原理圖圖3線式電勢差計原理圖實際中,精度高且連續(xù)可調(diào)的電動勢是沒有的。為了實現(xiàn)上述測量,通常采用分壓的方法,電勢差計就是根據(jù)補償原理制成的高精度分壓裝置。電勢差計有多種類型,本實驗使用的是線式電勢差計,其原理如圖3所示。電勢差計主要由工作電流調(diào)節(jié)回路(

4、工作回路)、校準(zhǔn)工作電流回路(校準(zhǔn)回路)和待測電動勢回路(待測回路)三個部分組成。工作回路由工作電源、限流電阻、開關(guān)和粗細(xì)均勻的電阻絲串聯(lián)而成,校準(zhǔn)回路由檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池、開關(guān)和電阻絲中的一段構(gòu)成,待測回路由檢流計、待測電池、開關(guān)和電阻絲中的一段構(gòu)成。用線式電勢差計測量電動勢,可用定長法或定壓法進(jìn)行,本實驗采用定長法。1、首先合上,接通工作回路,調(diào)節(jié)可使工作電流連續(xù)變化。2、標(biāo)準(zhǔn)化:把換向開關(guān)撥向標(biāo)準(zhǔn)電池,接通校準(zhǔn)回路,檢流計上有可能有電流流過,適當(dāng)調(diào)整、兩點位置,找到合適的、長度,調(diào)節(jié)使檢流計的指針零偏轉(zhuǎn),此時校準(zhǔn)回路與工作回路電路處于平衡狀態(tài),被補償。此時,段長度為的電阻絲兩端電勢差在數(shù)值

5、上等于標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢,設(shè)電阻絲上單位長度電阻為,通過的電流為,段長度為,則有(1)3、保持電阻不變,即工作電流保持不變,把合向待測電池,重新找、位置,使檢流計再次指零,達(dá)到補償狀態(tài)。這時,段長度為的電阻絲兩端電勢差在數(shù)值上等于待測電動勢,即(2)比較兩式可得:(3)(3)式表明當(dāng),都已知時,電源電動勢可求出。六、實驗儀器直流穩(wěn)壓電源、萬用電表、線式電勢差計、指針式檢流計、標(biāo)準(zhǔn)電池、待測電池、滑線變阻器、電位器、電阻、單刀開關(guān)、雙刀雙擲開關(guān)、導(dǎo)線。K3K2K1圖4線式電勢差實驗線路圖2468013579AB10C1線式電位差計本實驗所用十一線電位差計的結(jié)構(gòu)如圖4所示。由一根全長11.0000m的

6、電阻絲往復(fù)繞在11個帶插孔的接線柱上,相鄰兩插孔間的電阻絲長度為1.0000m。插頭C可選插在插孔0、1、2、10中任一位置,構(gòu)成階躍式的“粗調(diào)”裝置。電阻絲0B下方,附有帶毫米刻度的米尺,滑鍵D在它上面滑動,構(gòu)成連續(xù)變化的“細(xì)調(diào)”。這樣CD間的電阻絲長度可在011m間連續(xù)變化。Rn1和Rn2為可變電阻,用來調(diào)節(jié)工作電流。雙刀雙擲開關(guān)K2用來選擇接通標(biāo)準(zhǔn)電池ES或待測電池Ex。電阻R用來保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電池和檢流計。當(dāng)電位差計處于補償狀態(tài)(平衡態(tài))進(jìn)行讀數(shù)時,必須短接保護(hù)電阻R,以提高測量靈敏度。2、標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是用化學(xué)溶液配制而成,按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為H型封閉管和單管式兩種,按電解液濃度又可分為飽和式

7、(電解液始終是飽和的)和不飽和式兩類。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢隨溫度變化很小,一般不必作溫度修正,但在恒溫下仍有變化,不及飽和式的穩(wěn)定,而且當(dāng)電流通過不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池后,電解液增濃,長期使用后會失效。飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢較穩(wěn)定,但隨溫度變化比較顯著。本實驗所用的為BC9a型飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池,是一種單管式可逆原電池。其使用范圍為,20時電動勢=1.01863V,溫度為時電池的電動勢為:標(biāo)準(zhǔn)電池是電動勢的量度器,絕不能做電源使用,其極性不能接反,通電時間不宜太長。使用標(biāo)準(zhǔn)電池的注意事項如下:(1)標(biāo)準(zhǔn)電池不允許傾斜,更不允許搖晃和倒置,否則會使玻璃管內(nèi)的化學(xué)物質(zhì)混成一體,從而影響電動勢值和穩(wěn)定性,

8、甚至不能使用。凡運輸后的標(biāo)準(zhǔn)電池必須靜置足夠時間后才能再用;凡被顛倒過的電池經(jīng)考核合格后方可使用。(2)標(biāo)準(zhǔn)電池不能過載。標(biāo)準(zhǔn)電池一般僅允許通過小于的電流,否則會因極化而引起電動勢不穩(wěn)定;流過標(biāo)準(zhǔn)電池的電流不能超過允許值;不要用手同時觸摸兩個端鈕,以防人體將兩極短路;絕不允許用電壓表或萬用表去測量標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢值,因為這種儀表的內(nèi)阻不夠大,會使電池放電電流過大。(3)標(biāo)準(zhǔn)電池使用和存放的溫度、濕度必須符合規(guī)定。溫度波動要小,以防滯后效應(yīng)帶來誤差。溫度梯度要小,以防兩電極溫度不一致,若兩極間溫度差為0.1,則會有約30pV的電動勢偏差。因此,電池附近不能有冷源、熱源,移動到新溫度下時必須保持恒

9、溫一段時間后方可使用。圖5AC5型檢流計1零點調(diào)節(jié)旋鈕2鎖扣3檢流計接線柱4電計鈕5短路鈕(4)標(biāo)準(zhǔn)電池應(yīng)防止陽光直接照射和其他強光源、熱源、冷源的直接作用和側(cè)向輻射。因為標(biāo)準(zhǔn)電池的去極化劑硫酸亞汞是一種光敏物質(zhì),受光照后會變質(zhì),將使極化和滯后都變得嚴(yán)重。3、檢流計本實驗使用的是AC5型檢流計,結(jié)構(gòu)如圖5所示。它屬于便攜型磁電式結(jié)構(gòu)。其可動部分固定在張絲上面,使用時需水平放置,檢流計采用短路阻尼法制動。當(dāng)其鎖扣鈕轉(zhuǎn)至紅色圓點處時,線圈即被固定。使用中,首先將檢流計接線柱3按極性接入電路中,然后將鎖扣2轉(zhuǎn)至白色圓點處,調(diào)零點調(diào)節(jié)旋鈕1使指針指向零刻度。電計鈕4相當(dāng)于檢流計的開關(guān),按下此鈕,檢流計

10、回路接通。若接通時間較長,可按下此鈕并旋轉(zhuǎn)一下,電計鈕被鎖定不再彈起。當(dāng)把檢流計當(dāng)作指零儀表時,不能將電計鈕鎖定。短路鈕5是一個阻尼開關(guān),當(dāng)指針不停地擺動時,按下此鈕,指針便會停止擺動。檢流計使用完后,應(yīng)將電計鈕和短路鈕放松,并將鎖扣轉(zhuǎn)至紅色圓點處。七、實驗內(nèi)容與步驟1、合理布置儀器,按圖4正確連接線路。接線時需斷開所有開關(guān),首先連接工作回路,再接待測回路,最后接校準(zhǔn)回路,注意不可將工作電源、待測電池、標(biāo)準(zhǔn)電池的正負(fù)極接錯。2、測量室溫,計算標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢。3、校準(zhǔn)電勢差計(1)將端插入6號接線柱,端與0號接線柱密切接觸,取間電阻絲間長度為。(2)將滑線變阻器、電位器調(diào)到中間位置,合上,接通

11、工作回路。(3)為使工作回路和標(biāo)準(zhǔn)回路盡快達(dá)到補償狀態(tài),先用萬用電表直流電壓檔測6號和0號接線柱間電壓,調(diào)節(jié)使之接近標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢。(4)粗校。將檢流計鎖扣調(diào)至白色圓點處,調(diào)節(jié)檢流計機械零點。將換向開關(guān)合向標(biāo)準(zhǔn)電池,接通校準(zhǔn)回路,按下檢流計電計鈕,調(diào)節(jié),使檢流計指針指零。(5)細(xì)校。合上,使保護(hù)電阻短路,微調(diào),使檢流計指針再次指零,此時電勢差計被校準(zhǔn)(即工作電流被校準(zhǔn)),算出單位長度電阻絲上的電壓降。4、測量未知電動勢(1)斷開、。用萬用電表粗測未知電動勢,估算測量時電阻絲大概長度,根據(jù)估算值確定端位置。(2)將開關(guān)合向待測電池,接通待測回路,保持電阻、不變,即保持工作電流不變。(3)粗測。接

12、通檢流計,點按滑鍵與電阻絲接觸,采用左右逼近法,使檢流計指針指零。(4)細(xì)測。合上開關(guān),微調(diào)端位置,使檢流計指針再一次指零。(5)斷開、,讀取間電阻絲長度。5、重復(fù)上述兩大步驟,進(jìn)行多次測量。八、數(shù)據(jù)表格及數(shù)據(jù)處理1、數(shù)據(jù)表格(1)單次測量室溫標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢萬用電表粗測估算60.169781.5369.0471(2)多次測量測量次數(shù)123459.06659.06129.06029.06009.05989.061540.004960.000340.001340.001540.001742、計算未知電動勢及其不確定度(1)未知電動勢:(2)未知電動勢的不確定度:本實驗測量值為多次測量,需考慮A類和

13、B類不確定度,先分別計算長度和標(biāo)準(zhǔn)電池的不確定度,最后計算合成不確定度。長度的不確定度。電勢差計使用的電阻絲往復(fù)繞在11個接線柱上,考慮其纏繞不均,估計每米誤差為,且誤差為均勻分布,則B類不確定度為(為實際使用長度)。對確定長度:無A類不確定度,其B類不確定度為故對測量長度:其多次測量帶來的A類不確定度為,其B類不確定度為故標(biāo)準(zhǔn)電池在范圍內(nèi)最大誤差不超過,即。按正態(tài)分布處理,則(3)合成不確定度(忽略檢流計靈敏度不夠引起的誤差)(4)測量結(jié)果表達(dá)式九、指導(dǎo)要點及注意事項1、連接線路時,所有開關(guān)都必須斷開,并注意不要將工作電源、標(biāo)準(zhǔn)電池和待測電池的正負(fù)極接錯。線路接好后,要仔細(xì)檢查,確認(rèn)無誤方可

14、接通電源,斷開電源時,應(yīng)先斷開校準(zhǔn)回路。2、檢流計最大允許電流不超過,為避免過大電流損壞檢流計,調(diào)試時應(yīng)嚴(yán)格遵守先粗校(粗測)后細(xì)校(細(xì)測)的原則。檢流計電計鈕只可點按,不可長時間鎖定。3、標(biāo)準(zhǔn)電池是電動勢的量度器,絕不可作為普通電源使用,其通電時間不宜太長,允許通過的電流不能大于,因而嚴(yán)禁用任何電表直接查驗其電動勢和電路。4、工作電流標(biāo)準(zhǔn)化以后,、不可再改變,否則就必須重新進(jìn)行校準(zhǔn)。由于工作條件的不穩(wěn)定,工作電流常偏離標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),為此每次測一次數(shù)據(jù),必須重新進(jìn)行一次校準(zhǔn),以減小測量誤差。5、調(diào)節(jié)電勢差計D端時,D端與電阻絲只作點接觸,嚴(yán)禁將D端按下后左右移動,避免刮傷刮斷電阻絲。十、實驗管理和

15、成績記載1、實驗管理(1)預(yù)習(xí)檢查:檢查學(xué)生的學(xué)生證,檢查學(xué)生預(yù)習(xí)報告并簽字,隨機提問(約占實驗學(xué)生的四分之一)檢查學(xué)生的預(yù)習(xí)情況。無預(yù)習(xí)報告或預(yù)習(xí)檢查不合格的學(xué)生取消當(dāng)堂課實驗資格,重新預(yù)約該實驗。(2)操作管理:巡回檢查學(xué)生的實驗操作和實驗數(shù)據(jù)記錄情況,及時發(fā)現(xiàn)、指導(dǎo)、解決學(xué)生在實驗操作中遇到的問題,檢查完成實驗學(xué)生的數(shù)據(jù)記錄并簽字;對在1小時左右完成實驗的學(xué)生進(jìn)行認(rèn)真的檢查并要求其完成實驗的選做內(nèi)容。(3)實驗報告批改:要求學(xué)生認(rèn)真作好實驗報告,并于實驗后一周內(nèi)交到任課教師信箱(主教學(xué)樓1樓走廊);及時批改學(xué)生的實驗報告,作好成績記載及時發(fā)給學(xué)生。2、成績記載平時成績:實驗操作60%;實

16、驗報告40%;及時在實驗預(yù)約單上記載平時成績。綜合成績:平時成績60%;考試成績40%。十一、實驗思考題1、為什么要對工作電流進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化調(diào)節(jié)?對工作電流進(jìn)行校準(zhǔn),目的就是要使電阻中流過一個已知的“標(biāo)準(zhǔn)”電流。換言之,就是利用標(biāo)準(zhǔn)電池確定電阻絲上單位長度的電壓降(即標(biāo)定上的電勢差值),使電勢差計成為一個大小可調(diào),電壓穩(wěn)定的電源,從而準(zhǔn)確測出。2、使電勢差計平衡的必要條件是什么?必要條件:、和的正、負(fù)極性不能接錯,同時還要滿足條件,。3、為什么電勢差計測的是電池的電動勢而不是端電壓?用電壓表測電池的電動勢時,有電流通過電池內(nèi)部,由于電池存在內(nèi)阻,所以在電池內(nèi)部不可避免地存在電壓降,故電壓表示值是電

17、池的端電壓。而用電勢差計測電池電動勢,不從電池中取用電流,不改變電池的原有狀態(tài),其內(nèi)阻不產(chǎn)生電壓降,所以得到的測量結(jié)果必然就是電池的電動勢。4、在調(diào)節(jié)線式電勢差計平衡時,當(dāng)接通,并將合向(或)后,無論怎樣調(diào)節(jié),檢流計指針始終向一邊偏,問有哪些可能的原因?(1)在校準(zhǔn)時出現(xiàn)這種現(xiàn)象,原因為:工作回路不通,或是與中某一個的正負(fù)極性接錯。參看圖4分析,因為檢流計是串接于校準(zhǔn)回路(或待測回路)中,檢流計指針偏轉(zhuǎn)說明校準(zhǔn)回路(待測回路)暢通完好。在校準(zhǔn)時出現(xiàn)檢流計指針一邊偏的現(xiàn)象,應(yīng)首先檢查工作回路是否暢通,顯然如工作回路不通,沒有工作電流,檢流計中只有校準(zhǔn)回路的電流通過,必然形成指針一邊偏。如工作回路

18、沒有故障,則應(yīng)檢查和的正負(fù)極性是否接錯。若的極性接錯,工作電流將由端到端經(jīng)流過檢流計。此時,的電流由端到端經(jīng)流過檢流計。若的極性接錯,則工作電流由端到端對充電,兩電流同向流過檢流計。從上分析可知,無論或的正負(fù)極性接錯,都將使兩電流同方向流過檢流計,形成指針一邊偏。(2)在測量時出現(xiàn)這種現(xiàn)象,同上分析可知,必然是的正負(fù)極性接錯。5、在實驗中起什么作用?什么情況下取最大?什么情況下取最小?為什么?在電勢差計中設(shè)置保護(hù)電阻既是為了保護(hù)檢流計,同時也是為了保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)電池。實驗在校準(zhǔn)工作回路電流和測量待測電動勢的過程中,進(jìn)行粗校、粗測時取值最大;當(dāng)進(jìn)行細(xì)校、細(xì)測時取值為零。在粗校、粗測時,由于和的取值不確

19、定,回路中電流較大。而檢流計和標(biāo)準(zhǔn)電池允許通過的電流都很小,為了避免大電流對檢流計和標(biāo)準(zhǔn)電池的損害,所以必須將調(diào)至最大。這樣做同時還可降低電勢差計的靈敏度,便于粗調(diào)平衡。當(dāng)粗校、粗測完成后,電路中電流已非常小,對檢流計和標(biāo)準(zhǔn)電池不再具有損害作用,所以,在細(xì)調(diào)時需將斷開,確保電路完全達(dá)到平衡狀態(tài)。Ex線式電勢差計RsK46、如何用線式電勢差計測電池的內(nèi)阻?畫出線路簡圖,并導(dǎo)出內(nèi)阻的計算公式。用線式電勢差計測電池內(nèi)阻線路如右圖。在待測回路中與并聯(lián)一條標(biāo)準(zhǔn)電阻與開關(guān)串接的支路。斷開,調(diào)電勢差計至平衡狀態(tài)時,有:接通,調(diào)電勢差計平衡后,測得電阻絲長度為,此時支路上的電壓降為:而對、回路,有:即將、代入

20、上式,得到:十二、教學(xué)后記1、本實驗要測量的數(shù)據(jù)較多,實驗的實際操作比較繁瑣,授課中強調(diào)學(xué)生一定要耐心調(diào)試,指導(dǎo)學(xué)生學(xué)會估計及趨勢把握,節(jié)省時間,不要盲目尋找。2、學(xué)生對實驗原理的具體實施理解不透,因而接線和實際操作中出現(xiàn)錯誤,例如補償電阻的估計與插孔的尋找,因此在講解原理時一定要講清講透。3、學(xué)生實驗操作中規(guī)范性不夠,例如保護(hù)電阻的接入,標(biāo)準(zhǔn)電池和待測電池正負(fù)極的連接,萬用電表的讀數(shù),有效數(shù)字的正確讀取等等。4、實驗中要讓學(xué)生在出現(xiàn)故障時,學(xué)會排除故障,并且能夠自己動手解決問題,培養(yǎng)學(xué)生的動手能力。5、實驗報告填寫時,要強調(diào)測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化表達(dá)、不確定度的計算、實驗分析以及課后思考題。6、實驗中檢流計指針不偏轉(zhuǎn)的原因很多,如接線是否正確,主要是單刀和雙刀開關(guān)的接線,穩(wěn)壓電源是否打開,限流電阻滑線變阻器和電位器是

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