用電位差計測熱電偶的電動勢

1、中原工學院理學院物理實驗中心指導教師曾灝憲a1用電位差計測熱電偶的電動勢用電位差計測熱電偶的電動勢大學物理實驗大學物理實驗物理實驗中心第物理實驗中心第 8實驗室實驗室a2注意事項注意事項 安全安全 人身安全人身安全 電電 開水開水 儀器安全儀器安全 調節(jié)調節(jié)旋鈕等旋鈕等用力不能過猛、速度不能太快用力不能過猛、速度不能太快 特殊儀器應按照使用說明的要求特殊儀器應按照使用說明的要求（標準電池，見指導書（標準電池，見指導書P47P47） 紀律紀律 嚴禁抄襲（實驗數(shù)據(jù)或實驗報告），否則本次實驗成績嚴禁抄襲（實驗數(shù)據(jù)或實驗報告），否則本次實驗成績0 0分分a3一、實驗目的一、實驗目的了解電位差計的工作原

2、理。了解電位差計的工作原理。掌握用電位差計測量電動勢的方法。掌握用電位差計測量電動勢的方法。 【重點重點】電位差計的使用方法】電位差計的使用方法 【難點難點】工作電流標準化的調節(jié)】工作電流標準化的調節(jié)a4二、背景介紹二、背景介紹 電位差和電動勢是電學實驗中經(jīng)常碰到的物理量，對它們的值進行測電位差和電動勢是電學實驗中經(jīng)常碰到的物理量，對它們的值進行測量時，一般情況下都是使用伏特表，但由于測量支路的分流作用，這量時，一般情況下都是使用伏特表，但由于測量支路的分流作用，這樣測出的電位差并不是用電元件上電位差的真實值。若能使測量支路樣測出的電位差并不是用電元件上電位差的真實值。若能使測量支路上的電流為

3、零，就能得到準確的結果。電位差計就是根據(jù)這個原理設上的電流為零，就能得到準確的結果。電位差計就是根據(jù)這個原理設計的。計的。 電位差計是采用補償法測量電位差或電動勢的一種儀器。它通過將未電位差計是采用補償法測量電位差或電動勢的一種儀器。它通過將未知電勢與電位差計上的已知電勢相比較，此時被測的未知電壓回路上知電勢與電位差計上的已知電勢相比較，此時被測的未知電壓回路上沒有電流，測量結果僅僅依賴于準確度極高的標準電池、標準電阻以沒有電流，測量結果僅僅依賴于準確度極高的標準電池、標準電阻以及高靈敏度的檢流計。及高靈敏度的檢流計。 電位差計的測量準確度可達到電位差計的測量準確度可達到99.99%99.99

4、%或更高，可以用來精確測量電動或更高，可以用來精確測量電動勢、電位差、電流、電阻、溫度、壓力、位移和速度等物理量，在生勢、電位差、電流、電阻、溫度、壓力、位移和速度等物理量，在生產(chǎn)檢測和科學實驗中得到了廣泛的應用。產(chǎn)檢測和科學實驗中得到了廣泛的應用。a5三、實驗原理三、實驗原理 要求從三個方面來掌握要求從三個方面來掌握 補償法原理補償法原理 電位差計的工作原理電位差計的工作原理 熱電偶熱電偶a61 1、補償法原理、補償法原理補償法原理圖補償法原理圖 電位補償法又稱比較法，是通過將未知電動勢與已知的標電位補償法又稱比較法，是通過將未知電動勢與已知的標準電動勢進行比較從而得到未知電動勢值的測量方法

5、。準電動勢進行比較從而得到未知電動勢值的測量方法。 按照圖示將按照圖示將2 2個電動勢對接個電動勢對接 當當2 2個電動勢相等時，無電流個電動勢相等時，無電流 優(yōu)點優(yōu)點 因為沒有電路中附加電阻的分壓作用，測量較精確因為沒有電路中附加電阻的分壓作用，測量較精確 調節(jié)調節(jié)EN的值，當檢流計指的值，當檢流計指0的的時候，電路中沒有電流，此時時候，電路中沒有電流，此時EN=Ex，就知道了未知電動勢，就知道了未知電動勢的值。的值。a72 2、電位差計的工作原理電位差計的工作原理 通過前面給出的簡單例子中的電路實際上無法完成測量工通過前面給出的簡單例子中的電路實際上無法完成測量工作作 如何讓如何讓E EN

6、 N可變？可變？ 如何解決如何解決E EN N不能通過較大電流的問題？不能通過較大電流的問題？ 為了解決上面的問題，采用下面的電路為了解決上面的問題，采用下面的電路通過調節(jié)旋鈕開關通過調節(jié)旋鈕開關K2可以分別將可以分別將“標準回路標準回路”和和“待測回路待測回路”與電位差與電位差計工作電源計工作電源E相連，形成相連，形成2個補償個補償電路電路。電位差計電路原理圖電位差計電路原理圖Ia82、圖中，圖中，RN為標準電池的溫度補償為標準電池的溫度補償電阻，需要根據(jù)標準電池的工作溫度電阻，需要根據(jù)標準電池的工作溫度計算出標準電池的電動勢值計算出標準電池的電動勢值EN ，然后然后相應調節(jié)相應調節(jié)RN的值

7、的值（使其讀數(shù)等于（使其讀數(shù)等于EN ）。）。1、標準電池標準電池EN的輸出電壓與工作溫度有關。的輸出電壓與工作溫度有關。注注2：電位差計的工作電流被設計為某：電位差計的工作電流被設計為某個標準值個標準值 I，稱為，稱為標準工作電流標準工作電流，我們，我們必須在這個電流下進行測量。此時有必須在這個電流下進行測量。此時有NNIRE注注1：RN的阻值在儀器制造時由制造商的阻值在儀器制造時由制造商根據(jù)不同溫度下的根據(jù)不同溫度下的EN確定。所以確定。所以RN的讀的讀數(shù)被表示成數(shù)被表示成 ，也就是某個溫度下，也就是某個溫度下EN的值。的值。NIRa93、RP為電位差計工作為電位差計工作工作電流工作電流的

8、的調節(jié)調節(jié)電阻電阻，當選定當選定RN之后，再通過調節(jié)之后，再通過調節(jié)RP使電路中的使電路中的實際電流等于標準工作電流實際電流等于標準工作電流 I。 4、通過、通過K2接入待測電動勢，可調節(jié)接入待測電動勢，可調節(jié)Rx的大小使得的大小使得Ex與與Rx兩端電壓補償，此時兩端電壓補償，此時可知可知Ex的值就是的值就是xXRIE說明說明：實際上這里還是用標準電池作為標準來衡量別的電動勢，只是并：實際上這里還是用標準電池作為標準來衡量別的電動勢，只是并沒有讓它們直接比較，而是依靠中介沒有讓它們直接比較，而是依靠中介 I 的作用進行間接比較：的作用進行間接比較：NNxXERREa105、結果：因為工作電流是

9、經(jīng)過標準化的，、結果：因為工作電流是經(jīng)過標準化的，Rx兩端的電壓與其阻值是一一對兩端的電壓與其阻值是一一對應的，所以可以將其讀數(shù)表示為其兩端的電壓值，如下圖應的，所以可以將其讀數(shù)表示為其兩端的電壓值，如下圖a11熱電偶熱電偶 熱電偶是用來測溫的一種儀表。熱電偶是用來測溫的一種儀表。 兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當合成回路，當2 2個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)個接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應。生電動勢，這種現(xiàn)象稱為溫差電效應。T1T2熱電偶示意圖熱電偶示意圖1212TTT

10、T 為為溫差系數(shù)溫差系數(shù)a12四、實驗儀器四、實驗儀器 下圖是該實驗儀器組合下圖是該實驗儀器組合電位差計電位差計檢流計檢流計標準電池標準電池燒杯、溫度燒杯、溫度計、熱電偶計、熱電偶a131 1、電位差計、電位差計 UJ31UJ31型型與游標卡尺的讀法一樣與游標卡尺的讀法一樣a142 2、電位差計、電位差計 UJ34UJ34型型a153 3、檢流計、檢流計 AZ19AZ19型型交流電源供電，背后有電源開關交流電源供電，背后有電源開關電池供電，無電源開關電池供電，無電源開關接線柱接線柱主旋扭主旋扭調零旋鈕調零旋鈕a164 4、標準電池、標準電池用于校準用于校準B組，一般不用組，一般不用一般使用這一

11、組一般使用這一組接到電位差計的接到電位差計的“標標準準”接線柱接線柱a175 5、熱電偶、熱電偶熱電偶熱電偶冷端，室溫冷端，室溫熱端，應與溫熱端，應與溫度計水銀頭高度計水銀頭高度一致度一致a18五、操作步驟五、操作步驟 大致分為四步大致分為四步 準備工作；準備工作； 工作電流的標準化；工作電流的標準化； 測量；測量； 整理儀器、打掃衛(wèi)生。整理儀器、打掃衛(wèi)生。因為有因為有2種型號的電位差計，儀器操作旋鈕布局、結構和具種型號的電位差計，儀器操作旋鈕布局、結構和具體操作上有些地方不太一樣，請注意區(qū)分。體操作上有些地方不太一樣，請注意區(qū)分。a19A A、準備工作、準備工作 A.1A.1 將電位差計轉換

12、開關將電位差計轉換開關K K2 2放在放在“斷斷”檔，將控制開關檔，將控制開關K K0 0放在放在“斷斷”檔（檔（UJ31UJ31型則是將型則是將3 3個控制按鈕全部松開）個控制按鈕全部松開）。 如果是如果是UJ31UJ31型，還應將型，還應將量程開關量程開關K1K1放在放在“X1”“X1”檔檔，表示，表示R R的讀數(shù)倍率為的讀數(shù)倍率為1 1倍，如果是倍，如果是“X10”“X10”檔檔，最后讀數(shù)應該乘以，最后讀數(shù)應該乘以1010）。）。UJ34UJ34型沒有型沒有K1K1開關，不用管。開關，不用管。UJ31型型a20A.2A.2 A.2A.2 接線。接線。按照電位差計面板上的標識分別連接檢流計

13、、按照電位差計面板上的標識分別連接檢流計、標準電池和熱電偶。標準電池和熱電偶。注意：注意： 標準電池上“+”極接電位差計上“標準”接線柱的“+”極；檢流計不分正負極，接到“電計”（UJ34型）或“檢流計”（ UJ31型）接線柱上； 熱電偶容易斷，已經(jīng)連接好，如非必要，請不要動。a21A.3A.3 A.3A.3 將桌面上的電源開關打開。將桌面上的電源開關打開。并打開檢流計電源開關并打開檢流計電源開關（如果有的話）（如果有的話）， 進行進行調調0 0。 將將“主旋扭主旋扭”由由“關機關機”旋至旋至“調零調零”檔，稍等片刻，等檔，稍等片刻，等檢流計指針基本穩(wěn)定后，調節(jié)檢流計指針基本穩(wěn)定后，調節(jié)“調零

14、調零”旋鈕使指針指旋鈕使指針指0 0。 然后然后將主旋鈕旋至最大檔將主旋鈕旋至最大檔30mV30mV檔位檔位待用待用。（為什么為什么要用要用最最大檔位？大檔位？ ） 注意：注意：調調0 0之后不要再動之后不要再動“調零調零”旋鈕旋鈕。a22A.4A.4 A.4A.4 讀出室溫讀出室溫（注意精度）（注意精度），根據(jù)公式（，根據(jù)公式（P47P47）計算）計算E EN N，并，并將將R RN N調好，使調好，使R RN N讀數(shù)等于讀數(shù)等于E EN N；例如下圖中讀數(shù)為；例如下圖中讀數(shù)為（注意?。ㄗ⒁庑“c對應的位置）白點對應的位置）1 . 0 1 8 6 7 Va23B B、工作電流標準化工作電流標

15、準化 B.1B.1 打開電位差計背面的電源開關打開電位差計背面的電源開關（UJ31UJ31型只有型只有1 1個，而個，而UJ34UJ34型有型有2 2個，必須都打開）個，必須都打開），將轉換開關，將轉換開關K2K2旋至旋至“標準標準”檔；檔； B.2B.2 使用使用K K0 0的的“粗粗”（將（將UJ31UJ31型型上的按鈕上的按鈕“粗粗”按下按下，或，或UJ34UJ34型旋至型旋至“粗粗”），觀察檢流計指針的偏轉。，觀察檢流計指針的偏轉。 B.2.1B.2.1調節(jié)調節(jié)R RP P使使檢流計指針向檢流計指針向0 0刻度偏轉刻度偏轉 （此時是粗調，不需（此時是粗調，不需要嚴格指要嚴格指0 0）

16、；（此時檢流計在（此時檢流計在30mV30mV檔）檔） B.2.2B.2.2順次減小檢流計檔位直至順次減小檢流計檔位直至1mV1mV檔，觀察檔，觀察檢流計指針的偏檢流計指針的偏轉轉，重復，重復B.2.1B.2.1a24B.3B.3 B.4B.4 B.3B.3 將電位差計控制開關將電位差計控制開關K K0 0旋至旋至“細細”（如果是（如果是UJ31UJ31型，型，則將按鈕則將按鈕“粗粗”彈起，彈起，“細細”按下）按下），繼續(xù)繼續(xù)調節(jié)調節(jié)R RP P使檢流使檢流計計嚴格嚴格指零；指零；（此時檢流計在（此時檢流計在1mV1mV檔）檔） B.4B.4 標準化完成，標準化完成，將將K K2 2以及以及K

17、 K0 0置于置于“斷斷”狀態(tài)。狀態(tài)。按照按照“先粗調后細調（先粗調后細調（K0）、先大檔位后小檔位（檢流計由）、先大檔位后小檔位（檢流計由30mV到到1mV檔，檔，最小必須用到最小必須用到1mV檔）檔）”的原則調節(jié)儀器。這里考察學生的原則調節(jié)儀器。這里考察學生“手腦并用手腦并用”的能的能力！力！做這一部分內容的時候要用到做這一部分內容的時候要用到“標準電池標準電池”，所以考慮到標準電池的特點，所以考慮到標準電池的特點，要求操作必須流暢，或者要求操作必須流暢，或者在非操作（思考、猶豫等）情況下應將在非操作（思考、猶豫等）情況下應將K2以及以及K0置置于于“斷斷”狀態(tài)！狀態(tài)！a25C C、測量、

18、測量 C.1C.1 給燒杯給燒杯里加入里加入適量開水。適量開水。 注意注意 大約1/4杯，水太多了冷卻慢，太少了溫度達不到； 確保溫度計測量的溫度與熱電偶工作端的溫度一致； 熱電偶另一端置于空氣中，溫度 t0即為前面測量的室溫； C.2C.2 將開關將開關K K2 2旋至旋至“未知未知1”1”（熱電偶都已經(jīng)連接至熱電偶都已經(jīng)連接至“未知未知1 1”接線柱接線柱），將檢流計重新置于，將檢流計重新置于30mV30mV檔；檔；a26C.3C.3 C.3C.3 使用使用K K0 0的的“粗粗”（將（將UJ31UJ31型型上的按鈕上的按鈕“粗粗”按下按下，或，或UJ34UJ34型旋至型旋至“粗粗”），觀

19、察檢流計指針的偏轉。，觀察檢流計指針的偏轉。 C.3.1C.3.1調節(jié)調節(jié)R R使使檢流計指針向檢流計指針向0 0刻度偏轉刻度偏轉 （此時是粗調，不需（此時是粗調，不需要嚴格指要嚴格指0 0） ；（此時檢流計在（此時檢流計在30mV30mV檔）檔） C.3.2C.3.2順次減小檢流計檔位直至順次減小檢流計檔位直至1mV1mV檔，觀察檔，觀察檢流計指針的偏檢流計指針的偏轉轉，重復，重復C.3.1C.3.1注意：注意：UJ31型的型的R3可連續(xù)旋轉，但是可連續(xù)旋轉，但是這一段沒有電阻也沒有讀數(shù)，這一段沒有電阻也沒有讀數(shù)，避免使用這一段。避免使用這一段。如果旋至超過如果旋至超過100還不滿足要求，還

20、不滿足要求，要使用要使用R2。a27C.47C.47 C.4C.4 將電位差計控制開關將電位差計控制開關K K0 0旋至旋至“細細”（如果是（如果是UJ31UJ31型，型，則將按鈕則將按鈕“粗粗”彈起，彈起，“細細”按下）按下），繼續(xù)繼續(xù)調節(jié)調節(jié)R R使檢流使檢流計計嚴格嚴格指零；指零；（此時檢流計在（此時檢流計在1mV1mV檔）檔） C.5C.5 一次測量完成，一次測量完成，先讀出溫度計示數(shù)，再讀先讀出溫度計示數(shù)，再讀R R讀數(shù)，讀數(shù)，記記入表中。入表中。 C.6C.6 待溫度下降待溫度下降46 46 ，重復，重復C.4C.5C.4C.5，一共測量，一共測量4848組數(shù)組數(shù)據(jù)。據(jù)。 C.7C

21、.7 測量完成，將測量完成，將K K0 0、K K2 2斷開。然后將數(shù)據(jù)給老師檢查，斷開。然后將數(shù)據(jù)給老師檢查，并在實驗記錄本的相應位置簽字。并在實驗記錄本的相應位置簽字。a28D D、整理儀器、打掃衛(wèi)生、整理儀器、打掃衛(wèi)生 D.1D.1 將電位差計上將電位差計上K K0 0置于置于“斷斷”檔（檔（UJ31UJ31上的按鈕全部彈上的按鈕全部彈起），起），K K2 2置于置于“斷斷”檔，檔，R R和和R RP P歸零，關閉背部的電源歸零，關閉背部的電源； D.2D.2 將檢流計主旋鈕左旋到底，置于關機，并將導線取下；將檢流計主旋鈕左旋到底，置于關機，并將導線取下； D.3D.3 將標準電池的連接

22、導線取下；將標準電池的連接導線取下； D.4D.4 關閉桌面電源；關閉桌面電源； D.5D.5 將燒杯中的剩水倒掉將燒杯中的剩水倒掉； D.6D.6 用用擰干擰干的濕抹布將實驗臺和儀器表面擦一遍；的濕抹布將實驗臺和儀器表面擦一遍； D.7D.7 打掃實驗室。打掃實驗室。a29六、數(shù)據(jù)記錄與處理六、數(shù)據(jù)記錄與處理T（）T（）Ex（mV）將數(shù)據(jù)記入下表，回去后按照后面的要求進行處理：將數(shù)據(jù)記入下表，回去后按照后面的要求進行處理：在坐標紙上作出在坐標紙上作出Ex-T曲線；曲線；根據(jù)熱電偶的電動式近似公式，用逐差法計算出直線斜率，即為根據(jù)熱電偶的電動式近似公式，用逐差法計算出直線斜率，即為溫差系數(shù)溫差

23、系數(shù)，并進行誤差分析。，并進行誤差分析。數(shù)據(jù)處理方法及作圖要求參考指導書第一章相關內容數(shù)據(jù)處理方法及作圖要求參考指導書第一章相關內容a30七、七、 實驗中易出現(xiàn)的問題及解決方法實驗中易出現(xiàn)的問題及解決方法 檢流計怎么調節(jié)指針都不動檢流計怎么調節(jié)指針都不動，檢查背部的電源開關是否打，檢查背部的電源開關是否打開。開。 檢流計不發(fā)生偏轉檢流計不發(fā)生偏轉，檢查補償回路是否通路。，檢查補償回路是否通路。 檢流計不能回零位檢流計不能回零位，這時檢查工作回路是否通路，或電源，這時檢查工作回路是否通路，或電源的極性是否正確。校準時總向一邊偏，說明標準電池極性的極性是否正確。校準時總向一邊偏，說明標準電池極性接反了。接反了。a31八、課堂討論題八、課堂討論題1 1為什么測量前要為什么測量前要進行進行工作電流工作電流標準化標準化？ 先將標準電池先將標準電池E EN N接入，根據(jù)接入，根據(jù)E EN N的大小確定的大小確定R RN N的值，然后調節(jié)可變電的值，然后調節(jié)可變電阻阻R RP P，使檢流計，使檢流計G G指零，只是工作電路中已具有工作電流指零，只是工作