E用線式電勢差計測電池的電動勢

1、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)中一個常用而乂重要的物理量，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)電阻及高靈敬度檢流訃，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、壓力）等，其精度可達(dá)0.1%或更高。近年來，隨著集成技術(shù)和訃算機(jī)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

2、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)1、了解補償法測電勢差的原理。2、掌握電勢差計的工作原理和結(jié)構(gòu)特點。三、教學(xué)重點3、學(xué)會用線式電勢差計測量直流電源的電動勢。1、理解補償法的基本原理。U1,直接圖1電壓表測量電源電動勢教學(xué)難點1、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。如圖用電壓表測量電源電動勢時，山于電源存在內(nèi)阻r,所以在電源內(nèi)部必然存在電壓降。根據(jù)歐姆定律有U=Ex-Ir，顯然電壓表的示值U般小于電池電動勢耳，只有當(dāng)回路中電流/=0時，才有U=EO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

3、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,其中瓦是待測電動勢，仇是高精度連續(xù)可調(diào)電動勢。當(dāng)調(diào)節(jié)使檢流訃G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Ex=，此洙用分實際中，精度高且1調(diào)的零動C時電路達(dá)到補償狀態(tài)。平的方法局幷差計就是根艸補償原理乍本實驗使用（I業(yè)線式電勢差訃,其原理如圖3路（工作回路）、校準(zhǔn)+工作電流回路（校準(zhǔn)回路）卡待測電動勢回路（待測I回路）三個部分紙成臥償瑚觸鱗j山工作電源E、限流電阻覘3切餾蝴細(xì)溝錮郵電阻絲AB串聯(lián)而成，校準(zhǔn)回路山檢流計G、標(biāo)準(zhǔn)電池£、開關(guān)心和電阻絲A3中的一

4、段CD構(gòu)成,待測回路III檢流計G、待測電池直、開關(guān)心和電阻絲A3中的一段CQ構(gòu)成。用線式電勢差訃測量電動勢，可用定長法或定壓法進(jìn)行，本實驗釆用定長法。1、首先合上接通工作回路，調(diào)節(jié)心可使工作電流/連續(xù)變化。2、標(biāo)準(zhǔn)化：把換向開關(guān)心撥向標(biāo)準(zhǔn)電池厶，接通校準(zhǔn)回路，檢流計G上有可能有電流流過，適當(dāng)調(diào)整C、D兩點位置，找到合適的C、D長度，調(diào)節(jié)心使檢流計G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)，瓦被補償。此時,CD段長度為&的電阻絲兩端電勢差/在數(shù)值上等于標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢E'設(shè)電阻絲AB上單位長度電阻為r,通過的電流為人，CD段長度為&則有Es=U=l.rLs（1

5、）3、保持電阻心不變，即工作電流人保持不變，把心合向待測電池耳，重新找C、D位置，使檢流計G再次指零，達(dá)到補償狀態(tài)。這時，CQ'段長度為厶的電阻絲兩端電勢差匕在數(shù)值上等于待測電動勢優(yōu)，即侶（2）比較兩式可得：E<=ELJLs）（3）（3）式表明當(dāng)厶，&厶都已知時，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K)D線變阻器、電位器、電阻、單刀開關(guān)、雙刀雙擲開關(guān)、導(dǎo)線。aao,D3Di-O線式電位差計本實驗所用一線電位差計的結(jié)構(gòu)如圖4所示。由一根全長11.0000m的電阻絲往復(fù)繞在11個帶插孔的接線柱上，相

6、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間的電阻絲長度圖4線式電勢差實驗線路圖可在0llm間連續(xù)變化。屆和際為可變電阻，用來調(diào)節(jié)工作電流。雙刀雙擲開關(guān)K:用來選擇接通標(biāo)準(zhǔn)電池氏或待測電池電阻斤用來保護(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)電阻斤，以提高測量靈敬度。2、標(biāo)準(zhǔn)電池標(biāo)準(zhǔn)電池是用化學(xué)洛液配制而成，按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為H型封閉管和單管式兩種，按電解液濃度乂可分為飽和式(電解液始終是飽和的)和不飽和式

7、兩類。不飽和式標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢Z隨溫度變化很小，一般不必作溫度修正，但在恒溫下乙仍有變化，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040°C,20C時電動勢倉=1.018637,溫度為/°C時電池的電動勢為:Es(t)=-39.94(/-20)+0.929(/-20)2-0.0090(/一20)3JxlOAV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

8、項如下：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，其至不能使用。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。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1“4勺電流，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。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

9、溫度差為0.1°,則會有約30門卩的電動勢偏差。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溫一段時間后方可使用。零點調(diào)節(jié)旋鈕鎖扣檢流計接線柱亍一瞪路制I4一電計鈕標(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)

10、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，不能將電訃鈕鎖定。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C端插入6號接線柱

11、，D端與0號接線柱密切接觸，取CD間電阻絲間長度Ls為6/7?o將滑線變阻器尺門、電位器氏,2調(diào)到中間位置，合上仏，接通工作回路。(2) 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圧檔測6號和0號接線柱間電壓，調(diào)節(jié)氏“使之接近標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢。(3) 粗校。將檢流計鎖扣調(diào)至白色圓點處，調(diào)節(jié)檢流計機(jī)械零點。將換向開關(guān)心合向標(biāo)準(zhǔn)電池乓，接通校準(zhǔn)回路，按下檢流汁電計?鈕，調(diào)節(jié)心，使檢流計指針指零。細(xì)校。合上K,使保護(hù)電阻短路，微調(diào)心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M=EJL,。4、測量未知電動勢斷開心、冷.用萬用電表粗測未知電動

12、勢E,佔算測量E:時電阻絲大概長度L;=E；/M,根據(jù)佔算值厶:確定C端位置。將開關(guān)心合向待測電池，接通待測回路，保持電阻心2不變，即保持工作電流不變。粗測。接通檢流計，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。(1) 細(xì)測。合上開關(guān)微調(diào)D端位置，使檢流計指針再一次指零。(2) 斷開心、K“讀取CD間電阻絲長度厶。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/=19(C)標(biāo)準(zhǔn)電池電動勢瓦=1.0187(2)L3M(VIni)萬用電表粗測估算厶(加)60.169781.5369.0471(2)多次測量測量次數(shù)S)12345L&

13、quot;)9.06659.06129.06029.06009.05989.061540.004960.000340.001340.001540.00174(1) 2、計算未知電動勢及其不確定度未知電動勢：_T.£&=一=1.5385(V)厶(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B類不確定度，先分別訃算長度和標(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，估計每米誤差為儀=0?002（7）,且誤差為均勻分布，貝yB類不確定度為=僅?厶/>/5=0.002厶/館（厶為實際使用

14、長度）。對確定長度厶:無A類不確定度，其B類不確定度為=0.002厶/75故4=0.002L/V3=0.0069（/7?）對測量長度厶：其多次測量帶來的A類不確定度為=匸3-=0.0012伽），其B類不確定度為=0.002Z；/V5=0.01046故ULi=JS：+&=0.0105（加）標(biāo)準(zhǔn)電池在040C范圍內(nèi)最大誤差不超過50妙，即儀=5.0x10YU）。按正態(tài)分布處理，貝yUE=A.J3=5.0x10_5/3=2x10_5（V）（3）合成不確定度（忽略檢流訃靈敬度不夠引起的誤差）U=Ex/（-A）2+（寺尸+（才尸=0.003（H）（4）測量結(jié)果表達(dá)式EX=EX.538±

15、0.003（U）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10/M,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1/M,因而嚴(yán)禁用任何電表直接查驗其電動勢和電路。行一次校4、工作電流標(biāo)準(zhǔn)化以后，險、心2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

16、，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)準(zhǔn)，以減小測量誤差。5、調(diào)節(jié)電勢差計0端時，0端與電阻絲只作點接觸，嚴(yán)禁將0端按下后左右移動,避免刮傷刮斷電阻絲。十、實驗管理和成績記載1、實驗管理（1）預(yù)習(xí)檢查：檢查學(xué)生的學(xué)生證，檢査學(xué)生預(yù)習(xí)報告并簽字，隨機(jī)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）

17、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)，目的就是要使電阻心B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&確定電阻絲心p上單位長度的電壓降（即標(biāo)定g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)確測出巴。2、使電勢差計平衡的必要條件是什么？必要條件：E、E

18、,和瓦的正、負(fù)極性不能接錯，同時還要滿足條件E>EE>E3、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，山于電池存在內(nèi)阻廠，所以在電池內(nèi)部不可避免地存在電壓降"，故電壓表示值是電池的端電壓U=EX-Ir.而用電勢差計測電池電動勢，不從電池中取用電流(/=0),不改變電池的原有狀態(tài)，其內(nèi)阻不產(chǎn)生電圧降，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)接通心，并將心合向E,(或耳)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？在校準(zhǔn)時出現(xiàn)這種現(xiàn)象，原因為：工作回路不通，或是E與瓦中某一個

19、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)首先檢査工作回路是否暢通，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。如工作回路沒有故障，則應(yīng)檢查E和E,的正負(fù)極性是否接錯。若E的極性接錯，工作電流將由端到D端經(jīng)心流過檢流計。此時，瓦的電流由C端到D端經(jīng)心流過檢流計。若E尚極性接錯，則工作電流山4端到C端對瓦充電，兩電流同向流過檢流訃。從上分析可知，無論E或瓦的正負(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。(1) 在測量時出現(xiàn)這

20、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?。繛槭裁?？在電勢差計中設(shè)置保護(hù)電阻R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，山于心和心b的取值不確定,回路中電流較大。而檢流訃和標(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

21、R斷開，確保電路完全達(dá)到平衡狀態(tài)。6.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。在待測冋路中與£,并聯(lián)條標(biāo)準(zhǔn)電陽心與開關(guān)K,小接的支路。斷開調(diào)電勢差i|至平衡狀態(tài)時，有：巴=町（&仏）R、接通調(diào)電勢差訃平衡后，測得電阻絲長度為厶此時人支路上的電壓降為：5=Eg仏）U=Exir=ExE？EjR、f+R、r+而對耳、心、心回路，有:?R即r=.1/丿15）將E嚴(yán)Ej、口=丘-八代入上式，得到：r=p1-/?vL、？厶L.j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)生一定心調(diào)試，指導(dǎo)學(xué)

22、生學(xué)會估訃及趨勢把握，節(jié)省時間，不要盲LI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，例要耐如補償電阻的佔計與插孔的尋找，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否損壞，電位器損壞居