補(bǔ)償法在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

1、補(bǔ)償法在物理實(shí) 驗(yàn)中的應(yīng)用指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師：韓振海韓振海 論文作者論文作者：姜姜 康康 專專 業(yè)業(yè)：物理學(xué)物理學(xué) 摘要及關(guān)鍵詞摘要摘要關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 在普通物理實(shí)驗(yàn)中，補(bǔ)償法的應(yīng)用十分普遍，常見(jiàn)的有在普通物理實(shí)驗(yàn)中，補(bǔ)償法的應(yīng)用十分普遍，常見(jiàn)的有溫度補(bǔ)償法、光程補(bǔ)償法、電壓補(bǔ)償法等，有關(guān)的文獻(xiàn)中這溫度補(bǔ)償法、光程補(bǔ)償法、電壓補(bǔ)償法等，有關(guān)的文獻(xiàn)中這些方法已經(jīng)有詳盡的敘述，本節(jié)結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步闡述了補(bǔ)償些方法已經(jīng)有詳盡的敘述，本節(jié)結(jié)合實(shí)例進(jìn)一步闡述了補(bǔ)償法在完善物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差中的應(yīng)用，并歸法在完善物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、減小實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差中的應(yīng)用，并歸納、總結(jié)了補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)。納、總結(jié)了補(bǔ)償法的優(yōu)

2、點(diǎn)。物理實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償法；校正；系統(tǒng)誤差物理實(shí)驗(yàn)補(bǔ)償法；校正；系統(tǒng)誤差 http:/ http:/ http:/ 在物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)量過(guò)程中，由于各種原在物理實(shí)驗(yàn)的測(cè)量過(guò)程中，由于各種原因，如電表內(nèi)阻的存在、光程的不對(duì)稱等，因，如電表內(nèi)阻的存在、光程的不對(duì)稱等，使原有測(cè)量狀態(tài)受到影響。補(bǔ)償法就可以制使原有測(cè)量狀態(tài)受到影響。補(bǔ)償法就可以制造另一種因素去補(bǔ)償不合理因素的影響，使造另一種因素去補(bǔ)償不合理因素的影響，使這種影響減弱或?qū)y(cè)量無(wú)影響。補(bǔ)償法大多這種影響減弱或?qū)y(cè)量無(wú)影響。補(bǔ)償法大多用在補(bǔ)償測(cè)量和補(bǔ)償校正系統(tǒng)誤差兩個(gè)方面，用在補(bǔ)償測(cè)量和補(bǔ)償校正系統(tǒng)誤差兩個(gè)方面，在測(cè)量中是一種常用的精密測(cè)量方法，它可在

3、測(cè)量中是一種常用的精密測(cè)量方法，它可以精確地測(cè)量某些物理量。以精確地測(cè)量某些物理量。 研究方案（主要內(nèi)容）1 電壓補(bǔ)償法電壓補(bǔ)償法5 結(jié)論結(jié)論2 電流補(bǔ)償法電流補(bǔ)償法3 光程補(bǔ)償法光程補(bǔ)償法4 用補(bǔ)償法減小外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響用補(bǔ)償法減小外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響1 電壓補(bǔ)償原理 任何電源都有一定的內(nèi)阻，測(cè)量電源兩極間的電任何電源都有一定的內(nèi)阻，測(cè)量電源兩極間的電位差時(shí)，與電源構(gòu)成通路，內(nèi)阻上就有電壓降落，因位差時(shí)，與電源構(gòu)成通路，內(nèi)阻上就有電壓降落，因此，伏特表上指示的數(shù)值不是電源的電源電動(dòng)勢(shì)，而此，伏特表上指示的數(shù)值不是電源的電源電動(dòng)勢(shì)，而是它的端電壓。電位差計(jì)就是利用電壓補(bǔ)償原理測(cè)量是它的端電

4、壓。電位差計(jì)就是利用電壓補(bǔ)償原理測(cè)量電動(dòng)勢(shì)或電位差的儀器。對(duì)于一段具有一定電壓的電電動(dòng)勢(shì)或電位差的儀器。對(duì)于一段具有一定電壓的電路（或電源），并聯(lián)上一個(gè)可調(diào)電源（也可以是分壓路（或電源），并聯(lián)上一個(gè)可調(diào)電源（也可以是分壓電路的一部分），當(dāng)可調(diào)電源的電壓與電路上的電壓電路的一部分），當(dāng)可調(diào)電源的電壓與電路上的電壓（或電動(dòng)勢(shì)的電勢(shì)）相等時(shí)，并聯(lián)回路中的電流為零（或電動(dòng)勢(shì)的電勢(shì)）相等時(shí)，并聯(lián)回路中的電流為零,稱為電壓補(bǔ)償原理，如圖稱為電壓補(bǔ)償原理，如圖1-1所示。所示。 電壓補(bǔ)償原理圖 E K G N M sE xE A B 1K R hR圖1-2 電壓補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置 G n E x E 圖1-1 電

5、壓補(bǔ)償原理v圖1-2所示的電路包括兩個(gè)部分：有工作電源E、電阻箱 和電阻絲AB（實(shí)驗(yàn)中的電位補(bǔ)償板）構(gòu)成的工作回路和由未知電源、檢流計(jì)G、滑線變阻器R和滑動(dòng)點(diǎn)M、N間的電阻組成的補(bǔ)償回路。改變M、N的位置可得到不同的電位差,若調(diào)節(jié)M、N在某一位置時(shí)，檢流計(jì)中無(wú)電流流過(guò)，則表明 MNxUE MNxUIE0（1-2） （1-1） 使檢流計(jì)的指示值為零，有 MNsREI0改變M、N兩點(diǎn)的位置，使檢流計(jì)G的指示值再次為零 0M NM NUI R（1-3） v由（1-1）式和（1-3）式兩式可得 MNssM NREER由于電阻絲AB各處的截面積相等，電阻率也相同，故兩次的電阻之比等于兩次長(zhǎng)度之比 為sM

6、NNMxELLE結(jié)果表明利用二次電壓補(bǔ)償可以將對(duì)電阻的測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)長(zhǎng)度的測(cè)量。2 電流補(bǔ)償法v當(dāng)我們?cè)谝浑娐分写腚娏鞅頊y(cè)量其電流時(shí)，往往由于電流表的內(nèi)阻而使測(cè)量值較原電路的真實(shí)值為?。ㄈ鐖D2-1）。為此我們可以設(shè)計(jì)如圖2-2所示電路圖。在這個(gè)電路中多了一個(gè)回路，且原回路通過(guò)檢流計(jì)G的電流方向正好與第二個(gè)回路通過(guò)檢流計(jì)的方向相反。這樣做的目的，就是用第二個(gè)回路的電流將原回路通過(guò)檢流計(jì)的電流“補(bǔ)償”使得通過(guò)檢流計(jì)的電流為零，從而檢流計(jì)兩端的電流相等，就相當(dāng)于B、C兩點(diǎn)接在一起，此時(shí)原回路中的電流值就是需要測(cè)量的真實(shí)電流值。顯然，第二個(gè)回路中的電流值與之相等。這樣，電流表中所顯示的電流值就是真是測(cè)

7、量結(jié)果，且較為直接。 電流補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)裝置GARCBRGAriR1RK2R3R4R電流補(bǔ)償原理改進(jìn)后的裝置圖ImAImA表2-1 用電流補(bǔ)償法測(cè)量的結(jié)果 表2-2 直接用電流表測(cè)量的結(jié)果 由電流補(bǔ)償法的原理和測(cè)得的結(jié)果可以看出，電流補(bǔ)償法的結(jié)果是比較“直接”可信的。 3 光程補(bǔ)償法光程補(bǔ)償法 邁克爾遜干涉儀是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的精密測(cè)量邁克爾遜干涉儀是光學(xué)實(shí)驗(yàn)中最常用的精密測(cè)量?jī)x器之一。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中有儀器之一。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中有2塊材料相同、厚度塊材料相同、厚度均勻且相等的平行玻璃片。補(bǔ)償板是邁克爾遜干涉儀均勻且相等的平行玻璃片。補(bǔ)償板是邁克爾遜干涉儀中一個(gè)非常重要的器件，安裝玻璃片的目的是補(bǔ)償

8、光中一個(gè)非常重要的器件，安裝玻璃片的目的是補(bǔ)償光程，補(bǔ)償兩相干光束因通過(guò)玻璃片次數(shù)不同而引起的程，補(bǔ)償兩相干光束因通過(guò)玻璃片次數(shù)不同而引起的附加光程，從而形成一系列同心等傾干涉圓環(huán)。若拿附加光程，從而形成一系列同心等傾干涉圓環(huán)。若拿掉補(bǔ)償板后，由于兩臂光程不對(duì)稱，光程差將發(fā)生變掉補(bǔ)償板后，由于兩臂光程不對(duì)稱，光程差將發(fā)生變化，就不能觀察到形狀隨光程差變化的等傾干涉原圖化，就不能觀察到形狀隨光程差變化的等傾干涉原圖樣?？梢?jiàn)，補(bǔ)償法的運(yùn)用使實(shí)驗(yàn)裝置更加完善合理。樣?？梢?jiàn)，補(bǔ)償法的運(yùn)用使實(shí)驗(yàn)裝置更加完善合理。 4 用補(bǔ)償法減小外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響用補(bǔ)償法減小外界環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響 v物理實(shí)驗(yàn)總是在某一

9、特定環(huán)境中完成的物理實(shí)驗(yàn)總是在某一特定環(huán)境中完成的,環(huán)境環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響是難免的。例如力學(xué)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響是難免的。例如力學(xué)中接觸面的摩擦和空氣的阻力、熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中中接觸面的摩擦和空氣的阻力、熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與外界的熱交換、電學(xué)實(shí)驗(yàn)中溫度實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與外界的熱交換、電學(xué)實(shí)驗(yàn)中溫度對(duì)電阻的影響等。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)電阻的影響等。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí),均應(yīng)考慮怎均應(yīng)考慮怎樣消除或減小這些影響。樣消除或減小這些影響。4.1 對(duì)稱操作補(bǔ)償法 在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)增加一些因素在實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)增加一些因素, ,用補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ窒驕p小那些難以用補(bǔ)償?shù)姆椒ǖ窒驕p小那些難以避免的外界條件的影響。以下對(duì)在氣墊導(dǎo)軌上驗(yàn)證牛頓第二

10、定律實(shí)避免的外界條件的影響。以下對(duì)在氣墊導(dǎo)軌上驗(yàn)證牛頓第二定律實(shí)驗(yàn)作出具體分析。驗(yàn)作出具體分析。 圖4-1 補(bǔ)償法驗(yàn)證牛頓第二定律示意圖 圖4-2混合法測(cè)固體比熱容的散熱補(bǔ)償原理4.2 散熱補(bǔ)償法v用混合法測(cè)量物質(zhì)比熱或熔解熱的實(shí)驗(yàn)是將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)作為一個(gè)理想的絕熱系統(tǒng)來(lái)處理的,但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程對(duì)混合物質(zhì)質(zhì)量配置和初溫設(shè)置的要求都比較苛刻,且系統(tǒng)的過(guò)程散熱較難控制,因此,考慮到數(shù)據(jù)分析時(shí)系統(tǒng)吸熱和放熱與實(shí)際過(guò)程的不對(duì)稱,通常用散熱補(bǔ)償法對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行散熱修正。 4.3 電阻的溫度補(bǔ)償v在有些電學(xué)實(shí)驗(yàn)中,要求有較準(zhǔn)確的電阻值,而一般電阻的阻值都是隨溫度的升高而變大的,這樣就會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。解決這個(gè)問(wèn)題的

11、方法就是用熱敏元件來(lái)作相應(yīng)的補(bǔ)償。最簡(jiǎn)單的方法是將一個(gè)熱敏元件與電阻并聯(lián),當(dāng)溫度升高時(shí)電阻的阻值就變大,熱敏元件的阻值變小,這樣總電阻就得到補(bǔ)償從而使之基本不變。由于很多半導(dǎo)體元件對(duì)溫度比一般電阻更加敏感,因此溫度補(bǔ)償電路在電子線路中得到普遍應(yīng)用。結(jié)論結(jié)論 v1）電位差計(jì)是根據(jù)補(bǔ)償法設(shè)計(jì)出的一分壓裝置，它將被測(cè)電壓和標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)加以比較。被測(cè)電壓值僅取決于電阻比及標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)，因而利用補(bǔ)償法能夠達(dá)到較高的測(cè)量準(zhǔn)確度2）用補(bǔ)償法“校準(zhǔn)”和“測(cè)量”時(shí)，檢流計(jì)兩次均指零，表明測(cè)量時(shí)既不從回路內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)源（通常用標(biāo)準(zhǔn)電池）中吸取電流，也不從測(cè)量回路中吸取電流。因此，補(bǔ)償法不改變被測(cè)回路的原有狀態(tài)及電壓

12、等參量，同時(shí)可避免測(cè)量回路中，導(dǎo)線電阻、標(biāo)準(zhǔn)電池的內(nèi)阻及被測(cè)回路中等效內(nèi)阻對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度影響，這是補(bǔ)償法測(cè)量準(zhǔn)確度較高的另一原因。v3)通過(guò)以上幾個(gè)方面對(duì)運(yùn)用補(bǔ)償法實(shí)例的分析與討論，充分證明了補(bǔ)償法是一種行之有效的解決物理問(wèn)題的好辦法。但需要指出的是并不是所有的難以解決的物理問(wèn)題都能用補(bǔ)償法來(lái)解決，要具體問(wèn)題具體分析，不能盲目的補(bǔ)償，否則不但不能解決實(shí)際問(wèn)題還可能導(dǎo)出錯(cuò)誤的結(jié)論。參考文獻(xiàn) 1趙維義.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程;清華大學(xué)出版社.2007.11 2張雄.王黎智.馬力.物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究;科學(xué)出版社.2001 3丁益民.徐揚(yáng)子.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)與綜合部分;科學(xué)出版社.2008 4Georgios