物理研究性实验报告_自组电位差计及其应用.pdf

北航物理研究性实验报告 1 北航物理研究性实验报告 自组电位差计及其应用 班级 第一作者 学号 第二作者 学号 北航物理研究性实验报告 2 目录目录 摘要 3 一 实验目的 3 二 实验原理 3 补偿原理 3 零示法 3 测量原理 4 UJ 25 型电位差计 4 三 实验仪器 5 四 实验步骤 5 五 数据记录与整理 6 数据记录 6 数据处理 6 对比对象 7 六 讨论 9 参考文献 10 北航物理研究性实验报告 3 摘要 摘要 在本实验中 书本上列举了一个自组电位差计的 实验电路 由此 我们思考能否对已知电路进行一些改动并 用此电路进行测量 我们参考了 UJ 25 型电位差计的电路 设计了新的实验电路 并在实验中应用此电路对未知电动势 进行了测量 与书本上的进行对比 一 实验目的一 实验目的 1 学习补偿原理和比较测量法 2 牢固掌握基本电学仪器的使用方法 进一步规范实 验操作 3 培养电学实验的初步设计能力 4 学习仪器误差限和不确定度的估算 二 实验原理二 实验原理 补偿原理 为了避免接入误差 可 以采用如图所示的补偿电路 如果 cd 可调 E EX 则总可以 找到一个 cd 位置 使 EX所在回 路中无电流通过 这是 Vcd EX 上述原理称为补偿原理 零示法 回路 EX G d c EX称 为补偿回路 E S A B E 构 成的回路成为辅助回路 为了 确认补偿回路中没有电流通过 完全补偿 应当在补偿回路中 北航物理研究性实验报告 4 接入一个具有足够灵敏度的检流计 G 这种检流计来判断电流是 否为零的方法 称为零示法 测量原理 由补偿原理可知 可以通过测定 Vcd来确定 Ex 接下来的 问题便是如何精确测定 Vcd 再次采用比较测量法 如上图所示 把 EX接入 RAB的抽头 当抽头滑至位置 cd 时 G 中无电流通过 则 Ex IRcd 其中 I 是通过 Rab的电流 再把一电动势已知的标准 电池 EN接入 RAB的抽头 当抽头滑至位置 ab 时 G 再次为 0 则 EN IRab 于是这种方法是通过电阻的比较来获得待测电压与标准 电池电动势的比值关系的 由于 RAB是精密电阻 Rcd Rab可以精确度出 EN是标准电池 其电动势也有很高的精确度 因此只要在测量过程中保持辅助电 源 E 的稳定并且检流计 G 有足够的灵敏度 EX就可以有很高的测 量准确度 按照上述原理制成的电压测量仪器叫做电位差计 应该指出 上式成立的条件是辅助回路在两次补偿中的工 作电流 I 必须相等 事实上 为了便于读数 I EN Rab应当标准 化 例如取 I I0 1mA 这样就可由相应的电阻值直接读出 Vcd 即 EX I0 Rcd 在 UJ25 中的做法是在辅助回路中串接一个可调电 阻 RP 按公式 Rab EN I0预先设置好 Rab 调节 RP 但不改变 Rab 直至 Vab EN 调节 Rcd 并保持工作电流不变 UJ 25 型电位差计 UJ 25 型电位差计是一种高电势电位差计 测量上限为 1 1911110V 准确度为 0 01 级 工作电流 I0 1mA 使用方法如 下 A 调解工作电流 将功能转换开关置 N 温度补偿电阻 RAB旋至修正后的标准电池电动势 1 018 伏 后两位 分别按下 粗 细 按钮 调节 RP至检流计指零 B 测量待测电压 功能转换开关置 X1或 X2 分别按 粗 细 按钮 调节 RCD至检流计指零 则 RCD的显示值为待测电压 北航物理研究性实验报告 5 三 实验仪器三 实验仪器 ZX 21 电阻箱 2 个 指针式检流计 标准电池 稳压电源 待测干电池 双刀双掷开关 四 实验步骤四 实验步骤 1 画出电路图 如图 1 注意正确使用开关 安排好工作电流标 准化以及 EX测量的补偿回路 2 按设计要求 E 3V EX 1 5 1 6V I I0 1mA EN按温度修 正公式算出 设置各仪器或元件的初值或规定值 标准电池温 度修正公式为 EN E20 3 99 T 0 94 0 000001 T 2 9 0 000000001 T3 式中 E20为 20 时的电动势 可取 E20 1 01860V T t 20 3 为保证测量的准确度 每次测量后应校验工作电流有无改变 4 在补偿调节中要采用跃接法 5 测量自组电位差计的灵敏度 图 1 北航物理研究性实验报告 6 五 数据记录与整理五 数据记录与整理 数据记录 数据处理 1 计算标准电池温度修正值 EN E20 3 99 10 5 t 20 0 94 10 6 t 20 2 9 10 9 t 20 3 E20为 20 下标准电动势的值 在本实验中 E20 1 01861V t 21 8 2 灵敏度测量 S vdiv V div 933 4829 1 4979 1 14 灵敏度误差 对 Ex 位置进行 EX V S 4 10 14 2 2 0 U 灵 EX3 0 000124V 3 待测电压计算 EX 1mA 1497 9 1 4979V R1 EN R2 Ex I 1mA1018 52030 4 Ex接入1551 01497 9 检流计偏转 14div1566 01482 9 北航物理研究性实验报告 7 4 不确定度的计算 RAB 1000 10 3 10 2 10 3 8 5 10 3 0 5 5 10 2 0 0020 1 105 同理可求出 RCD 2 100 RA B 1 625 RC D 1 680 由 U R R 3可求出 U RAB 0 638 U RCD 1 212 U RA B 0 938 U RC D 0 970 2 2 2 2 2 2 11 11 DCBA BA DC BADCDCCDAB AB CD CDABCD Ex RR RU RU RRRRR RU RU RRREx U 将所得数据代入上式所得结果为 4 1035 5 U EX 1 4979 5 35 10 4 0 0008V 故 EX 1 4979 0 0008 V 5 相对误差 用 UJ25 型电位差计测出电动势为 1 49768V 相对误差 t 0 0 0 0 0147 0 100 A AN 对比对象 电路图电路图 北航物理研究性实验报告 8 1 数据记录 类别R1R2R1 R2 仪器误差限 Ri1 112 141 591 62 示值 Ri1018 61994 41449 91553 1 灵敏度测量 无无 1428 41574 6 2 数据处理 1 灵敏度测量 S Vdiv V div 2 6511000 4 1428 9 1449 14 灵敏度误差 对 EX位置进行 EX V S 4 1007 3 2 0 U 灵 Ex3 V000177 0 2 不确定度的计算 U R1 641 0 3 1 R U R2 236 1 3 R2 U R1 918 0 3 1 R U R2 935 0 3 2 R 42 21 2 1 22 211 2 21 2 1 22 211 1038 7 11 11 RR RU RU RRRRR RU RU RRRE EU X X U EX V E EU E X X X 00107 0 VEUEUEU XXX 00108 0 22 灵 总 EX 1 450 0 001 V 3 相对误差 用 UJ25 型电位差计测出电动势为 1 499739V 相对误差 t 0 0 0 0 3 3100 A AN 北航物理研究性实验报告 9 六 讨论六 讨论 关于本设计实验电路优缺点的分析 在应用此电路图设计自组电位差计的优点是便于理解 因为 与 UJ 25 型电位差计的电路相似 不必在对电路进行分析理解 相应的 原理也很简单 但同时 该电路也有不足 在调整两个 变阻箱的阻值使检流计指针不偏转的过程中 由于同时还要保证 两个电阻之和不发生改变 这就为调节工作增加了一定难度 此外 在通过 两组实验数据处理的结果对比可以看出 按仿 U J25 型电位差计的电路图所测出的结果不论是灵敏度还 是相对误差都相对而言比较小 这对实验无疑是有好处的 当然 限于条件 并没有多次反复实验 结果具有一定偶然性 对实验仪器的改进 a 两个电阻箱能够设计成一个带有步进功能的双重电阻箱 设定好电阻之和后 在调节一个电阻值时 另一个电阻的阻值将 会同步变化 保持两个电阻的阻值之和不变 保证了干路电流不 发生变化 这样实验的准确度和复杂度都会大大降低 b 能否将实验仪器的外壳换成有机玻璃等透明材料 这样可 以使同学更好地理解各个仪器的内部构造和工作原理 对实验能 有更深刻的理解 或者可以在现场放置一台拆开的损坏的实验仪 器 让同学能够在拆装中更好地了解仪器的工作原理 同时也提 高了动手能力 关于该系列实验的经验教训 a 在组装电路时 要按照电路图 从电路的一端出发 先连 好干路 再分别逐次连接各支路 不能因为某条支路简单就主观 认为可以同时连好 否则 很容易导致导线的连接错误 或使多 组导线纠缠在一起 为下一步的电路查线增加了难度 b 在使用检流计的过程中 用制动按钮使检流计快速止动 要选取其在大概的平衡位置附近 否则 在松开制动按钮后 因 北航物理研究性实验报告 10 指针要偏向到当前的平衡位置 可能会使指针因摆动角度过大从 而造成仪器损坏 c 在这个实验中 要注意不能在理论上主观认为实验电路的 正确与否 比如在测电流表内阻的实验中 根据在预习中设计的 电路连接了测量电路 但却没有能测出数据 因为对电流的理解 不够深刻 所以设计的电路图有致命的错误 平衡时是没有电流 的 这个问题提醒我们在设计实验电路时 要与实际联系 不能 凭借主观臆断 感想 物理实验将我从泛泛而谈的理论中提炼出来 让我拥有更大的空 间和自由度来验证书中学过的物理原理或者是将所学的知识付 诸于实践 并且在实验中也逐渐培养了严谨的实验态度 对每一 个实验步骤 对每一个实验数据 都不掉以轻心 同时 在实验 过程中 戒骄戒