第2章(电磁实验).doc

实验17 学习使用万用电表实验目的1. 了解电表的接入误差， 2. 掌握电表的使用，3. 了解线路故障检查的一般方法。仪器和用具万用表、电阻箱、变阻器、开关、电阻板、伏特计等。实验原理 一、万用电表的电路原理万用电表是实验室常用的一种仪表，可用来测量电压、电流、电阻、交流电压及电流等，还可用以检查电路和排除电路故障。万用电表主要由磁电型测量机构（亦称表头）和转换开关控制的测量电路组成。实际上它是根据改装电表的原理，将一个表头分别连接各种测量电路而改成多量程的电流表、电压表及欧姆表，是既能测量直流还能测量交流的复合表，如图1-1所示。它们合用一个表头，表盘上有相应于测量各种量的几条标度尺。表头用以指示被测量的数值，测量线路的作用是将各种被测量转换到适合表头测量的直流微小电流，转换开关实现对不同测量线路的选择，以适应各种测量的要求。电表的表盘上按表的功能有各种不同刻度，以指示相应的值，如：电流值，电压值（有交、直流之分）及电阻值等。对于某一测量的内容一般分成大小不同的几档，测量电阻时每档标明不同的倍率。每档标明的是它相应的量限，即使用该档测量时容许的最大值，而各种量、各种不同的量限所对应的测量电路均通过转换开关实现和表头的连接。所以测量时可通过转换开关实现对不同测量线路的选择，以适应各种测量的要求。1. 直流电压档。当选择开关拨到V时,万用表就是一个多量程直流伏特计,与电路两端并联，测量电路两端电压的大小，直流电压表由小量程直流电流表串联一电阻构成，串联不同的电阻构成不同量程的电压表。各量程分别1V、5V、25 V、100V、500V，它们的简化线路如图1-2(a)是量程为1V、5V、25V的电路。由于R、的分流作用,虚线框内部分相当于50A的表头串联不同的电阻分别得出所要求的量程。(b)是量程为100V、500V的电路,由于R改为和表头串联,分流电阻只剩,故虚线框内部分相当的表头量程加大到200A 。这样,同样是串联,得到的伏特计量程为100V，再串联得到量程500V。电压表各量限的内阻与相应的电压表量程之比为一常数，这一常量常在电压表的标度盘上标明，它的单位为 “/V”，内阻等于量程乘以每伏欧姆数，电压表的内阻越大，对被测对象的影响越小。2. 直流电流档。当选择开关至mA档时,万用表就是一个多量程安培计。简化电路如图1-3。 直流电流表串联在电路中，用以测量直流电路中电流的大小，磁电型电流表加以并联分流电阻可以扩大量程。量程指测量的上限值与下限值的差值，内阻越小，量程越大，一般安培计的内阻在0.1以下，毫安表一般为几欧姆至一、二百欧姆，微安表一般为几百欧姆至一、二千欧姆。3. 欧姆计欧姆计的原理线路如图1-4。其中虚线框内部分为欧姆计,a和b为两接线柱(表笔插孔)。测量时将待测电阻接在a和b上。在欧姆计中,E为电源(干电池),G为表头(内阻为，满度电流为),R为限流电阻。由欧姆定律可知回路中的电流由下式决定： （1-2）由上式可知，当电池电压一定的条件下，指针偏转和回路的总电阻成反比，当被测电阻改变时，电流就变化，表头的指针位置也有相应的变化，可见表头的指针位置与被测电阻的大小是一一对应的。如果表头的标度尺按电阻标度，这样就可以直接用来测量电阻了，被测电阻越大回路电流越小，指针的偏转越小，当无穷大时，I=0，表头指针为0，因此欧姆表的标尺刻度与电流表、电压表的标尺刻度的方向相反。由(1-2)式可以看出,当=0时,回路中的电流最大,为。在欧姆计中设法改变表头的满度电流,使其等于此最大电流,即= （1-3）习惯上用表示+R,称之为欧姆计的中值电阻,即=+R(1-3)(1-2)式改写为 （1-4）和 （1-5）由（1-5）式可以看出：欧姆计的刻度是非线性（不均匀）的，当=时，指针偏转为满度的一半；当时,有此时偏转接近满度,随之变化不明显,因而测量误差很大;当时,有,因而测量误差亦很大。所以在实用上通常只用欧姆计中间的一段来测量,例如这段范围。欧姆计都有几个量程，每个量程的都不同,但每个量程的可用范围都是，如=100，则测量范围为20500；=1000，则测量范围为2005000。前面已经指出,欧姆计的刻度是对设计的电源电动势E计算出的。但实际上电源电动势不可能总是正好等于E,所以在欧姆计中还装有“欧姆零点”调节旋钮,以保证刻度正确。使用时必须将表笔a和b短路(相接),调节欧姆零点旋钮使偏转满度,即指针指0，每次改变量程后都应重新调节欧姆零点。使用万用表时应注意以下几点:(1)首先要搞清需测什么物理量。切勿用电流档、欧姆档测量电压。(2)正确选择量程。如果被测量的大小无法估计，应选择量程最大的一档，以防表过载，若偏转过小，则将量程变小。(3)测量电路中的电阻时，应将被测电路的电源断掉。(4)用万用电表测量电阻时应在测量前先校正电阻档的零点，在换量程后也需要重新调零，否则读数不准确。(5)电压表与电路中被测负载的两端相并联，电流表与电路相串联。(6)电表有三个端钮，电压表、电流表均有标明“+”、“”的两个端钮，“+”表示电流流入端，“”表示电流流出端，不能接反，否则电表指针反向偏转。(7)万用电表用毕应将旋钮调到交流电压最大一档或调到空档（有的万用表旋钮调至空档“.”处）以免下次使用时不慎损坏电表，特别注意不要停在欧姆档。以免表棒两端短路，致使电池长时间通电。4.仪表的误差和电表的级别仪器测量时总会带来误差，跟据误差产生的原因可分为：(1)固有误差 指仪器在规定的正常条件下进行测量时所具有的误差，它是仪表本身所具有的。(2)附加误差 指由于偏离正常条件或在某一影响因素作用下而产生的误差。仪器误差的几种表示法：(1)绝对误差仪表的示值与被测量值之间的差值，。(2)相对误差绝对误差与被测量的真值之间的比值通常用百分数表示，(3)引用误差绝对误差与仪表的上限值的比值，用表示 由于引用误差比相对误差更有利于表现仪表的准确程度，所以用引用误差的最大值最大引用误差表示电表的准确度。(4)电表的准确度与级别的表示按国家标准，电表的准确度分为7个等级，有0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 5.0，各等级和电表的最大引用误差的关系是：设电表的等级为a, 则。二、万用表操作规程1. 准备认清所用万用电表的面板和刻度。根据待测量的种类(交流或直流;电压、电流、或电阻)及大小,将选择开关拨至合适的位置。接好表笔(万用电表的正端应接红色表笔)。2. 测量使用伏特计或安培计时,应注意:执表笔时，手不能接触任何金属部分，测试时应采用跃接法，即在用表笔接触测试点的同时，注视电表指针偏转情况，并随时准备在出现不正常现象时，使表笔离开测量点。3. 结束万用电表用毕应将旋钮调到交流电压最大档或调到空挡（有的万用表要将旋钮调至空挡“.”处），特别注意不能停在欧姆各档，以免表棒两端短路，致使电池长时间通电。三、用万用表检查电路万用表常用来检查电路、排除故障。实验中往往遇到这样的情况,电路经仔细检查,连接没有错误,但合上开关后,不能正常工作,说明电路出故障。产生故障的原因大致有以下几种:(1)导线内部断线。(2)开关或接线柱接触不良。(3)电表或元件内部损坏而导致断路或短路。这些故障往往无法从外观发现，排除这种故障往往要借助于万用电表进行检查。方法有：1. 伏特计法在通电的情况下，常采用逐点测试电压的方法找寻故障的所在。例如在图3-5电路中,合开关后电流表无指示。先检查电源电压与路端电压是否正常，用伏特计测出，这说明电源插座、开关及变阻器两端均无故障,再检查各支路，用伏特计测得，0，而=0。这时可判断故障发生在之间(想一想为什么?)可能是导线断了,也可能是或处接触不良。伏特计法的优点是在有源的电路中能带电测量，检查运行状态下的电路，简便、见效快，但不适于检查电压太小的部位。 2. 欧姆计法它要求在切断电源后不带电的情况下检查，并且待测部分无其它支路，对电路各个元件、导线逐个进行检查、测量。如图3-5的电路中,将K断开,测得aa,bb,cc,dd,ee是通的(=0,=),而不通(=,=0)则故障必在间。如断开f,测得导线不通,则应换上用欧姆计检查过的好导线,如检查也是通的,则故障为f处接触不好。迅速查清并排除电路故障是电学实验的基本训练内容之一。在今后做电学实验时,将继续使用万用表检查电路,以培养分析问题,解决问题的独立工作能力。实验内容与步骤 1. 测直流电压按图1-6连接电路。选择合适的量程,分别测出ad,ab,bc,cd,bd 间的电压。2. 改变电源电压，选择合适的量程测电流。3. 测电阻及校准欧姆计(1)用欧姆计测出刚才使用过的标称为2k、25k、100k电阻的阻值。(2)用电阻箱校准欧姆计，测分别置10、100、1K档时的中值电阻，列表记下数据。(3)用万用表检查电路故障按图1-5连接电路,相邻两组同学互相设置故障,分别用伏特计法和欧计法练习检查电路故障。数据处理1. 列出实验内容1的数据。是否接近 ？是否接近解释一下为什么有较接近的,也有差别较大的。2. 列出待测电阻的测量值,注明使用哪一档测量。3. 列出校准欧姆计的数据。必要时加以讨论。4. 写下故障产生的原因和发现故障的经过。预习思考题1. 证明：欧姆计的中值电阻只决定于E和。若=50A,设计中值电阻为250K,问应该用多大的电源电压?2. 具体考察万用电表图1-7,哪些元件构成直流安培计?哪些元件构成直流伏特计?复习思考题1. 比较欧姆计和惠斯通电桥的优缺点。2. 为什么不宜用欧姆计测量表头内阻?能否用欧姆计测电源内阻?附记一附记二实验18 伏安法测电阻实验目的1. 学习由测量电压、电流求电阻值的方法及仪表的选择，2. 学习减少伏安法中系统误差的方法。3. 学会用作图法处理实验数据。4. 学会正确使用常用电表。仪器和用具伏特计、安培计、检流计（可用微安计）。滑线变阻器，直流电源，待测电阻（二个），开关和导线。实验原理电阻的测量方法通常有直流指示测量、电桥测量、补偿测量等。用伏特表、安培表根据欧姆定律测量电阻的方法称为“伏安法”，直流指示测量法一般是指伏安法法测电阻，电桥测电阻和基于补偿原理的电位差计测量电阻都属于比较测量法。虽然伏安法测电阻不如欧姆表测量便捷，不如比较法测量法精确，但其测量范围宽，除可测量中等阻值的电阻外还可测高阻和低阻。因此，伏安法是目前研究和测量各种元件和材料导电特性最常用的基本方法。本实验讨论伏安法测电阻。如图2-1所示，不断改变值，分别测出通过电阻R的电流I及电阻R两端的电压U，则根据欧姆定律U=IR，可知电阻 （2-1）若U/I为常数，该电阻称为线性电阻，若U/I不为常数，则该电阻为非线性电阻，如二极管。若以测得的电压U为横坐标，电流I为纵坐标，作出IU关系曲线，这便是该电阻元件的伏安特性曲线，若伏安特性曲线是一条通过原点的直线如图2-2所示，则这类电阻元件是线性电阻，若不是直线，则为非线性电阻。本实验只讨论线性电阻的测量，对非线性电阻的测量在实验三中介绍。在测量中，伏安表、安培计等仪器本身和线路连接方式都会造成系统误差，通常采用选择合适的电表并调整接线方法使系统误差减小到可忽略的程度。1. 测量仪表的选择 在电学实验中，仪表的准确度是重要的误差来源，所以要选取适用的仪表。一般使被测量量的最大值在仪表度盘的2/3处为佳。（1）仪表量限的选择：电压表、电流表量程的选取略大于待测电压、电流较为理想，量程太大会降低电表的测量精度。仪表的量限可根据电阻R的额定功率来确定，设电阻R的额定功率为P，则最大电流I为 （2-2）为使电流计的指针指向度盘的处（最佳选择），电流计的量限为，即。 设R100，P=W，则I=0.035A，而，所以电流计取量限为50mA的毫安计较好。电阻两端电压为V，而V，所以电压计取量限5V的伏特计较好。（2）仪表等级的选择：电表级别的选取以测量结果能达到期望的准确度要求为佳。假设要求测量R的相对误差不大于某一，则按误差传递公式，可有按误差等分配原则取 （2-3）对于准确度等级为a，量程为的电表，其最大绝对误差为，则 参照此关系和式（4-2）。可知电流计等级应满足 （2-4）电压计的等级应满足 （2-5）对前述实例（I=0.035A，=0.05A，U=3.5V，=5V），则当要求2时，必须0.99，0.99即取0.5级的毫安计、伏特计较好，取1.0级也勉强可以。 2. 两种联线方法引入的误差 电表选定后，电表的连接有两种方式， 如图2-3所示。一种是内接法电流计在电压计的里侧，另一种是外接法电流计在电压计的外侧。（1）内接法引入的误差 如上图（a）可知伏特表测得的电压包括了电流表上的电压，使得被测量值比真值大。设电流计的内阻为，回路电流为I，则电压计测出的电压值 （4-6）即电阻的测量值是=R+ （4-7）测量的绝对误差为，相对误差为。当R时，可用内接法，即如果待测电阻的阻值大，则用安培计内接较多。（2）外接法引入的误差 如上图（b）可知电流表测得的电流包括了流进电压表的电流，使测量值比真值小。设电阻R中的电流为，又设伏特计中流过电流为，伏特计内阻为，则电流计中电流 （4-8）因此电阻R的测量值是 （4-9）由于，所以测量值小于实际值R，测量的相对误差 式中负号是由于绝对误差是负值，只有当R时才可以用外接法，即若待测对象阻值小，则用安培计外接较多。3.用补偿法测电压消除外接法的系统误差图2-4为用补偿法测电压的电路，分压器的滑动端C通过检流计G和待测电阻R的B端相接，调C点位置使检流计G中无电流通过，这时。用电压计测得的DC间电压就等于电阻R两端的电压，而通过电流计中的电流仅是电阻的而无电压计的，于是通过与的电压补偿，将电压计由AB间移至DC间，消除了由于电压计中的电流引入的误差。加入电阻是为了使滑动端C不在的一端。实验内容与步骤1. 用内接法和外接法测量二待测电阻的阻值，要求测量误差小于5% 首先用万用电表粗测一下电阻值，再选取合适的电表测量。 按图2-3连接线路。调节使电流由小到大，测量几个不同电流、电压值。2. 用补偿法测量电阻按图2-4连接电路，测量前先闭合开关K，调节得到合适的电流，用万用表测BC间电压，调节和C点的位置使=0，再将调到最大（降低检流计灵敏度），闭合观察检流计的偏转，调和C的位置使偏转为零，然后将逐渐调小至最小并使检流计偏转为零。测量几个不同电流值和对应的电压值。数据处理1. 绘制上述三种方法测量数据的电压、电流图线，并从直线斜率求出待测电阻值。2. 对比分析上述结果。预习思考题 欲测导线电阻（约0.05），给定直流电流表（15mA，2.4），干电池，滑线电阻（100，1.5A），画出电路图并说明测量方法。复习思考题1. 在此实验中如何确定滑线变阻器的规格？2. 设计一个测电表内阻的方案（电路及步骤）。实验19 伏安法测晶体二极管的特性实验目的1. 了解二极管的伏安特性；2. 掌握分压器和限流器的使用方法；3. 熟悉测量伏安特性的方法。仪器与用具安培计、伏特计、变阻器(或电位器)、直流电源、待测二极管（2AP型）、开关等。实验原理1. 二极管简介半导体二极管的核心是一个P-N结，这个P-N结处在一小片半导体材料的P区与 N区之间（如图3-1所示），它由这片材料中的P型半导体区域和N型半导体区域相连所构成。连接P型区域的引出线称为P极，连接N型区域的引出线称为N极。当电压加在P-N结上时，若电压的正端接在P极上，电压的负端接在N极上，称这种连接为“正向连接”；反之，P-N结的两极反向连接到电压上，则称此种接法为“反向连接”。正向连接时，二极管很容易导通，反向连接时，二极管很难导通。我们称二极管的这种特性为单向导电性。实验室工作中往往利用二极管的单向导电性进行整流、检波等。2AP型的二极管是用P型锗和N锗组成的半导体二极管。把电压加到二极管上,如在二极管的正端接高电位,负端接低电位,(称为加正向电压),则电路中有较大的电流。随着正向电压的增加,电流I也增加。但电流I的大小并不和电压V成正比。又如果在二极管上加反向电压,那么电路中的电流很微弱,其电流和电压也不成正比。把正向电压V和正向电流I的对应关系作图,得出如图3-2的曲线,称为正向伏安特性曲线(反向见图3-3)。由图可知，二极管的伏安特性曲线不是一条直线，所以它是非线性元件。本实验讨论二极管伏安特性的测量。2. 电表的连接和接入误差要同时测量流经二极管的电流I和二极管两端的电压V的可能接法有两种,图3-4称为安培计内接,图3-5称为安培计外接。由于同时测量电压和电流,无论哪种接法,都产生接入误差。 (1)安培计内接图中安培计测的是流经二极管的电流I，伏特计测的是二极管与安培计的电压之和，而原意是测量二极管两端的电压和通过二极管的电流I，因此由于安培计的内接产生了电压的测量误差，由相对误差为知安培计的内阻越小，相对误差越小。(2)安培计外接这种接法伏特计测出的是二极管两端的电压,但安培计测出的是二极管和伏特计电流之和。亦即由于伏特计的接入产生了电流的测量误差。从相对接入误差可知,伏特计的内阻越大时，相对接入误差越小。接入误差是系统误差,只要知道伏特计的内阻或安培计的内阻;总可以把接入误差计算出来加以修正，但这样做毕竟麻烦。内接好些还是外接好些没有笼统的答案，一般来说,如果待测对象的阻值高,则用安培计内接较多；若待测对象阻值低,用安培计外接较多。实验内容与步骤一、测量二极管的正向特性1. 用万用表欧姆档（判断被测二极管的正反向。2. 按线路图3-6接线，电源电压约1.5V。用和两个变阻器来控制电流。和都接成制流电路,其中阻值较大,作为主要调节(粗调), 阻值较小,作为细调。实验从0V开始，约每隔0.1V读数一次。二、测量反向特性按线路图3-7接线，电源电压不要超过所用二极管的击穿电压。控制电路仍用和两个变阻器。但接成分压式,阻值较大的变阻器用作粗调, 作为细调。实验从0V开始，每隔2-3V读数一次。三、测量小灯的V-I特性,跟二极管的特性作比较，电路自己考虑。参考数据表格正向U(V)00.10.20.3I(mA)15mA反向U(V)1.01.52.02.5I(A)数据处理1. 将测得的二极管正向特性和反向特性的数据在同一张坐标纸上作图。因为正、反向电压、电流值相差较大,作图时可选取不同的单位。2. 根据V-I图,指出二极管有哪些特点。3. 如果小电珠的V-I特性也做了数据,把它的特性和二极管的特性比较。预习思考题电阻的V-I特性曲线是怎样的?特性曲线的斜率代表什么?复习思考题1. 如果把电表的标称误差作为本实验的误差依据,那么当电压为0.2V时,相对误差是多少?2. 根据本实验所用的电表和二极管,讨论电表的内外接问题。 3. 如何用万用表检查二极管的好坏？ 实验 20 电表的扩程和校准实验目的 1. 了解电流计、电压计的构造原理和学会改装电流计和电压计；2. 学习电流计、电压计的校准方法；3.学习测量微安表头满偏电流和内阻的方法；4.学习正确使用电学实验基本仪器。仪器与用具 磁电式电表表头、直流毫安计、直流电源、直流伏特计、电阻箱、变阻器、开关等。实验原理 磁电式测量结构的可动线圈及游丝允许通过的电流很小，用这种测量机构直接构成的电表叫表头，它只作微安表或小量程的毫安表。它的满偏电压也很小，一般只有零点几伏，必须扩大电表的量程。常用的万用表是以一块磁电型电流计（微安计）为核心组装而成的，万用电表是一种多功能、多量程的电学仪表，它可在几个不同量程测量直流电流、直流和交流电压、电阻，有的还增加检测晶体管特性等功能。在此实验中练习万用表的设计与组装且只限于直流电流和直流电压两种功能。 1. 将表头改装为直流电流计 在表头两端并联电阻 (图1-1),使超过电流计能承受的那部分电流从流过。由表头和组成的整体就是安培计, 称为分流电阻。选用不同大小的,可以得到不同量程的安培计。如图1-1,首先计算极限灵敏度的分流电阻，设流过表头支路电流为I,表示内阻为。当表头满度时,通过安培计的总电流为I因 =又 =()故得 = （4-1） 表头的规格I、事先测出。根据需要的安培计量程,由(1-1)式就可以算出分流电阻的理论值，因表头参数变化和分流电阻值随温度变化引起误差使实验值与理论值不同，但在实验开始时粗略地设计与表头并联的电阻值。2. 将表头改装为伏特计采用如图42的测量回路，在表头上串联电阻(图1-2)，使超过表头所能承受的那部分电压降落在电阻上。表头和串联电阻组成的整体就是伏特计,串联的电阻称为扩程电阻。选用大小不同的，就可以得到不同量程的伏特计。因 故得 （4-2）表头的、事先测出。根据需要的伏特计量程,由(1-2)式就可以算出串联的电阻值。3. 电表的标称误差和校准扩程后的电表需要用级别较高的同类表校准鉴定。标称误差指的是电表的读数和准确值的差异,它包括了电表在构造上各种不完善的因素所引人的误差。为了确定标称误差,先将电表和一个标准电表同时测量一定的电流(或电压),称为校准。标准表要用1.0级或0.5级的多量程电流表和电压表，因为直流电流和电压刻度是均匀的标定刻度尺，按等分度原则进行，校准应对满程的1/10、2/10直至满程进行测定。校准的结果得到电表各个刻度的绝对误差。标称误差=100%0.5根据标称误差的大小，电表分为不同的等级。电表的等级常用一个圆圈标在电表的面板上。例如 表示该表0.5级,其标称误差不大于0.5%。校准时将改装表与标准表同对一对象进行测量（以电流为例）,读出改装表各个指示值和标准电表对应的指标值(如图4-4)，求出它们的差值,画出电表的校准曲线(以为横坐标,为纵坐标的曲线,两个校准点之间用直线连接,整个图形是折线状,例如图4-3)。由标准曲线，可以求出改装表的任一指示值的准确值。例如，改装表的任一读数为，由曲线求得该点对应的更正值为 。则读数的准确值 为 。当然校准不可能大幅度地减少误差,一般只能约减少半个数量级。而且如果电表使用的环境和校准的环境不同或校准日期过久,校准的数据也会失效。实验内容与步骤1. 将量程100A的表头扩程至5mA(1) 由实验室提供的值根据（1-1）式算出分流电阻的理论值。(2) 按图1-1将一电阻箱与表头连成并联回路。(3)校准扩程后的电表。先调准零点,再校准量程,再校准刻度。刻度的校准可均匀地取五个校准点。为此,校准的线路如图1-4分流电阻用电阻箱充当,R是变阻器,E是电源。mA为标准电流表，为了能够校准刻度，应估算R值要多大。1 严格按一般规程接线,接好之后先自己检查,经教师复查后再接电源。2 校准零点，合上电键K，看表头是否指零，若不指零，调其机械旋钮使指针指零。3 校准量程，将 设为理论值，因为理论值与实际值不一定相符，可微调，使扩程表指满刻度。4 校准刻度。先调滑线变阻器R的值，使电流从小到大变化校准五个刻度值，然后电流从大到小变化重复校准。2. 将100A的表头改装为01V的伏特计。(1) 由（1-2）式算出扩程电阻。(2)校准伏特计。如图1-5，跟校准毫安计的实验一样，先调准零点，再校准量程和五个刻度值。注意事项在校准过程中,若发现变阻器不能很好地控制电流或电压到指定值时,可在教师指导下加接细调线路。参考数据表格（mA）054.53.52.51.50.5(mA)(mA)数据处理作图及并加以讨论。预习思考题1. 能否把本实验用的表头改装成50A的微安计或0.1V的伏特计?2. 为什么校准电表时需要把电流(或电压)从小到大做一遍又从大到小做一遍?如果两者完全一致说明什么?两者不一致又说明什么?复习思考题1. 本实验的电表经校准后使用,它的测量误差是否可以比级别误差小些?试任取一刻度值加以比较。2. 在20时校准的电表拿到30的环境中使用,校准是否仍然有效?这说明校准和测量之间有什么应注意的问题?3. 这次实验中变阻器R的选择是怎样考虑的?如果觉得不好调节时,你(或教师)是怎样解决的?道理何在?实验21 用惠斯通电桥测电阻实验目的1. 掌握惠斯通电桥测电阻的原理和特点；2. 了解调节电桥灵敏度的意义和电桥灵敏度的测量方法；3. 了解提高电桥灵敏度的几种途径；4. 掌握使用自组电桥测电阻的方法。仪器和用具电阻箱、检流计、电源、开关、惠斯通电桥等。实验原理电阻是电路中的基本元件,电阻值的测量是基本的电学测量之一。测电阻的方法很多,其中以电桥法应用得最为普遍。“电桥”是很重要的电磁学基本测量仪器之一。它主要用来测量电阻的阻值、线圈的电感量和电容器的电容及其损耗。为了适应不同的测量目的，设计了多种不同功能的电桥。最简单的是单臂电桥，即惠斯通电桥，用来精确测量中等阻值（几十欧姆几百千欧姆）的电阻。此外还有测量低阻值（几欧姆以下）的双臂电桥，即开尔文双电桥；测量线圈电感量的电感电桥；测量电容器电容量的电容电桥；还有既能测量电感又能测量电容及其损耗的交流电桥等。尽管各种电桥测量的对象不同、构造各异，但基本原理和思想方法大致相同。因此，学习掌握惠斯通电桥的原理不仅能为正确使用单臂电桥，而且也为分析其它电桥的原理和使用方法奠定基础。1. 惠斯通电桥的线路原理惠斯通电桥的原理如图5-1所示。图中ab、bc、cd 和da四条支路分别由电阻R、和组成，成为电桥的四条桥臂。通常，桥臂bc接待测电阻，其余各臂电阻都是可调节的标准电阻。在bd两对角间连检流计、开关和限流电阻。在ac两对角间连（ 普物 P70图5-1）接电池、开关。当接通电键和后，各支路中均有电流流通。检流计支路起了沟通abc和adc两条支路的作用，可直接比较bd两点的电势，电桥之名由此而来。适当调整各臂的电阻值，可以使流过检流计的电流为零，即.这时，称电桥达到了平衡。平衡时b、d两点的电势相等。根据分压器原理可知 （5-1） （5-2）平衡时， 即：整理后得到 （5-3）由（5-3）式可知：待测电阻R等于与的乘积。通常，称、为比例臂，与此相应的为比较臂。所以电桥由四臂（测量臂、比较臂和比例臂）、检流计和电源三部分组成。2. 电桥的灵敏度在用天平称质量时已知，测得质量的精密度主要决定于天平的灵敏度，与此相似，使用电桥测量电阻时的精密度也主要取决于电桥的灵敏度。当电桥平衡时，若使比较臂，改变一微小量，电桥将偏离平衡，检流计偏转个格，则常用如下的相对灵敏度S表示电桥灵敏度 S = （5-4）由上式可知，如果检流计的可分辨偏转量为（取0.20.5格），则由电桥的灵敏度引入被测量的相对误差为 （5-5）即电桥的灵敏度越高（S越大），由灵敏度引入的误差越小。3. 电桥的主要优缺点用电桥测电阻容易达到较高的准确度,这是因为:(1)电桥的实质是把未知电阻和标准电阻相比较,而制造较高精度的标准电阻并不困难。用电桥测电阻时,只要检流计足够灵敏,且选用标准电阻作为桥臂,待测值可以达到其它三臂的标准电阻具有的准确度。(2)电桥电路中的检流计只用来判断有无电流,并不需要提供读数。所以选用的检流计只要求有高的灵敏度,其他方面并无苛求。电桥的缺点主要是操作较烦,也不能测量非线性电阻。4. 箱式惠斯通电桥基本线路与上述相同,它只是把整个仪器都装在箱内,便于携带。850型电桥面板外形如图5-2,内部接线如图5-3。为了便于测量,箱式电桥中的值为十进固定值(共分0.001，0.01，0.1，1，10，100，1000七档)，由一个转柄(称为比例臂)调节,电阻仍为一个四档电阻箱。测量时,应根据待测电阻数数值选取比率值,务使能有四位读数。例如,待测电阻为几十欧姆,则比率应选为0.01。实验内容与步骤1. 用电阻箱，检流计组成惠斯通电桥测电阻（1）用电阻箱连接成桥路如图5-4所示。接到桥臂的导线应该比较短,开始操作时,电桥一般处在很不平衡的状态。为了防止过大的电流通过检流计,应将拨至最大。随着电桥逐步接近平衡, 也逐渐减小直至零。为了保护检流计,电源开关要先合后断。（2）测量前，先用万用电表测待测电阻的阻值（粗测）。分别取等于1:1、1:3、2:3，测量时就每一对比例臂调节阻值，使电桥逐渐趋于平衡。2. 测量电桥的相对灵敏度(1)先把检流计上的扣锁 拨下,指针才能自由摆动,若指针不停在零点,可旋动调节盖,将指针调到零点。使用完毕,应将扣锁推上,以免指针动荡,震断悬丝。（同实验内容一）（2）经过推导可以证明,改变任意一臂得出的电桥灵敏度都是一样的,但因为为未知，一般用改变来代替改变，所以*3、用箱式电桥测一个电表的内阻。注意考虑待测电表的安全。注意事项1、 用检流计时，应首先打开“止动”钮，而后调零；测量时，不要使检流计指针超出其刻度范围，测量完毕要使检流计“止动”2、 在测定电桥相对灵敏度与电源电压关系时，注意不要使任一桥臂阻值过载。参考数据表格（）（）数据处理1. 列出用自组桥测量未知电阻的数据表及计算结果。-2.列出用箱式桥测量未知电阻的数据表及测量结果,并计算三种情况下的电桥灵敏度。预习思考题1. 为什么要用电桥测量待测电阻前，先要用万用表进行粗测？2. 为什么要测量电桥的灵敏度复习思考题1. 下列因素是否会使电桥测量误差增大？（1）源电压不太稳定；（2）导线电阻不能完全忽略;（3）检流计没有调好零点；（4）检流计灵敏度不够高。2. R等于R调节电桥平衡,得出第一个R值R。如果把R和R对调后,电桥不平衡,这说明什么问题?此时重新调R得出第二个R值R。试证明,在这情形下,的测量值应为 3. 总结一下怎样使电桥较快地达到平衡的操作步骤。4. 你还可以用哪些方法测电阻呢?5. 用电桥测电表内阻时,你用什么办法保护待测电表?保护电阻的选择怎样才算合适? 附记一WD-1惠斯通电桥在1.000米长的伊文电阻丝的两端接以直接电源E,在R1的保护和调节下,由R、R、Rx、R的电桥。=7.40 当电桥平衡时,即通过检流计G的电流I=0时有 R为电阻箱读数,L、L为电阻丝的长度一一滑动按键C接触点两边的值。E为3伏以下的直流电源,G随测量精度的要求而自定。附记二 检流计简介检流计是一种用于检测毫安级或更小电流的仪器。它的内阻较小，如本实验中所用张丝式指针检流计的内阻约为60，其电流计常数约为/格。可见检流计所能承受的电压也很小，约为0.1mV的量级。实验室中所给的检流计的两个接线柱上通常连接着一个电阻，称阻尼电阻。它的作用是检流计工作时，指针由于某种原因而左右摆动不停时，起着减少指针摆动次数，尽快停在平衡位置的作用，实验时不必将之取下。当然由于阻尼电阻的接入，检流计的灵敏度略有降低，但基本上不影响测量的准确度。在检流计使用之前应先把其指针通过调零旋钮调至零刻度处。检流计上有一个锁扣开关，平常它是处于将指针锁定状态，以保护检流计的指针不会因种种意外原因而剧烈摆动，致使张丝扭断。在将检流计接入桥路后开始测量前，应先将此锁扣开关拨离锁定位置，使指针处于自由运动状态。检流计上的短路开关通常处于打开状态，只有当检流计因某种原因指针摆动不停时，才合上短路开关使指针迅速停在零刻度处。实验22 电子示波器的使用实验目的1 了解示波器的基本结构和工作原理；熟悉示波器的调节和使用；2 学会用示波器观察电压波形和李萨如图形；3 学会用示波器测量电信号的方法。实验仪器与用具示波器、数字函数信号发生器或音频信号发生器、晶体管毫伏表、数字频率计等。示波器的构造与工作原理示波器动态显示物理量随时间变化的基本思路是将这些变化量转换成随时间变化的电压，加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使进入这变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用荧光屏显示出来。示波器有各种型号，其基本结构包括两大部分：示波管和控制示波管工作的电路。示波器型号不同，面板形状也不相同。一般示波器面板上基本部分包括辉度、聚焦和辅助聚焦等旋钮，X单元以及Y单元等三个部分。1 示波管（1）基本结构示波管是呈喇叭形的玻璃泡，抽成真空，内部装有电子枪和两对相互垂直的偏转板。在喇叭口状的曲面壁上涂有荧光物质，构成荧光显示屏，当高速电子撞击在荧光屏上时，电子会使荧光物质发光，在屏上就能看到一个亮点。电子运动随时间而变化的情况，可在荧光屏上显示出来，它们都是具有一定形状的各种曲线。（2）聚焦调节 图121示波管的侧视图如图121所示。电子枪由灯丝、阴极、栅极以及一组阳极所组成。灯丝通电后呈炽热状态，它能使阴极发热而发射电子。由于阳极电位高于阴极，所以电子被阳极加速。改变阳极电位，可以使不同发射方向的电子恰好会聚在荧光屏某一点上。这种调节称为聚焦。示波器面板上“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮就是用来改变阳极电位实现聚焦的。（3）辉度控制栅极的电位较阴极的电位低，改变栅极电位的高低，可以控制电子枪发射电子的多少，甚至完全不使电子通过，这称为辉度调节。示波器上“辉度”旋钮就是用来调节栅极电位，以控制荧光屏上亮点的亮和暗的程度。（4）X、Y位移调节电子枪发射的电子，在撞击荧光屏前还要经过相互正交配置的X、Y偏向板。Y偏转板是水平放置的两块电极。当Y偏转板上电压为零时，电子束正好射在荧光屏正中点。如果所加的电压不断地发生变化，亮点的位置也跟着在铅垂线上移动。在屏上看到的是一条铅直的亮线。荧光屏上亮点在铅直方向的位移Y和加在Y偏转板上的电压成正比。X偏转板是垂直放置的两块电极。在X偏转板上加一个变化的电压，那么，荧光屏上亮点在水平方向的位移X也与加在X偏转板上的电压成正比，于是在屏上看到的是一条水平的亮线。2 示波器显示波形的原理 图122如果在Y偏转板上加上一个随时间作正弦变化的电压，我们在荧光屏仅能看到一条铅直的亮线，而看不到正弦曲线。只有同时在X偏转板上加入一个与时间成正比的锯齿形电压,（如图122），才能在荧光屏上显示出信号电压和时间的关系曲线，其原理如图123所示。图123设在开始时刻a，电压和均为零，荧光屏亮点在A处。若时间由a到b，在只有电压作用时，亮点和垂直方向的位移为，屏上亮点在处。由于同时加上，电子束既受作用而向上偏转，同时又受作用而向右偏转（亮点水平位移为），因而亮点不在处，而在B处。随着时间推移，以此类推，便可显示出正弦波形来。所以，在荧光屏上看到的正弦曲线实际上是两个相互垂直的运动（和 ）合成轨迹。由上可见，要想观测加在Y偏转板上电压的变化规律，必须在X偏转板加上锯齿形电压，把产生的垂直亮线“展开”。这个展开过程称为“扫描”，锯齿形电压又称为扫描电压。展开过程类似中学物理课中曾作过的演示振动图形的沙斗实验。由图123可见，如果正弦波电压与锯齿形电压的周期相同，正弦波到,点时，锯齿波也正好到点，从而亮点描完了整个正弦曲线。由于锯齿波这时马上复原，所以亮点又回到A点，开始周期地在同一位置描出同一条曲线。这时我们将看见这条曲线稳定地停在荧光屏上。如果正弦电压与锯齿电压的周期稍有不同，则第二次所描出的曲线将和第一次曲线的位置不相重合，从而在荧光屏上显示的图形是不稳定的，或者图形较为复杂。如果扫描电压的周期是正弦电压周期的两倍，在荧光屏上就显示出两个完整的正弦波。同理，在荧光屏上显示出三个完整的波形，以此类推。如果要示波器显示出完整而稳定的波形，扫描电压的周期须为Y偏转板电压周期的整数倍数。即， （121）式中为荧光屏上所显示的完整波形的数目。或者式121表示为， （122）式中为加在Y偏转板电压的频率，为扫描电压的频率。综上所述，示波管显示稳定波形的条件是：Y偏转板上必须加上足够大的待测信号电压；X偏转板上必须加上锯齿波电压；锯齿波电压周期应保持为待测信号周期的整数倍。3示波器控制机构的作用本实验采用的XJ17A型二踪示波器是一种立式通用示波器，它具有二个独立Y通道可同时测量 图124二个信号，Y放大器频带宽度为，偏转因数，扫描时基系统最高扫速，操作简单，十分适宜于生产线上使用。其面板形状如图124所示。各旋钮的作用如下。 （11）Y位移：控制CH1、CH2光迹在荧光屏Y轴方向的位置，顺时针旋转时，光迹向上，逆时针旋转，光迹向下。 垂直方式开关：控制电子开关工作状态，可显示CH1、CH2、交替、断续四种工作方式。CH1：单独显示CH1 输入信号CH2：单独显示CH2 输入信号交替：CH1、CH2二个信号交替显示，一般在信号频率较高时使用，因交替重复频率高，借助示波器的余辉在屏幕上能同时显示信号。断续：CH1、CH2二个信号用打点的方法同时显示，一般在较低频率时使用，可避免二个信号不能同时显示的不足。 输入插座：是CH1、CH2输入插座，作为被测信号的输入端。 DC、AC：分别为Y放大器CH1和CH2二个通道的输入选择开关，可使输入端为交流耦合、接地、直流耦合。 偏转因数开关：改变输入偏转因数，按125进制共分10个档级。 微调调节显示波形的幅度，顺时针方向增大，顺时针方向旋足，并接通开关时是“校准”位置。（12）：作为仪器的测量接地装置。（13）外触发输入插座：当扫描开关置于扫描档级时，作为外触发输入插座。（14）开关：为扫描时间因数开关，从按125进制分十八档。（15）微调：用以连续改变扫描速度的微调装置，顺时针方向旋足并接通开关时是“校准”位置。（16）水平方式选择开关：选择扫描工作方式，置于“自动”扫描处于自激