物理实验课程设计

1、1引言 电学实验是物理实验重要的组成部分，而电阻的测量又是电学实验中最基本的实验，因此，学会准确的测量电阻，准确地掌握测电阻基本的原理方法对我们的实验至关重要，测量电阻的方法很多，不同方法测电阻的实验误差不同。本次实验设计，我主要从电位差计测电阻和单笔电桥测电阻这两个方面来分析两种方法的优缺点，学习两种不同方法测电阻的物理思想和减小误差的方法。为以后的学习打下良好基础。（2）设计目的 1.掌握用电位差计测电源内阻，单臂电桥测量电阻的原理和方法；2.学会减小和修正系统误差；3.通过对比了解两种方法测电阻的物理思想。3实验原理3.1.用电位差计测电池内阻的工作原理（1）如图3.7.2所示，粗细均匀

2、的电阻丝ab，滑线变阻器rp，电源开关k1及工作电源e组成一个回路，提供稳定的工作电流i0.由标准电源es，检流计g和电阻丝cd段所构成的回路称为定标回路；由待测电阻ex，检流计g，电阻丝cd段构成的回路称为测量回路。滑线变阻器rp用来调节工作电流i0的大小，从而可以改表电阻丝单位长度上的电位差u0。c，d是在电阻丝ab上移动的两个活动接触点，以便从电阻丝ab上取适当的电位差与测量之路上的电位差做补偿。 图s22-1为测量电池内阻的电路图（2），其中rv为待测电池内阻，rs为标准电阻。测量时，测得rv和rs两端电压，则电池内阻为 3.2实验步骤（3） 1.清点主要仪器，电源，板式电位差计，检流

3、计，滑线变阻器，电阻箱，待测电阻，标准电池，导线，开关； 2.按照图3.7.4 连接电路； 3.调整仪器，检查检流计指针是否为零，若否，则调节零点旋钮；使rg为最大值，e=46v，r划至中间，插头c插至第6或第7孔处，滑动触头d置于中间。 4.断开开关k2,k1.给待测电阻两端并联一电阻r0，r0=500。 5.将插头c插于第10孔处，滑动触头d置于中间 6.将开关k2置于2处，调节滑动触头d，同时逐渐减小rg至0，直到检流计指针没有偏转，读出c，d间的距离，填入表中，重复8次.3.3.数据记录r()100200300400500600700800lx(m)7.24534.83823.7903

4、3.01332.32842.00261.76431.5686u0=0.1lx0.724530.483820.379030.301330.232840.200260.176430.156861.382.072.643.324.294.995.676.38拟合r和曲线，如图3.7.5所示，其斜率应为电池内阻，直线的斜率是：0.98所以电池内阻r=0.98。3.4用单臂电桥测电阻的原理自组电桥的电路图如右图所示，电桥基本组成部分是：桥臂由四个电阻r1， r2， rx，rs组成，“桥”平衡指示器（检流计）和工作电源e。一般情况下，接通电源开关s1和检流计开关s2时，检流计中有电流流过，但当调节四个桥臂

5、为适当阻值时，检流计中就无电流流过，这时称作“电桥平衡”。由于检流计中无电流流过，b，d两点的电势相等，于是流过电阻r1和rx 的电流相同，设为i1 ,流过r2和rs 的电流也相同，设为i2 ，从而可得方程： i1r1=i2r2 i1rx=i2rs 由式，相除得： 式就是电桥的平衡条件，它说明电桥平衡时，四个桥臂成比例。设rx 为待测电阻，则它的阻值为： 式中c为r1和r2的比值，称为比率。r0 称为比较电阻，若r1和r2（或比率c）和r0已知，则由上式可计算出rx 。电桥灵敏度电桥平衡时，流过检流计电流为零，由于检流计电流有限，当rs改变rs时，电桥虽然已失去平衡，但检流计对于微小的非平衡电

6、流无法分辨，测量者误认为电桥达到了平衡，因而导致测量误差。一般来说，检流计灵敏度越高，电桥灵敏度就越高，除此之外，电桥灵敏度还与工作电压，桥臂电阻，比率，检流计支路上的电阻等因素有关。检流计灵敏度有两种定义方法，多数考虑电桥的相对灵敏度，用s表示，其定义为： s的物理意义是桥壁电阻的单位相对变化所引起的电流计的偏转格数。s越大，电桥灵敏度越高，引入测量我误差就越小。通常，肉眼能觉察出电流计格的偏转，因此，由电桥灵敏度带来的相对不确定度可按计算。理论上可以证明在电桥平衡条件下，电桥的每个桥臂阻值偏离平衡阻值的百分比相等时，电流计有同样大小的偏移，根据这一性质，在测量电桥灵敏度时，课选择任意桥臂作

7、为可变臂，只需电流计有一个明显的偏转即可。 （4）实验仪器及可行性分析1.实验仪器qj24型直流单臂电桥（级别为0.1），待测电阻，滑线电阻，电阻箱（精度为0.1），检流计，学生电源2.可行性分析测量大于100欧姆的大电阻的时候，导线的电阻式可以忽略的，测量小电阻的时候就无法忽略了。单点桥无法将导线电阻去除，所以不能测量小电阻，所以用单臂电桥测量这种大于100的电阻，误差小，操作简单。（5）实验内容1.操作步骤自组单臂电桥测中值电阻（1）按图23-1链接电路，r1,r2，rs均用zx21型六旋盘电阻箱，取r1:r2=100:100，”桥”路上滑线变阻器rh的作用是保护检流计，re的作用是保护整

8、个电路。电路链接后用自习见擦无误后才能接通电源。（2）开始时，电桥一般处于很不平衡的状态，为了保护电路，re和rh均置于阻值最大，在粗调状态下观察检流计，若不在零位，调节rs使之为零滑线变阻器re的滑动头，使输出电压最大，此时电桥的灵敏度最大，电桥若不平衡则检流计会偏转，调节rs使之再次为零，反复调节直至滑线变阻器re输出电压最大。然后用同样的方法调节rh。最后，re，rh的输出电压均为最小时记录数据。此时电桥的灵敏度最高，误差最小。（3）测量待测电阻rx，并以交换法经行系统误差研究。（4）测量电桥的灵敏度：在电桥平衡状态下，改变桥臂rs使检流计指针偏转（小于5格），记录rs和，带入式中既得电

9、桥灵敏度。箱式电桥测电阻（1） 用万用表欧姆档粗测电阻rx的粗略数值。（2） 根据rx的数值范围，选择合适的比率，为了保证测量数据有四位有效数字，选择比率规定为：千欧级电阻选“1”；百欧级电阻选“0.1”。（3） 将待测电祖rx接到接线柱x1和x2之间，调节转盘电阻r的各档数知道万用表所示的粗测值，按下开关b0和g1 ，然后依次由大到小主档调节，直到检流计指针接近零为止，再松开g1按钮，换按下g0按钮开关，仔细调节r,使检流计指零。（4） 记录转盘电阻r的数据，将r乘以比率的示值，可得待测电阻rx的值，即 rx=r（5） 测量箱式电桥的灵敏度：方法同自组电桥测电阻灵敏度（4）。2.记录数据 表

10、1 自组电桥测中值电阻 r1 r2 rs rx rs s 100 100 108 107 107.5 21 3 15.43 表2 箱式电桥测中值电阻 k r rx s 0.1 0.1 1198 119.8 5 3 71.88（6） 数据处理及误差分析自组电桥的误差分析rx=107.50urs=0.062urs=0.061=0.000404urx=rx=0.000404107.5=0.0435测量结果为：rx2urx=106.520.0435=（107.50.0870）箱式电桥的误差分析：rx=0.11198=119.8仪=k%（rx+crn）=0.1%(119.8+0.15000)=0.619

11、8urx=0.3578测量结果为：rxurx=（119.80.3578）（7） 实验注意事项（4）1. 自组电桥测电阻在合上电建前，必须检查re,rs是否在安全位置；2. 使用箱式电桥时，通电时间应很短，即不能长时间按下b0，g两键，测量时，应先按b0后按g；断开时，先松g，后松b03. 单臂电桥应将 “内接”“外接”接线柱上金属片接在一起结论（5）电位差计是通过电流补偿法让待测电阻上无电流流过，因而不会有电压降，来减小实验误差，而单臂电桥不直接测量待测电阻，是通过与标准电阻进行比较去求出待测电阻值来减小误差；电位差计适用于测量电阻在1以内的小电阻，比如电池内阻，而单臂电桥可以测电阻在10以上的大电阻；在数据处理方法上也不相同，单臂电桥通过计算不确定度来减小测量误差，而电位差计通过实验数据拟合曲线求斜率的方法求待测电阻的阻值；单臂电桥测电阻测得数据较少，容易产生误差，而电位差计在试验数据拟合曲线时容易产生误差，电位差计测得的实验数据较多。总之，两种方法都能够减小实验误差，如果测得电阻需要实验数据越多越精确时，宜采用电位差计测电阻，否则，可以用单臂侧电阻。参考文献（1）刘书华，王保柱.物理实验教程。北京：清华大学出版社，2009年1月第1版（2）王宏亮，大学物