实验一、伏安法测二极管的特性研究 要求: 1、正确画出实验电路图(包含正向和反向特性)。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确使用仪器与仪表测量二极管正向和反向特性各六组数据。(正向时二 极管的端电压小于0.60V,反向时二极管的端电压小于15V 能处理数据数据,得出二极管特性 参考资料:见普通物理学实验电学部分 惠斯通电桥测量中值电阻 要求: 1、能正确画出实验原理电路图,掌握用惠斯通电桥测量中值电阻的原理 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。注意:在记录数据时有效数据 的位数 3、正确测量待测电阻的阻值并测出该比例臂条件下的灵敏度(比例臂为1:1 时) 4、能正确进行数据处理,计算不确定度,表示出实验结果。 附录:参考资料: 惠斯通电桥测量中值电阻的原理 惠斯通电桥是直流平衡电桥。当电阻箱的电阻R2改变时,可使BC间的电流方向改 变。R为某一数值只R1时,恰好使U>UC,电流由B流向C,检流计中指针向某一方 向偏转;改变R2值为另一数值R2时.可使UBRx>R2)中某一值时,恰好使UB=Uc则检流计 中无电流流过,指针示零不动,称为“电桥平衡”。此时 UCp=U IARA=IBRB IxR=IsRs 因为检流计中无电流,所以LA=lx,IB=l,上列两式相除,得 R R
1 实验一、伏安法测二极管的特性研究 要求： 1、正确画出实验电路图（包含正向和反向特性）。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确使用仪器与仪表测量二极管正向和反向特性各六组数据。(正向时二 极管的端电压小于 0.60V，反向时二极管的端电压小于 15V 4、能处理数据数据，得出二极管特性。 参考资料：见普通物理学实验电学部分 二、惠斯通电桥测量中值电阻。 要求： 1、能正确画出实验原理电路图，掌握用惠斯通电桥测量中值电阻的原理 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。注意：在记录数据时有效数据 的位数 3、正确测量待测电阻的阻值并测出该比例臂条件下的灵敏度（比例臂为 1：1 时） 4、能正确进行数据处理，计算不确定度，表示出实验结果。 附录：参考资料： 一、惠斯通电桥测量中值电阻的原理 惠斯通电桥是直流平衡电桥。当电阻箱的电阻 Rs 改变时，可使 BC 间的电流方向改 变。 Rs 为某一数值只 Rs1 时，恰好使 UB ＞ UC ，电流由 B 流向 C，检流计中指针向某一方 向偏转；改变 Rx 值为另一数值 Rs2 时．可使 UB ＜ UC ，电流由 C 流向 B，检流计中指针向 反向偏转；当 Rx 改变为 Rs1 Rx>Rs2)中某一值时，恰好使 UB=UC则检流计 中无电流流过，指针示零不动，称为“电桥平衡”。此时 UAC =UAB , UCD=UAB 即 IARA=IBRB , IxRx=IsRs 因为检流计中无电流，所以 IA =Ix ，IB=Is,上列两式相除，得 X A R R = s B R R (1)
R Rx R R 式(1)即为电桥的平衡条件。田式(2)列知,若RA,RB,为巳知,只要改变值Rs,使检流 计中无电流,并记下此时的R,即可算得只R。 为了消除的比值误差对测量结果的影响,实验中,交换R3和Rx的位置再测一次,如 Rr D D C E (b) 图16-I 图16-1(b)所示,取两次测量结果的平均值作为Rx,可得 R=√Ra1*R2 (3) 用惠斯通电桥测电阻是将被测电阻Rx和已知电阻R3比较.由检流计示零来判断电 桥平衡,对电源的稳定性要求不高.只要检流计足够灵敏,选用标准电阻作桥臂,被测电阻 阻Rx就可以达到同其他桥臂同样的精度。 2电桥的测量误差。 在自搭电桥中,设电桥灵敏度足够高,主要考虑RA,RB,R引起的不确定度,此时: AR,△R,△RA△R R,R.R, R 采用交换测量法可以消除RA,RB本身的误差对测量结果的影响。则有: △R.△R AR R R (4) 它只与电阻箱Rx的仪器误差限有关。而Rs可选用具有一定精度的标准电阻箱,这样 R的误差就可减小。实验时,Rs一般采用ZX21A直流电阻箱,其仪器误差限为 AR,=±(0.001R2+0.002m 三、用双臂电桥测低值电阻。 2
2 Rx = B A R R Rs (2) 式（1）即为电桥的平衡条件。田式(2)列知，若 RA，RB，为巳知，只要改变值 Rs，使检流 计中无电流，并记下此时的 Rs，即可算得只 Rx。 为了消除的比值误差对测量结果的影响，实验中，交换 Rs 和 Rx 的位置再测一次，如 图 16—1(b)所示，取两次测量结果的平均值作为 Rx，可得： Rx = Rs1 * Rs2 (3) 用惠斯通电桥测电阻是将被测电阻 Rx 和已知电阻 Rs 比较．由检流计示零来判断电 桥平衡，对电源的稳定性要求不高．只要检流计足够灵敏，选用标准电阻作桥臂，被测电阻 阻 Rx 就可以达到同其他桥臂同样的精度。 2.电桥的测量误差。 在自搭电桥中，设电桥灵敏度足够高，主要考虑 RA，RB，Rs 引起的不确定度，此时: 采用交换测量法可以消除 RA，RB本身的误差对测量结果的影响。则有： (4) 它只与电阻箱 Rx 的仪器误差限有关。而 Rs 可选用具有一定精度的标准电阻箱，这样 Rs 的误差就可减小。实验时,Rs 一般采用 ZX21A 直流电阻箱，其仪器误差限为 (5) 三、用双臂电桥测低值电阻
要求: 1、掌握用用双臂电桥测低值电阻原理,能正确画出实验路图。(已知四个电阻 箱的阻值分别为109、109、20009、20009、标准电阻丝上每厘米阻的阻值 为0.019,电源电压取30V,工作电流取1A) 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路 3、正确30cm长的金属棒电阻的阻值(或金属棒电阻率)计算不确定度,表示 出实验结果 4、回答惠斯通电桥(或伏安法)不能测低值电阻而双臂电桥测低值电阻的原因 附录:参考资料: 实验原理 1、四端引线法 测量中等阻值的电阻,伏安法是比较容易的方法,惠斯顿电桥法是一种精密的测量 方法,但在测量低电阻时都有发生了困难。这是因为引线本身的电阻和引线端点接触电 阻的存在。图1为伏安法测电阻的线路图,待测电阻Rx两侧的接触电阻和导线电阻以 等效电阻r1、x2、x3、r4表示,通常电压表内阻较大,r1和r4对测量的影响不大 而r2和r3与Rx串联在一起,被测电阻(x2+Rx+x3),若r2和r3数值与Rx为同一数量 级,或超过Rx,显然不能用此电路来测量Rxe 若在测量电路的设计上改为如图2所示的电路,将待测低电阻Rx两侧的接点分为 两个电流接点C-C和两个电压接点P-P,C-C在P-P的外侧。显然电压表测量的是P-P 之间一段低电阻两端的电压,消除了x2、和r3对Rx测量的影响。这种测量低电阻或低 电阻两端电压的方法叫做四端引线法,广泛应用于科技测量中。例如为了研究高温超导 体在发生正常超导转变时的零电阻现象和迈斯纳效应,必须测定临界温度Tc,正是用 通常的四端引线法,通过测量超导样品电阻R随温度T的变化而确定的。低值标准电 阻正是为了减小接触电阻和接线电阻设有四个端钮 r2 C Rx E 图1伏安法测电阻 图2四端引线法测电阻 2、双臂电桥测量低电阻 用惠斯顿电桥测量电阻,测出的Rx值中,实际上含有接线电阻和接触电阻(统称 为R)的成分(一般为103-10+9数量级),若R/Rx<Rx<0.5%,通常可以不考虑R
3 要求： 1、掌握用用双臂电桥测低值电阻原理，能正确画出实验路图。（已知四个电阻 箱的阻值分别为 10Ω、10Ω、2000Ω、2000Ω、标准电阻丝上每厘米阻的阻值 为 0.01Ω，电源电压取 30V，工作电流取 1A）。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确 30cm 长的金属棒电阻的阻值（或金属棒电阻率），计算不确定度，表示 出实验结果 4、回答惠斯通电桥（或伏安法）不能测低值电阻而双臂电桥测低值电阻的原因 附录：参考资料： 实验原理 1、四端引线法 测量中等阻值的电阻，伏安法是比较容易的方法，惠斯顿电桥法是一种精密的测量 方法，但在测量低电阻时都有发生了困难。这是因为引线本身的电阻和引线端点接触电 阻的存在。图 1 为伏安法测电阻的线路图，待测电阻 RX两侧的接触电阻和导线电阻以 等效电阻 r1 、r2、、、 r3 、 r4 表示，通常电压表内阻较大，r1 和 r4 对测量的影响不大， 而 r2 和 r3 与 RX 串联在一起，被测电阻（r2+RX+r3）， 若 r2 和 r3 数值与 RX为同一数量 级，或超过 RX，显然不能用此电路来测量 RX。 若在测量电路的设计上改为如图 2 所示的电路，将待测低电阻 RX两侧的接点分为 两个电流接点 C-C 和两个电压接点 P-P，C-C 在 P-P 的外侧。显然电压表测量的是 P-P 之间一段低电阻两端的电压，消除了 r2、和 r3 对 RX测量的影响。这种测量低电阻或低 电阻两端电压的方法叫做四端引线法，广泛应用于科技测量中。例如为了研究高温超导 体在发生正常超导转变时的零电阻现象和迈斯纳效应，必须测定临界温度 Tc，正是用 通常的四端引线法，通过测量超导样品电阻 R 随温度 T 的变化而确定的。低值标准电 阻正是为了减小接触电阻和接线电阻设有四个端钮。 图 1 伏安法测电阻 图 2 四端引线法测电阻 2、双臂电桥测量低电阻 用惠斯顿电桥测量电阻，测出的 RX 值中，实际上含有接线电阻和接触电阻（统称 为 Rj）的成分（一般为 10-3~10-4Ω数量级），若 Rj/RX<RX<0.5%，通常可以不考虑 Rj
的影响,而当被测电阻达到较小值时,R所占的比重就明显了。因此,需要从测量电 路的设计上来考虑。双臂电桥正是把四端引线 法和电桥的平衡比较法结合起来精 密测量低电阻的一种电桥。如图3 R、R2为桥臂电阻。 R为比较用的己知标准电阻,Rx为 被测电阻。R和Rx是采用四端引线 的接线法,电流接点为C1、C2(Rs 在实物上是较粗的,Rx在实物上是 外侧两接点):电位接点P1、P2(Rs Ii-le 在实物上是较细的,Rx在实物上是 内侧两接点) 被测电 阻则是Rx上P1、P2间的电阻 图3双臂电桥测低电阻 测量时,接上被测电阻R,然后调节各桥臂电阻值,使检流计指示逐步为零,则Ig=0时, 根据基尔霍夫定律可写出以下三个回路方程 1R1=4·R4+12R2 1R2=1,·R2+l2R (,-l2)=12(R2+R) 式中r为Cs2和Cx1的线电阻。将上述三个方程联立求解。可写成下列两种不同形式 R=R3+ R Rr+R+R2R R2 由此可见,用双臂电桥测电阻,Rx的结果由等到式右边的两项来决定,其中第一项与 单臂电桥相同,第二项称为更正项。为了使双臂电桥求R的公式与单臂电桥相同,使 计算方便,所以实验中可设法使更正项尽可能做到为零。在采用双臂电桥测量时,通常 可采用同步调节法,令R/Rl=R′/R2,使得更正项能接近零。则式(2.34)变为 R R R 另外,Rx和R电流接点间的导线应用较粗的、导电性良好的导线,以使r值尽可 能小,这样,即使R/RI与R′/R2两项不严格相等,但由于r值很小,更正项仍能趋 近于零 双臂电桥所以能测量低电阻,总结为以下关键两点 (1)单臂电桥之所以不能测量小电阻,是因为用单臂电桥测出的值,包含有桥臂间 的引线电阻和接触电阻,当接触电阻与Rx相比不能忽略时,测量结果就会有很大的误差。 而双臂电桥电位接点的接线电阻与接触电阻位于R、R1和R、R2的支路中。实验中设法令 R、R、R1、R2都有不小于109,那么接触电阻的影响就可以略去不计 (2)双臂电桥电流接点的接线电阻与接触电阻,一端包含在电阻x里面,而r是存 在于更正项中,对电桥平衡不发生影响:另一端则包含在电源电路中,对测量结果也不会产
4 的影响，而当被测电阻达到较小值时，Rj 所占的比重就明显了。因此，需要从测量电 路的设计上来考虑。双臂电桥正是把四端引线 法和电桥的平衡比较法结合起来精 密测量低电阻的一种电桥。如图 3 中，R、Rˊ、R1、R2 为桥臂电阻。 Rs 为比较用的已知标准电阻，Rx 为 被测电阻。Rs和 Rx是采用四端引线 的接线法，电流接点为 C1、C2（Rs 在实物上是较粗的，Rx 在实物上是 外侧两接点）；电位接点 P1、P2（Rs 在实物上是 较细的，Rx在实物上是 内侧两接点）。 被测电 阻则是 Rx上 P1、P2间的电阻。 图 3 双臂电桥测低电阻 测量时，接上被测电阻 Rx ，然后调节各桥臂电阻值，使检流计指示逐步为零，则 Ig=0 时， 根据基尔霍夫定律可写出以下三个回路方程。 式中 r 为 Cs2 和 Cx1 的线电阻。将上述三个方程联立求解。可写成下列两种不同形式。 由此可见，用双臂电桥测电阻，Rx 的结果由等到式右边的两项来决定，其中第一项与 单臂电桥相同，第二项称为更正项。为了使双臂电桥求 Rx 的公式与单臂电桥相同，使 计算方便，所以实验中可设法使更正项尽可能做到为零。在采用双臂电桥测量时，通常 可采用同步调节法，令 R/R1=Rˊ/R2，使得更正项能接近零。则式（2.3.4）变为 另外，Rx和 Rs电流接点间的导线应用较粗的、导电性良好的导线，以使 r 值尽可 能小，这样，即使 R/R1 与 Rˊ/R2 两项不严格相等，但由于 r 值很小，更正项仍能趋 近于零。 双臂电桥所以能测量低电阻，总结为以下关键两点： （1）单臂电桥之所以不能测量小电阻，是因为用单臂电桥测出的值，包含有桥臂间 的引线电阻和接触电阻，当接触电阻与 Rx 相比不能忽略时，测量结果就会有很大的误差。 而双臂电桥电位接点的接线电阻与接触电阻位于 R、R1 和 Rˊ、R2 的支路中。实验中设法令 R、Rˊ、R1、R2 都有不小于 10Ω，那么接触电阻的影响就可以略去不计。 （2）双臂电桥电流接点的接线电阻与接触电阻，一端包含在电阻 r 里面，而 r 是存 在于更正项中，对电桥平衡不发生影响；另一端则包含在电源电路中，对测量结果也不会产 ( ) ( ') 2 2 2 ' 1 2 2 1 1 2 2 I I r I R R I R I R I R I R I R I R s s x s s − = + = + = + ( ) 2 ' 2 1 ' 2 1 R R R R r R R r R R R R Rs s − + + = + x Rs R R R 1 =
生影响。当满足R/Rl=R′/R2条件时,基本上消除了r的影响。 四、用板式电位差计测电源的电动势 要求: 1、掌握用板式电位差计测电源的电动势原理,能正确画出实验路图。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路 3、正确、规范测量待测电源的电动势。计算不确定度,表示出实验结果 4、怎样利用电位差计精确测量电阻,试画出原理示意图,推导实验定量分析公 式 附录:参考资料: 用直流电位差计精确测量电压 【实验目的】 1.掌握补偿法测量电压的原理 2.掌握电位差计的工作原理和使用方法 3.学会用电位差计测电源电动势及其内阻 【实验原理】 采用普通电压表直接测量电压时,测 量误差主要来源于两个方面,即电压表本 身的基本误差和电表内阻造成的测量方法 误差。如果用比较法代替上述的直接测量 法,即将待测电压与标准电动势进行比较 B 以确定待测量,可以减小测量误差。直流 电位差计测量电压就是属于这种方法,它 的特点是测量精度高,但操作过程较繁琐 1.电位差计原理 E 图4-8-1补偿原理
5 生影响。当满足 R/R1=Rˊ/R2 条件时，基本上消除了 r 的影响。 四、用板式电位差计测电源的电动势。 要求： 1、掌握用板式电位差计测电源的电动势原理，能正确画出实验路图。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确、规范测量待测电源的电动势。计算不确定度，表示出实验结果 4、怎样利用电位差计精确测量电阻，试画出原理示意图，推导实验定量分析公 式。 附录：参考资料： 用直流电位差计精确测量电压 【实验目的】 1. 掌握补偿法测量电压的原理； 2. 掌握电位差计的工作原理和使用方法； 3. 学会用电位差计测电源电动势及其内阻。 【实验原理】 采用普通电压表直接测量电压时，测 量误差主要来源于两个方面，即电压表本 身的基本误差和电表内阻造成的测量方法 误差。如果用比较法代替上述的直接测量 法，即将待测电压与标准电动势进行比较 以确定待测量，可以减小测量误差。直流 电位差计测量电压就是属于这种方法，它 的特点是测量精度高，但操作过程较繁琐 1. 电位差计原理 图 4-8-1 补偿原理 E Ex A N B G
电位差计测量电压或电动势的原理是 补偿法。在图48-1所示的电路中,移动 R 滑线变阻器上滑动头N的位置,可以找到 处使检流计中的电流为零,此时AN间 的电压=E4,即VA与E,互相补偿 若滑线变阻器AB间的电压分布事先加以 标定(标度),则可求出E.。这种测量电压 或电动势的方法称为补偿法 可见,要精确测量E.,必须要求AB 上的电压标度稳定而且准确。为此,实用 的电位差计在电源回路中接入一个可变电 阻R,如图48-2,称为工作电流调节电 阻,E和R串联后向分压器供电,若E值 图4-8-2电位差计原理 发生变化,则可调节Rn,使加在分压器AB两端的电压保持不变,从而保证AB间的电压标 度不变(稳定)。那么如何对AB间的电压进行标度呢?这就需借用一个精度更高、数值已知 的标准电动势E.,将转换开关K推向E,然后将分压器的滑动头调到标度值等于E.时的 位置N,此时若检流计有电流,应调节R,使电流为零。若检流计中没有电流,则说明电压 V与E,互相补偿,分压器上电压标度值未变。经这样校准后,电位差计就能按原定标度 值进行测量了,这个过程称为电位差计的标准化(简称定标) 2.十一线电位差计 如果把图4-8-2中的滑线变阻器AB段用一根粗细均匀长度为11米的电阻丝来代替(通 常用电阻温度系数很小的康铜丝),就构成了所谓十一线电位差计,如图48-3所示。电阻 丝AB共分成11段,每段1m,其中从0到10间的10段是不连续改变的,由活动插头M 的位置来选择,从O到B之间这一段附在米尺上,滑动头N的位置可在其上连续变化,并 可从米尺上确定ON的长度。这样MN间的电阻丝长度l就等于lo与l长度之和。测量 方法如下: 8⊙ ⊙5 4 2⊙ 平叫四 保护电阻 图4-8-3十一线电位差计
6 电位差计测量电压或电动势的原理是 补偿法。在图 4-8-1 所示的电路中，移动 滑线变阻器上滑动头 N 的位置，可以找到 一处使检流计中的电流为零，此时 AN 间 的电压 VAN = E x ，即 VAN 与 E x 互相补偿。 若滑线变阻器 AB 间的电压分布事先加以 标定(标度)，则可求出 E x 。这种测量电压 或电动势的方法称为补偿法。 可见，要精确测量 E x ，必须要求 AB 上的电压标度稳定而且准确。为此，实用 的电位差计在电源回路中接入一个可变电 阻 R p ，如图 4-8-2，称为工作电流调节电 阻，E 和 R p 串联后向分压器供电，若 E 值 发生变化，则可调节 R p ，使加在分压器 AB 两端的电压保持不变，从而保证 AB 间的电压标 度不变(稳定)。那么如何对 AB 间的电压进行标度呢? 这就需借用一个精度更高、数值已知 的标准电动势 E s ，将转换开关 K 推向 E s ，然后将分压器的滑动头调到标度值等于 E s 时的 位置 N ，此时若检流计有电流，应调节 R p 使电流为零。若检流计中没有电流，则说明电压 VAN 与 E s 互相补偿，分压器上电压标度值未变。经这样校准后，电位差计就能按原定标度 值进行测量了，这个过程称为电位差计的标准化(简称定标)。 2. 十一线电位差计 如果把图 4-8-2 中的滑线变阻器 AB 段用一根粗细均匀长度为 11 米的电阻丝来代替(通 常用电阻温度系数很小的康铜丝)，就构成了所谓十一线电位差计，如图 4-8-3 所示。电阻 丝 AB 共分成 11 段，每段 1 m，其中从 0 到 10 间的 10 段是不连续改变的，由活动插头 M 的位置来选择，从 O 到 B 之间这一段附在米尺上，滑动头 N 的位置可在其上连续变化，并 可从米尺上确定 ON 的长度。这样 MN 间的电阻丝长度 MN l 就等于 MO l 与 ON l 长度之和。测量 方法如下： 图 4-8-2 电位差计原理 图 4-8-3 十一线电位差计 E Ex A N B G RP 。 。 。 。 。 。 Es
首先根据AB间的设计标度值V及l=E,/V,预置两个滑动头M、N的位置为M′、 N",使M′、N之间的长度为l,实验中常用的标准电池的电动势E,=101860伏。然后 将K拨向E,调节R,使通过检流计的电流为零,此时M′、N"之间的电压V与标准电 池E,互相补偿,则有 E =V=IR (4-8-1) 保持E、R不变,再将K接通E2,调节两滑动头M和N,再次使检流计中电流为零, 此时有 E=V=R (4-8-2) 由(4-8-1)、(4-8-2)两式可得 R E E R LN 因电阻丝的阻值与长度成正比,RN和Ry对应的电阻丝长度分别为1和1,,则式(4-8-3) 可改写为 E,=E,=V1 (4-8-4) 其中T E 为AB间单位长度电阻丝上的电位差,确定V即为电位差计的定标过程,只有 l 经过定标后的电位差计才能用来测量电压或电动势。 【实验仪器】 直流稳压电源、滑线变阻器、检流计、十一线电位差计、三用表、双刀双掷开关、保护 电阻、待测电池等。 【实验内容】 按图48-3连接电路,其中稳压电源E、可变电阻Rp、电位差计A、B间十一米长的 电阻丝构成工作电流回路:而电位差计M、N间的电阻丝、检流计、保护电阻、通过转换 开关K与E,相接便构成定标回路:若与E,相接则构成测量回路。接线时应特别注意稳压电 源E、标准电池E,和待测电池E,极性“+接+”的正确接法。 1.定标 (1)参数选择 根据待测电压或电动势E的值,初步设定电位差计的量程即AB间的电压VA8;再用三 用表测出AB间电阻丝的电阻值R,而实验室提供的滑线变阻器Rp的总电阻为70g,由 此确定稳压电源的输出电压E′,记录所需数据 (2)定标 ①由V=VAB/l48及l=E,/V大致得到,的值,然后设置M、N位置,使MN=,(如 选取V=0.1800V/m,则l=E,/V=101860/0.18000=56589m,此时应把M插入孔 “5”中,而N应位于米尺读数为6589cm处)。 ②R取中间位置,然后从稳压电源上拆下一接头,打开稳压电源,调至所需用电压
7 首先根据 AB 间的设计标度值 V0 及 0 l s = E s /V ，预置两个滑动头 M 、 N 的位置为 M 、 N ，使 M 、 N 之间的长度为 s l ，实验中常用的标准电池的电动势 E s = 1.01860 伏。然后 将 K 拨向 E s ，调节 RP 使通过检流计的电流为零，此时 M 、 N 之间的电压 VM N 与标准电 池 E s 互相补偿，则有 s M N M N E =V = IR (4-8-1) 保持 E 、RP 不变，再将 K 接通 E x ，调节两滑动头 M 和 N ，再次使检流计中电流为零， 此时有 x MN MN E =V = IR (4-8-2) 由(4-8-1)、(4-8-2)两式可得 s M N MN x E R R E = (4-8-3) 因电阻丝的阻值与长度成正比， RMN 和 RM N 对应的电阻丝长度分别为 x l 和 s l ，则式(4-8-3) 可改写为 s x s x x E V l l l E = = 0 (4-8-4) 其中 s s l E V0 = 为 AB 间单位长度电阻丝上的电位差，确定 V0 即为电位差计的定标过程，只有 经过定标后的电位差计才能用来测量电压或电动势。 【实验仪器】 直流稳压电源、滑线变阻器、检流计、十一线电位差计、三用表、双刀双掷开关、保护 电阻、待测电池等。 【实验内容】 按图 4-8-3 连接电路，其中稳压电源 E 、可变电阻 RP 、电位差计 A 、B 间十一米长的 电阻丝构成工作电流回路；而电位差计 M 、N 间的电阻丝、检流计、保护电阻、通过转换 开关 K 与 E s 相接便构成定标回路；若与 E x 相接则构成测量回路。接线时应特别注意稳压电 源 E 、标准电池 E s 和待测电池 E x 极性“+ 接 +”的正确接法。 1． 定标 (1)参数选择 根据待测电压或电动势 E x 的值，初步设定电位差计的量程即 AB 间的电压 VAB ；再用三 用表测出 AB 间电阻丝的电阻值 RAB ，而实验室提供的滑线变阻器 RP 的总电阻为 70 ，由 此确定稳压电源的输出电压 E ，记录所需数据。 (2)定标 ①由 AB AB V V / l 0 = 及 0 l s = E s /V 大致得到 s l 的值，然后设置M 、N位置，使 s MN = l (如 选取 V0 = 0.18000 V/m ，则 l s = E s /V0 =1.01860 / 0.18000 = 5.6589 m ，此时应把 M 插入孔 “5”中，而 N 应位于米尺读数为 65.89cm 处)。 ② RP 取中间位置，然后从稳压电源上拆下一接头，打开稳压电源，调至所需用电压
再接上被拆导线。保护电阻取“粗调”,把K推向E,’轻轻按下N,调节R使检流计趋 于零,松开刀口N’保护电阻取“中调”再次按下,调节R使检流计趋零;松开N,保护 电阻取“细调”,按下N并略为移动N在米尺上的位置,直至检流计指针为零。记下此时M、 N的位置读数即为l,的实际值并记下l的值,算出定标后的实际V值 ③求出AB间电压值,同时记下稳压电源的输出电压值。 将实验数据填入下表: Vs(vv (vm) .(m Ru(@) L,(m) V(Vm)V(V E(v) 2.测干电池的电动势 (1)用三用表测出待测电池的端电压,根据定标后的V值估算l,的值,调整M、N位 置使MN之间长度约等于l1的估算值。 (2)将K推向E,保护电阻依次仍取“粗”、“中”、“细”位置,调节M、N位置,使 检流计指针为零(不能再动R与E),最终测出,的准确值,重复六次,将实验数据填入下 表,算出E,的大小及其不确定度 3 6 当视E,为准确值时,干电池电动势的不确定度为 U=E (4-8-5) l 根据(484)和(4-8-5)式计算E,和U,(取U=lmm),写成实验结果 3.测干电池内阻 将图48-3中的a、E,、b换成图4-84所 示的线路,其中R,为电阻箱,取R2=100.09), 合上开关K1,由于内阻的存在,此时a、b间电 压为干电池的端电压U,用测量E,的同样方法 测量U,得补偿时电阻丝的长度为l,则干电池 的内阻为 (4-8-6) 实验时〃同样要测量六次(注意:不测l时 图4-8-4测量内阻 开关K1不能合上)。然后利用上式求出干电池的内阻r(不要求计算不确定度Un)。 数据表格自拟。 【注意事项】 1.标准电池是一种标准量具,决不允许短路或作一般电源使用!它允许通过的电流不宜
8 再接上被拆导线。保护电阻取“粗调”，把 K 推向 E s ，轻轻按下 N ，调节 RP 使检流计趋 于零，松开刀口 N ，保护电阻取“中调”再次按下，调节 RP 使检流计趋零；松开 N，保护 电阻取“细调”，按下 N 并略为移动 N 在米尺上的位置，直至检流计指针为零。记下此时 M 、 N 的位置读数即为 s l 的实际值并记下 s l 的值，算出定标后的实际 V0 值。 ③求出 AB 间电压值，同时记下稳压电源的输出电压值。 将实验数据填入下表： 设 计 值 实 际 值 (V) VAB (V/m) V0 (m) s l () RAB (m) s l (V/m) V0 (V) VAB E(V) 2．测干电池的电动势 (1)用三用表测出待测电池的端电压，根据定标后的 V0 值估算 x l 的值，调整 M 、 N 位 置使 MN 之间长度约等于 x l 的估算值。 (2)将 K 推向 E x ，保护电阻依次仍取“粗”、“中”、“细”位置，调节 M 、 N 位置，使 检流计指针为零(不能再动 RP 与 E)，最终测出 x l 的准确值，重复六次，将实验数据填入下 表，算出 E x 的大小及其不确定度。 n 1 2 3 4 5 6 x l x l (m) 当视 E s 为准确值时，干电池电动势的不确定度为 2 2 + = x l s l E x l U l U U E s x x (4-8-5) 根据(4-8-4)和(4-8-5)式计算 E x 和 Ex U (取 UlS =1mm )，写成实验结果。 3．测干电池内阻 将图 4-8-3 中的 a 、E x 、b 换成图 4-8-4 所 示的线路，其中 R s 为电阻箱，取 R s =100.0 )， 合上开关 K1，由于内阻的存在，此时 a 、b 间电 压为干电池的端电压 U ，用测量 E x 的同样方法 测量 U ，得补偿时电阻丝的长度为 x l ，则干电池 的内阻为 s x x x R l l l r − = (4-8-6) 实验时 x l 同样要测量六次(注意：不测 x l 时， 开关 K1 不能合上)。然后利用上式求出干电池的内阻 r (不要求计算不确定度 U r )。 数据表格自拟。 【注意事项】 1. 标准电池是一种标准量具，决不允许短路或作一般电源使用!它允许通过的电流不宜 图 4-8-4 测量内阻 Ex r 。。 Rs K1 。a b
超过1uA,否则影响标准电池的精度。电位差计中设置的保护电阻不仅是为了保护检流计, 也是为了保护标准电池。因此在电位差计尚未接近补偿时,切不可将保护电阻置于细调(短 路)位置。另外不得用三用表直接测量标准电池的电动势。 2.十一线电位差计测量时,必须先接通工作电流回路,然后接通定标(或测量)回路 断电时,应先断开定标(测量)回路,后断开工作电流回路。 3.测干电池内阻时,只有在测量U时才可合上开关,测量完毕应立即断开,以免干电 池放电太多。 五、电子示波器的使用 要求 1.了解示波器的基本结构及其原理 2.熟悉示波器的调节和使用 (1)能熟练校准示波器的信号。 (2)能观察2v、2kH正弦信号波形,并测量该信号的电压和频率。 3、通过观察李萨如图形,学会用示波器测量频率的方法。 4、回答问题:一个正弦波和锯齿波耦合出现的李萨如图形是什么样子? 附录:参考资料:示波器的基本结构及其原理 示波器动态显示物理量随时间变化的思路是将这些物理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荧光屏显示出来。 示波器主要由示波管和复杂的电子线路构成。这里只介绍示波器的基本结构和扫 描、整步(同步)功能c示波器的基本结构如图3-9-1所示 1示波管 示被管出电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成,并封装在高真空破璃管内.其中 电子枪是示波管的核心 由电子枪发射电子,经过相互正交配置的x、y偏转板射到荧光屏上.使荧光物质发 光显示出光点。 y偏转板是水平放置的两块电极。当y偏转板上的电压为零时、电子正好射在荧光 屏竖直方向的中间p位置。如果y偏转板加上电压.则电子束受到电场作用,运动方向发 生偏移,如图3-9-2所示。如果所加的电压不断发生变化,p点的位置也跟着铅垂线上
9 超过 1μA，否则影响标准电池的精度。电位差计中设置的保护电阻不仅是为了保护检流计， 也是为了保护标准电池。因此在电位差计尚未接近补偿时，切不可将保护电阻置于细调(短 路)位置。另外不得用三用表直接测量标准电池的电动势。 2. 十一线电位差计测量时，必须先接通工作电流回路，然后接通定标(或测量)回路。 断电时，应先断开定标(测量)回路，后断开工作电流回路。 3. 测干电池内阻时，只有在测量 U 时才可合上开关，测量完毕应立即断开，以免干电 池放电太多。 五、电子示波器的使用 要求： 1．了解示波器的基本结构及其原理，。 2．熟悉示波器的调节和使用。 （1）能熟练校准示波器的信号。 （2）能观察 2V、2kHz 正弦信号波形，并测量该信号的电压和频率。 3、通过观察李萨如图形，学会用示波器测量频率的方法。 4、回答问题：一个正弦波和锯齿波耦合出现的李萨如图形是什么样子? 附录：参考资料：示波器的基本结构及其原理 示波器动态显示物理量随时间变化的思路是将这些物理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荧光屏显示出来。 示波器主要由示波管和复杂的电子线路构成。这里只介绍示波器的基本结构和扫 描、整步(同步)功能 c 示波器的基本结构如图 3—9—1 所示。 1 示波管 示被管出电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，并封装在高真空破璃管内．其中 电子枪是示波管的核心。 由电子枪发射电子，经过相互正交配置的 x、y 偏转板射到荧光屏上．使荧光物质发 光显示出光点。 y 偏转板是水平放置的两块电极。当 y 偏转板上的电压为零时、电子正好射在荧光 屏竖直方向的中间 p 位置。如果 y 偏转板加上电压．则电子束受到电场作用，运动方向发 生偏移，如图 3—9—2 所示。如果所加的电压不断发生变化，p 点的位置也跟着铅垂线上
Y偏转板X偏转板 y轴输入 衰减器 放大器 X轴输入。衰减器 [分压器 放大器 扌描整步 电源 图3-9-1示波器棊本结构 Y偏转板 Y偏转板 荧光屏 荧光屏 图3-92Y偏转板对电子束的影响 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相加在y偏 转板上的电压u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偏转板的电压u成正比,于是在屏上看到的是一条 水平亮线 加在两对偏转板上的电压分别控制电子束在x、y方向的偏转,可使光点在荧光屏 y平面内处于任一位置 2.示波器显示波形的原理 如果在Y偏转板上加一随时间作正弦变化的电压Uy= Umin ot:Mwdn心,在荧光屏上 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 比的锯齿波电压ux=Ut‘(见图3-9-3).才能在荧光屏上显示出信号电压Uy和t的关系 曲线,其原理如图3-9-4所示。 时间! 图3-9-3锯齿波电压 设在开始时刻a,电压u,和u2均为零荧光屏上亮点在A处。时间由a到b,在只有 电压u,作用时亮点和铅直方向的位移为B,屏上亮在在B,处。由于同时加上",电 子束既受u,作用而向上偏转,同时又受u作用而右偏转(亮点水平位移为b2),因而亮 点不在B,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
10 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 相加在 y 偏 转板上的电压 uy 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 偏转板的电压 uX 成正比，于是在屏上看到的是一条 水平亮线。 加在两对偏转板上的电压分别控制电子束在 x、y 方向的偏转，可使光点在荧光屏 x、y 平面内处于任一位置。 2．示波器显示波形的原理 如果在 Y 偏转板上加一随时间作正弦变化的电压 Uy=Umsinωt：Mw dn 心，在荧光屏上 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 比的锯齿波电压 ux＝Ut‘(见图 3—9—3)．才能在荧光屏上显示出信号电压 Uy 和 t 的关系 曲线，其原理如图 3—9—4 所示
