大学物理实验教案 – 用电位差计测热电偶的电动势

【课题】用电位差计测热电偶的电动势(3学时)

【目的】

1、了解电位差计的工作原理。

2、掌握用电位差计测量电动势的方法。

【重点】电位差计的使用方法

【难点】工作电流标准化的调节

【前言】

电位差和电动势是电学实验中经常碰到的物理量,对它们的值进行测量时,一般情况下都是使用伏特表,但由于测量支路的分流作用,这样测出的电位差并不 是用电元件上电位差的真实值。若能使测量支路上的电流为零,就能得到准确的结果。电位差计就是根据这个原理设计的。电位差计是采用补偿法测量电位差或电动 势的一种仪器。它通过将未知电势与电位差计上的已知电势相比较,此时被测的未知电压回路上没有电流,测量结果仅仅依赖于准确度极高的标准电池、标准电阻以 及高灵敏度的检流计。电位差计的测量准确度可达到99.99%或更高,可以用来精确测量电动势、电位差、电流、电阻、温度、压力、位移和速度等物理量,在 生产检测和科学实验中得到了广泛的应用。

【教学内容】

一、实验原理

1、补偿法原理

电位补偿法又称比较法,是通过将未知电动势与已知的标准电动势进行比较从而得到未知电动势值的测量方法。

如图1,已知电动势为EN,其值可变并可确切知道,当按照电路连接上电流表G和未知电动势Ex后,开始的时候因为EN不等于Ex,电路中有净的电动势,从而有电流I。调节EN的值,当检流计指0的时候,电路中没有电流,此时EN=Ex,就知道了未知电动势的值。

图 1 补偿法原理图

2、电位差计的工作原理

图 2 电位差计工作原理示意图

图2中,RN为标准电池EN的温度补偿电阻,需要根据标准电池的工作温度计算出标准电池的电动势值然后相应调节RN的值;RP为电位差计工作电源E的分压电阻。

通过调节旋钮开关K2可以分别将”标准回路”和”待测回路”与电位差计工作电源E相连,形成2个补偿电路。

K2连接1(即电位差计上的”标准”档)时,接入标准回路,调节RP使检流计G指0,可以对工作电流进行标准化。此时,E施加到RN上的电压与EN刚好平衡,即

1

K2连接2时(即电位差计上的”未知1″或”未知2″档,视未知电动势接入未知而定),接入待测回路,调节R使检流计G指0,此时

2

由式(1)代入式(2)得

3

于是可以测出未知电动势Ex

由此可见,实验中需要先进行工作电流的标准化,然后接入待测回路进行测量。并且标准化之后RP和RN的值就不可再改变,否则工作电流I就发生了变化,那么就需要重新标准化。电位差计测量电动势的过程就是将未知电动势与标准电池电动势进行间接比较的过程。

3、热电偶原理

热电偶是用来测温的一种仪表。

两种不同成份的导体(称为热电偶丝材或热电极)两端接合成回路,当2个接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为温差电效应。

二、实验仪器

电位差计:UJ31型、UJ34型

检流计:

标准电池:饱和标准电池

热电偶、温度计、烧杯、导线

三、实验步骤

参考教材上P155内容。

因为电位差计有两种型号,括号中的说明主要针对UJ31型。

A、准备工作

  1. 将电位差计转换开关K2放在”断”档,将控制开关K0放在”断”档(将UJ31上3个控制按钮全部松开),(将UJ31上的量程开关K1放在”X1″档)。
  2. 按照电位差计面板上的标识分别连接检流计、标准电池和热电偶。标准电池上”+”极接电位差计上”标准”接线柱的”+”极;检流计不分正负极,接到”电计”(检流计)接线柱上。热电偶正负极不好确定,可在测量过程中试探确定。
  3. 将桌面上的电源开关打开。打开检流计并调0:将主旋钮由”关机”旋至”调零”档,稍等片刻,等检流计指针基本稳定后,调节”调零”旋钮使指针指0。再将主旋钮旋至最大档30mV档位。注意:调0之后不要再动”调零”旋钮。
  4. 测出室温,根据P47公式计算标准电池的电动势值,把温度补偿电阻RN调节到等于EN的位置。

B、工作电流标准化

  1. 打开电位差计背面的电源及工作电源开关(UJ31只有一个);
  2. 将转换开关K2旋至”标准”档;
  3. 将控制开关K0旋至”粗”(将UJ31上的按钮”粗”按下),观察检流计指针的偏转。调节RP中的”粗”旋钮,让检流计指针向0刻度偏转,当基本指零时再换用”中”旋钮调节,使检流计指针指零;
  4. 将检流计主旋钮旋至”1mV”档位,将电位差计控制开关K0旋至”细”(将UJ31上的按钮”粗”弹起,”细”按下),调节RP“中”、”细”、”微”等旋钮使检流计指零;
  5. 将控制开关K0旋至”断”(将UJ31上的按钮弹起),将转换开关K2旋至”断”,将检流计旋回至大档位”30mV”档;

C、测量

  1. 给烧杯倒上适量开水。并注意,确保温度计测量的温度与热电偶工作端的温度一致。热电偶另一端置于空气中,温度t0即为前面测量的室温;
  2. 将转换开关K2旋至”未知1″;
  3. 按照B.3的方法,配合使用R的6个旋钮(UJ31上的3个旋钮,其中一个大旋转盘的标度为100刻度)、控制开关K0(UJ31上的3个按钮)、检流计的档位选择,使待测回路达到平衡,检流计刚好指零。并立即记下此时温度计的温度,然后再读出R的读数即为此温度下的待测电动势值,将读数填入后面的表1中;
  4. 等温度下降大约5℃,重复B.2~5、C.3;
  5. 重复C.4至共有6组数据;

D、整理仪器

  1. 将电位差计上K0置于”断”档(UJ31上的按钮全部弹起),K2置于”断”档,R和RP归零,关闭背部的电源;
  2. 将检流计主旋钮左旋到底,置于关机,并将连接导线取下;
  3. 将标准电池的连接导线取下;
  4. 关闭桌面电源;
  5. 将烧杯中的剩水倒掉。

四、数据处理

表 1 不同温差下的热电偶电动势

T(℃)

T(℃)

Ex(mV)

  1. 在坐标纸上作出ExT曲线;
  2. 根据热电偶的电动式近似公式,用逐差法计算出直线斜率,即为温差系数α,

五、课堂讨论题

1. 为什么测量前要校准工作电流?

:先将标准电池EN接入,根据EN的大小确定RN的值,然后调节可变电阻RP,使检流计G指零,只是工作电路中已具有工作电流I0=EN/RN,校准工作即完成。工作电流校准后,才可以进行测量。测量时,用待测电池Ex取代EN接入电路,保持RP不变(即保持I0不变),再调节R的大小,使检流计G再次指零,则有:


此时对应的电压值即为待测电动势值。由此可见,只有校准工作电流之后,此计算公式才成立。

2. 原理图中,E、EN 、EX的极性是否可以全部反接?为什么?

:电源E、EN 、EX的极性是可以全部反接的。因为这样也能满足电压补偿的条件,使检流计指零。

3. 原理图中,若其中一个(或两个)E、EN 、EX的极性反接是否可以?会有什么现象?为什么?

:若其中一个(或两个)电源的极性反接,是不可以的;否则会发生检流计指针始终朝一个方向偏转的现象,因为这时不能满足电压补偿的条件。

六、实验中易出现的问题及解决方法

  1. 检流计怎么调节指针都不动,检查背部的电源开关是否打开。
  2. 检流计不发生偏转,检查补偿回路是否通路。
  3. 检流计不能回零位,这时检查工作回路是否通路,或电源的极性是否正确。校准时总向一边偏,说明标准电池极性接反了。
  4. 工作电流校准以后,直至实验结束都不对RP进行改变,否则需要重新校准。教师应在学生测量前强调每测量一次电压,校准一次工作电流。

七、思考题

  1. 实验中,发现检流计指针始终朝一个方向偏转的现象,分析其原因。
  2. P129,2、3两题。

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