普通物理试验Ⅱ

1、绪论物理学是一门实验科学，物理规律的发现和物理理论的建立，都是以实验为 根底的，并且还要受到实验的检验。作为物理学的一个分支电磁学，当然也 不例外。通过电磁学实验课程的学习，学生在独立完成实验工程的过程中积累知 识，提高科学素质和创新能力。一、电磁学实验的目的和要求目的是： 1验证在电磁学课程中已学过的定律、定理以及有关的电磁学理论、通过 实验加深对电磁学的一些概念和规律的理解。2培养学生的动手能力和实验技能，熟悉所用仪器的根本原理和性能，掌 握其使用方法，学会测试有关的物理量，通过做实验提高理论联系实际的独立工 作能力。3为后续课程如电工和电子线路等打下根底。要求是： 1平安第一。由于电磁学

2、实验与电有关，特别是经常用220 伏的交流电做电源，所以在实验室中一定要注意人身和仪器的平安，严格按照操作规程进行操 作，切不可麻痹大意。2实验前，要认真预习讲义，了解实验原理，搞清楚本次实验要用到哪些 仪器，将要测量哪些物理量。决不允许在上实验课时才开始预习实验原理，更不 允许在不了解实验原理的情况下进行实验。3要严格按照操作规那么进行实验，有意识地培养良好的实验习惯。4要按时做实验，认真写出实验报告。写实验报告是实验的总结。写实验 报告要做到：文字通顺，字迹端正，图表规矩，结果正确，讨论认真。要养成实 验结束立即写出实验报告的习惯，因为这样做，可以收到事半功倍的效果。完整的实验报告通常包括

3、以下几个局部：实验时间、实验名称、实验仪器、 实验原理、实验数据、数据处理、实验结果和讨论等。在写实验报告时，有关数 据处理的方法，请参考?普通物理实验力热局部 ?讲义的有效数字和误差理 论。二、电磁学实验的操作规那么1连接电路前，一定要弄清各种仪器的规格，性能及作用，逐一核对仪器 和元件。2连接电路时要注意：实验开始，最后接通电源；实验结束，最先断开电 源，连接电路要按照电路图连接，先从电源的一端开始但不接通电源 ，接上 开关开关与电源直接相连的好处是，一旦电路中出现问题，可马上翻开开关， 切断整个电路中的电流。 然后按顺序接入各个仪器和元件，直到连到电源的另 一端。电路连好后先检查，确定无

4、误经老师检查前方可接通电源。对有极性仪器 和元件要注意其正、负极不能接反，为使电路醒目，常用红色线或浅色线接正极 或高电位；用兰色线或深色线接负极或低电位。另外，电路连接要尽量简洁，少 用导线，防止交叉，以便检查。各种仪器和元件在实验台上安放的位置要采用以 下原那么：读数仪表要放在离自己最近的地方，以便于观察；需要经常调节的仪器 和经常操作的开关放到右手的旁边，以便于操作；把不经常操作的部件和高压线 路放在较远的地方，以保证平安。3接通电源时，应先点试一次即手不离开开关接通又马上断开，同时要观察仪器的工作情况， 假设仪器工作正常， 可再连通电源， 假设发现电表的指针反转， 或超过量程时应检查电

5、路，纠正后再接通电源。4实验中途如果需要改变线路，应先切断电源，然后改变电路。电路重新 接好后，经老师同意，方可再接通电源。5实验中一定要贯彻先观察现象，后进行实验；先练习一下，再进行测量。 测量时应先粗测，后细测，这样有助于较快地得到正确可靠的实验结果。6实验中，尽量防止身体直接与导体接触，也应防止带电操作在电压较高时。假设需带电操作时，应先使身体与大地绝缘，其方法有： 1坐在木制的凳子上， 并把脚放在凳子的横木上。 2脚穿绝缘胶鞋。 3直接坐到实验台上。7实验结束，应先切断电源，经老师审阅数据后撤除电路，整理仪器。三、电磁学实验的考前须知1注意人身平安。无论是交流电还是直流电，当电压高与3

6、6 伏时，对人都有危险性，所以实验时要尽量防止与导线接触。2注意仪器平安。电磁学实验所用的各种仪表和元件都容易损坏，使用时 要轻拿轻放，以免碰坏。另外对有些电表和元件还要注意它的极性、量程和额定 值，以免把指针碰弯或损坏元件。3电路连接要牢固，接好后要对照电路图认真检查一遍，经老师检查后， 方可接通电源。在接通电源时，一但发现有异常情况，如指针超过电表的量程， 指针反转或闻到有焦臭气味等，应立即切断电源，检查线路，分析故障的原因， 然后排除。实验一 电学实验根本知识实验目的1了解电磁学实验根本仪器的性能和使用方法；2掌握电磁学实验的操作技能和平安知识； 3能初步分析实验中存在的系统误差，并掌握

7、误差处理的方法。实验仪器 直流稳压电源，电流表，电压表，电阻箱，万用表，滑线变阻器等。 实验仪器介绍一直流稳压电源大体上是由变压器、 晶体管、电阻和电容等电子元件按一定的线路组装而成， 它的优点是电压稳定性好，内阻较小，功率较大，而且使用方便，只要把它接到 220伏的交流电源上，就能输出连续可调的直流电压。如常用的WYJ30型，最大输出电压为 30伏，最大输出电流为 3A。使用电源时注意：1严防电源短路；2 使用电流不得超过额定电流；3注意正“ 、负“极，电流从正极流出，经外电路由负极流回。二电表1电表的分类和符号 1按电表使用时要求通过的电流种类来分，有以下三种：直流电表只 能用于直流电路中

8、 ；交流电表只能用于交流电路中 ；交直流两用电表可用 于交流电路中，也可用于直流电路中 。2按照电表所测量的电学量来分，有以下几种： 测量电流的电表，如电流计、安培计、毫安计、微安计。统称为电流表。 测量电压的电表，如伏特计、毫伏计等。统称为电压表。测量电阻的仪表，如欧姆计、兆欧姆计等。测量电能的电表，如千瓦时计又称为电度表。测量功率的仪表，如瓦特计等。测量频率的仪表。3按照电表的工作原理来分，那么有以下几种：磁电式、电磁式、电动式和感应式等等。对于一个电表，为了能让使用者很方便地了解其性能，在每一个电表的刻度盘上常标有一些符号，利用这些符号能说明电表的电源类别、工作原理、名称、误差和工作时如

9、何放置等等，具体的符号和意义见表1- 1和1-2所示：表1 1表盘上的符号及其代表的意义fi W殊电乖列枉歩占7怆亦1GAtl施V电h找則胡IC飞氓<3.5mA电_LkVnQi谊陆昨陽场M电墟回MOit：*虽崔跚电H2kvmVFt地电诩r iIE W+*rA表12常用电器元件符号电懈电解屯沖却'I 5 屯.-4S-TJO'nOT?JV 口：龙E 芒4単刀JH6L二 22JJVL« '/< ftaT Jt鼻 MIFX1 1CH 屮 IF.! 'V 7 十.1価4 I )几种常见的电表的规格和使用时的考前须知(1) 直流电流表直流电流表串联在电

10、路中， 用以测量直流电路中电流的大 小。磁电型电流表采用分流的方 法来实现扩大量限的，图 1 1图1 1 (a)安培表电路图；(b)安培表结构示意图中的Rs即为在表头两端并联的一个分流电阻，分流电阻越小，电流表的量程越 大。主要规格：量程一一指针满度时的电流值。有多量程的电流表，如0100mA , 05mA , 0 5A , 50 + 50 卩 A。内阻一一内阻越小量程越大，一般安培计内阻在0.1 Q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。(2) 直流电压表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，如图1 2所示，它与

11、电路两端并联， 测量电路两端电压的大小。主要规格：量程一一指针满度时的电压值。有多量程的电压表，如01.53.07.5V 的电压表。对被测对象的影响越小。 电压表各量限的内阻内阻一一电压表的内阻越大,与相应电压量程之比为一常量，这常量常在电压表标度盘上标明，它的单位为Q/V，它是电压表的重要参量。所以内阻=量程X每伏欧姆数例如：量程为100V的电压表，其每伏欧姆数为10000 Q N，那么内阻为1000(3 )使用电表应注意的事项a 量程的选择：应先估计被测量的大小，选择适宜的量程，可先用大量程测试一下，再选更适宜的量程。b.电表有二个端钮，直流电表均有标明"+ 、"的两个

12、端钮，"+ 表示电流流入端，"一表示电流的流出端，不能接反，否那么电表指针反向偏转。c 电压表与电路中被测负载的两端并联，电流表与电路相串联。d .读数时视线必须垂直于刻度盘，假设电表附有镜子，那么必须在指针与镜中的象重合时读数，这样可减少由于视差引入的误差。3 .电表的误差用电表进行测量，都会产生一定的误差。产生误差的原因，主要来自两个方面。一方面是外界因素，例如：温度、磁场和导线接触不良等等。另一方面是电 表本身的结构不完善而引起的误差。下面我们就电表进行测量的误差问题做一个介绍：(1 )绝对误差我们把屡次测量的算术平均值 N近似地当成被测量的真值(实际值)，那么算 术

13、平均值与各次测量值的绝对误差用N表示。NN _Ni叫做第一次测量的绝对误差，其中Ni是第一次测量值(即电表的读数)。N 2 =- N 2叫做第二次测量的绝对误差。Nk =|N-Nk叫做第k次测量的绝对误差。(2 )相对误差绝对误差与被测量的真值的比值叫做相对误差，通常用百分数来表示N -NkE =x100%NE是第k次测量的相对误差。(3) 引用误差和电表的标称误差引用误差是一个简便而实用的相对误差。它是绝对误差与电表的量程的比 值，一般用百分数来表示。100%N NkEm其中N m是电表的量程，Em是引用误差，如果在 n次测量中某次测量的绝 对误差最大，那么该次的引用误差叫做最大引用误差；即

14、最大引用误差=最大绝对误差量程100%最大引用误差又叫做标称误差，电表的等级就是由最大引用误差来决定的。按准确度分，一般的电表可分为七个等级，分别是0.1、0.2、0.5 、1.0、1.5、2.5 、 和 5.0 等。各等级的电表与其最大引用误差的对应关系如表1.3 所示表1.3电表的等级与最大引用误差的关系电表的等级最大引用误差0.10.1%0.20.2%0.50.5%1.01.0%1.51.5%2.02.0%2.52.5%很显然电表的级数越小， 电表的最大引用误差也越小，即电表的准确度越高;反之越低。如果在测量中得到电表在某量程的最大引用误差是1.2%，由于1.0 V 1.2 V 1.5说

15、明电表达不到1.0级，故该电表属于1.5级。(4 )测定误差E n表示N -NkN -NkNk100%-mNN NkNm100%业=Em 心NkNk绝对误差与测量值的比值的百分数叫做测定误差，通常用此式说明，测定误差等于引用误差乘以电表的量程与测得值的比值。由此可见，当所用电表的等级不变，测得值与电表的量程越接近，测定误差越小；反之,测定误差越大。因此，为了保证测量有足够的准确度，测量时要选择适当的量程 进行测量，最好能使被测值到达量程的三分之二以上，至少使指针越过量程的一半。从以上的讨论可知，测定误差与测定值及量程的选择有关，量程选择适宜， 即使是用准确度低的电表，也能使测量到达较高的准确度

16、。举一例来说明：某待测量电压约为 100伏，现有0.5级，量程为0 300伏的电压表和1.0 级，量程为0 100伏的电压表各一块，问用哪一块电压表测量较好？如果用1.0级的电表来测量，测定误差为L100En2 =1.0%-1.0%n 100如果用0.5级的电表来测量，测定误差为l300E n1 二 0.5%1.5%100从上面的计算可以看出 En2 < En1，也就是说尽管0.5级的电表的准确度较 高，然而在测量100伏左右的电压时，其误差反而大于1.0级电表来测量时的误 差。所以，电表的准确度越高， 其测定的误差不一定最小，因此，在选择电表时，不要单纯追求电表的准确度(等级)，而要根

17、据被测量的量的大小，兼顾电表的等级和测量量程，合理地选择仪表。(三)电阻器1 滑线变阻器在电磁测量中经常借 助于滑线变阻器来调节电 路的电压与电流，它的结构 如图1 3 (a)所示。它由电阻丝均匀绕在 绝缘瓷管上制成，电阻丝的 外表涂有一层绝缘膜，使丝 间彼此绝缘，电阻丝的两头一 0'%_gjf图1 3滑线变阻器图1 4电位器结构图分别固结在瓷管两端的 A、B接线柱上，滑动头D可沿着金属杆滑动， 杆的两端支撑在金属架上，并与其绝缘，杆的一端连有接线柱C;滑动头和电阻丝相接触处绝缘膜已被刮掉，因此改变滑动头的位置就可以改变AC (或BC)之间电阻的大小，变阻器的符号如图 1 3 ( b)

18、所示。变阻器的规格有：额定电流：允许通过变阻器的最大电流。全电阻：A、B间电阻丝的电阻值。以上数据均在铭牌上标明。小型的变阻器又称为电位器，它在电子线路等 电路中有着广泛的应用，其规格型号有许多种。电 位器如图1 4所示，其中A、B、C头与滑线变阻 器A、B、C点相对应。功率从零点几瓦至数瓦。使 用时勿超过它的额定功率，否那么容易烧坏。2 电阻箱目前实验室较多用的旋转式电阻箱，是由许多锰铜丝绕成的电阻按十进位分 别通过波段形开关连接而成的。如图1 - 5 a所示的电阻箱， 每个开关上连接10个相同阻值的 电阻例如：0.1、1、10、1000 串联而成，而如图1.5 b所示的每档电阻是由两种规格

19、共5个电阻一只R和四只2R所组成， R为各档的倍率值如 0.1、1、 10、100、1000、10000,如常用 的ZX21型电阻箱就是这种结构， 电阻箱有六个旋钮，电阻箱可变范围为-Bt-iT(I-ixxx.rK | 001JTirmmlp IO!)l 一主品昭rM 1"星用t.KI囂1ihi山 hhhlKfl J图1-5 旋转式电阻箱结构图0t 9X( 0.1+ 1 + 10+ 100 + 1000 + 10000) Q ,外形如图 1 6 所示D夕中吟-$口串百趾0吐20° C的准确度图1 6ZX21型旋转式电阻箱电阻箱读数为各档示值与倍率乘积之和。该型电阻箱在室温

20、见表1.4 表中的a为准确度等级表1.4 电阻箱在室温20° C的准确度9X10000 Q1000 Q100 Q10Q1 Q0.1 Qa %0.1%0.1%0.5 %1 %2%5%上述电阻箱如果用在交流电路中， 只有在低频不超过1kHz下才能当作“纯 电阻，所以也称为直流电阻箱。它的额定功率为0.25W，故各档以1为首位的电阻额定功率为0.25W，以2为首位的电阻其额定功率为0.25 X 2 W，当几档 联用时，额定电流按最大档计算，根据可算出电阻箱所能承受的最大电流值。各档最大允许电流如表1.5所示表1.5 ZX21型旋转式电阻箱各档最大允许电流R/ QR X10000R X 10

21、00R X 100R X 10RX 1R X 0.1Imax / A0.0050.01580.050.1580.51.58例如：6539 Q电阻最大允许通过的电流，应以X1000档来计算:。25 6a“0158A.R 6000电阻箱的误差主要包括电阻箱的根本误差和零电阻误差两个局部。零电阻值包括电阻箱本身的接线、焊接、接触等产生的电阻值。为了减少零电阻引起的误 差，ZX21型电阻箱增加了低电阻 B接线柱，它与 R X 0.1盘相连，AB端的最大 电阻值为0.9Q，同理，在RX 1盘抽头设置了 C接线柱，AC端的最大电阻值为 9.9Q ; D端钮就是六个电阻档相互串联起来后的输出端，AD端的最大

22、电阻值为99999.9 Q。电阻箱的准确度a%各档不同，均标在铭牌上，其允许根本误差R为电阻箱读数。四万用电表万用电表是实验室常用的一种仪器， 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图1 7 MF 30型万用电表外形量交流的复合表。如图 1 7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

23、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的刻度，以指示相应的值，女口：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 所允许的最大值，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。所以测量时可图1 8 欧姆表根本原理图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。直流电流、电压表前面已讨论过，下面将介绍欧姆表的简单原理。欧姆表测量电阻的简单原理如图1.8所示。

24、表头、干电池E、可变电阻 Ro及待测电阻Rx串联构成回路，电流I通过表头即可使表头指针偏转，其值为Rg Ro Rx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Rx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刻度，这样就可以直接用来测量电阻了，被测电阻Rx越大，回路电流越小，指针的偏转越小，当Rx为无穷大时即表棒 a、b两端开路，那么1= 0,表头指针为零，因 此欧姆表的标尺刻度与电流表、电压表的标尺刻度方向相反。由于工作电流I与被测电阻Rx不成正比关系，所以电阻的标尺的分度是不均匀的，如

25、图1 - 7所示。由于电池的电动势会渐渐下降，这样就造成较大的测量误差，故这种结构形式的欧姆表都设有“零欧姆调整电路，使用时必须将表棒二端短路即Rx = 0,调节“零欧姆旋钮，使指针指向0Q处。每当改变欧姆表量程后，都必须重新调节“零欧姆旋钮。使用万用电表时应注意以下几点：1 首先要搞清楚需测什么物理量。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，以防仪表过载，假设偏转过小，那么将量程变小，直至选择偏转角尽量大而未超格的 量程。3 测量电路中的电阻时，应将被测电路的电源切断。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

26、也需重新调零，否那么读数不准确。5 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 姆各档。以免表棒两端短路，致使电池长时间通电。用万用电表检查电路故障：检查电路的故障，就是找出故障的原因，首先应检查电路设计图有否错误， 其次检查电路是否有接错、漏接和多接的情况，有时电路接线正确，但电路还存 在故障，如电表或元件损坏而导致断路或短路，又如导线断路或焊接点假焊、电 键的接触不良均会造成断路，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仪器进行检查，通常是用万用电表。(1 )电压检查法在通电的

27、情况下，常采用逐点测试电压的方法找寻故障的所在。如图1-9所示的分压电路，当接通电路时电压表、电流表均无指示。一般可用万用电表的电压档进行测量检查(注意万用电表的电压量程应大于或等于电源电压)，先检查电源电压是否正常，然后观测AB两端有否电压，假设电压正常那么移动滑动头 C,观察分压电压 DE两端有否变化，假设无变化再量CB间的电压，假设正常那么故障一定在 CD之间，可能CD间导线内部断开，或是 C、D 端接触不良，假设 CD之间另换导线后，电压表指示正常，但安培表仍无指示，那么 故障一定在 DFH的支路里，该支路导线至少有一处断线或接触不良，或安培表 已损坏，负载本身断路。吸要有其中一个原因

28、均会引起安培表无指示，故从电压 的异常情况就可找到故障的所在。这种方法的优点是在有源的电路中能A带电测量，检查运行状态下的电路，简便r*)见效又快。F1(2)电阻检查法xJIJK JH它要求在切断电源后不带电的情况下图1-9分压电路检查，并且待测局部无其他分路，对电路各个元件、导线逐个进行检查测量。这 种方法对检查各个元件、 导线等的质量好坏， 查明故障的所在及原因是十分有用 的。实验内容1 详细阅读实验讲义，并把讲义中讲到的仪器与实验台上的实物相对照， 熟悉各种仪器的性能、规格、表上符号的含义、使用方法和考前须知。2 实验报告要求1对照实物，总结出实验室所用的直流稳压电源的规格，使用方法，使

29、 用过程中的考前须知。2根据实验台上所放的电压表和电流表，写出表盘上所标符号代表的含 义。直流电流表、 直流电压表的使用方法和考前须知。 试讨论电表的误差和等级。3根据你对电阻箱的观察和了解，说明使用电阻箱几档联用时它的额定电流、允许根本误差 R的计算方法，举例说明。 4 使用万用电表时有哪些考前须知？怎样用万用电表检查电路故障？实验二制流电路与分压电路实验目的1、熟悉电磁学实验根本仪器的性能和使用方法；2、掌握制流与分压两种电路的连接方法、性能和特点，学习检查电路故障的一般方法；3、掌握万用电表的使用方法。实验仪器毫安表、伏特表、数字万用表、直流电源、滑线变阻器、电阻箱、开关、导线等。实验原

30、理电路可以千变万化，但一个电路一般可以分为电源、控制和测量三个局部，测量电路是先根据实验要求而确定好的，例如要样准三个局部，测量电路是先根据实验要求而确定好的，例如要校准某一电压表，需选一标准的电压表和它并联，这就是测量线路，它可等效于一个负载，这个负载可能是容性的、感性的或简单的电阻，以RZ表示其负载。根据测量的要求，负载的电流值 I和电压值U在一定 的范围内变化，这就要求有一个适宜的电源。 控制电路的任务就是控制负载的电 流和电压，使其数值和范围到达预定的要求。常用的是制流电路或分压电路。控 制元件主要使用滑线变阻器或电阻箱。1.制流电路电路如图1所示，图中E为直流电源；Ro为滑线变阻器，

31、.为电流表；Rz为负载，本实验采用电阻箱；K为电源开关，它是将滑线变阻器的滑动头 C和一 固定端如A端串联在电路中，作为一个可变电阻，移动滑动头的位置可以连 续改变AC之间的电阻Rac，从而改变整个电路的电流 I,ERzRac当C滑至A点Rac = 0 ,maxRz，负载处U max = E ；当 C 滑至 B 点 Rac 二 R。, IminERz ' R0，负载处u minERz ；Rz ' Ro电压调节范围：Z一 E > ER0 + Rz相应的电流变化为:EEj R0 ' RzRz般情况下负载Rz中的电流旦(2),ERoI max KIRzRacRzRacK

32、 XRoRo式中 K二理，X =弘RoRo图2表示不同K值的制流特性曲线，从曲线可以清楚地看到制电路有以下 几个特点：1K越大电流调节范围越小；2K _1调节的线性较好；3K较小时即R0 RZ，X接近0时电流变化很大，细调程度较 差;4 不管Ro大小如何，负载 Rz上通过的电流都不可能为零。因为细调范围确实定：制流电路的电流是靠滑线电阻滑动端位置移动来改变的， 最少位移是一圈，因此一圈电阻厶R0的大小就决定了电流的最小改变量。RacRz对RAC微分:I2(RAC Rz) - = RACmin= '：RoRo式中N为变阻器总圈数，从上式可见，当电路中的E、RZ、R0确定，厶1与I2成正比

33、，故电流越大，那么细调越困难，假设负载的电流在最大时能满足细调要求，而小电流时也能满足要求，这就要使也I变小，而不能太小，否那么会max影响电流的调节范围， 所以只能使N变大，由于N大而使变阻器体积变得很大，帮N又不能增得太多，因此经常再串一变阻器，采用二级制流，如图3所示，其中Rio阻值大，作粗调用，R20阻值小作细调用，一般 R20取Rl01o，但Rio、 r20的额定电流必须大于电路中的最大电流。2 分压电路图5- 1惠斯登电桥原理图实验五 用惠斯登电桥测电阻实验目的1 掌握用惠斯登电桥测电阻的原理；2 学会用箱式电桥测电阻的方法；3 学会测量电桥灵敏度的方法，并了解提高电桥灵敏度的途径

34、。实验仪器电阻箱三只，箱式电桥，直流电源，滑线电阻器，待测电阻假设干，检流计等。实验原理“电桥是很重要的电磁学根本测量仪器之一。它主要用来测量电阻器的阻值、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，即惠斯登电桥，用来精确测量中等阻值几十欧姆至几十万欧姆 的电阻。此外还有测量低阻值几欧以下的双臂电桥，即开耳文双电桥； 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，但根本原理和思想方法大 致相同。因此，学习掌握惠斯登电桥 的原理不仅能

35、为正确使用单臂电桥， 而且也为分析其他电桥的原理和使用 方法奠定了根底。惠斯登电桥的原理如图 5-1所示。图 中ab、be、cd和de四条支路分别由电阻Ri Rx、R2、R3和R4组成，称为电桥的四条桥臂。通常。桥臂ab接待测电阻Rx,其余各臂都是可调节的标准电阻。在bd两对角间连接检流计、开关和限流电阻 Rg。在ac两对角间连接电池、开关和限流电阻Re。当接通电键Ke和Kg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，可直接比拟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Ig= 0。这时称电桥到达了平衡。平衡时 b、

36、d两点的电势相等。根据分压器原理可知bcdc平衡时,R2Ri R2R3Uac R3 R4R2Ubc 5 即 Ri R2R3R3 R4(5-1)(5-2)整理化简后得到(5 - 3)R 2厂R 4 = R xR3由5 3 式可知：待测电阻 Rx等于R2/ R3与R4的乘积。通常，称 R2、 R3为比例臂，与此相应的 R4为比拟臂。所以电桥由四臂测量臂、比拟臂 和比例臂、检流计和电源三局部组成。 与检流计串联的限流电阻 Rg和开关 Kg都是为在调节电桥平衡时保护检流计，不使其在长时间内有较大电流通 过而设置的。在用天平称质量时，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

37、的精密度也主要取决于电桥的灵敏度。当电桥平 衡时，假设使比拟臂 R4改变一微小量S R4,电桥将偏离平衡，检流计偏转 个格，那么常用如下的相对灵敏度 S表示电桥的灵敏度R4由上式可知，如果检流计的可分辨偏转量为(5-4) n 取0.20.5格，那么由电桥灵敏度引入被测量的相对误差为R . ：n5 -5R S即电桥的灵敏度越高S越大，由灵敏度引入的误差越小。实验和理论都已证明，电桥的灵敏度与下面诸因素有关: 1 与检流计的电流灵敏度 Si成正比。但是Si越大，电桥就不易稳定，平衡 调节比拟困难；Si值小，测量精确度低，因此选用适当灵敏度的电流计是很 重要的。2 与电源的电动势 E成正比。3 .与

38、电源的内阻rE和串联的限流电阻 Re有关。增加Re可以降低电桥的灵 敏度，这对寻找电桥调平衡的规律较为有利。 随着平衡逐渐趋近，Re值应适 当减到最小值。4 .与检流计和电源所接的位置有关。当Rg >e+Re，又R1> R3、R2> R4或者R1< R3、R2v R4，那么检流计接在 bd两点比接在ac两点时的电桥灵敏度来得高。当Rg<e+Re时，满足R1 > R3、R2< R4或者R1< R3、R2> R4的条 件，那么与上述接法相反的桥路，灵敏度可更高些。5 .与检流计的内阻有关。Rg越小，电桥的灵敏度 Sb越高，反之那么低。实验内容1

39、.用电阻箱、检流计组成惠斯登电桥测量电阻参照图5- 1用三个电阻箱和检流计组成一电桥。测量时，先用万用电表测一下阻值粗测。用电桥进行测量时，为便于调节应先将电阻Rg和Re取最大值。比例臂 R2和R3不宜取得很小，可取 R2= R3= 500 Q联接待测电阻 Rx,取R4等于Rx粗测值，按电键 Ke和Kg,观察检流计指 针的偏转方向和大小，改变R4再观察，根据观察的情况正确调整R4，直至检流计指针无偏转。逐渐减小Ke和Kg值，再调R4。其次，将 只2和只3交换后再测换臂测量。当Rx大于R4的最大值时，那么取R2R3=10或100去测量,当测得的R4的有效位数缺乏时，可以取RR2 - 0.1或0.

40、01。测量三个待测电阻的阻值，并计R3算待测电阻的测量误差。用惠斯登电桥测量电阻时，待测电阻Rx的测量误差应估计为以下两局部：一是由组成桥臂的各电阻的根本误差引起的。二是由电桥的灵敏度引起的。由组成桥臂各电阻的根本误差引起的这局部误差按最大误差合成估计，可得Rx的根本相对误差：厶Rx 职2.职3.限4RxR2R3R4(5-6)式中 R2 , R3 , R4 ,分别为三个桥臂的根本误差。因电桥的灵敏度引起的相对误差可根据5 5求出。所以待测电阻的总测量误差应取这两局部误差之和(5-7)'Rx总只2 .氓3 . R4 *也Rx R 2 R 3 R 4 S n 般取0.1格，S可由实验测定，

41、由5 7即可求得待测电阻的 测量误差 Rx。2 .测量电桥的相对灵敏度在用电桥测量电阻时，每测得一个电阻的阻值即调节电桥到达平衡后，然后再使 R4发生微小的变化，使检流计的指针偏转一定的格数，1格、2格、5格均可，最后计算出 R4代入5 5式，计算出 S,每测 量一次电阻，就测一次灵敏度，求其平均值，即可算出电桥的相对灵敏度。3 使用箱式电桥测量电阻测量标称值相同的商品电阻的阻值，数量不少于5个，求出其平均值及标准偏差，检查是否有废品。QJ 23型箱式电桥的说明1电桥臂上电阻的组成QJ 23型电桥是目前应用最广的一种商品电桥，它的原理如图5 2所示。其中R2和R3作为比例臂，R4为比拟臂，改变

42、c点的位置就可以改变 R2/ R3的比值。中选择开关 c与“ 10 1 位置相连时，便有R20.999 8.902 81.009- 0.10000R3409.09 2 81.009 8.902 0.999假设取 R2/ R3 = 0.10000 时，那么 R2/ R3的准确度可达万分之几，与c在“ 10 位置几乎相同，然而 R4的准确度较R2/ R3低一个量级，所以此时的Rx的系统误差主要取决于R4,而不是 R2 / R3。由图可知比拟臂有四只可变的标准电阻器相互串联，它们组成了 R4,其阻值分别为95.2 QJ 23型电桥原理图X 1 Q、9X 10Q、9X 100Q、9X 1000Q，总阻

43、值可达9999 Q。(2 )本仪器适用于测量19999000 Q范围内的电阻，根本量程为1009999 Q，其准确度见表 5 1所示表5 1倍测量范准确电源电压率围度/ VX 101 9.9 Q± 1%X 101099.99 Q± 0.5 %4. 5X 10102 999.9± 0.2 %X 11039999 Q± 0.2 %6X104 4 X 104± 0.2 %1045 X 10± 0.2 %1.5X 102105 999900± 0.5 %X 1031069999000± 1%(3)本仪器内附检流计，电流计常

44、量小于6 X 107a . mm 1, c点连接位置不同所对应的R2/R3比值如表5 2C点位置310210110110102103R2/ R30.0010000.0100000.100001000010.000100.001000周期小于4s。内附4.5V干电池QJ 23型电桥面板图(即 1.5V X 3)。(4)仪器面板元件安置如图 5 - 3所示。右上角四只读数盘就是R4 ,右下角有接 Rx的两端钮和接通电源 kE、接通检流计kG的两只按钮(如 果需要长时间接通，可在按下后沿顺时针方向旋转，即可锁住) ，中上局部是比例臂选择开关，也称为倍率旋钮，它 的下面就是检流计，左面由上往下分别是“

45、 +、内、G、外五个接线端钮，“ +、一 为外接电源的输入端钮， “内、G、外为检流计选择端钮，当“ G 和“内由短路片连接时，那么在“G和“外间需外接检流计，在 “G和“外 短接时，本仪器内附的检流计已接入桥路之中。(5 )在一般情况下，比例臂放在“X1 档，比拟臂放在1000Q 上，按下kE然后短时间按kG，这时将看到检流计指针在晃动，如果指针偏向“ + 的一 边，说明被测电阻大于 1000 Q，可把比例臂放在“X 10档，再次按kE和kG, 如果指针开始向“方向偏，那么可知待测电阻值已接近，然后调节四个比拟臂 的读数盘直到电桥平衡，根据计算可得到Rx的粗测值。为了保证待测电阻值较大时有一

46、定的准确度和灵敏度,在检流计不更换的条件下可适当提高电源电压。(6) 测量电感性电阻时， 应先按kE再接kG,断开时先放开kG,再放开kE。(7) 电桥使用完毕应取出电池,开放按钮,短路检流计。预习思考题1 电桥平衡的条件是什么？2电桥灵敏度的意义？怎样测量电桥的灵敏度？3调节电桥平衡时,为什么要先接通电源开关,再接通检流计开关呢？而 测量完后那么先断开检流计开关,后断开电源开关？复习思考题1 用惠斯登电桥测电阻时，如果发现检流计的指针总是向某一边偏转；总是不偏转，试分别指出故障原因。2电桥的灵敏度是否越高越好？为什么？实验六示波器的使用示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电信号

47、的波形，也能测 定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时 间差或相位差。但凡能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。借助示波器我们可以直观地“看到电路各点的状态。示波器的扫描方式是一个可以 看到波形的“电压表 ；X-Y方式可以观察两个电子信号的垂直方向的合成，因此示 波器是电子工作者的重要工具。实验目的1了解通用示波器的结构和工作原理，掌握各个旋钮的作用和使用方法；2 学会音频信号发生器的使用方法；3 学会用示波器观察波形以及测量信号的电压、频率和位相差；实验仪器示波器、信号发生器等实验原理电子示波器简称示波器是一种能将随时间变化的电压信号直观

48、的显示在荧光屏上的仪器。示波器由示波管、Y轴系统、X轴系统等组成。图6-1是示波厂二二5鮭发电略| !-1 :扫描电豁4- Z电路斗电源X轴系统图6-1示波器的原理框图器的原理框图。1示波器的聚焦和偏转原理示波器中用于显示波形的真空玻璃管叫阴极射线管，简称示波管。如图6-2所示。示波管的正面是一个涂有荧光物质的圆形屏，当管中的高速运动电子打上 去时，就会发出荧光。一般的示波器都是热阴极：阴极由灯丝通电加热后，阴极 上的电子由于热运动而脱离出阴极，称为热激发。由于示波器中的第二阳极电压比阴极高上千伏特。因此，电子被加速后轰击到荧光屏上，使该处的荧光物质发 光。1辉度Vo，电子到达第二阳极的速度为

49、V2 ,阴极和设电子由阴极热激发时的速度为 阳极之间的电压为 U2，那么有-丄mv 02 二eU 21 2mv 22 2式中m是电子的质量，且vo<<v2,所以电子到达第二阳极也是到达荧光屏 上的速度V2为：高压电源图6-2示波管结构示意2eU2m为了控制电子束轰击荧光屏上的强度，也就是控制单位时间轰击荧光屏的电子数目，在阳极前面加一个零到几十伏特的调制极，其形状是一个开有小孔的金属罩，由于调制极电位比阴极要低，而且调制极的电位越低，穿过金属罩小孔的电子越少，亮度越弱。调节调制极的电位，就能够改变荧光屏上光斑的亮度，这 就是面板上“辉度旋钮的作用。2电聚焦在两个第二阳极 A2之间设

50、有一个特殊形状的第一阳极，给第一阳极加上比第二阳极低的电位例如第二阳极1200V,第一阳极255V,由于第一阳极和第二阳极之间有电位差， 其特殊形状的电极构成电子透镜，如光学透镜能会聚光一 样，电子透镜能会聚射向荧光屏的电子束。电子透镜聚焦条件由第二阳极A2上的电位U2和第一阳极Ai上的电位Ui之比决定，调节聚焦 Ui和辅助聚焦U2就是 调节两电位之比，这就是示波器的电聚焦原理。3电偏转由阴极热激发的电子经第二阳极加速后，在到达荧光屏之前， 还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。当电子穿过偏转极中间时，由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。偏转

51、电压越大，电场力越大，荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远，这就是电偏转原 理。2 示波器的扫描原理Uy如果只在竖直偏转板Y轴上加一正弦波电压，那么电子束将随电压图8-d只准Y偏转板上加一正弦波电压的情册6-3所示。的变化只在竖直方向上往复运动，由荧光屏上看到的是一条竖直亮线。如图要能显示波形，必须同时在水平偏转板加一扫描电压,使电子束的亮点沿水平方向拉开。这种扫描电压的特点应是：电压 随时间成线性关系 增加到最大值，然后 突然回到最小，此后 再重复变化。这种扫 描电压随时间变化 的关系曲线形同“锯图斗4锯齿波波形£E8-S示波器点示正弦波S 31 S 3齿，故称为“锯齿波电压，如图6-

52、4所示。如果只在水平偏转板上X轴加 上这样的锯齿波电压， 那么电子束随电压的变化只在水平方向上往复运动，由荧光屏上看到的是一条水平亮线。 如图6-4所示为只在水平偏转板上加一锯齿波电压 的情形。如果在竖直偏转板上Y轴加正弦波电压，同时在水平偏转板上X轴加锯齿波电压，电子束同时受竖直和水平两个方向电场力的作用，电子的运动是两互相垂直运动的合成。当锯齿波电压与正弦电压变化周期相等时，在荧光屏上 能显示完整周期的正弦波电压的波形图，如图6-5所示为示波器显示正弦波形的原 理图。1连续扫描如果正弦波和锯齿波电压的周期稍有不同，屏上出现的是移动着的不稳定图形。这种情况可以用图 6-6说明：设X轴加的锯齿

53、波电压的周期 Tx比Y偏转板上的正弦波电压周期Ty稍小。比如Tx/Ty=7/8，在第一扫描周期第一个锯齿波内，屏上显示正弦信号 0-4点之 间的曲线段；在第二周期第二个锯齿波内，显示 4-8点之间的曲线段；在第 三周期第三个锯齿波内，显示 8-11点之间的曲线段。其中第一个曲线段的 结束和第二个曲线段的起点对应相同的Y偏转电压。第二曲线段的尾部和第三曲线段的起点对应相同的 Y偏转板电压。这样，在屏上显示的波形不重迭，好象波形在向右移动。如果 Tx和Ty差异稍大一些，一个一个的波形由于荧光屏的余辉 和人眼的视觉暂留， 看到的是多个波形在屏上的迭加结果。其原因是扫描电压的 周期Tx与被测信号的周期 Ty不相等或不成整数倍关系，以致于每次扫描的起点 在Y轴上不相同。为了获得稳定波形单一波形，每次扫描在 Y轴上应有相同的起点。在连 续扫描中，锯齿波的周期称为扫描周期，扫描周期Tx和Y轴上被测信号周期 Ty之间应满足Tx二nT< n是整数在示波器上设有扫描范围和扫描微调