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电阻的测量方法及原理

电阻的测量方法及原理

、XX法测电阻

1、电路原理

“XX法”就是用电压表测出电阻两端的电压U,用电流表测出通

过电阻的电流I,再根据欧姆定律求出电阻R=U/I的测量电阻的一

种方法。

电路图如图一所示。

压表的内阻并非趋近于无穷大、电流表也有内阻,因此实验测量出的电阻值与真实值不同,存在误差。

如何分析其误差并选用合适的电路进行测量呢?

XX一(甲)所示电路称电流表外接法,(乙)所示电路为电流表内接法,则“XX法”测电阻的误差分析和电路选择方法可总结为四个字:

“大内小外”。

2、误差分析

(1)、电流表外接法

由于电表为非理想电表,考虑电表的内阻,等效电路如图二所示,

 

=(Rv//R)=(RvXR)/(Rv+R)

 

其相对误差为S外=△R/R=(R-R测)/R=R/(Rv+R)

(2)、电流表内接法

其等效电路如图三所示,电流表的测量值为流过待测电阻和电流表的电流,电压表的测量值为待测电阻两端的电压与电流表两端的电压之和,

故:

R测=U/I=RA+R>R

此时R测的系统误差主要来源于RA的分压作用,其相对误差为:

S内二△R/R=(R测-R)/R=RA/R

综上所述,当采用电流表内接法时,测量值大于真实值,即内";当采用电流表外接法时,测量值小于真实值,即“小外”。

 

3、

电路的选择

一)比值比较法

1、

大内”:

R>>RA时,,选择电流表内接法测量,误

差更小。

小外”:

<

小。

2、

大内”:

R>时,应选择电流表内接法进行测量。

小外”:

R<时,应选择电流表外接法进行测量。

证明:

电流表内、

外接法的相对误差分别为S内二RA/R和S

外=R/(Rv+R),则:

(1)若S内

,RA/R

R2>RARv+RARRARv,

R>此时,电流表内接法的相对误差小于

电流表外接法的相对误差,

故实验电路应选择电流表内接法,即“大

内”。

2)同上分析可知,

当R<时,S内>S外,实验电路应选择

电流表外接法,即“小外”

3、试触法

当待测电阻的阻值完全未知时,常采用试触法,观察电流表和电

压表的示数变化情况:

"大内":

当△1/1>△U/U时,电流表的

示数的相对变化大,说明电压表的分流作用显著,待测电阻的阻值与

 

 

电压表的内阻可以相比拟,误差主要来源于电压表,应选择电流表内

接法。

"小外":

当△I/IV△U/U时,电流表的示数的相对变化

小,说明电流表的分压作用显著,待测电阻的阻值与电流表的内阻可

以相比拟,误差主要来源于电流表,应选择电流表外接法。

例:

某同学用XX法测一个未知电阻R,用图一所示甲、乙电路

各测一次,XX测得的数据是U=2.9V、l=4.0mA,xx测得的数据是3.0V、

3.0mA由此可知所示的电路测量误差小些,测得的R为

分析:

对电流表所测数据,△1/1=(4.0-3.0)/4.0=1/4

;对电压

表所测数据,△U/U=(3.0-2.9)/2.9=1/29

此时△l/l>△U/U,由”

大内”有,电流表内接法的测量误差小,

即乙图所示电路,测得的R=

 

 

U/I=3.0/3.0X10-3Q=1.0X103Q

二、替代法测电阻

2、实验原理

本实验利用闭合电路欧姆定律,当电流表示数相同时的R1值即等于待测电阻RX的阻值大小

误差分析:

 

时选择图1所示的电路图,主要原因是,电阻箱在测量过程中不允许流过的电流过大。

三、半偏法测电阻

(一)实验电路

图九

图十

(二)实验原理:

1、限流式半偏法,

图九为限流式半偏法(因变阻器采用的是限流接法)原理为:

首先闭合K1、断开K2,调节R1使电流表满偏,再保持K1不变,

R1不变,调节器节R2使电流表半偏,则此时变阻器R2的示数即为要测量的电流表的阻值。

原因,当R1》》Rg时,R2的引入对于干路电流影响极小,可以忽略不计,可认为电路xxI=Ig不变,所以电流表的电流与流过变阻器的电流相同,据xx电路分流关系可得,R2=Rg。

适用条件:

本电路仅适用于测量小电阻电流表的内阻。

误差分析:

电路中,E、r不变,R1不变,R2的引入导致电路的总电阻略有

减小,电路中总电流略有增大,从而使得流过变阻器R2的电流比流过电流表的电流稍大些,因此变阻器的电阻略小于电表内阻。

所以测量值比真实值偏小。

减小误差的方法:

电路中电源电动势要大一些,从而使得变阻器R1的阻值尽可能大些。

2、分压式半偏法

图十为分压式半偏法(因变阻器采用的是分压式连接法)

实验原理:

如图闭合K1闭合K2,调节器节R1,使电压表满偏,保持R1不变,断开K2,调节R2使电压表半偏,当RV》R1时,接入R2,时可认为分压电路部分电压不变,据XX电路的分压特点可得,RV=R2

应用条件:

本电路仅适用于测量大阻值电表内电阻。

误差分析:

接入R2时,导致分压电路总电阻略有增大,从而使分压电路分压略有增大,而电压表的示数仅为U/2则R2两端的电压应略大于U/2,所以R2>RV即电压表的测量值略大于真实值。

减小误差的方法:

 

1、电路原理如图

图十二

2、电路原理

当电路中XX电流计的示数为零时则有电阻

利用此关系可进行电阻的测量,在测量时可把电路转换为如下图所示。

即把R3R4换成一根长直均匀电阻丝,RX为待测电阻,R0为标准电阻,R0和RX间接入一XX电流计,滑动触头P可在电阻丝ABxx

任意移动,且接触良好,当电流表xxI=0时

测出APBP两段电阻丝的xx,由下式

Roxi

RxX2

可得出Rx的阻值大小。

3、误差分析:

该设计电路中的误差主要决定于电流表的灵敏度和电路中的接

触电阻的大小。

电表的非常规接法一般是指利用电流表与电阻的xx来测量低值电阻,或是电压表与电阻的xx来测量高值电阻。

此种接法在近几年的高考中经常出现,应引起重视。

电路如图

即利用已知阻值的电流表与待测电阻xx来测量电阻

此种接法实质是xx法测电阻:

但在测量时要求知道电表的内阻

图1xx电路xx要求知道电流表A1的内阻;

图2xx电路xx要求知道两只电流表的内阻;

适用范围:

在测量电路中由于电流表的内阻一般较小,故本电路一般仅适用于测量低值电值。

2、电压表的非常规接法

即利用已知阻值的电压表与待测电阻XX来测量电阻

电路如图:

图1xx式XXR1电压表U1的内阻

图1xx式XXR1、R2为电压表U1、U2的内阻

该设计电路中由于电压表一般内阻较大,故本电路一般用于测量

高阻值电阻阻值。

2、原理:

利用闭合电路欧姆定律。

I=

Ro+Ri+Rg+r+Rx

(1)首先将红黑表笔短接,调节R1使电流表满偏l=lg,

]_Ro+尺+Rg+r-g

令R内二R0+R1+Rg+r

保持R1不变,接入待测电阻RX则每一个RX对应于一个电流值I,即

I=^-

R内+Rx

利用I与Ig的比值关系可得出表盘上每一刻度所对应的电阻值,即为改装后的XX。

其中当

I=Ig时RX=R即中值电阻等于内阻。

对于XX在测量电阻时待测

 

在测量时,阻值在中值电阻附近,可通过换档调零来调节。

 

i.

ii.

控制电路分析

般在高中物理电学实验中控制电路有两种:

变阻器的限流式

接法、变阻器的分压式接法

对变阻器的两种接法分析如下:

(一)变阻器的限流式接法

1、电路如图十八

电流范围为:

R+RxRx

电路特点:

由于电路中变阻器的阻值较大,所以在同等条件

下电路中的总电流较小,电路发热较小,功率损耗较小。

电路设计选用要求:

电流小,功耗小或给出条件R>RX时选且R越大其限流

作用越明显

(二)变阻器的分压连接法

1、电路如图十九

2、电路分析在限流式电路中当变阻器阻值R比待测电阻Rx小得越多时,

变阻器对电路的控制作用越明显。

待测电阻Rx两端的电压范围为

通过待测电阻的电流范围为:

I-U

电路特点:

R

电路中电压的调节范围较大且连续可调,

由于电路中的总电阻较小,电路中通过的电流相对较大,电路功率消耗较大,发热较多。

电路设计选用要求:

当电路仪器,电表等的最大量程不够时电路中要求电压范围大且连续可调时

RVRX时选择小得多时,必须选择分压式三、电学实验设计:

电器元件的选择和实验电路的选择与连接

一、电阻的测量方法

—B、电流表内接法

(2)等效替代法:

 

B、分压式半偏:

测大电阻电表内阻

(4)电桥电路法:

(5)欧姆表原理测电阻:

 

B、电压表的串联连接

二、控制电路原理与分析及选用条件

1、限流式连接法:

特点:

R>RX时选且R越大其限流作用越明显

电路中通过的电流较小,电源的功率较小,电路中功率损耗较小,节能

选用要求:

电流小,功耗小

R>RX时选且R越大其限流作用越明显

特点:

R

电路中电压的调节范围较大且连续可调,

由于电路中的总电阻较小,电路中通过的电流相对较大,电路功率消耗较大,发热较多。

选用要求:

当电路仪器,电表等的最大量程比电源电动势小得多

电路中要求电压范围大且由0开始连续可调时

R

电学仪器元件的选择原则与实验设计方法:

1)xx原则:

如通过电源和内阻和电流不能超过基允许

的最大值;电路中电器元件上的电流、电压、电功率不能超过额定值,电表的量程等

2)精确性原则:

在实验条件和所给的电路元件中选择满

足实验要求的器材,使实验原理更完善,实验过程尽可能简单,误差尽可能小结果尽可能精确。

如:

电表的偏转要求,导体对温度的要求,电表内阻的影响等:

3)可操作性:

指操作要方便简单,读数准确误差小,

数据处理简便。

可对于滑动变阻器在电路中的应用。

此外:

在实际的电路设计中考虑电路尽可能简单,所需要

电路元件少,消耗的电能要少等因素。

注:

以上只是电学实验设计中的一些基本原则,在实际的

实验设计中应充分理解题意,根据实际需要,在原则允许的条件下来进行仪器的选择与电路的设计、连接。

例3、欲用XX法测定一段阻值约为5Q左右的金属导线的电阻,

要求测量结果尽量准确,现备有以下器材:

1)上述实验器材中应选用的是:

2)试画出实验电路,并连接实物图

分析:

由题分析可知,本题是用XX法测电阻,待测电阻阻值为5Q,电源只有A必选,故电压表只能选D,而电流范围在0—0。

之间,故电流表只能选用C,再依据XX法测电阻的比值比较原则可得只能选用电流表外接法。

而变阻器最小为20Q比待测电阻大,从实

际看一般选用限流式控制电路。

答案:

AC、DE、H

测量电路:

如右图所示

例4:

要用XX法来测定一个阻值在25kQ左右的电阻Rx的较准确的阻值,备用的器材如表格所示。

器材

代号

规格

直流电流表

A1

0~100M内阻为脸。

0~500M内阻为①砥。

直流电压表

V1

0~10V内阻为1Q0Q

0~50V内阻为500k

n

直流稳压电源

V

输出电压15V额定电

S1A

滑动变阻器

R

CMK0额定功率

1W

电犍

符合雑要求

导线

符合实验要求

为了要使测量的结果达到较高的准确度,则

测量电路应选择(填XX表内接法或XX表外接法)

控制电路应采用(填限流电路或分压电路)

电流表应选用(填代号)电压表应选用(填代号)

画出实验电路图。

(其中电源和电键及其连线已画出)

例5、实验室中现有器材如下:

 

电键S,导线若干.

 

Re

要求用图甲所示的电路测定电压表的内阻.

(1)用此电路可以精确测量所给三块电压表中哪几块的内阻?

(2)在可测的电压表中任选一个作为测量对象,在实物图乙上连成测量电路.

(3)实验中,你除了要读出电阻箱的阻值外,还需要读出

用所测数据表示待测电压表内阻的计算公式是

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