1.4.2外接法引入的误差
设电阻R中的电流为IR,又设电压表中流过电流为IV,电压表内阻为RV,则电流表中电流
因此电阻R的测量值Rx是
由于
所以测量值Rx小于实际值R,测量的相对误差为
。
式中负号是由于绝对误差是负值,只有当RV>>R时才可以用外接法[2]。
2伏安法测电阻的电压补偿法
2.1电压补偿法原理
2.1.1补偿法的定义
采用一个可以变化的附加能量装置,用以补偿实验中某部分能量损失或能量交换,使得实验条件满足或接近理想条件,称为补偿法。
简而言之,补偿法就是将因种种原因使测量状态受到的影响尽量加以弥补[4]。
2.1.2电压补偿法
用电压表测电池的电动势Ex,如图6所示,因电池电阻r的存在,当有电流通过时,电池内部不可避免地产生电位降Ir。
因此,电压表指示的只是电池的端电压U,即
。
显然,只有当I=0时,电池的端电压才等于电动势Ex。
图6用电压表测量电池电动势
Fig.6Electromotiveforcemeasuredwithavoltmeter
如果有一个电动势大小可以调节的电源E0,使E0与待测电源Ex通过检流计反串起来。
如图3-2所示,调节电动势E0的大小,使检流计指示为0,即E0产生一个与I方向相反而大小相等的电流I’,以弥补Ir的损失,于是两个电源的电动势大小相等,互相补偿,可得Ex=E0,这时电路达到补偿,知道了补偿状态下E0的大小,就可得出待测电动势Ex[4][5]。
图7电压补偿法原理图
Fig.7VoltageprincipleofcompensationlawFigure
2.2内接法的电压补偿法
由图5可知,内接法测电阻电压表示数
,而
,引入的电流表内阻分压导致电压表的示数比实际值大。
为了解决这个问题,采用了如图8所示的电压补偿法。
此补偿法是对电流表进行补偿,目的是消除电流表内阻引入的测量误差。
如图8所示,引入辅助电源E2,这样AB段电路之间就存在两个方向相反、分别由E1,E2提供的电流。
只要两电源的电动势满足一定的要求,调节滑线变阻器R2,即可使经过AB段电路的合电流为零,此时,A、B两点电势相等,电压表
当于直接并联在待测电阻的两端,其测量值就是待测电阻两端的真实电压值。
为了测量方便,在AC电路接入灵敏电流计。
虚线框内构成补偿后的“电流表”。
当原电流表
上的电位差为辅助电源E2和滑线变阻器尺R2上的电势差所补偿,这时电路处于平衡状态,灵敏电流计指示为零,即A、B两点间的电势差为零,相当于电流表无内阻。
这样就解决了电流表内阻分压的问题,提高了测量的精确度。
图8内接法的电压补偿法电路图
Fig.8Thevoltagecompensationlawcircuitdiagramoftheinternallaw
在实际测量电阻的过程中,为了保护灵敏电流计,应与灵敏电流计串联一个滑线变阻器R3。
测量时,R3开始阻值要大一些,当AC段电流逐渐减小到零时,R3再逐渐减小直到零,这样可以提高测量电路的灵敏度。
电路达到平衡的标志是灵敏电流计接通或断开时,指针不显示任何微小的颤动。
测量方法是:
如图8连接电路,S断开,R1,R2,R3都放在安全端,调E1,E2为适当值。
将开关S闭合,调滑线变阻器R2,使检流计读数为零,记下此时的U和I。
为了减小测量的不确定度,要测多组数据[6]。
2.3外接法的电压补偿法
由图4可知,外接法测电阻电压表示数
,而
,引入的电压表内阻分流导致电流表的示数比实际值大。
为了解决这个问题,采用了如图9所示的电压补偿法。
图9外接法的电压补偿法
Fig.9Externalvoltagecompensationmethodcircuitdiagramofthemethod
此补偿法是对电压表进行补偿,目的是消除电压表内阻引入的测量误差。
如图9所示,右侧由辅助电源E2与滑线变阻器R2组成一个分压电路,所分得的电压由电压表
测出。
左侧由E1、待测电阻Rx电流表
组成一个闭合回路。
当Rx两端电压与分压器分得的电压相等时,A,B两点的电势相等,电压表示数等于Rx两端的电压,却不从左侧闭合回路中分得电流。
在AB段电路接人灵敏电流计,用来检验电路平衡。
虚线框内是补偿后的“电压表”。
当检流计指零时,电压表达到补偿,虚线框内的电路相当于一个内阻无限大的电压表。
此电路的测量要点与内接法的电压补偿法测量要点相同,具体测量方法为:
如图4连接电路,S1,S2都断开,R1,R2,R3都放在安全端,调E1,E2为适当值。
闭合开关S1,S2,调节滑线变阻器R2,R3使检流计示数为零。
记录此时的U和I,要测多组数据。
补偿法是测量实验中的一种重要方法,针对内接法和外接法存在的缺陷,设计不同的电压补偿法电路来测量电阻,实验测得的电流和电压都是真实值,减小了系统误差[6]。
3实验结果与数据处理
由于测量的电阻阻值不同。
且不同的实验方法对电阻的影响也不同,所以测得的数据通过技术相对误差来比较哪一种方法更为准确。
相对误差:
.实验测得的数值与真实数值之间的差数称为“绝对误差”,而“绝对误差”与“真实数据”的比值称为“相对误差”。
由于真实的数值往往不知道,因而只能用多次测定结果的平均值代替“真值”,这样计算的结果称为“偏差”。
偏差也分“绝对偏差”和“相对偏差”。
绝对偏差是一次测量值与平均值的差异,相对偏差是指一次测量的绝对偏差占平均值的百分率[7][8][9]。
3.1内接法与内接法的电压补偿法的实验结果比较
表1内接法与内接法电压补偿法测量未知电阻Rx1的结果比较
Table1TheresultsofcomparisonofinternallawandinternallawvoltagecompensationmethodunknownresistanceismeasuredRx1
序号
内接法
内接法的电压补偿法
U/V
I/mA
Rx1内接法/Ω
U/V
I/mA
Rx1补偿法/Ω
1
0.500
0.32
1562.5
0.500
0.35
1428.6
2
0.600
0.39
1538.5
0.600
0.42
1428.6
3
0.700
0.45
1555.6
0.700
0.49
1428.6
4
0.800
0.52
1538.5
0.800
0.56
1428.6
5
0.900
0.60
1500.0
0.900
0.62
1451.6
6
1.000
0.67
1492.5
1.000
0.70
1428.6
7
1.100
0.72
1527.8
1.100
0.76
1447.4
8
1.200
0.80
1500.0
1.200
0.83
1445.8
9
1.300
0.88
1477.3
1.300
0.90
1444.4
10
1.400
0.94
1489.4
1.400
0.98
1428.6
11
1.500
1.02
1470.6
1.500
1.04
1442.3
12
1.600
1.08
1481.5
1.600
1.10
1454.5
13
1.700
1.15
1478.3
1.700
1.18
1440.6
14
1.800
1.20
1500.0
1.800
1.24
1451.6
15
2.000
1.34
1492.5
2.000
1.39
1438.8
16
2.200
1.46
1506.8
2.200
1.52
1447.4
17
2.400
1.60
1500.0
2.400
1.64
1463.4
18
2.600
1.74
1494.2
2.600
1.79
1452.5
19
2.800
1.88
1489.4
2.800
1.94
1443.7
20
2.900
1.94
1494.8
2.900
2.02
1435.6
3.1.1内接法与内接法的电压补偿法的相对误差的计算
由表1,得
=1504.5Ω;
=1443.1Ω。
所以相对误差的计算公式:
;
。
表2内接法与内接法的电压补偿法的相对误差的计算
Table2Thecalculationoftherelativeerroroftheinternallawandinternallawvoltagecompensationlaw
序号
内接法
内接法的电压补偿法
Rx1内接法/Ω
Rx1补偿法/Ω
1
1562.5
3.86%
1428.6
1.01%
2
1538.5
2.26%
1428.6
1.01%
3
1555.6
3.39%
1428.6
1.01%
4
1538.5
2.26%
1428.6
1.01%
5
1500.0
0.29%
1451.6
0.59%
6
1492.5
0.79%
1428.6
1.01%
7
1527.8
1.55%
1447.4
0.30%
8
1500.0
0.30%
1445.8
0.19%
9
1477.3
1.81%
1444.4
0.09%
10
1489.4
1.01%
1428.6
1.01%
11
1470.6
2.25%
1442.3
0.06%
12
1481.5
1.53%
1454.5
0.79%
13
1478.3
1.74%
1440.6
0.17%
14
1500.0
0.30%
1451.6
0.59%
15
1492.5
0.80%
1438.8
0.30%
16
1506.8
0.16%
1447.4
0.30%
17
1500.0
0.30%
1463.4
1.41%
18
1494.2
0.68%
1452.5
0.65%
19
1489.4
1.01%
1443.7
0.01%
20
1494.8
0.64%
1435.6
0.52%
由表2,得
,得
;经对内接法与内接法的电压补偿法的相对误差计算得
>
。
所以伏安法的内接法的电压补偿法比内接法更为精确。
3.2外接法与外接法的电压补偿法的实验结果比较
表3外接法与外接法的电压补偿法测量未知电阻Rx2的结果比较
Table3Externalmethod,externalvoltagecompensationlawMeasurementofunknownresistanceRx2Comparison
序号
外接法
外接法的电压补偿法
U/V
I/mA
Rx2/Ω
U/V
I/mA
Rx2/Ω
1
0.104
2.00
52.0
0.135
2.00
67.5
2
0.134
2.50
53.6
0.170
2.50
68.0
3
0.164
3.00
54.7
0.202
3.00
67.3
4
0.172
3.20
53.8
0.220
3.20
68.8
5
0.182
3.40
53.5
0.234
3.40
68.8
6
0.192
3.60
53.3
0.248
3.60
68.9
7
0.202
3.80
53.2
0.258
3.80
67.8
8
0.214
4.00
53.5
0.272
4.00
68.0
9
0.224
4.20
53.3
0.286
4.20
68.1
10
0.232
4.40
52.7
0.301
4.40
68.4
11
0.247
4.60
53.7
0.316
4.60
68.7
12
0.260
4.80
54.2
0.330
4.80
68.8
13
0.272
5.00
54.4
0.342
5.00
68.4
14
0.282
5.20
54.2
0.355
5.20
68.3
15
0.294
5.40
54.4
0.370
5.40
68.5
16
0.306
5.60
54.6
0.384
5.60
68.6
17
0.320
5.80
55.2
0.400
5.80
68.9
18
0.332
6.00
55.3
0.413
6.00
68.8
19
0.342
6.20
55.2
0.427
6.20
68.9
20
0.352
6.40
55.0
0.440
6.40
68.8
21
0.362
6.60
54.8
0.453
6.60
68.6
22
0.372
6.80
54.7
0.468
6.80
68.8
23
0.384
7.00
54.9
0.482
7.00
68.9
24
0.400
7.20
55.6
0.500
7.20
69.4
25
0.410
7.40
55.4
0.512
7.40
69.2
26
0.420
7.60
55.3
0.528
7.60
69.4
27
0.432
7.80
55.4
0.542
7.80
69.5
28
0.444
8.00
55.5
0.556
8.00
69.5
29
0.472
8.50
55.5
0.592
8.50
69.6
30
0.500
9.00
55.6
0.624
9.00
69.3
3.2.1外接法与外接法的电压补偿法相对误差的计算
由表3,得
=54.4Ω;
=68.69Ω。
所以相对误差的计算公式:
;
表4外接法与外接法的电压补偿法相对误差的计算
Table4Externalmethod,externalvoltagecompensationlawrelativeerrorofcalculation
序号
外接法
外接法的电压补偿法
Rx2外接法/Ω
Rx2补偿法/Ω
1
52.0
4.41%
67.5
1.72%
2
53.6
1.47%
68.0
0.99%
3
54.7
0.49%
67.3
1.96%
4
53.8
1.20%
68.8
0.10%
5
53.5
1.60%
68.8
0.21%
6
53.3
1.96%
68.9
0.30%
7
53.2
2.28%
67.8
1.14%
8
53.5
1.65%
68.0
0.99%
9
53.3
1.96%
68.1
0.85%
10
52.7
3.08%
68.4
0.39%
11
53.7
1.30%
68.7
0.02%
12
54.2
0.43%
68.8
0.10%
13
54.4
0
68.4
0.41%
14
54.2
0.31%
68.3
0.60%
15
54.4
0.08%
68.5
0.24%
16
54.6
0.45%
68.6
0.16%
17
55.2
1.42%
68.9
0.42%
18
55.3
1.72%
68.8
0.22%
19
55.2
1.40%
68.9
0.28%
20
55.0
1.10%
68.8
0.10%
21
54.8
0.82%
68.6
0.06%
22
54.7
0.56%
68.8
0.21%
23
54.9
0.84%
68.9
0.26%
24
55.6
2.12%
69.4
1.11%
25
55.4
1.85%
69.2
0.74%
26
55.3
1.59%
69.4
1.16%
27
55.4
1.81%
69.5
1.18%
28
55.5
2.02%
69.5
1.19%
29
55.5
2.08%
69.6
1.41%
30
55.6
2.12%
69.3
0.95%
由表4,得
;
。
经对外接法与外接法的电压补偿法的相对误差计算得
>
。
所以伏安法的外接法的电压补偿法比外接法更为精确。
4结论
在中学物理中,伏安法测电阻是基础实验之一,实验原理简单,操作简便。
但精确度不是很高,利用电压补偿法来提高测量电阻的精确度,不过电压补偿法实验原理相对复杂。
伏安法测量电阻时,误差主要是电流表和电压表的内阻带来的系统误差。
另外其被测电阻所流过的电流是由电源电压所决定的,在测量中,电压表的最小量程为3V,一般情况电表读数在量程的2/3至满量程的范围内,读数误差最小,但考虑在2V-3V时,流过电阻的电流过大,流过电阻的电流过大使电阻发热,阻值会增加,所以实验中电压最大只取1V.而应用补偿法测量电阻,被测电阻所流过的电流是可以控制的,被测电阻虽仍有微量电流流过,但0.5mA或更微小的电流流过被测电阻所造成的影响是完全可以忽略的.由此可见,利用补偿法测电阻,既能够避免伏安法测电阻时由于电表内阻引入的误差,又可以避免电桥法测电阻时由于比率臂电阻不精确引入的误差,不失为一种精确测量电阻的方法。
但是对于中学生来说,电压补偿法难度很高。
所以中学适用伏安法测电阻的内接法和外接法对电阻进行测量。
参考文献:
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高等教育出版社,2007,40~42.
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