用电位差计测热电偶的电动势.ppt

用电位差计测热电偶的电动势,大学物理实验物理实验中心第 8实验室,注意事项,安全人身安全电开水仪器安全调节旋钮等用力不能过猛、速度不能太快特殊仪器应按照使用说明的要求（标准电池，见指导书P47）纪律严禁抄袭（实验数据或实验报告），否则本次实验成绩0分,一、实验目的,了解电位差计的工作原理。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,二、背景介绍,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。,三、实验原理,要求从三个方面来掌握补偿法原理电位差计的工作原理热电偶,1、补偿法原理,补偿法原理图,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。按照图示将2个电动势对接当2个电动势相等时，无电流优点因为没有电路中附加电阻的分压作用，测量较精确,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。,2、电位差计的工作原理,通过前面给出的简单例子中的电路实际上无法完成测量工作如何让EN可变？如何解决EN不能通过较大电流的问题？为了解决上面的问题，采用下面的电路,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。,2、图中，RN为标准电池的温度补偿电阻，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EN，然后相应调节RN的值（使其读数等于EN）。,1、标准电池EN的输出电压与工作温度有关。,注2：电位差计的工作电流被设计为某个标准值 I，称为标准工作电流，我们必须在这个电流下进行测量。此时有,注1：RN的阻值在仪器制造时由制造商根据不同温度下的EN确定。所以RN的读数被表示成，也就是某个温度下EN的值。,3、RP为电位差计工作工作电流的调节电阻，当选定RN之后，再通过调节RP使电路中的实际电流等于标准工作电流 I。,4、通过K2接入待测电动势，可调节Rx的大小使得Ex与Rx两端电压补偿，此时可知Ex的值就是,说明：实际上这里还是用标准电池作为标准来衡量别的电动势，只是并没有让它们直接比较，而是依靠中介 I 的作用进行间接比较：,5、结果：因为工作电流是经过标准化的，Rx两端的电压与其阻值是一一对应的，所以可以将其读数表示为其两端的电压值，如下图,热电偶,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。,T1,T2,为温差系数,四、实验仪器,下图是该实验仪器组合,电位差计,检流计,标准电池,烧杯、温度计、热电偶,1、电位差计 UJ31型,与游标卡尺的读法一样,2、电位差计 UJ34型,3、检流计 AZ19型,交流电源供电，背后有电源开关,电池供电，无电源开关,接线柱,主旋扭,调零旋钮,4、标准电池,用于校准B组，一般不用,一般使用这一组,接到电位差计的“标准”接线柱,5、热电偶,热电偶,冷端，室温,热端，应与温度计水银头高度一致,五、操作步骤,大致分为四步准备工作；工作电流的标准化；测量；整理仪器、打扫卫生。,因为有2种型号的电位差计，仪器操作旋钮布局、结构和具体操作上有些地方不太一样，请注意区分。,A、准备工作,A.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（UJ31型则是将3个控制按钮全部松开）。如果是UJ31型，还应将量程开关K1放在“X1”档，表示R的读数倍率为1倍，如果是“X10”档，最后读数应该乘以10）。UJ34型没有K1开关，不用管。,UJ31型,A.2,A.2接线。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。,注意：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”（UJ34型）或“检流计”（UJ31型）接线柱上；热电偶容易断，已经连接好，如非必要，请不要动。,A.3,A.3将桌面上的电源开关打开。并打开检流计电源开关（如果有的话），进行调0。将“主旋扭”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。然后将主旋钮旋至最大档30mV档位待用。（为什么要用最大档位？）注意：调0之后不要再动“调零”旋钮。,A.4,A.4读出室温（注意精度），根据公式（P47）计算EN，并将RN调好，使RN读数等于EN；例如下图中读数为（注意小白点对应的位置）,1.0 1 8 6 7 V,B、工作电流标准化,B.1打开电位差计背面的电源开关（UJ31型只有1个，而UJ34型有2个，必须都打开），将转换开关K2旋至“标准”档；B.2使用K0的“粗”（将UJ31型上的按钮“粗”按下，或UJ34型旋至“粗”），观察检流计指针的偏转。调节RP使检流计指针向0刻度偏转（此时是粗调，不需要严格指0）；（此时检流计在30mV档）顺次减小检流计档位直至1mV档，观察检流计指针的偏转，重复,B.3B.4,B.3将电位差计控制开关K0旋至“细”（如果是UJ31型，则将按钮“粗”弹起，“细”按下），继续调节RP使检流计严格指零；（此时检流计在1mV档）B.4标准化完成，将K2以及K0置于“断”状态。,按照“先粗调后细调（K0）、先大档位后小档位（检流计由30mV到1mV档，最小必须用到1mV档）”的原则调节仪器。这里考察学生“手脑并用”的能力！,做这一部分内容的时候要用到“标准电池”，所以考虑到标准电池的特点，要求操作必须流畅，或者在非操作（思考、犹豫等）情况下应将K2以及K0置于“断”状态！,C、测量,C.1给烧杯里加入适量开水。注意大约1/4杯，水太多了冷却慢，太少了温度达不到；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；C.2将开关K2旋至“未知1”（热电偶都已经连接至“未知1”接线柱），将检流计重新置于30mV档；,C.3,C.3使用K0的“粗”（将UJ31型上的按钮“粗”按下，或UJ34型旋至“粗”），观察检流计指针的偏转。调节R使检流计指针向0刻度偏转（此时是粗调，不需要严格指0）；（此时检流计在30mV档）顺次减小检流计档位直至1mV档，观察检流计指针的偏转，重复,C.47,C.4将电位差计控制开关K0旋至“细”（如果是UJ31型，则将按钮“粗”弹起，“细”按下），继续调节R使检流计严格指零；（此时检流计在1mV档）C.5一次测量完成，先读出温度计示数，再读R读数，记入表中。C.6待温度下降46，重复C.4C.5，一共测量48组数据。C.7测量完成，将K0、K2断开。然后将数据给老师检查，并在实验记录本的相应位置签字。,D、整理仪器、打扫卫生,D.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；D.2将检流计主旋钮左旋到底，置于关机，并将导线取下；D.3将标准电池的连接导线取下；D.4关闭桌面电源；D.5将烧杯中的剩水倒掉；D.6用拧干的湿抹布将实验台和仪器表面擦一遍；D.7打扫实验室。,六、数据记录与处理,将数据记入下表，回去后按照后面的要求进行处理：,在坐标纸上作出Ex-T曲线；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，并进行误差分析。,数据处理方法及作图要求参考指导书第一章相关内容,七、实验中易出现的问题及解决方法,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。检流计不发生偏转，检查补偿回路是否通路。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。,八、课堂讨论题1,为什么测量前要进行工作电流标准化？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，只有进行工作电流标准化之后，此计算公式才成立。,八、课堂讨论题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。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。,九、思考题,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。P129，2、3两题,