电位差计测电池的电动势和内阻

课题用线式电位差计测电动势

1．了解电势的补偿原理，并理解用电势差计测电动势的基本方法和特点；教学目的 2．掌握电势差计的工作原理和结构特点；

3．学会用线式电势差计测量电源电动势。

重难点 1．补偿法的理解；

2．电势差计的正确使用。

教学方法讲授、讨论、实验演示相结合。

学时 3个学时

一、前言

电势差计是一种精密的电学测量仪器，在精密测量中，电势差计是应用最广的仪

器之一，它主要用来测量电动势、电势差和校准电表，还可用于间接地测量电阻、电

流和一些非电量（如温度、压力）等，其精度可达0.1%～0. 03%。

用电势差计测电动势，就是将未知电压与电势计上的已知电压相比较。测量中由

于电势差不从被测对象中取用电流，并且应用了标准电池、标准电阻及高灵敏度检流

计，因而测量精度高，测量结果可靠。

二、实验仪器

直流稳压电源，万用表，线式电势差计，指针式检流计，标准电池，待测电磁，

滑线变阻器，电位器，双掷双刀开关，单掷单刀开关，带保护电阻单刀开关，导线。

三、实验原理

关键讲清两点：1、补偿法 2、补偿法的实现

（一）直接用电压表测量电动势时，得到的是电池两端的路端电压，由于电池有

内阻，只要有电流通过，它就会有电压降，所以电压表的示值（端电压）总是小于电

源电动势。

（二）补偿法:要消除电池内阻产生的电压降，就必须使流过电池的电流为零，

因此要测量未知电动势，原则上按图4.8－1所示电路进行，电势差计就是利用补偿

法测电池的电动势。

（三）电势差计工作原理

实际使用中，精度高而连续可调的电动势是没有的。为了实现上述测量，通常采用分压的方法。电势差计就是根据补偿原理制成的高精度分压装置。电势差计有多种类型，本实验使用的是线式电势差计，其原理如图4.8－2所示。电势差计主要由工作回路、校准回路和待测回路三个部分组成。

1．接通1K 后，有电流I 通过电阻丝AB 。

2．标准化：把2K 拨向标准电池s E ，检流计G 上有可能有电流流过，适当调整C 、D 两点位置，找到合适的C 、D 长度，使G 的指针零偏转，即s CD E U =，此时，电路

处于平衡状态，电阻CD R 上的电压降与标准电池的电动势互为补偿。

如果单位长度电阻丝电阻为0R ，CD 长度为s L ，则有

CD 端的电势差：0s s E IR L =

3．保持电阻n R 不变，即工作电流I 保持不变，把2K 合向待测电池x E ，重新找'C 、'D 位置，使检流计G 再次指零，达到补偿状态。

''C D 长度为x L ，则0x x E IR L =

则有：x x s s

L E E L =⋅ 当s E ，s L ，x L 都已知时，电源电动势x E 可求出。

四、实验内容与步骤

（一）仪器介绍

板式电势差计、标准电池（讲解注意事项以及s E 不同温度对应值）、工作电源（稳压电源，调节电压值不得超过5V ）、待测电池（一节1.5V 电池）、滑线变阻器，电位器、检流计（讲解如何

使用以及保护）、单刀开关

（两个）、双刀双掷开关

（讲解如何接线）。

（二）合理布置仪器

按图4.8－3正确连接

线路，首先连接工作回路，

再接待测回路，最后接校

准回路。

（三）校准电势差计

首先测出始温t ，由表格查出此温下标准电池的电动势值，记录在数据表上，取电阻丝，确定长度s L 为6m ，根据公式/s s M E L =，算出单位长度电阻丝上的电压降。将万用电表调至2.5V 档，粗测待测电池电动势值'x E ，记录于数据表中，由公式

'

'/x x L E M =,估算出测量x E 电阻丝的大概长度。

其次将1n R （滑线变阻器）、2n R （电位器）调到中间位置，接上工作电源，合上

开关1K ，使工作回路接通，将C 端插入6号接线柱，D 端与0号接线柱密切接触，为使工作回路和标准回路尽快达到补偿状态，先用万用电表直流电压2.5V 档测6号和0号接线柱间电压，调节1n R 使之约为1.02伏。将检流计锁扣，调至白色圆点处，调节检流计机械零点。然后进行粗校，粗校时将换向开关2K 合向标准电池，接通校准回路，按下检流计电计钮，调节2n R ，使检流计指针指零。

最后进行细校，将开关3K 合上，使保护电阻R 短路，微调2n R ，使检流计指针再次指零，此时电势差计被校准（即工作电流被校准）。

（四）测量未知电动势

首先粗测，断开开关3K 、2K ，根据估算长度'

x L 确定C 端位置，将开关2K 合向待

测电池，接通待测回路，保持电阻1n R 、2n R 不变，接通检流计，保持D 端位置，并使之与电阻丝点接触，使检流计指针指零（粗测）。然后细测，合上开关3K ，微调D 端位置，使检流计指针再一次指零，断开开关3K 、2K ,读取所测电阻丝长度x L 。

（五）重复上述两个步骤，一共测五次。

五、数据表格及数据处理

1．数据表格

（1）单次测量

室温7.8()t C = 标准电池电动势 1.0190()s E V =

（2）多次测量

2．计算不确定度

（1）电势差计使用的电阻丝往复绕在11个接线柱上，考虑其缠绕不均，估计每米误差为0.002m ，且误差为均匀分布，则

∆=（i L 为实际使用长度）。 对确定长度

s L ∆= 0.0069()s L U m =∆==

对测量长度

x L 0.002L ∆= 0.0109()x L U m == （2）标准电池在0~40C 范围内的最大误差不超过50V μ，即

)V ⨯'

－5仪＝4.010（。按正态分布处理，则554.010210()3s E U V --⨯==⨯ （3）合成不确定度（忽略检流计灵敏度不够引起的误差）

（4）测量结果表达式 1.5850.003()x x E E U V =±=±

六、注意事项

1．线路接好后，要仔细检查，确认无误方可接通电源，特别要注意正负极的连接，断开电源时，应先断开校准回路。

2．实验过程中强调保护标准电池和检流计不受损害，标准电池的通电时间不宜过长，通过标准电池和检流计电流都不宜过大。因此为避免出现过大电流，调试时应掌握先粗后细的原则，先粗测再细测。

3．工作电流标准化以后，1n R 、2n R 不可再改变，否则就必须重新进行校准。由于工作条件的不稳定，工作电流常偏离标准状态，为此每次测一次数据，必须重新进行一次校准，以减小测量误差。

4. 学会估计及趋势把握，节省时间，不要盲目寻找。

• 5. 调节电势差计D 端时，D 端与电阻丝只作点接触，严禁将D 端按下后左右移动，避免刮伤电阻丝。

七、教学后记