正文 第13章 恒定電流的實驗操作與改進設計(1)(2 / 3)

更直接的比較方法是:將甲電阻用乙電阻代替,電路的運行情況不變,則甲、乙兩電阻也必相等,此法屬替代法。通過啟發,學生設計的電路。電路的操作方法是:1合上K1、K2,調節R2,以使Rx上的端壓為標準電池電動勢ε所補償;2斷開K2,合上K3,維持R2不變,調節R1,使R1接入電路後也恰能為ε補償平衡,便有Rx=R1。

所給器材中隻有一個電鍵,接在K1位置,K2、K3靠接拆導線來實現通斷。

前述幾種實驗方法比較典型,Rx的阻值可以直接得出或用電壓與電流比給出。那麼可否利用平衡電橋,抓住電路的幾個特定狀態建立方程,從而確定Rx之值?圖7就是學生設計的電路。

電路的設計意圖是:在橋路平均時,Rx兩端的電壓為ε,而R2/R1便是上下兩路的分流比,可計算出通過Rx的電流,Rx也就可以求出。

但這一電路的設計中有一致命缺陷:補償法要求補償回路中沒有電流通過。一旦有電流通過,標準電池兩端電壓便不是電動勢ε,而是U=ε±Ir(何時取“+”號,何時取“-”號,讀者自己思考)。I、ε、r分別表示通過電池的電流、電池的電動勢及其內阻。由於內阻r未知,其端壓U使無法得知。對此電路稍作改進。

利用圖8電路測定Rx的具體做法是:合上開關K後,調節R1、R2使檢流表G上無電流通過時,R1兩端的電壓就是ε,而待測電阻Rx與安培表A並聯電路兩端的電壓為IRA,I為此時A之示數,RA為其內阻(在圖2電路中已經測出)。據串聯電路的分壓關係有(Rx·RARx+RA)∶R1=(I·RA)∶εRx=IR1R2AεRA-IR1RA該電路要求安培表A作為一個電阻元件與Rx並聯。學生都知道安培表內阻非常小,隻能串聯在電路中測電流,而不能與電阻並聯。要解決這個問題,隻要在圖2電路中測出安培表的內阻RA後稍加點撥,便可使學生的思維產生飛躍,安培表是由電流表改裝而成的,量程越小,所並聯的分流電阻越小。本實驗用的是量程為1mA的安培表,電阻可以比較大(實驗測得這隻表內阻RA=292Ω)。

測量電阻一直是競賽中實驗測試的重點,而測量電阻的方法又比較多,如伏安法、比較法、替代法、補償法、半偏法等,這就要求參賽選手除有較強的動手操作能力外,還要有較強的思維能力和實驗設計能力。如果我們教練員能在學生學習了這些方法的基本原理之後,用一些典型實驗加以培訓,讓他們從中發現這些方法間的區別和聯係,以及在一定條件下的相互轉化,對於提高他們的物理思維水平、實驗設計技能以及考場應變能力都會有很大幫助的。

歐姆表測電阻的誤差估讀

實驗中較為精確地測量電阻值一般都使用電橋來進行,用歐姆表測電阻隻是大致地估讀出其數值,一般不再去考慮其讀數的誤差值。因此利用萬用表表盤的現有刻度同時又能簡潔地估讀誤差這一問題被擱置起來。在全國中學生物理競賽二試實驗操作競賽的試題及相應的輔導題中,編排著大量用歐姆表測量電阻值的問題。按照“全國中學生物理競賽內容提要”中關於誤差的要求:有直讀示數時的有效數字和誤差”,這樣在歐表上直讀阻值時除了有效數字外還必須估讀出其誤差值,於是這一原來被擱置的問題在競賽輔導中被重新提了出來。

杭州師範學院物理係俞達仁老師在競賽輔導的實踐中尋求並論證了一種利用萬用表表盤現有刻度且能簡便地估讀出其誤差值的方法,其論證過程所引用的理論知識也不超出中學物理知識範圍,為一般中學生所能接受。

下文具體論證該種估讀法。

在電壓不變的情況下,若回路電阻增加一倍,則電流減為一半。歐姆表是依據這個原理製作的,因此各種(及各檔)歐姆表,其原理圖可簡單地表為。

把歐姆表表筆短路,調節限流電阻R使表針指到滿標度,則電路中的電流為I=εRx①式中Rz=R+r+RM′,稱為歐姆表的綜合內阻,r為幹電池的內阻。此時通過表頭的電流是滿偏電流值為Ig=R2R2+RMI=εR2R2(R2+RM)。②R2為與表頭並聯的標準電阻,RM為表頭的內阻。

若在表筆間串聯被測電阻Rx,則電路中的電流降為Ix,此時Ix=εRx+Rz③而此時通過表頭的電流為Ix′=R2R2+RMIx=εR2(Rx+Rz)(R2+RM)④∴△Ix′=εR2△Rx(R2+RM)(Rx+Rz)2⑤上式中△Ix′可表示為進行電阻測量時通過表頭電流強度示值的最大可能絕對誤差,則最大值用誤差為m=△Ix′Ig·100%⑥按國家標準“電測量指示儀表通用技術條件”規定,用引用誤差表示基本誤差時電表即分為七級,計有K=01,02,05,10,15,25,50等級數。m=K%=05%,便稱該表為05級,K為電表等級數,每隻萬用電表的表盤上都會具體地標明該表頭的等級數。從而(6)式又可表示為△Ix′=Igm=Ig·K%⑦由(5)式可得△Rx=△Ix′·(R2+RM)(Rx+Rz)2εR2⑧將(2)、(7)二式代入(8)式可得△Rx=K·%(Rz+RxRz)2⑨設N為所使用的萬用表電流檔滿偏格數,n為使用該萬用表測電阻Rx時表針偏轉的格數,則有Ix′=IgN·n⑩由(4)、(10)兩式可得IgN·n=εR2(Rx+Rz)(R2+RM)將(2)式代入(11)式可得Rz=nRxN-n將(12)式代入(9)式可得△Rx=K·%·N2(N-n)nRx(13)式即是歐姆表測電阻時,最大誤差值的估讀公式。