2023北航物理实验研究性实验报告电位差计及其应用

北航物理实验研究性实验报告——电位差计及其应用 篇一：北航物理实验研究性实验报告——电位差计及其应用 北航物理实验研究性实验报告 ——电位差计及其应用 作者：
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目录 摘要........................................................................................................................ 3 一实验重点............................................................................................................ 3 二实验原理............................................................................................................ 3 补偿原理........................................................................................................ 3 UJ25型电位差计 ........................................................................................... 4 三实验仪器............................................................................................................ 5 四实验内容............................................................................................................ 5 自组电位差计................................................................................................ 5 UJ25型电位差计 ........................................................................................... 5 五数据记录与整理................................................................................................ 6 原始数据........................................................................................................ 6 数据处理........................................................................................................ 6 六讨论.................................................................................................................... 7 摘要 电位差计的测量准确度高，且避免了测量的介入误差，但它操作比较复杂，也不易实现测量的自动化。在数字仪表快速发展的今天，电压测量仪逐步被数字电压表所替代，后者因为内阻高，自动化测量容易，得到了广泛的应用。尽管如此，电位差计作为补偿法的典型应用，在电学试验中仍有重要的训练价值。

一实验重点 1. 学习补偿原理和比较测量法。

2. 牢固掌握基本电学仪器的使用方法，进一步规范实验操作、 3. 培养电学实验的初步设计能力。

4. 学习仪器误差限和不确定度的估算。

二实验原理 补偿原理 为了避免接入误差，可以采用如图所 示的补偿电路。如果cd可调，E>EX，则 总可以找到一个cd位置，使Ex所在回路 中无电流通过，这是Vcd=EX。上述原理称 为补偿原理；
回路EX→G→d→c→EX称为 补偿回路；
E→S→A→B→E构成的回路成 为辅助回路。为了确认补偿回路中没有电 流通过（完全补偿），应当在补偿回路中 接入一个具有足够灵敏度的检流计G，这 种检流计来判断电流是否为零的方法，称 为零示法。

由补偿原理可知，可以通过测定Vcd来确定Ex，接下来的问题便是如何精确测定Vcd，再次采用比较测量法。如上图所示，把EX接入RAB的抽头，当抽头滑至位置cd时，G中无电流通过，则Ex=IRcd，其中I是通过Rab的电流；
再把一电动势已知的标准电池EN接入RAB的抽头，当抽头滑至位置ab时，G再次为0，则EN=IRab，于是 ??cd????=?? ab?? 这种方法是通过电阻的比较来获得待测电压与标准电池电动势的比值关系的。由于RAB是精密电阻，Rcd/Rab可以精确度出，EN是标准电池，其电动势也有很高的精确度，因此只要在测量过程中保持辅助电源E的稳定并且检流计G有足够的灵敏度，EX就可以有很高的测量准确度。按照上述原理制成的电压测量仪器叫做电位差计。

应该指出，上式成立的条件是辅助回路在两次补偿中的工作电流I必须相等。事实上，为了便于读数，I=EN/Rab应当标准化（例如取I=I0≡1mA），这样就可由相应的电阻值直接读出Vcd即EX=I0/Rcd。在UJ25中的做法是在辅助回路中串接一个可调电阻RP，按公式Rab=EN/I0预先设置好Rab，调节RP，但不改变Rab，直至Vab=EN，调节Rcd，并保持工作电流不变。

UJ25型电位差计 UJ25型电位差计是一种高电势电位差计，测量上限为1.1911110V，准确度为0.01级，工作电流I0=1mA，使用方法如下。

A调解工作电流：将功能转换开关置N、温度补偿电阻RAB旋至修正后的标准电池电动势“1.018伏”后两位，分别按下“粗”“细”按钮，调节RP至检流计指零。

B测量待测电压：功能转换开关置X1或X2，分别按“粗”“细”按钮，调节RCD至检流计指零，则RCD的显示值为待测电压。

三实验仪器 ZX-21电阻箱（两个）、指针式检流计、标准电池、稳压电源、待测干电池、双刀双掷开关；
UJ25型电位差计、电子检流计、待校电压表、待测电流表。

四实验内容 自组电位差计 （1）
设计并连接自组电位差计的线路 a) 画出电路图，注意正确使用开关，安排好工作电流标准化以及EX测量的补偿回路。

b) 按设计要求（E≈3V，EX≈1.5~1.6V，I=I0≡1mA，EN按温度修正公式算出），设置各仪器或元件的初值或规定值。标准电池温度修正公式为：
EN≈E20－3.99×10?5(t－20℃)??2－0.94×10?6(t－20℃)2＋9×10?9(t－20℃)3式中E20为20℃时的电动势，可取E20=1.01860V （2）
工作电流标准化，测量干电池电动势。

a) 为保证测量的准确度，每次测量后应校验工作电流有无改变；

b) 在补偿调节中要采用跃接法。

（3）
测量自组电位差计的灵敏度 UJ25型电位差计 使用UJ25型电位差计测量干电池的电动势。

a) 注意工作电源和待测电池的极性；

b) 根据工作电源的电压值，接入电位差计的对应端子（19~2.2V或2.9~3.3V）；

c) 现根据室温计算标准电池的电势，再调节对应旋钮使工作电流标准化；

d) 先按“粗”按钮，调节RCD使检流计示零，然后按“细”按钮，再次使检流计示零。

篇二：电位差计研究性实验报告 北京航空航天大学物理实验研究性报告 实验专题 第一作者 第二作者 院（系）名称 电位差计及其应用 李萌 凌勇 自动化科学与电气工程学院 2020年12月15日 目录 北京航空航天大学物理实验研究性报告 .......................................................................... - 1 - 目录...................................................................................................................................... - 2 - 1.摘要................................................................................................................................... - 3 - 关键字：
...................................................................................................................... - 3 - 2.实验原理 ........................................................................................................................... - 3 - 图一 .............................................................................................................................. - 3 - 2.1 补偿原理 ............................................................................................................... - 3 - 2.2零示法 .................................................................................................................... - 3 - 2.3测量原理 ................................................................................................................ - 4 - 2.4 UJ25型电位差计 .................................................................................................. - 4 - 3. 实验仪器 ......................................................................................................................... - 6 - 4. 实验步骤 ......................................................................................................................... - 6 - 4.1 自组电位差计 ....................................................................................................... - 6 - 4.2 UJ25型箱式电位差计 ....................................................................................... - 6 - 5.实验数据处理 ................................................................................................................... - 7 - 5.1自组式电位差计测电动势 .................................................................................... - 7 - 5.2 UJ25型电位差计测电动势 .................................................................................. - 8 - 5.3 UJ25型电位差计测电阻 ...................................................................................... - 9 - 6. 误差分析 ......................................................................................................................... - 9 - 6.1电位差计工作电源电压不稳：
............................................................................ - 9 - 6.2检流计灵敏度误差 .............................................................................................. - 10 - 6.3调平检流计时人眼与检流计未保持平衡 .......................................................... - 10 - 6.4标准电源的电动势变化 ...................................................................................... - 10 - 7. 实验改进 ....................................................................................................................... - 10 - 7.1 测出电压随时间的变化情况 ............................................................................. - 10 - 7.2 保持水平视线读数 ............................................................................................. - 10 - 7.3 选择适宜灵敏度 ................................................................................................. - 10 - 8. 感想与总结 ................................................................................................................... - 11 - 【参考文献】 .................................................................................................................... - 11 - 附件：原始数据 ........................................................................................................ - 12 - 1.摘要 本研究性实验阐述了电位差计测量干电池电动势的实验原理和实验步骤，旨在了解电位差计及其应用，并在此基础上，对自组式电位差计和UJ25型箱式电位差计的相关实验进行了分析，讨论和改进。

关键字：电位差计；
补偿原理；
UJ25型电位差计；
电阻；
系统误差。

2.实验原理 电位差计是利用电压补偿原理制成的一个内阻真正无穷大的电压表，用于精密测量电势差或者电压。同理，利用电流补偿原理也可以制作一内阻为零的电流表，用于电流的精密测量。

图一 图1 2.1 补偿原理 由于如果直接把伏特表接到干电池两级进行测量(如图1左所示) 会因伏特表分流产生接入误差，为了避免接入误差。采用补偿电路（如图1右所示）。

补偿原理正是电位差计高精确度的来源，它精巧的利用了电阻之间的分压定律而使得电位差计变为内阻真正无穷大的电压表，补偿原理，顾名思义，就是用一个补偿电路和补偿电阻来补偿内阻非无穷大所带来的介入误差，故称补偿。

2.2零示法 为了避免接入误差，可以采用如图1右所示的补偿电路。若cd可调，E > Ex，则总可以找到一个cd位置，使E 所在回路中无电流通过。

上述原理称为补偿原理；
回路Ex→G→ d→c→Ex 称为补偿回路；
E→S→A→B→E构成的回路称为辅助回路。在找CD位置使Vcd=Ex的过程中，由于无法对电压是否相等作出直观判断，故无法判定电压是否相等。此时，在补偿电路中串联入一个灵敏度足够高的检流计，当检流计偏转为零时，即可确定此时Vcd=Ex,这种用检流计来判断电流是否为零的方法，称为示零法。

2.3测量原理 先由温度对电池的修正公式算出在实验室条件下的标准电池的电压值EN 标准电池温度修正公式为：
EN ≈ [1.01860 - 3.99×10-5(t - 20) - 0.94×10-6(t - 20)2 + 9×10-9(t - 20)3]V 再由EN算出当I = 1mA时ab的阻值，调好ab。双刀双掷开关打到左端，调节CD，使检流计指针不偏转（此时主干路中电流为标准电流）。将双刀双掷开关打到右侧，同时调节变阻箱AB、CD，使其电阻之和不变（保证干路电流不变），同时使检流计指针不再偏转。

此时变阻箱CD的读数乘以1mA即为未知电源的电压。

由补偿原理可知，可以通过测定 Vcd来确定 Ex，接下来的问题便是如何精确确定Vcd，在此采用比较测量法。把Ex接入RAB的抽头，当抽头滑至位置cd时，G中无电流通过，则Ex=IRcd，其中I是流过RAB的电流；
再把一电动势已知的标准电池EN接入RAB的抽头，当抽头滑至位置ab时，G再次示零，则EN=IRAB，于是：
Ex = RcdEN （1）Rab 这种方法是通过电阻的比较来获得待测电压与标准电池电动势的比值关系的。由于RAB是精密电阻，Rcd/Rab可以精确读出，EN是标准电池，其电动势也有很高的准确度，因此只要在测量过程中保持辅助电源E的稳定并且检流计G有足够的灵敏度，Ex就可以有很高的测量准确度。按照上述原理做成的电压测量仪器叫做电位差计。

应该指出，式（1）的成立条件是辅助回路在两次补偿中的工作电流I必须相等。事实上，为了便于读数，I = EN/Rab应当标准化（例如取I = I0 = 1mA），这样就可由相应的电阻值直接读出Vcd 即Ex=I0Rcd。

2.4 UJ25型电位差计 UJ25型电位差计是一种高电势电位差计，测量上限为1.911110V，准确度为0.01级，工作电流I0=0.1mA。它的原理如图3所示，图4是它的面板，上方12个接线柱的功能在面板上已表明。

图 3 图4 图中RP，即右下角标有粗，中，细，微的四个连续旋钮，起调节工作电流I0之用。RAB为两个步进电阻旋钮，起调节工作电流时修正标准电池电动势之用。RCD是标有电压值——即I0Rx之值——的六个大步进旋钮，用以测出未知电压的值。左下角标有“粗”、“细”、“短路”的三个按钮是检流计G的控制开关，通常处于断开状态，按下“粗”，检流计接入电路，但串联一大电阻R’,用以在远离补偿的情况下，保护检流计；
按下“细”，检流计直接接入电路，使电位差计处于高灵敏度的工作状态；
“短路”是阻尼开关，按下后检流计线圈被短路，摆动不止的线圈因受很大的电磁阻尼而迅速停止。这三个按钮上方的是功能转换开关，当其处于“断”时，电位差计不工作；
处于“N”时，接入EN可进行工作电流的检查和调整；
处于X1和X2时，测第一路或者第二路的位置电压。

电位差计使用方法如下: 1 调解工作电流：将功能转换开关置N、温度补偿电阻RAB旋至修正后的标准电池电动势“1.018_ _V”后两位，分别按下粗、细按钮，调节RP至检流计指零。

2 测量待测电压：功能转换开关置X1或X2，分别按“粗”“细”按钮，调节RCD至检流计指零，则RCD的显示值为待测电压。

篇三：物理研究性实验报告_自组电位差计及其应用 北航物理研究性实验报告 ——自组电位差计及其应用 班级：
第一作者：
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目录 摘要.................................... 错误！未定义书签。

一：实验目的........................... 错误！未定义书签。

二：实验原理........................... 错误！未定义书签。

补偿原理.......................... 错误！未定义书签。

零示法............................ 3 测量原理.......................... 错误！未定义书签。

UJ-25型电位差计................ 错误！未定义书签。

三：实验仪器........................... 错误！未定义书签。

四：实验步骤........................... 错误！未定义书签。

五：数据记录与整理................... 错误！未定义书签。

数据记录.......................... 错误！未定义书签。

数据处理.......................... 错误！未定义书签。

对比对象..........................7 六：讨论............................... 9参考文献..............................10 摘要：在本实验中，书本上列举了一个自组电位差计的 实验电路，由此，我们思考能否对已知电路进行一些改动并 用此电路进行测量。我们参考了UJ-25型电位差计的电路， 设计了新的实验电路，并在实验中应用此电路对未知电动势 进行了测量，与书本上的进行对比。

一：实验目的 1 学习补偿原理和比较测量法。

2 牢固掌握基本电学仪器的使用方法，进一步规范实 验操作 3 培养电学实验的初步设计能力。

4 学习仪器误差限和不确定度的估算。

二：实验原理 补偿原理 为了避免接入误差，可 以采用如图所示的补偿电路。

如果cd可调，E>EX，则总可以 找到一个cd位置，使EX所在回 路中无电流通过，这是Vcd=EX。

上述原理称为补偿原理。

零示法 回路EX→G→d→c→EX称 为补偿回路；
E→S→A→B→E构 成的回路成为辅助回路。为了 确认补偿回路中没有电流通过（完全补偿），应当在补偿回路中接入一个具有足够灵敏度的检流计G，这种检流计来判断电流是否为零的方法，称为零示法。

测量原理 由补偿原理可知，可以通过测定Vcd来确定Ex，接下来的问题便是如何精确测定Vcd，再次采用比较测量法。如上图所示，把EX接入RAB的抽头，当抽头滑至位置cd时，G中无电流通过，则Ex=IRcd，其中I是通过Rab的电流；
再把一电动势已知的标准电池EN接入RAB的抽头，当抽头滑至位置ab时，G再次为0，则EN=IRab，于是这种方法是通过电阻的比较来获得待测电压与标准电池电动势的比值关系的。

由于RAB是精密电阻，Rcd/Rab可以精确度出，EN是标准电池，其电动势也有很高的精确度，因此只要在测量过程中保持辅助电源E的稳定并且检流计G有足够的灵敏度，EX就可以有很高的测量准确度。按照上述原理制成的电压测量仪器叫做电位差计。

应该指出，上式成立的条件是辅助回路在两次补偿中的工作电流I必须相等。事实上，为了便于读数，I=EN/Rab应当标准化（例如取I=I0≡1mA），这样就可由相应的电阻值直接读出Vcd即EX=I0/Rcd。在UJ25中的做法是在辅助回路中串接一个可调电阻RP，按公式Rab=EN/I0预先设置好Rab，调节RP，但不改变Rab，直至Vab=EN，调节Rcd，并保持工作电流不变。

UJ-25型电位差计 UJ-25型电位差计是一种高电势电位差计，测量上限为 1.1911110V，准确度为0.01级，工作电流I0=1mA，使用方法如下。

A 调解工作电流：将功能转换开关置N、温度补偿电阻RAB旋至修正后的标准电池电动势“1.018伏”后两位，分别按下“粗”“细”按钮，调节RP至检流计指零。

B 测量待测电压：功能转换开关置X1或X2，分别按“粗”“细”按钮，调节RCD至检流计指零，则RCD的显示值为待测电压。

三：实验仪器 ZX-21电阻箱（2个）、指针式检流计、标准电池、稳压电源、待测干电池、双刀双掷开关。

四：实验步骤 1 画出电路图，如图1，注意正确使用开关，安排好工作电流标准化以及EX测量的补偿回路。

2 按设计要求（E≈3V，EX≈1.5~1.6V，I=I0≡1mA，EN按温度修正公式算出），设置各仪器或元件的初值或规定值。标准电池温度修正公式为：
EN≈E20－3.99×T－0.94×0.000001×T2＋9×0.000000001×T3 式中E20为20℃时的电动势，可取E20=1.01860V,T=t－20℃。

3 为保证测量的准确度，每次测量后应校验工作电流有无改变；