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        一種新型十一線電位差計(jì)的特點(diǎn)研究

        2013-12-04 06:56:12章韋芳強(qiáng)曉明
        關(guān)鍵詞:單段電阻絲電位差

        章韋芳, 強(qiáng)曉明, 趙 敏

        (合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥230601)

        利用板式電位差計(jì)測量電源電動勢和內(nèi)阻是普通物理實(shí)驗(yàn)的一個(gè)基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。近年來,隨著電子工業(yè)的發(fā)展,高精度數(shù)字電壓表已逐步取代電位差計(jì)。但板式十一線電位差計(jì)完全敞開的結(jié)構(gòu)、極清晰的原理顯示,使其仍然是學(xué)生學(xué)習(xí)常用的一種科研方法——補(bǔ)償法不易被取代的典型訓(xùn)練[1][2]。我們在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)老式板式電位差計(jì)存在的嚴(yán)重的阻值不相符和不穩(wěn)定問題,已顯著地影響到實(shí)驗(yàn)效果[3]。為了解決這一問題,我們與企業(yè)合作研制了新型十一線電位差計(jì),大幅度提高了儀器性能,并獲國家專利 (專利號200820087565)。下面我們比較新、舊儀器結(jié)構(gòu)、性能等方面的不同。

        1 老式十一線電位差計(jì)

        結(jié)構(gòu)如圖1所示。一根11米長的電阻絲繞過多個(gè)銅柱后被分為等長的十一段,每段的阻值在理論上是相同的。最后一段電阻絲上設(shè)有一滑鍵,可在電阻絲上任意滑動。壓下滑鍵,可使電阻絲在此位置與其它電路接通[4][5]。老式板式電位差計(jì)結(jié)構(gòu)及其簡單,物理意義非常明晰,特別利于教學(xué)。其根本性缺陷是各段電阻絲阻值的相符度和穩(wěn)定性太差。因?yàn)楦鞫坞娮杞z的阻值由其與所繞過的銅柱的接觸位置和各自的接觸面狀況決定,由于繞線的松緊度,電阻絲、銅柱的表面狀況都很不穩(wěn)定,因此,各段電阻絲的阻值也就變得相當(dāng)不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確,且還不易調(diào)準(zhǔn)。我們用QJ23型直流電阻電橋檢測了一臺較新的老式板式電位差計(jì)的前十段電阻絲的理論值和實(shí)際值的相符度,結(jié)果如表1。

        表1 老式十一線電位差計(jì)單段電阻絲阻值狀況

        測量段電阻絲由于材質(zhì)關(guān)系,在滑鍵按壓下更易產(chǎn)生許多壓痕、皺褶,嚴(yán)重影響阻值的準(zhǔn)確性。我們在該段電阻絲的不同位置測量了阻值的理論值和實(shí)際值的相符程度,結(jié)果如表2,這種狀況使實(shí)驗(yàn)經(jīng)常難以進(jìn)行下去。

        表2 老式十一線電位差計(jì)測量段阻值狀況

        圖1 老式十一線電位差計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

        2 新式十一線電位差計(jì)

        為了改變以上狀況,我們與企業(yè)合作研制了新型十一線電位差計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖2。十根等長的電阻絲分別繞在細(xì)長有機(jī)玻璃棒上,然后通過接線柱首尾相連。這種新的結(jié)構(gòu)使單根電阻絲的長度固定,從而使其阻值也就固定不變了。第十一根電阻絲以一個(gè)阻值相等的滑盤式滑線變阻器替代。這種不同于老式電位差計(jì)的全新調(diào)節(jié)方法,使在單根電阻絲上做長度的微調(diào)變得很方便,易操作,讀數(shù)簡單,且接觸良好。使用實(shí)踐證明,新儀器既保留了老式板式十一線電位差計(jì)的優(yōu)點(diǎn),又克服了其主要缺陷,還縮小了儀器體積,完全滿足教學(xué)需求。

        經(jīng)檢測,新儀器的十個(gè)線繞電阻和滑盤變阻器的阻值狀況如表3和表4。

        圖2 新式十一線電位差計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

        表3 新式十一線電位差計(jì)單段電阻絲阻值狀況

        表4 新式十一線電位差計(jì)測量段(滑盤變阻器)阻值狀況

        3 數(shù)據(jù)分析

        表1和表3數(shù)據(jù)顯示,老式儀器單段電阻絲阻值的3次重復(fù)測量中,相差最大的為53×10-2Ω,新式儀器單段電阻絲阻值的3次重復(fù)測量中,相差最大的為1×10-2Ω;老式儀器單段電阻絲阻值的最大誤差值為120×10-2Ω,相對誤差為12%;新式儀器單段電阻絲阻值的最大誤差值為6×10-2Ω,相對誤差為0.6%,相差達(dá)20倍。老式儀器各段電阻絲阻值的總平均誤差為7.59%,新式儀器各段電阻絲阻值的總平均誤差只有0.52%。

        表2和表4數(shù)據(jù)顯示,老式儀器測量段阻值3次重復(fù)測量中,相差最大的為73×10-2Ω,新式儀器滑盤變阻器分段測量的阻值3次重復(fù)測量中,相差最大的為2×10-2Ω;老式儀器的測量段阻值,單次測量的最大誤差值為72×10-2Ω,最大相對誤差為16%;新式儀器的滑盤變阻器阻值,單次測量的最大誤差值為11×10-2Ω,最大相對誤差為2.67%。

        以上的數(shù)據(jù)分析表明新式十一線電位差計(jì)電阻絲阻值的穩(wěn)定性和相符度明顯優(yōu)于老式儀器。

        4 結(jié)束語

        新式十一線電位差計(jì)在測量精度、使用方便性和使用壽命等方面明顯優(yōu)于老式儀器,因此完全可以替代老式儀器。

        [1]趙青生.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].合肥:安徽大學(xué)出版社,2004:180-184.

        [2]于文華,陳艷偉,王秀敏,等.用自組電位差計(jì)測干電池電勢和內(nèi)阻[J].大學(xué)物理,2002,21(11):25,35-36.

        [3]文景,楊少波,嚴(yán)欽云等.十一線直流電位差計(jì)的研制[J].株洲工學(xué)院學(xué)報(bào),2000,14(2):37-38.

        [4]袁長坤.物理量測量[M].北京:科學(xué)出版社,2009:138-142.

        [5]魏懷鵬,展永,季世泰,等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2006:115-116.

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