实验一、伏安法测二极管的特性研究 要求: 1、正确画出实验电路图(包含正向和反向特性)。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确使用仪器与仪表测量二极管正向和反向特性各六组数据。(正向时二 极管的端电压小于0.60V,反向时二极管的端电压小于15V 能处理数据数据,得出二极管特性 参考资料:见普通物理学实验电学部分 惠斯通电桥测量中值电阻 要求: 1、能正确画出实验原理电路图,掌握用惠斯通电桥测量中值电阻的原理 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。注意:在记录数据时有效数据 的位数 3、正确测量待测电阻的阻值并测出该比例臂条件下的灵敏度(比例臂为1:1 时) 4、能正确进行数据处理,计算不确定度,表示出实验结果。 附录:参考资料: 惠斯通电桥测量中值电阻的原理 惠斯通电桥是直流平衡电桥。当电阻箱的电阻R2改变时,可使BC间的电流方向改 变。R为某一数值只R1时,恰好使U>UC,电流由B流向C,检流计中指针向某一方 向偏转;改变R2值为另一数值R2时.可使UB<Uc,电流由C流向B,检流计中指针向 反向偏转;当R改变为R1<R3<R2(或R1>Rx>R2)中某一值时,恰好使UB=Uc则检流计 中无电流流过,指针示零不动,称为“电桥平衡”。此时 UCp=U IARA=IBRB IxR=IsRs 因为检流计中无电流,所以LA=lx,IB=l,上列两式相除,得 R R
1 实验一、伏安法测二极管的特性研究 要求： 1、正确画出实验电路图（包含正向和反向特性）。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确使用仪器与仪表测量二极管正向和反向特性各六组数据。(正向时二 极管的端电压小于 0.60V，反向时二极管的端电压小于 15V 4、能处理数据数据，得出二极管特性。 参考资料：见普通物理学实验电学部分 二、惠斯通电桥测量中值电阻。 要求： 1、能正确画出实验原理电路图，掌握用惠斯通电桥测量中值电阻的原理 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。注意：在记录数据时有效数据 的位数 3、正确测量待测电阻的阻值并测出该比例臂条件下的灵敏度（比例臂为 1：1 时） 4、能正确进行数据处理，计算不确定度，表示出实验结果。 附录：参考资料： 一、惠斯通电桥测量中值电阻的原理 惠斯通电桥是直流平衡电桥。当电阻箱的电阻 Rs 改变时，可使 BC 间的电流方向改 变。 Rs 为某一数值只 Rs1 时，恰好使 UB ＞ UC ，电流由 B 流向 C，检流计中指针向某一方 向偏转；改变 Rx 值为另一数值 Rs2 时．可使 UB ＜ UC ，电流由 C 流向 B，检流计中指针向 反向偏转；当 Rx 改变为 Rs1 < Rs < Rs2 (或 Rs1>Rx>Rs2)中某一值时，恰好使 UB=UC则检流计 中无电流流过，指针示零不动，称为“电桥平衡”。此时 UAC =UAB , UCD=UAB 即 IARA=IBRB , IxRx=IsRs 因为检流计中无电流，所以 IA =Ix ，IB=Is,上列两式相除，得 X A R R = s B R R (1)
R Rx R R 式(1)即为电桥的平衡条件。田式(2)列知,若RA,RB,为巳知,只要改变值Rs,使检流 计中无电流,并记下此时的R,即可算得只R。 为了消除的比值误差对测量结果的影响,实验中,交换R3和Rx的位置再测一次,如 Rr D D C E (b) 图16-I 图16-1(b)所示,取两次测量结果的平均值作为Rx,可得 R=√Ra1*R2 (3) 用惠斯通电桥测电阻是将被测电阻Rx和已知电阻R3比较.由检流计示零来判断电 桥平衡,对电源的稳定性要求不高.只要检流计足够灵敏,选用标准电阻作桥臂,被测电阻 阻Rx就可以达到同其他桥臂同样的精度。 2电桥的测量误差。 在自搭电桥中,设电桥灵敏度足够高,主要考虑RA,RB,R引起的不确定度,此时: AR,△R,△RA△R R,R.R, R 采用交换测量法可以消除RA,RB本身的误差对测量结果的影响。则有: △R.△R AR R R (4) 它只与电阻箱Rx的仪器误差限有关。而Rs可选用具有一定精度的标准电阻箱,这样 R的误差就可减小。实验时,Rs一般采用ZX21A直流电阻箱,其仪器误差限为 AR,=±(0.001R2+0.002m 三、用双臂电桥测低值电阻。 2
2 Rx = B A R R Rs (2) 式（1）即为电桥的平衡条件。田式(2)列知，若 RA，RB，为巳知，只要改变值 Rs，使检流 计中无电流，并记下此时的 Rs，即可算得只 Rx。 为了消除的比值误差对测量结果的影响，实验中，交换 Rs 和 Rx 的位置再测一次，如 图 16—1(b)所示，取两次测量结果的平均值作为 Rx，可得： Rx = Rs1 * Rs2 (3) 用惠斯通电桥测电阻是将被测电阻 Rx 和已知电阻 Rs 比较．由检流计示零来判断电 桥平衡，对电源的稳定性要求不高．只要检流计足够灵敏，选用标准电阻作桥臂，被测电阻 阻 Rx 就可以达到同其他桥臂同样的精度。 2.电桥的测量误差。 在自搭电桥中，设电桥灵敏度足够高，主要考虑 RA，RB，Rs 引起的不确定度，此时: 采用交换测量法可以消除 RA，RB本身的误差对测量结果的影响。则有： (4) 它只与电阻箱 Rx 的仪器误差限有关。而 Rs 可选用具有一定精度的标准电阻箱，这样 Rs 的误差就可减小。实验时,Rs 一般采用 ZX21A 直流电阻箱，其仪器误差限为 (5) 三、用双臂电桥测低值电阻
要求: 1、掌握用用双臂电桥测低值电阻原理,能正确画出实验路图。(已知四个电阻 箱的阻值分别为109、109、20009、20009、标准电阻丝上每厘米阻的阻值 为0.019,电源电压取30V,工作电流取1A) 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路 3、正确30cm长的金属棒电阻的阻值(或金属棒电阻率)计算不确定度,表示 出实验结果 4、回答惠斯通电桥(或伏安法)不能测低值电阻而双臂电桥测低值电阻的原因 附录:参考资料: 实验原理 1、四端引线法 测量中等阻值的电阻,伏安法是比较容易的方法,惠斯顿电桥法是一种精密的测量 方法,但在测量低电阻时都有发生了困难。这是因为引线本身的电阻和引线端点接触电 阻的存在。图1为伏安法测电阻的线路图,待测电阻Rx两侧的接触电阻和导线电阻以 等效电阻r1、x2、x3、r4表示,通常电压表内阻较大,r1和r4对测量的影响不大 而r2和r3与Rx串联在一起,被测电阻(x2+Rx+x3),若r2和r3数值与Rx为同一数量 级,或超过Rx,显然不能用此电路来测量Rxe 若在测量电路的设计上改为如图2所示的电路,将待测低电阻Rx两侧的接点分为 两个电流接点C-C和两个电压接点P-P,C-C在P-P的外侧。显然电压表测量的是P-P 之间一段低电阻两端的电压,消除了x2、和r3对Rx测量的影响。这种测量低电阻或低 电阻两端电压的方法叫做四端引线法,广泛应用于科技测量中。例如为了研究高温超导 体在发生正常超导转变时的零电阻现象和迈斯纳效应,必须测定临界温度Tc,正是用 通常的四端引线法,通过测量超导样品电阻R随温度T的变化而确定的。低值标准电 阻正是为了减小接触电阻和接线电阻设有四个端钮 r2 C Rx E 图1伏安法测电阻 图2四端引线法测电阻 2、双臂电桥测量低电阻 用惠斯顿电桥测量电阻,测出的Rx值中,实际上含有接线电阻和接触电阻(统称 为R)的成分(一般为103-10+9数量级),若R/Rx<Rx<0.5%,通常可以不考虑R
3 要求： 1、掌握用用双臂电桥测低值电阻原理，能正确画出实验路图。（已知四个电阻 箱的阻值分别为 10Ω、10Ω、2000Ω、2000Ω、标准电阻丝上每厘米阻的阻值 为 0.01Ω，电源电压取 30V，工作电流取 1A）。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确 30cm 长的金属棒电阻的阻值（或金属棒电阻率），计算不确定度，表示 出实验结果 4、回答惠斯通电桥（或伏安法）不能测低值电阻而双臂电桥测低值电阻的原因 附录：参考资料： 实验原理 1、四端引线法 测量中等阻值的电阻，伏安法是比较容易的方法，惠斯顿电桥法是一种精密的测量 方法，但在测量低电阻时都有发生了困难。这是因为引线本身的电阻和引线端点接触电 阻的存在。图 1 为伏安法测电阻的线路图，待测电阻 RX两侧的接触电阻和导线电阻以 等效电阻 r1 、r2、、、 r3 、 r4 表示，通常电压表内阻较大，r1 和 r4 对测量的影响不大， 而 r2 和 r3 与 RX 串联在一起，被测电阻（r2+RX+r3）， 若 r2 和 r3 数值与 RX为同一数量 级，或超过 RX，显然不能用此电路来测量 RX。 若在测量电路的设计上改为如图 2 所示的电路，将待测低电阻 RX两侧的接点分为 两个电流接点 C-C 和两个电压接点 P-P，C-C 在 P-P 的外侧。显然电压表测量的是 P-P 之间一段低电阻两端的电压，消除了 r2、和 r3 对 RX测量的影响。这种测量低电阻或低 电阻两端电压的方法叫做四端引线法，广泛应用于科技测量中。例如为了研究高温超导 体在发生正常超导转变时的零电阻现象和迈斯纳效应，必须测定临界温度 Tc，正是用 通常的四端引线法，通过测量超导样品电阻 R 随温度 T 的变化而确定的。低值标准电 阻正是为了减小接触电阻和接线电阻设有四个端钮。 图 1 伏安法测电阻 图 2 四端引线法测电阻 2、双臂电桥测量低电阻 用惠斯顿电桥测量电阻，测出的 RX 值中，实际上含有接线电阻和接触电阻（统称 为 Rj）的成分（一般为 10-3~10-4Ω数量级），若 Rj/RX<RX<0.5%，通常可以不考虑 Rj
的影响,而当被测电阻达到较小值时,R所占的比重就明显了。因此,需要从测量电 路的设计上来考虑。双臂电桥正是把四端引线 法和电桥的平衡比较法结合起来精 密测量低电阻的一种电桥。如图3 R、R2为桥臂电阻。 R为比较用的己知标准电阻,Rx为 被测电阻。R和Rx是采用四端引线 的接线法,电流接点为C1、C2(Rs 在实物上是较粗的,Rx在实物上是 外侧两接点):电位接点P1、P2(Rs Ii-le 在实物上是较细的,Rx在实物上是 内侧两接点) 被测电 阻则是Rx上P1、P2间的电阻 图3双臂电桥测低电阻 测量时,接上被测电阻R,然后调节各桥臂电阻值,使检流计指示逐步为零,则Ig=0时, 根据基尔霍夫定律可写出以下三个回路方程 1R1=4·R4+12R2 1R2=1,·R2+l2R (,-l2)=12(R2+R) 式中r为Cs2和Cx1的线电阻。将上述三个方程联立求解。可写成下列两种不同形式 R=R3+ R Rr+R+R2R R2 由此可见,用双臂电桥测电阻,Rx的结果由等到式右边的两项来决定,其中第一项与 单臂电桥相同,第二项称为更正项。为了使双臂电桥求R的公式与单臂电桥相同,使 计算方便,所以实验中可设法使更正项尽可能做到为零。在采用双臂电桥测量时,通常 可采用同步调节法,令R/Rl=R′/R2,使得更正项能接近零。则式(2.34)变为 R R R 另外,Rx和R电流接点间的导线应用较粗的、导电性良好的导线,以使r值尽可 能小,这样,即使R/RI与R′/R2两项不严格相等,但由于r值很小,更正项仍能趋 近于零 双臂电桥所以能测量低电阻,总结为以下关键两点 (1)单臂电桥之所以不能测量小电阻,是因为用单臂电桥测出的值,包含有桥臂间 的引线电阻和接触电阻,当接触电阻与Rx相比不能忽略时,测量结果就会有很大的误差。 而双臂电桥电位接点的接线电阻与接触电阻位于R、R1和R、R2的支路中。实验中设法令 R、R、R1、R2都有不小于109,那么接触电阻的影响就可以略去不计 (2)双臂电桥电流接点的接线电阻与接触电阻,一端包含在电阻x里面,而r是存 在于更正项中,对电桥平衡不发生影响:另一端则包含在电源电路中,对测量结果也不会产
4 的影响，而当被测电阻达到较小值时，Rj 所占的比重就明显了。因此，需要从测量电 路的设计上来考虑。双臂电桥正是把四端引线 法和电桥的平衡比较法结合起来精 密测量低电阻的一种电桥。如图 3 中，R、Rˊ、R1、R2 为桥臂电阻。 Rs 为比较用的已知标准电阻，Rx 为 被测电阻。Rs和 Rx是采用四端引线 的接线法，电流接点为 C1、C2（Rs 在实物上是较粗的，Rx 在实物上是 外侧两接点）；电位接点 P1、P2（Rs 在实物上是 较细的，Rx在实物上是 内侧两接点）。 被测电 阻则是 Rx上 P1、P2间的电阻。 图 3 双臂电桥测低电阻 测量时，接上被测电阻 Rx ，然后调节各桥臂电阻值，使检流计指示逐步为零，则 Ig=0 时， 根据基尔霍夫定律可写出以下三个回路方程。 式中 r 为 Cs2 和 Cx1 的线电阻。将上述三个方程联立求解。可写成下列两种不同形式。 由此可见，用双臂电桥测电阻，Rx 的结果由等到式右边的两项来决定，其中第一项与 单臂电桥相同，第二项称为更正项。为了使双臂电桥求 Rx 的公式与单臂电桥相同，使 计算方便，所以实验中可设法使更正项尽可能做到为零。在采用双臂电桥测量时，通常 可采用同步调节法，令 R/R1=Rˊ/R2，使得更正项能接近零。则式（2.3.4）变为 另外，Rx和 Rs电流接点间的导线应用较粗的、导电性良好的导线，以使 r 值尽可 能小，这样，即使 R/R1 与 Rˊ/R2 两项不严格相等，但由于 r 值很小，更正项仍能趋 近于零。 双臂电桥所以能测量低电阻，总结为以下关键两点： （1）单臂电桥之所以不能测量小电阻，是因为用单臂电桥测出的值，包含有桥臂间 的引线电阻和接触电阻，当接触电阻与 Rx 相比不能忽略时，测量结果就会有很大的误差。 而双臂电桥电位接点的接线电阻与接触电阻位于 R、R1 和 Rˊ、R2 的支路中。实验中设法令 R、Rˊ、R1、R2 都有不小于 10Ω，那么接触电阻的影响就可以略去不计。 （2）双臂电桥电流接点的接线电阻与接触电阻，一端包含在电阻 r 里面，而 r 是存 在于更正项中，对电桥平衡不发生影响；另一端则包含在电源电路中，对测量结果也不会产 ( ) ( ') 2 2 2 ' 1 2 2 1 1 2 2 I I r I R R I R I R I R I R I R I R s s x s s − = + = + = + ( ) 2 ' 2 1 ' 2 1 R R R R r R R r R R R R Rs s − + + = + x Rs R R R 1 =
生影响。当满足R/Rl=R′/R2条件时,基本上消除了r的影响。 四、用板式电位差计测电源的电动势 要求: 1、掌握用板式电位差计测电源的电动势原理,能正确画出实验路图。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路 3、正确、规范测量待测电源的电动势。计算不确定度,表示出实验结果 4、怎样利用电位差计精确测量电阻,试画出原理示意图,推导实验定量分析公 式 附录:参考资料: 用直流电位差计精确测量电压 【实验目的】 1.掌握补偿法测量电压的原理 2.掌握电位差计的工作原理和使用方法 3.学会用电位差计测电源电动势及其内阻 【实验原理】 采用普通电压表直接测量电压时,测 量误差主要来源于两个方面,即电压表本 身的基本误差和电表内阻造成的测量方法 误差。如果用比较法代替上述的直接测量 法,即将待测电压与标准电动势进行比较 B 以确定待测量,可以减小测量误差。直流 电位差计测量电压就是属于这种方法,它 的特点是测量精度高,但操作过程较繁琐 1.电位差计原理 E 图4-8-1补偿原理
5 生影响。当满足 R/R1=Rˊ/R2 条件时，基本上消除了 r 的影响。 四、用板式电位差计测电源的电动势。 要求： 1、掌握用板式电位差计测电源的电动势原理，能正确画出实验路图。 2、正确选择实验仪器并按实验电路图接好电路。 3、正确、规范测量待测电源的电动势。计算不确定度，表示出实验结果 4、怎样利用电位差计精确测量电阻，试画出原理示意图，推导实验定量分析公 式。 附录：参考资料： 用直流电位差计精确测量电压 【实验目的】 1. 掌握补偿法测量电压的原理； 2. 掌握电位差计的工作原理和使用方法； 3. 学会用电位差计测电源电动势及其内阻。 【实验原理】 采用普通电压表直接测量电压时，测 量误差主要来源于两个方面，即电压表本 身的基本误差和电表内阻造成的测量方法 误差。如果用比较法代替上述的直接测量 法，即将待测电压与标准电动势进行比较 以确定待测量，可以减小测量误差。直流 电位差计测量电压就是属于这种方法，它 的特点是测量精度高，但操作过程较繁琐 1. 电位差计原理 图 4-8-1 补偿原理 E Ex A N B G