大学物理实验报告单臂双臂电桥和电阻测温实验完整解答.docx

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大学物理实验报告单臂双臂电桥和电阻测温实验完整解答

电桥实验试题标准答案

[采用电桥测量中值电阻]一、实验原理

答：

惠斯登电桥是用于精确测量中值电阻的测量装置。

电桥法测电阻，实质是把被测电阻与标准电阻相比较，以确定其值。

由于电阻的制造可以达到很高的精度，所以电桥法测电阻可以达到很高的精确度。

1．惠斯登电桥的线路原理

惠斯登电桥的基本线路如图1所示。

它是由四个电阻R1Rx

R1，，R2RsRx联成一个四边形ACBD，在对角线AB上接上电源E，在对角线CD上接上检流计P组成。

接入检流计（平衡指示）的对角线称为“桥”，四个电阻称为“桥臂”。

在一般情况下，桥路上检流计中有电流通过，因而检流计的指针有偏转。

若适当调节某一电阻值，例如改变Rs的大小可使C、D两点的电位相等，此时流过检流计P

的电流IP=0，称为电桥平衡。

则有图1单臂电桥连线图

VC=VD

（1）IR1=IRx=I1

（2）

IR2=IRs=I2（3）由欧姆定律知

VAC=IR11=VAD=IR22（4）

VCB=IR1x=VDB=IR2s（5）由以上两式可得

R1

Rx=Rs（6）

此式即为电桥的平衡条件。

若R1，，R2Rs已知R2，Rx即可由上式求出。

通常取、为标准R1R2电阻，称为比率臂，将RR1/2称为桥臂比；为可调电阻，称为比较臂。

改变使电桥达RsRs到平衡，即检流计P中无电流流过，便可测出被测电阻之值。

Rx

2．用交换法减小和消除系统误差

分析电桥线路和测量公式可知，用惠斯登电桥测量Rx的误差，除其它因素外，与标准电阻R1，R2的误差有关。

可以采用交换法来消除这一系统误差，方法是：

先连接好电桥电路，调节使RsP中无电流，可由式（6）求出Rx，然后将与交换位置，再调节使R1R2RsP中无电流，记下此时的，可得Rs′

R

Rx=2Rs′（7）

R1式（6）和（7）两式相乘得

Rx2=RRss′或

Rx=RRsS′（8）这样就消除了由R1，R2本身的误差对Rx引入的测量误差。

Rx的测量误差只与电阻箱Rs的仪器误差有关，而Rs可选用高精度的标准电阻箱，这样系统误差就可减小。

2、实验仪器答：

电源，滑线变阻器，电阻箱（3个），灵敏检流计，待测中值电阻，带保护电阻的开关，开关，导线若干。

3、实验步骤答：

1、把检流计的开关打开，对其进行机械调零，完成后关闭开关。

2、按照图1所示的电路连接好线路，设定电源电压为5V，滑线变阻器处于安全位置。

3、设定R1和R2的值，R1/R2=200Ω/200Ω，调节可调电阻Rs到适当阻值，闭合总开关。

4、打开检流计开关，看检流计是否有偏转，调节Rs阻值，直到检流计指针指零。

5、闭合检流计支路上带保护电阻的开关，再次仔细调节Rs，直到检流计指针精确指零。

6、记下Rs的阻值。

平衡法测量到此完成。

7、交换R1与R2位置，重复步骤4、5，记下Rs阻值Rs’，交换法测量完成。

8、关闭电源，关闭检流计开关，收拾仪器。

4、原始数据记录答：

桥臂电阻

电阻值

比较电阻

电阻值

R1

200.1Ω

Rs

199.8Ω

R2

199.9Ω

R′S

200.7Ω

5、原始数据处理，给出测量结果，误差分析答：

（1）平衡法：

R1200.1RX=RS=×199.8≈200.0ΩR2199.9仪器不确定度：

Δ=R1∑Ra×%+=R02100××0.5%+10.15××%+0.03=1.035Ω

ΔR2=1100××0.5%+9101××%+912××%+9×0.15×%+0.03=1.655Ω

ΔRS=1100××0.5%+9101××%+912××%+8×0.15×%+0.03=1.65Ω

不确定度相对值：

222222

=

ΔRX⎛⎜⎜ΔRR11⎞⎟⎠⎟+⎛⎜⎜⎝ΔRR22⎟⎠⎟⎞+⎛⎜⎜⎝ΔRRSS⎠⎟⎞⎟=⎝⎜⎛1.035200.1⎟⎞⎠+⎜⎛⎝199.91.655⎞⎟⎠+⎜⎛⎝199.81.65⎞⎟⎠=1.3%

RX⎝

不确定度：

ΔRRX=X×1.3%=2.6Ω≈3Ω，结果：

RX=200±3（Ω）。

误差分析：

由于RX的计算结果与R1，R2，RS三个电阻都有关，而每个电阻的不确定度都会传递到终结果，所以误差稍大。

（2）交换法：

Rx=RRsS′=199.8×200.7=200.2Ω仪器不确定度：

ΔRS′=2100××0.5%+7×0.15×%+0.03=1.065Ω

2222

相对误差：

ΔRX=⎛⎜⎜Δ2RRSS⎞⎟⎟⎠+⎛⎜⎜⎝Δ2RRS′S′⎟⎠⎟⎞=⎝⎜⎛2199.8×1.65⎟⎞⎠+⎛⎝⎜2×1.065200.7⎞⎠⎟=0.49%

RX⎝

不确定度：

ΔRX=RX×0.49%≈1Ω，结果：

RX=200±1（Ω）。

误差分析：

消除R1，R2的影响，不确定度大大减小了，但仍然存在仪器误差。

另外，检流计的微小偏转也能带来读数误差。

附：

电阻箱的准确度等级如下：

旋钮倍率

×10000

×1000

×100

×10

×1

×0.1

准确度等级

0.1

0.1

0.5

1

2

5

六、回答问题

1、如何确定电阻箱仪器误差？

答：

根据电阻箱的准确度等级，把每个电阻旋钮上的值乘以各自的准确度等级，后加上零电阻时的不确定度，此为电阻箱的总不确定度；而误差等于不确定度除以电阻箱读数。

如电阻箱读数为12345.6Ω，其仪器不确定度为：

Δ=仪∑Ra×%+R0

=10000×0.1%+2000×0.1%+300×0.5%+401×+×+×%52%0.65%+0.03=14.06Ω

则电阻箱误差为：

ΔR14.06R12345.6

==0.11%。

2、电桥平衡后，互换电源和检流计位置，电桥是否平衡？

答：

平衡。

因为电桥平衡公式仍然成立。

[采用电桥测量低值电阻]一、实验原理答：

开尔文电桥就是对惠斯登电桥加以改进而成，它适用于低值电阻的测量。

1．双臂电桥工作原理

双臂电桥的线路如图2-1，等效电路如图2-2所示。

它有两大特点：

（1）待测电阻Rx和比较臂电阻Rs都是采用四端接法接入电路。

三根电流端引线的附加电阻分别为r1′、rr、2/。

其中r1′包括导线电阻、A点接触电阻、以及AA＇间电阻的总和。

r和r2′也是类似的情况。

另外，四根电压端引线的附加电阻分别为r1、r3、r4和r2，它们都包含导线电阻和接触电阻。

RhRh

图2-1双臂电桥连线图图2-2双臂电桥等效电路

（2）在电路中增加了R3和R4两个电阻，即多了一组桥臂。

由于有两组桥臂，所以称为双臂电桥。

双臂电桥可减小附加电阻对测量低电阻的影响，一是Rx和均Rs采用了四端接法，它巧妙地避免了接线电阻和导线电阻对测量电阻的影响（这里并不是说它们被消除了，而是被引到其它支路上去了。

在其它支路上，它们往往可以被忽略不计）；二是桥臂电阻分别比相应的附加电阻大得多，附加电阻也可忽略不计；三是Rx和采Rs用足够粗的导线联接，使得附加电阻r（又称跨线电阻）很小，又由于四个桥臂电阻R1、R2、、R3R4比Rs、Rx要大得多，于是当双臂电桥平衡时，桥臂电流i1和i2必然比流过Rx和Rs的电流I小得多。

这样附加电阻r1、r3、、r4r2的电压降与四个桥臂电阻以及Rx、Rs上的电压降相比小得多，因而可忽略不计。

适当调节电阻R1、、、R2R3R4和使检流计RsP没有电流通过，即电桥达到平衡。

此时流过R1和，和R2R3R4以及Rx和Rs的电流分别相等，设分别为i1、i2和I。

当双臂电桥平衡时，H和P两点的电位相等，下述关系式成立。

即

（R1+r1）⋅i1=RIx+（R3+r3）⋅i2⎫

（R2+r2）⋅i1=RIs+（R4+r4）⋅i2⎪⎬

（1）r⋅（I−i2）（=R3+r3+R4+r4）⋅i2⎪⎭

为了使附加电阻rr1、、2r3和的影响可以忽略不计，在双臂电桥电路设计中要求桥臂电r4阻RR1、、2R3和足够大，即R4R1>>r1、R2>>r2、R3>>r3和R4>>r4。

同时B和C的联接采

用一条粗导线，使得附加电阻r很小，以满足I>>i1和I>>i2的条件。

于是式

（1）可简化为

Ri1⋅1=RIx+Ri3⋅2⎫

⎪

（2）

R2⋅i1=RIs+R4⋅i2⎬rI⋅=（R3+R4）⋅i2⎪⎭解此方程组可得

Rx=R1R+Rr4⋅⎛⎜R1−R3⎞⎟（3）

R2R4⎠

在实验测量过程中，若始终保持RR1/2=RR3/4，则式（3）中的第二项会始终保持为零，即

R1

Rx=Rs另外，用四端式电阻来减小附加电阻的影R2响

图2-3双臂电桥原理图图2-4四端式电阻等效原理图

图2-3为研究附加电阻对低电阻测量影响的原理图。

图中ra1，，表示与接点相ra2ra3a

连的三条支路的附加电阻，，，rb1rb2rb3是与接点b相连的三条支路的附加电阻。

图中ra1，rb1与电流测量回路或供电回路串联，因为，ra1rb1很小，所以它们的串入对电路状态不会产生太大的影响。

ra2，rb2是与电压测量回路串联，而与Rx并联，它们的接入，相当于加大了电压表内阻，这对测量是有益的。

ra3和与rb3Rx串联，是对Rx测量直接有影响的部分。

因此，为了减少附加电阻对Rx测量的影响，就应尽量减小ra3和rb3，而相对地加大ra2，。

rb2图2-4为四端式电阻等效原理图。

如把的接头改成“四端”，在接线时将与电流回路相连Rx的接点

A、B（称为电流接头）及与电压回路相连的接点A＇、B＇（称为“电压接头”）分开，把电压接头放在里边，并用两较大的紫铜接线柱（为了减小接触电阻）作为电流接头，用两较小的接线柱作为电压接头，在电压接头与电流接头之间用粗的紫铜线或紫铜片连接以减小接线电阻。

那么ra1和，和ra3rb1rb3就可能减得很小了，此时两电压接头间的电阻，就能较准确地表示为Rx了。

所以，凡是要求有比较准确阻值的低电阻，一定是“四端”式接线的电阻，其阻值就是A＇、B＇之间的电阻。

2、实验仪器

答：

电源，滑线变阻器，电阻箱（4个），精密电阻箱，灵敏检流计，待测低电阻，带保护电阻的开关，开关，导线若干。

3、实验步骤答：

1、把检流计的开关打开，对其进行机械调零，完成后关闭开关。

2、按照图2所示的电路连接好线路，设定电源电压