箱式电势差计实验教学改革探讨

张 远，袁广宇

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

箱式电势差计实验教学改革探讨

张 远，袁广宇

（淮北师范大学 物理与电子信息学院，安徽 淮北 235000）

本文对箱式电势差计实验教学进行了研究和探索，设计了新的实验电路，在校正微安表的同时还可以测量其内阻.使用Origin软件对实验所得的数据进行处理，极大的提高了实验结果的处理速度和精确度.新的实验设计和数据处理方法的改进符合时代的要求，能显著提高学生的学习兴趣和效率.

箱式电势差计；微安表；Origin；数据处理

1 引言

箱式电势差计是一种通过与标准电势进行比较来测量未知电动势的设备，这种设备利用电压补偿法的原理[1]，在不改变被测电路的基础上抵消电源内阻、导线电阻以及回路等效电阻等难以避免因素对实验的影响，大大提高了测量的准确度，被广泛应用于电压、电阻和电流的精确测量上.电势差计实验是大学物理学领域最重要的基础实验之一，这是因为它所体现的补偿法原理是很多高灵敏度电学测量仪器设计的核心思想，有着重要的学术和经济价值.箱式电势差计实验教学基本目的是掌握仪器的使用，实验教科书[3]中一般包含两个基本实验，分别是电压表的校正和电阻的测量，这种实验设计在校正电表时并不能同时测电阻，因此需要重新连接电路进行测量，增加了实验的复杂性，实用性较差.

另外，一直以来实验教学中采用的数据处理方法是手工作图法，由于坐标纸的精确度只有2到3位，作图过程以及读数时都会产生较大误差，造成实验结果的误差非常大.很显然，手工绘图方法已经远远落后于时代，对学生将来就业以及继续学术深造都没有太多参考和应用价值.而随着计算机技术的飞速发展，各种计算机数据处理和绘图软件层出不穷，这些软件具有操作简单、数据处理功能强大、精确度高等特点，在学术研究与工业生产领域的应用也越来越广泛.因此，作为本科学生接触实验操作和数据处理的平台，大学物理实验教学也应该引入数据处理软件的学习和应用，提高数据处理的精确度和工作效率，为学生将来的学习和工作打下良好的基础.常用的计算机数据处理和绘图软件包括Matlab、Excel和Origin等[4]，其中Origin是Origin Lab公司推出的专业绘图软件和数据分析软件，具有包括统计、计算、拟合等强大的数据处理和分析能力，并拥有基于多达几十种模板的强大作图能力，该软件简单易学，无需编程，操作快捷，是国际上科技论文发表公认的标准作图工具.

在电学测量中常用的电流表和电压表都是由一个灵敏度很高的微安表作为“表头”改装而来的，因此表头的准确度和内阻大小决定着后续改装电表的成败，具有重要的测量价值.本文对箱式电势差计实验教学进行了探索和改进，设计了微安表校正电路，同时也能测量微安表内阻，减少了原实验的复杂性，具有较强的实际应用价值.使用Origin软件对实验数据进行处理，使得计算结果的精确度大大提高，同时培养学生利用计算机处理数据和绘制图形的能力，提高学生的学习兴趣和工作效率.

2 微安电流表校正与内阻测量的实验原理

图1所示是微安表的校正与内阻测量的测量回路实验原理图，其中R0为保护电阻，Rp为滑动变阻器，Rs为标准电阻，微安表的内阻记为Ra.测量时，调节滑动变阻器使微安表的读数I为整刻度，箱式电势差计的转换开关打到未知1上测量Rs两端的电压U1，打到未知2上测量微安表两端的电压U2.继续调节滑动变阻器，使微安表上的读数指向另外的整刻度，重复上传测量过程，记录U1、U2和I的读数.

实验使用的箱式电势差计是杭州精科仪器有限公司生产的UJ31型直流电势差计，使用内接的标准电源(1.0186 V)和检流计，检流计的灵敏度为5×10-9.使用YJ24型晶体管稳压电源作为工作电源，电压在5.7-6.4V之间.YB1711型直流稳压电源作为测量电路的电源，取E=0.5-1V左右.待测的微安表最大量程是100μA，使用ZX250a型标准电阻箱作为标准电阻.

图1 微安表校正与内阻测量电路原理图

2.1 微安表的校正曲线和等级

2.2 微安表内阻的测定

由实验原理图易知Rs、U1、Ra和U2的关系如下：

因此可以得出：

由于Ra和Rs都为定值，因此k为定值，即U1和U2满足线性关系.因此，令实验测得的U1值为横坐标，U2的值为纵坐标，使用作图法可以求出直线的斜率k，从而确定微安表的内阻为：

3 实验结果与数据处理

下面给出实验结果以及使用Origin 8.0软件进行数据处理的具体过程.取标准电阻Rs=1000Ω，调节滑动变阻器改变微安表的读数，测量六组不同的U1、U2和I，数据记录如表1所示.

表1 箱式电势差计校正微安表与内阻测量实验数据

根据表1所示的数据，使用Origin软件对数据处理如下：

（1）打开Origin，在worksheet界面生成4列“data”数据表，在A(X)列输入6组微安表的读数I，在B(Y)和C(Y)列分别输入电势差计测得的Rs和微安表两端的电压U1和U2.根据修正值的关系，由于U1的单位为mV，而I的单位为μA，Rs=1000Ω，把单位换算一致并代入Rs的值后，修正值的计算结果可以写成ΔI=U1-I，点右键设定D(Y)的值Col(D)=Col(B)-Col(A)，在D（Y）列中显示的结果即是修正值ΔI，不需要每个数据分别计算，大大降低了工作量.

（2）选中A(X)和D(Y)列，点击菜单栏Plot项中的“Line+ Symbol”，即可以画出微安表的校正曲线，如图2所示.

下面利用Origin软件的线性拟合功能求取微安表的内阻Ra，首先选中B(Y)列，点右键，设为X轴.同时选中B(X)和C(Y)列，点击菜单栏Plot项中的“Symbol”，可以画出U1和U2的点状关系图，选中图形，点击菜单栏里的Analysis，选择“FitLinear”，即可以得到U1和U2的线性拟合直线，同时软件会自动求出直线方程y=a+b*x的斜率和截距，如图3所示.由图可知，直接的斜率为1.5476，因此根据(5)式可以求出微安表的电阻Ra=1.5476×1000=1547.6Ω.

图2 微安表的校正曲线

图3 U1和U2的关系图及其线性拟合

可以看出，使用Origin软件对实验结果进行处理能减轻计算工作量，提高工作效率，并且避免手工制图引入的绘图和读数误差，极大的提高了结果准确度.

结论

本文设计了利用箱式电势差计校正微安表并且同时测量其内阻的实验，与教材中的实验相比具有更强的实际应用价值.另外，使用Origin软件对实验所得到的数据进行处理和绘制图形，极大的提高计算结果的精确度和处理速度.培养了学生利用计算机处理复杂数据的能力，为他们将来的工作和学习打下良好的基础.教学实践表明，Origin软件的引入能明显提高学生的兴趣，更加符合时代的要求.

〔1〕张亮亮.电位差计的实验研究[J].现代商贸工业,2009(10): 290-291.

〔2〕刘永萍.补偿法在电学测量中的应用[J].科技创新导报，2008(22):106.

〔3〕张杰，赵明，叶柳，袁广宇.大学物理实验（二级三级）[M].合肥：中国科学技术大学出版社，2009.72-77.

〔4〕翟凤潇，代海洋.电子逸出功测量实验中MATLAB的应用[J].中国电力教育，2012(1):97-98．

〔5〕刘芬，王爱芳，孙大鹏.Origin软件在大学物理实验数据处理中的应用[J].实验科学与技术,2010，8(1):19-21．

〔6〕路洪艳，刘强春，袁广宇.Origin在电子逸出功实验中的应用[J].淮北师范大学学报，2012(33):84-87.

G642.423

A

1673-260X（2016）12-0230-02

2016-10-14

安徽省省级质量工程，省级规划教材《电磁学》（2013ghjc176）