板式电位差计实验的难点与要点

李欣茂 黄家敏 赵萍

摘要： 板式电位差计测量电池的电动势和内阻是一个相对较难的实验，为了更好地完成这一实验，作者对实验过程中的难点及其解决方法进行了研究，并总结了实验过程中的操作要点。上述经验已经在实验教学中得到了应用，收到了很好的效果，学生实验的成功率也大为提高。

关键词： 板式电位差计测量电动势

板式电位差计实验是大学物理实验课程电磁学实验部分的一个常见实验。一般我们是用板式电位差计去测量干电池的电动势和内阻。实验的内容并不多，但是学生普遍感觉比较难做，甚至很多学生无法完成实验。最主要的原因是学生没有掌握本实验的关键点。

下面首先介绍实验的基本内容，再分析实验的难点与要点。

1.基本实验内容

板式电位差计测量电池的电动势和内阻是电磁学实验中的一个常规实验。其基本实验内容包括以下几个部分。

1.1补偿法的原理

用电位差计测电动势，其原理如图1所示，其中E为待测电动势，E为数值已知并且可以调节电动势。若调节E使检流计指示为零，则表示待测电动势E与此时的E大小相等，这时我们称电路达到补偿。用这种方法测量电动势（或电位差）称为补偿法。使被测电动势与标准电动势比较，电位差计就是依据此原理设计制成的仪器［１］。

1.2板式电位差计实验的基本原理

实用电位差计测电动势的原理如图2所示，将电源E，限流电阻R和粗细均匀的滑线电阻R串联成闭合电路，称为辅助回路，调节R，使电路中有一恒定的电流通过，R上有两个滑动头C、D，移动C、D，不仅能改变R的值，同时也可以改变U的值的大小，所以U相当于图1中的E，是一个可以调节数值大小的电源［２］。

用板式电位差计测电动势（电位差）分两步进行：

（1）校准电位差计，将转换开关K′倒向S，则CEGDC组成校准工作电流回路，调节限流电阻R，改变工作回路中的电流，并调节C、D滑动头，使图2中

U=E=IR（1）

这时检流计中无电流通过，C、D间的电压恰好与标准电池的电动势E相等，即电位差计处于补偿状态，这时工作回路中的电流就被精确地校准到所需要的电流值，这一步骤称为电位差计校准。

（2）测量未知电动势E，保持辅助回路电流I不变，将转换开关K′倒向X，且调节滑动头C、D的位置至C、D，则CEGDC组成测量回路，若C、D的位置合适，使电压U=E，则

U=E=IR（2）

比较（1）式和（2）式得

=

得E=•E（3）

因电阻丝AB是粗细均匀的，电阻之比等于相应长度之比，所以

E=•E（4）

L、L可测出来，E为已知，则根据（4）式可计算得E。

（3）测电池内阻r

将E与R并联，测出端电压U，根据U=E-Ir即可求出

r=•R（5）

1.3用板式电位差计测量电池的电动势

板式电位差计的结构如图3所示，电阻丝AB长11米，往复绕在11个插孔上，依孔号顺序，相邻两插孔电阻丝长1米，插头C作粗调节，可插在插孔0、1、2…10中任一位置（图中联在6号孔）、电阻丝OB下面有一根带刻度的米尺，触头D可在OB上滑动，进行微调。移动C、D两个触头便可获得所需要的电压，使电位差计处于补偿状态。

（1）校准电位差计，按图3连接电路，接通开关K，调节滑动电阻R使电压指示约为2.2伏（0.20伏/米），将开关K′倒向标准电池的接线端钮，根据标准电压电动势的数值（例如1.01861伏），将活动插头C插入合适的插孔，并滑动触头D，使检流计指针几乎不偏转，合上开关K″，进一步细调D的位置，使I=0，电位差计已调准，以后保持工作电流不变，读取CD间电阻丝和长度L值。

（2）将转换开关K′倒向X，根据待测电池电动势的估计值，调整C、D调整两个活动触头在合适的位置，使I=0，记录此时C、D间的电阻丝的长度L值。

按以上步骤重复测量五次，取L和L的平均值代入（4）式计算E值。

（3）根据实际情况估计L和L的绝对误差，并计算E的相对误差。

1.4用板式电位差计测量干电池的内阻

为了测量干电池的内阻，可把干电池同一已知电阻R（用电阻箱）构成图4所示回路，合上开关K，电路中没有电流I通过，内阻

r==•R（6）

式中R为干电池放电的外电阻。

测外电阻R=500Ω时的内电阻。

测量时，将图4中的m、n两接线端接到图3的对应点m、n上去，仿照测电动势的方法，平衡时，读取此时对应C、D间电阻丝长度L的数值，重新调整，测量五次，求其平均值。注意：被测电池应是断续放电，可以证明，（5）式可改写为：

r=•R（7）

用上式计算出干电池的内阻r。

2.实验的难点与要点

2.1实验难点

学生在做板式电位差计实验时，普遍感觉比较困难。难点有如下几个。

（1）图3中C、D两点的初始位置难以很好地确定。

这就要求在测量之前要初步估计待测电动势的数值。并根据这个数值估计C、D间电阻丝长度大概应该是多少。

（2）在调节D点的位置时，出现电路时通时断的现象。

出现这种现象，主要是因为电阻丝在长期使用以后发生弯曲变形，使得滑动触头D在移动过程中不能很好地保持与电阻丝接触。正确的做法是先移动滑动触头D使其到达预定位置，再按住滑动触头D，使其触点与电阻丝接触，然后再观察检流计指针的偏转情况。

（3）在进行重复测量时，往往前后两次的测量结果相差很大。

出现这种情况往往是由于实验系统在前一次调节平衡以后，回路中的工作电流发生了漂移。此时需要对电路重新进行校准，然后再进行测量［３］。

（4）对内阻的测量方法理解不透。

此时教师应该注意结合电路详细讲解测量原理，并与前面的电动势测量进行类比，同时将测量原理的推导过程尽量详细地展示给学生，以帮助他们理解［4］。

2.2实验要点

根据实验难点，我们概括了实验过程中必须要注意的操作要点。遵循这些操作要点将大大提高实验的成功率［5］。

（1）实验开始，合上主电路开关，必须调节划线变阻器，使得AD两端电压为2.2伏，即电阻丝上的电压降为2.2/11=0.2V。这一步必须做，是为了以后便于估计Ls，Lx的长度，从而能够更快地确定C点和B点的位置。

（2）用万用表粗测被测干电池的电动势，以便更好地估计与Ex对应的Lx的数值。例如，粗测被测干电池的电动势为1.56伏，则可以估计Lx=1.56/0.2=7.8米。即将C点插在7米的孔里，将B点滑动并接触到80cm处，再调节电桥平衡，则电桥将很快就能够通过调节达到平衡。

（3）在实验过程中，必须时刻注意保持B点与电阻丝的接触。由于一些电位差计的电阻丝已经弯曲，故常常导致B点按下去时，电阻丝滑开，导致B点不能很好地与电阻丝接触，此时，检流计的指针往往会只往一边偏（无论怎么调节）。

（4）实验中出现故障，检流计的指针往往会只往一边偏（无论怎么调节），还有可能是电路中某一根连接线断路了。此时，需要用万用表检查每一根线的电阻。若电阻为零，则该连接线正常。否则该连接线就有问题，需要更换。

（5）设计电路时，要注意对检流计的保护，最好在检流计支路上串接一个电阻箱，用来限制通过检流计的电流。

（6）注意电阻丝和检流计不宜长时间通电。

（7）B点滑动时不宜与电阻丝接触，必须在滑动到位置后，再按下B点，才使其与电阻丝接通。

（8）检流计使用之前，必须调零。

（9）读取Ls，Lx的长度（以米为单位）时，必须取小数点以后4位小数。

（10）做板式电位差计校正电表实验时，表中数值可以按照电流读数值变化，也可以按照Rs阻值变化，如果按照电流读数值变化时，则当电流值为50MA时，Rs阻值往往只有1欧姆左右。可能会有一些问题出现，例如，误差比较大，等等，应当想办法解决这些问题。

3.总结

板式电位差计测量电池的电动势和内阻是一个相对较难的实验，为了更好地完成这一实验，我们对实验过程中的难点及其解决方法进行了研究，并总结了实验过程中的操作要点。上述经验已经在实验教学中得到了应用，收到了很好的效果，学生实验的成功率也大为提高。

参考文献：

［1］孟桂菊.板式电位差计与箱式电位差计的区别与联系［J］.黄冈师范学院学报，2002，22，（3）:74-75.

［2］张学华.用板式电位差计测电池的电动势和内阻的实验研究［J］.大学物理实验，2010，23，（5）:65-66.

［3］潘渊.对十一线电位差计工作电流选择问题的讨论［J］.陕西工学院学报，2000，16，（1）:85-87.

［4］元晶，宋燕飞.用板式电位差计测干电池内阻［J］.甘肃联合大学学报（自然科学版），2006，20，（6）:55-58.

［5］王开圣，刘小廷.十一线电位差计定标的可操作性［J］.大学物理实验，2003，16，（2）:55-58.

基金项目：湘南学院院级科研课题（2011YY23），湖南省普通高校教改课题（20080213）。