一种新型十一线电位差计的特点研究

章韦芳， 强晓明， 赵 敏

（合肥师范学院 电子信息工程学院，安徽 合肥230601）

利用板式电位差计测量电源电动势和内阻是普通物理实验的一个基本实验项目。近年来，随着电子工业的发展，高精度数字电压表已逐步取代电位差计。但板式十一线电位差计完全敞开的结构、极清晰的原理显示，使其仍然是学生学习常用的一种科研方法——补偿法不易被取代的典型训练［1］［2］。我们在多年的实验教学实践中发现老式板式电位差计存在的严重的阻值不相符和不稳定问题，已显著地影响到实验效果［3］。为了解决这一问题，我们与企业合作研制了新型十一线电位差计，大幅度提高了仪器性能，并获国家专利 （专利号200820087565）。下面我们比较新、旧仪器结构、性能等方面的不同。

1 老式十一线电位差计

结构如图1所示。一根11米长的电阻丝绕过多个铜柱后被分为等长的十一段，每段的阻值在理论上是相同的。最后一段电阻丝上设有一滑键，可在电阻丝上任意滑动。压下滑键，可使电阻丝在此位置与其它电路接通［4］［5］。老式板式电位差计结构及其简单，物理意义非常明晰，特别利于教学。其根本性缺陷是各段电阻丝阻值的相符度和稳定性太差。因为各段电阻丝的阻值由其与所绕过的铜柱的接触位置和各自的接触面状况决定，由于绕线的松紧度，电阻丝、铜柱的表面状况都很不稳定，因此，各段电阻丝的阻值也就变得相当不稳定和不准确，且还不易调准。我们用QJ23型直流电阻电桥检测了一台较新的老式板式电位差计的前十段电阻丝的理论值和实际值的相符度，结果如表1。

表1 老式十一线电位差计单段电阻丝阻值状况

测量段电阻丝由于材质关系，在滑键按压下更易产生许多压痕、皱褶，严重影响阻值的准确性。我们在该段电阻丝的不同位置测量了阻值的理论值和实际值的相符程度，结果如表2，这种状况使实验经常难以进行下去。

表2 老式十一线电位差计测量段阻值状况

图1 老式十一线电位差计结构示意图

2 新式十一线电位差计

为了改变以上状况，我们与企业合作研制了新型十一线电位差计。其结构如图2。十根等长的电阻丝分别绕在细长有机玻璃棒上，然后通过接线柱首尾相连。这种新的结构使单根电阻丝的长度固定，从而使其阻值也就固定不变了。第十一根电阻丝以一个阻值相等的滑盘式滑线变阻器替代。这种不同于老式电位差计的全新调节方法，使在单根电阻丝上做长度的微调变得很方便，易操作，读数简单，且接触良好。使用实践证明，新仪器既保留了老式板式十一线电位差计的优点，又克服了其主要缺陷，还缩小了仪器体积，完全满足教学需求。

经检测，新仪器的十个线绕电阻和滑盘变阻器的阻值状况如表3和表4。

图2 新式十一线电位差计结构示意图

表3 新式十一线电位差计单段电阻丝阻值状况

表4 新式十一线电位差计测量段（滑盘变阻器）阻值状况

3 数据分析

表1和表3数据显示，老式仪器单段电阻丝阻值的3次重复测量中，相差最大的为53×10－2Ω，新式仪器单段电阻丝阻值的3次重复测量中，相差最大的为1×10－2Ω；老式仪器单段电阻丝阻值的最大误差值为120×10－2Ω，相对误差为12%；新式仪器单段电阻丝阻值的最大误差值为6×10－2Ω，相对误差为0.6%，相差达20倍。老式仪器各段电阻丝阻值的总平均误差为7.59%，新式仪器各段电阻丝阻值的总平均误差只有0.52%。

表2和表4数据显示，老式仪器测量段阻值3次重复测量中，相差最大的为73×10－2Ω，新式仪器滑盘变阻器分段测量的阻值3次重复测量中，相差最大的为2×10－2Ω；老式仪器的测量段阻值，单次测量的最大误差值为72×10－2Ω，最大相对误差为16%；新式仪器的滑盘变阻器阻值，单次测量的最大误差值为11×10－2Ω，最大相对误差为2.67%。

以上的数据分析表明新式十一线电位差计电阻丝阻值的稳定性和相符度明显优于老式仪器。

4 结束语

新式十一线电位差计在测量精度、使用方便性和使用寿命等方面明显优于老式仪器，因此完全可以替代老式仪器。

［1］赵青生.大学物理实验［M］.合肥：安徽大学出版社，2004：180－184.

［2］于文华，陈艳伟，王秀敏，等.用自组电位差计测干电池电势和内阻［J］.大学物理，2002，21（11）：25，35－36.

［3］文景，杨少波，严钦云等.十一线直流电位差计的研制［J］.株洲工学院学报，2000，14（2）：37－38.

［4］袁长坤.物理量测量［M］.北京：科学出版社，2009：138－142.

［5］魏怀鹏，展永，季世泰，等.大学物理实验［M］.天津：天津大学出版社，2006：115－116.