一種新型十一線電位差計(jì)的特點(diǎn)研究

章韋芳， 強(qiáng)曉明， 趙 敏

（合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥230601）

利用板式電位差計(jì)測量電源電動勢和內(nèi)阻是普通物理實(shí)驗(yàn)的一個基本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。近年來，隨著電子工業(yè)的發(fā)展，高精度數(shù)字電壓表已逐步取代電位差計(jì)。但板式十一線電位差計(jì)完全敞開的結(jié)構(gòu)、極清晰的原理顯示，使其仍然是學(xué)生學(xué)習(xí)常用的一種科研方法——補(bǔ)償法不易被取代的典型訓(xùn)練［1］［2］。我們在多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)老式板式電位差計(jì)存在的嚴(yán)重的阻值不相符和不穩(wěn)定問題，已顯著地影響到實(shí)驗(yàn)效果［3］。為了解決這一問題，我們與企業(yè)合作研制了新型十一線電位差計(jì)，大幅度提高了儀器性能，并獲國家專利 （專利號200820087565）。下面我們比較新、舊儀器結(jié)構(gòu)、性能等方面的不同。

1 老式十一線電位差計(jì)

結(jié)構(gòu)如圖1所示。一根11米長的電阻絲繞過多個銅柱后被分為等長的十一段，每段的阻值在理論上是相同的。最后一段電阻絲上設(shè)有一滑鍵，可在電阻絲上任意滑動。壓下滑鍵，可使電阻絲在此位置與其它電路接通［4］［5］。老式板式電位差計(jì)結(jié)構(gòu)及其簡單，物理意義非常明晰，特別利于教學(xué)。其根本性缺陷是各段電阻絲阻值的相符度和穩(wěn)定性太差。因?yàn)楦鞫坞娮杞z的阻值由其與所繞過的銅柱的接觸位置和各自的接觸面狀況決定，由于繞線的松緊度，電阻絲、銅柱的表面狀況都很不穩(wěn)定，因此，各段電阻絲的阻值也就變得相當(dāng)不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確，且還不易調(diào)準(zhǔn)。我們用QJ23型直流電阻電橋檢測了一臺較新的老式板式電位差計(jì)的前十段電阻絲的理論值和實(shí)際值的相符度，結(jié)果如表1。

表1 老式十一線電位差計(jì)單段電阻絲阻值狀況

測量段電阻絲由于材質(zhì)關(guān)系，在滑鍵按壓下更易產(chǎn)生許多壓痕、皺褶，嚴(yán)重影響阻值的準(zhǔn)確性。我們在該段電阻絲的不同位置測量了阻值的理論值和實(shí)際值的相符程度，結(jié)果如表2，這種狀況使實(shí)驗(yàn)經(jīng)常難以進(jìn)行下去。

表2 老式十一線電位差計(jì)測量段阻值狀況

圖1 老式十一線電位差計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

2 新式十一線電位差計(jì)

為了改變以上狀況，我們與企業(yè)合作研制了新型十一線電位差計(jì)。其結(jié)構(gòu)如圖2。十根等長的電阻絲分別繞在細(xì)長有機(jī)玻璃棒上，然后通過接線柱首尾相連。這種新的結(jié)構(gòu)使單根電阻絲的長度固定，從而使其阻值也就固定不變了。第十一根電阻絲以一個阻值相等的滑盤式滑線變阻器替代。這種不同于老式電位差計(jì)的全新調(diào)節(jié)方法，使在單根電阻絲上做長度的微調(diào)變得很方便，易操作，讀數(shù)簡單，且接觸良好。使用實(shí)踐證明，新儀器既保留了老式板式十一線電位差計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了其主要缺陷，還縮小了儀器體積，完全滿足教學(xué)需求。

經(jīng)檢測，新儀器的十個線繞電阻和滑盤變阻器的阻值狀況如表3和表4。

圖2 新式十一線電位差計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

表3 新式十一線電位差計(jì)單段電阻絲阻值狀況

表4 新式十一線電位差計(jì)測量段（滑盤變阻器）阻值狀況

3 數(shù)據(jù)分析

表1和表3數(shù)據(jù)顯示，老式儀器單段電阻絲阻值的3次重復(fù)測量中，相差最大的為53×10－2Ω，新式儀器單段電阻絲阻值的3次重復(fù)測量中，相差最大的為1×10－2Ω；老式儀器單段電阻絲阻值的最大誤差值為120×10－2Ω，相對誤差為12%；新式儀器單段電阻絲阻值的最大誤差值為6×10－2Ω，相對誤差為0.6%，相差達(dá)20倍。老式儀器各段電阻絲阻值的總平均誤差為7.59%，新式儀器各段電阻絲阻值的總平均誤差只有0.52%。

表2和表4數(shù)據(jù)顯示，老式儀器測量段阻值3次重復(fù)測量中，相差最大的為73×10－2Ω，新式儀器滑盤變阻器分段測量的阻值3次重復(fù)測量中，相差最大的為2×10－2Ω；老式儀器的測量段阻值，單次測量的最大誤差值為72×10－2Ω，最大相對誤差為16%；新式儀器的滑盤變阻器阻值，單次測量的最大誤差值為11×10－2Ω，最大相對誤差為2.67%。

以上的數(shù)據(jù)分析表明新式十一線電位差計(jì)電阻絲阻值的穩(wěn)定性和相符度明顯優(yōu)于老式儀器。

4 結(jié)束語

新式十一線電位差計(jì)在測量精度、使用方便性和使用壽命等方面明顯優(yōu)于老式儀器，因此完全可以替代老式儀器。

［1］趙青生.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.合肥：安徽大學(xué)出版社，2004：180－184.

［2］于文華，陳艷偉，王秀敏，等.用自組電位差計(jì)測干電池電勢和內(nèi)阻［J］.大學(xué)物理，2002，21（11）：25，35－36.

［3］文景，楊少波，嚴(yán)欽云等.十一線直流電位差計(jì)的研制［J］.株洲工學(xué)院學(xué)報，2000，14（2）：37－38.

［4］袁長坤.物理量測量［M］.北京：科學(xué)出版社，2009：138－142.

［5］魏懷鵬，展永，季世泰，等.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)［M］.天津：天津大學(xué)出版社，2006：115－116.