孫林源
(河南省登封市教學(xué)研究室 452470)
如圖1所示,伏安法測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路一般有兩種,一是伏安法內(nèi)接法,二是伏安法外接法,分別如圖1(a)、如圖1(b)所示.
根據(jù)閉合電路歐姆定律可知:E=U+Ir.只要調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R我們就可以得出多組電壓表U和電流表I的示數(shù),利用
E=U1+I1r(1)E=U2+I2r
(2)
聯(lián)立(1)、(2)即可求出電源電動(dòng)勢E,內(nèi)阻r,
但是這樣求解計(jì)算起來太過繁瑣,不便于直觀分析.
我們不妨將E=U+Ir變化為U=E-Ir的形式,就可以做出U-I圖像進(jìn)行分析計(jì)算了.
可見,如果我們能做出電源的伏安特性曲線,那么我們就可以直接由電源的U-I圖像求出電源的電動(dòng)勢E=b,電源的內(nèi)電阻r=k.
由前述實(shí)驗(yàn)原理的分析可知,如圖1所示的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)電路圖都可以達(dá)到測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的目的.但是由實(shí)驗(yàn)原理我們不難得出,電壓U表示加在電源兩端的路端電壓,電流I表示通過電源內(nèi)阻的電流,如果實(shí)驗(yàn)電路中電壓表、電流表都是理想電壓表和理想電流表的話,這兩種實(shí)驗(yàn)電路都可以準(zhǔn)確測出電源的電動(dòng)勢和內(nèi)電阻,兩者沒有絲毫差別.
但是,我們在處理電學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí),電壓表和電流表都不是理想電壓表和理想電流表,因而會引起測量誤差,(這主要是由測量儀器所引起的,故這樣的誤差就是系統(tǒng)誤差了.)
通過上面分析我們已經(jīng)找到引起實(shí)驗(yàn)誤差的原因,那么它們對測量結(jié)果具有什么樣的影響哪?下面我們用兩種方法進(jìn)行分析.
(1)如圖1(a)所示電路.
方法一理論分析法
(2)
如圖1(a)所示電路,電壓表測量電壓與真實(shí)電壓的關(guān)系為:U真=U測
(3)
電流表測量電流與真實(shí)電流的關(guān)系為:
(5)
由(3)、(4)、(5)式分析可知:當(dāng)電壓測量值越大時(shí),電壓表的分流IV也就越大,流過電源的真實(shí)電流I真就與電路的測量電流I測偏差就越大;因而有如圖3所示的電源的U-I圖像,我們可以進(jìn)行修正.如圖3中的虛線所示,顯然當(dāng)電壓表的電壓為零時(shí),則I真=I測.
這樣我們不難由圖3得出E測 (2)如圖1(b)所示電路. 方法一理論分析法 由閉合回路歐姆定律可得:E=U+Ir(1),由于電流表不是理想電流表,故設(shè)電流表的內(nèi)阻為RA,我們對上式進(jìn)行必要的修正.E=U+UA+Ir=U+IRA+Ir,進(jìn)一步整理變形可得:U=E-I(RA+r) (6) 當(dāng)RA不可忽略時(shí),(RA+r)≠r,,故此時(shí)其U-I圖像的斜率k=(RA+r),圖像的縱截距b=E.顯然此時(shí)電源的電動(dòng)勢E=b,內(nèi)阻r=k-RA,由此可見,這種方法測出電源電動(dòng)勢不變,內(nèi)阻偏大. 方法二圖像分析法 有上述誤差原因分析可知,由于電流表的有內(nèi)阻,引起了分壓.如圖1(b)所示電路,電壓表測量電壓與真實(shí)電壓的關(guān)系為:U真=U測+UA (7) 電流表測量電流與真實(shí)電流的關(guān)系為:I真=I測 (8) 然而,UA=I測RA (9) 有(7)、(8)、(9)式分析可知:當(dāng)電流測量值越大時(shí),電流表的分壓UA也就越大,加在電源兩端的電壓U真就與電路的測量電壓U測偏差就越大. 這樣我們不難由圖4得出E測=E真r測>r真 點(diǎn)評從以上分析討論不難看出,電源的內(nèi)阻較小,大約是幾歐姆左右,而電流表內(nèi)阻也較小,這樣用圖1(b)的實(shí)驗(yàn)電路進(jìn)行測量,其誤差就比較大;而如圖1(a)所示的實(shí)驗(yàn)電路中,電壓表的內(nèi)阻一般較大,對測量結(jié)果影響就較小.故兩者相比較,我們一般是采用如圖1(a)所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的多些. 如圖5所示,伏阻法測量電源電動(dòng)勢和內(nèi)阻的實(shí)驗(yàn)電路. 聯(lián)立(1)、(2)即可求出電源電動(dòng)勢E,內(nèi)阻r, (4) 顯然(3)和(4)可以,符合這樣的思想. 進(jìn)一步整理變形可得: 由此可見,這種方法測出電源電動(dòng)勢偏小,內(nèi)阻偏小.二、伏-阻法測量的實(shí)驗(yàn)誤差分析
1.常見的實(shí)驗(yàn)電路圖
2.實(shí)驗(yàn)原理分析
3.實(shí)驗(yàn)誤差原因分析
4.兩種處理方法對測量結(jié)果的影響分析