大学物理实验讲义3

普通物理实验讲义3

目 录

实验一 惠斯通电桥测电阻 ................................................................................ 1 实验二 电表的改装 ............................................................................................ 2 实验三 用板式电位差计测干电池电动势和内阻 ............................................ 5 实验四 用电位差计校正电表 ............................................................................ 7 实验五 交流电桥 ................................................................................................ 9 实验六 双棱镜测光波波长 .............................................................................. 12 实验七 液体折射率的测定 .............................................................................. 14 实验八 电子束实验 .......................................................................................... 17 实验九 开尔文双电桥测算低电阻 .................................................................. 20 实验十 用电流场模拟静电场 .......................................................................... 23 实验十一 磁场描绘 .......................................................................................... 25 实验十二 分光计的调节和使用 ...................................................................... 28 实验十三 迈克尔逊干涉仪的调整与使用 ...................................................... 34 实验十四 用迈克尔逊干涉仪测波长差 .......................................................... 36

2009年9月

实验一 惠斯通电桥测电阻

【实验目的】

1．掌握惠斯通电桥的结构特点和测量原理 2．了解电桥灵敏度以及提高灵敏度的几种方法 3．学会正确使用惠斯通电桥 【实验仪器】

万用电表、滑线变阻器、电阻箱（三个）、检流计、 直流电源、待测电阻、箱式惠斯通电桥、开关、导线等。 【实验原理】

1．惠斯通电桥的结构和测量原理 图33-1所示是惠斯通电桥的电路图，惠斯通电桥是直流平衡电桥。4个电阻R1、R2、R0和Rx联成一个四边形，每一个边称为电桥的一个臂。对角d和b加上电源E，对角a和c之间连接检流计G，所谓桥就是指ac这条对角线而言，它的作用是将“桥”两边的电势直接进行比较。当a、c两点的电势相等时，检流计中无电流通过，电桥达到了平衡。此时：

Uda=Udc

即：

I1R1 = IxRx I2R2 = I0R0 因为G中无电流 所以： I1=I2 Ix=I0

上列两式相除得：

R1R2?RxR0R1R2 Uba=Ubc

图33-1

R0

（33-1） （33-2）

Rx?

（33-1）式即为电桥的平衡条件，实验中，R1、R2和R0由电阻箱给出。若R1、R2为已知，只要改变R0值，使G中无电流，记下R0，即可算出Rx。

2．电桥灵敏度

（33-2）式是在电桥平衡的条件下推导出来的，而电桥是否平衡，实验上是看检流计有无偏转来判断。检流计的灵敏度总是有限的，如我们实验中常用的指针检流计，指针偏转1格所对应的电流大约为10A，当通过它的电流比10A还要小时，指针的偏转小于0.1格，我们就很难觉察出来，假设电桥在

R1R2?1时调到了平衡，则有

-6

-7

Rx=R0这时若把R0改变一个

小量?R0电桥就应失去平衡，从而有电流Ig流过检流计。如果Ig小到使检流计觉察不出来，

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那么我们就会认为电桥还是平衡的，因而得出Rx = R0 + ?R0，?R0就是由于检流计灵敏度不够而带来的测量误差?Rx，对此我们引入电桥灵敏度S的概念，它定义为：

S??n?Rx/Rx

?Rx是在电桥平衡在Rx的微小改变量（实验上Rx是不能变的，改变的是标准电阻R0）,而n是由于电桥偏离平衡而引起的检流计的偏转格数，它越大，说明电桥越灵敏，带来的误差也就越小。

实验和理论都已证明，电桥灵敏度与下面诸因素有关： （1）与电源的电动势E成正比。 （2）与检流计的电流灵敏度S成正比。 （3）与电源内阻RE及检流计内阻Rg有关。

因此，提高电源电动势E；减小电源内阻RE；选择较高灵敏度的检流计，都可以提高电桥灵敏度。 【实验内容】

1．用电阻箱、检流计组成惠斯通电桥测量电阻

参照图（33-1）组成一电桥。测量时，先用万用电表测一下阻值（粗测）。比例臂R1和R2不宜取得很小，一般取R1 = R2 = 500以上比例。连接待测电阻Rx，取R0等于Rx粗测值，按电键K，观察检流计指针偏转方向和大小，改变R0再观察，根据观察的情况正确调整R4，直至检流计指针无偏转。逐渐减小RG值再调R4，其次，将R1和R2交换后再测（换臂测量） 测量三个待测电阻的阻值，并估计其不确定度。

2．测量电桥的相对灵敏度 3．使用箱式电桥测量 【思考题】

1．电桥法测量电阻的原理是什么？如何判断电桥平衡？

2．为什么用电桥测量待测电阻前，先要用万用表进行粗测？

3．电桥灵敏度是什么意思？如果测量电阻误差要求小于万分之五，那么电桥灵敏度应多大？

实验二 电表的改装

【实验目的】

1．掌握表头改装成电压表和电流表的方法。 2．掌握用标准表校准改装表。 【实验仪器】

表头、电阻箱、滑线变阻器、直流稳压电源、电压表、电流表。 【实验原理】

直接用磁电式测量机构构成的电表叫做磁电式电表。我们又常把其中只允许通过很小电表叫做表头，它可以被改装成测量大电流或高电压的电流表或电压表。多用电表就是用不同

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的改装方式，通过转换开关使表头成为一个多功能、多量程的电表的。

1、表头改装成电流表

根据并联电路知识，只要在表头上并联一个电阻Rp（见图29-1）。表头与电阻Rp组成的电路就能通过较大的电流。对于表头支路，VAB = IgRg，其中Ig为表头满偏电流，Rg为表头内阻；对于并联电阻支路VAB = IPRP，于是：

RP?IgRgIp?IgRgI?Ig （29-1）

?A—微安表；1—标准电流表

图29-1

式中I为电路总电流。把表头和并联电阻RP看成一个整体——新电流表，I就是新电流表能够测量的最大电流值。令np = I/Ig，式（29-1）可写成：

RP?1nP?1?Rg （29-2）

式中np为电流放大系数，它表示改装后的电流表能测量的电流I是表头满偏电流Ig的np位。因为np是一定值，所以表头可以用被测电流I = ngIg重新刻度。

表头的两个重要参数Ig和Rg需事先给出或测出。根据改装后的量程，由公式（29-2）就可以算出需并联的电阻Rp的电阻值。

表头改装完毕要进行校准。将改装电表与标准电流表串联，按图29-1b连接线路，用滑线变阻器改变电路电流，分别读出改装表和标准电流表读数，以求出绝对误差?I?I标?I改。用各刻度上绝对误差的最大值?Imax除以最大的被测电流值（改装后的量程），便得出所改装电流表的引用误差?1（或电表的准确度等级a）：

?1??ImaxI?100%?a% （29-3）

2．表头改装为电压表

用表头即能测量电流，也可以测量电压。表头能够测量的满偏电压为Vg?IgRg，它一般很小，约为零点几伏，但只要在表头上串联大电阻Rs，就能测量较高电压。图29-2a是表头改装为电压表的电路。表头两端电压为Vg=IgRg，电阻Rs两端电压为Vs=IgRs，总电压V=Vg+Vs，所以：

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