伏安法測(cè)電阻系統(tǒng)誤差的消除方法

劉立毅　宋樹杰

1、德州市第一中學(xué)，山東省德州市2530172、山東省教研室， 山東省濟(jì)南市250013

摘要：本文通過分析伏安法測(cè)電阻的外接法和內(nèi)接法的系統(tǒng)誤差，設(shè)計(jì)電路，采用恰當(dāng)?shù)姆椒ê蛯?shí)驗(yàn)步驟，消除了系統(tǒng)誤差，求得了待測(cè)電阻的真實(shí)值。

關(guān)鍵詞：伏安法；系統(tǒng)誤差；消除方法

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-6148(2009)3(S)-0076-2お

用電壓表測(cè)出電阻兩端的電壓U，用電流表測(cè)出通過電阻的電流I，根據(jù)歐姆定律可以求出待測(cè)電阻R=U/I，這種測(cè)量電阻的方法叫伏安法，常用的接法有以下兩種：

1 電流表外接法

外接法測(cè)電阻的原理如圖1所示，當(dāng)閉合開關(guān)S后，電流表的示數(shù)I瑼應(yīng)等于電阻R瓁上通過的電流I和電壓表上通過的電流I璙之和，即I瑼=I+I璙。因此，結(jié)果會(huì)產(chǎn)生系統(tǒng)誤差，這種偏差是由于電壓表○V的內(nèi)阻R_V不夠大而引起的分流所造成的。設(shè)電壓表內(nèi)阻為R_V,待測(cè)電阻測(cè)量值為R測(cè), 待測(cè)電阻真實(shí)值為R瓁,R測(cè)=U/I瑼比真實(shí)值R瓁=U/I偏小。由歐姆定律得

R測(cè)=UI瑼=11/R瓁+1/R_V，即1R瓁=I瑼U-1R_V。

由上式可知，當(dāng)R_V鞷瓁時(shí),R瓁≈U/I瑼,由外接法引起的系統(tǒng)相對(duì)誤差為

δ外=｜R瓁-R測(cè)R瓁｜×100%=11+R_V/R瓁×100%。

由此可得,采用外接法時(shí),待測(cè)電阻值比電壓表內(nèi)阻值小的越多,誤差就越小。故當(dāng)R瓁頡_V時(shí),采用電流表“外接法”電路，此時(shí)誤差較小。

由以上討論可知，在電流表外接法中，即使?jié)M足R瓁頡_V，測(cè)量結(jié)果仍然存在系統(tǒng)誤差, 原因是所用電壓表的內(nèi)阻R_V不是無窮大。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)步驟時(shí)，若能求出或消去R_V，就可消除誤差,常用方法和電路如下:

⑴ 先求出電壓表內(nèi)阻R_V，再測(cè)R瓁。お

例1 選取合適的器材，按圖2連接好電路，測(cè)量未知電阻R瓁。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①閉合電鍵S1，將電鍵S2接1，調(diào)節(jié)電阻箱R，使兩電表的示數(shù)盡量大些，讀出電阻箱示數(shù)R¹、電壓表示數(shù)U1和電流表示數(shù)I1；②保持滑動(dòng)變阻器R′不變，將電鍵S2接2，讀出電壓表示數(shù)U2和電流表示數(shù)I2。由以上數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)電阻R瓁的值。

解析 在步驟①中由歐姆定律得

I1=U1R_V+U1R¹,所以1R_V=I1U1-1R¹,

在步驟②中由歐姆定律得

I2=U2R_V+U2R瓁，將1/R_V代入即可求得R瓁。

⑵設(shè)法消去電壓表內(nèi)阻R_V。

例2 選取合適的器材，按圖3連接好電路，測(cè)量未知電阻R瓁。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①閉合電鍵S，調(diào)節(jié)電阻箱R，使兩電表的示數(shù)盡量大些，讀出電阻箱示數(shù)R¹、電壓表示數(shù)U1和電流表示數(shù)I1；②保持滑動(dòng)變阻器R′不變，調(diào)節(jié)電阻箱R，讀出電阻箱示數(shù)R²（R²≠R¹）、電壓表示數(shù)U2和電流表示數(shù)I2。由以上數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)電阻R瓁的值。お

解析 在步驟①中由歐姆定律得

I1=U1R_V+U1R¹R瓁/(R¹+R瓁),

在步驟②中由歐姆定律得

I2=U2R_V+U2R²R瓁/(R²+R瓁)，

解以上兩式消去R_V即可求得R瓁。

2 電流表內(nèi)接法

內(nèi)接法測(cè)電阻的原理如圖4所示，該電路避免了電壓表的分流而測(cè)準(zhǔn)了電流I,但電壓表測(cè)得的U是電阻R瓁兩端的電壓U瓁與電流表上的電壓U瑼之和，即U=U瓁+U瑼,其結(jié)果也產(chǎn)生了系統(tǒng)誤差。設(shè)電流表內(nèi)阻為R_A, 待測(cè)電阻測(cè)量值為R測(cè), 待測(cè)電阻真實(shí)值為R瓁,由歐姆定律得R測(cè)=U/I=R瓁+R_A，即R瓁=U/I-R_A，可見待測(cè)電阻的實(shí)際測(cè)量值比真實(shí)值偏大。

由上式知，當(dāng)R瓁鞷_A時(shí)，R瓁≈U/I,由內(nèi)接法引起的系統(tǒng)相對(duì)誤差為

δ內(nèi)=｜R瓁-R測(cè)R瓁｜×100%=R_AR瓁×100%。

由此可得,采用內(nèi)接法時(shí),待測(cè)電阻值比電流表內(nèi)阻值大的越多,誤差就越小。故當(dāng)R瓁鞷_A時(shí),采用電流表“內(nèi)接法”電路，此時(shí)誤差較小。

由以上討論可知，在電流表內(nèi)接法中，即使?jié)M足R瓁鞷_A，測(cè)量結(jié)果仍然存在系統(tǒng)誤差,原因是所用電流表的內(nèi)阻R_A不是零。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路和實(shí)驗(yàn)步驟時(shí)，若能求出或消去R_A ，就可消除誤差,常用方法和電路如下:

⑴先求出電流表內(nèi)阻R_A，再測(cè)R瓁。

例3 選取合適的器材，按圖5連接好電路，測(cè)量未知電阻R瓁。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①閉合電鍵S1，將電鍵S2接1，調(diào)節(jié)電阻箱R，使兩電表的示數(shù)盡量大些，讀出電阻箱示數(shù)R¹、電壓表示數(shù)U1和電流表示數(shù)I1；②保持滑動(dòng)變阻器R′不變，將電鍵S2接2，讀出電壓表示數(shù)U2和電流表示數(shù)I2。由以上數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)電阻R瓁的值。

解析 在步驟①中由歐姆定律得U1=I1（R_A+R¹）,所以R_A=U1I1-R¹,

在步驟②中由歐姆定律得U2=I2（R_A+R瓁），解之可得待測(cè)電阻R瓁=U2I2-U1I1+R¹。

⑵設(shè)法消去電流表內(nèi)阻R_A。お

例4 選取合適的器材，按圖6連接好電路，測(cè)量未知電阻R瓁。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①閉合電鍵S，調(diào)節(jié)電阻箱R，使兩電表的示數(shù)盡量大些，讀出電阻箱示數(shù)R¹、電壓表示數(shù)U1和電流表示數(shù)I1；②保持滑動(dòng)變阻器R′不變，調(diào)節(jié)電阻箱R，讀出電阻箱示數(shù)R²（R²≠R¹）、電壓表示數(shù)U2和電流表示數(shù)I2。由以上數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)電阻R瓁的值。

解析 在步驟①中由歐姆定律得

U1=I1（R_A+R瓁R¹R瓁+R¹)。

在步驟②中由歐姆定律得

U2=I2(R_A+R瓁R²R瓁+R²)。

解以上兩式消去R_A即可求得R瓁。

例5 選取合適的器材，按圖7連接好電路，測(cè)量未知電阻R瓁。實(shí)驗(yàn)步驟如下：①閉合電鍵S1，將電鍵S2接1，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R¹和R²，使兩電表的示數(shù)盡量大些，讀出電壓表示數(shù)U1和電流表示數(shù)I1；②保持滑動(dòng)變阻器R¹和R²不變，將電鍵S2接2，讀出電壓表示數(shù)U2和電流表示數(shù)I2。由以上數(shù)據(jù)計(jì)算待測(cè)電阻R瓁。

解析 在步驟①中由歐姆定律得U1=I1（R_A+R¹）,所以R_A+R¹=U1I1。

在步驟②中由歐姆定律得

U2=I2（R_A+R¹+R瓁），

解之可得待測(cè)電阻

R瓁=U2I2-(R_A+R¹)

=U2I2-U1I1。

由以上討論可知，用伏安法測(cè)電阻時(shí),若采用恰當(dāng)?shù)姆椒ê蛯?shí)驗(yàn)步驟, 設(shè)法求出或消去電表(電壓表或電流表)內(nèi)阻，就可以消除系統(tǒng)誤差并求得待測(cè)電阻的真實(shí)值。

參考文獻(xiàn)：

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［2］張永生.伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)的新設(shè)計(jì)［J］. 物理教師,1999，4

［3］黃信忠.伏安法測(cè)電阻的電路設(shè)計(jì)［J］. 物理教師,2000，7

(欄目編輯張正嚴(yán))