《大学物理实验》课程教学资源（教材讲义）用电位差计测量温差电动势

第3章基础实验:99.【讨论思考题】1.为什么波形能稳定而李萨如图形总稳定不下来？2.李萨如图形法测量两同频率信号的相位差如何保证图形中心轴对称？【拓展阅读】[1]吴怀选.2006.示波器使用初探.大学物理实验，19（03）：29一32[2］郑元，戴赛萍等.2006.“示波器的使用”实验教学中的两个常见问题.大学物理实验，19（02)：36—403.11J用电位差计测量温差电动势【引言】1821年德国物理学家塞贝克（T.J.Seeback）发现：当两种不同金属（如铜和康铜）组成一个闭合回路时，若两个接触点处于不同温度，接触点间将产生电动势，回路中会出现电流，此现象被称为温差电效应，又称热电效应或塞贝克效应，产生的电动势称为塞贝克电动势，也称为温差电动势，上述回路构成温差电偶或热电偶.热电偶的温差电动势大小由热端和冷端的温差决定，其极性热端为正极，冷端为负极热电偶的重要应用是测量温度.它是把非电学量（温度）转化成电学量（电动势）来测量的二个实际例子，热电偶在治金、化工生产中用于高、低温的测量，在科学研究、自动控制过程中作为温度传感器，具有非常广泛的应用，用热电偶测温具有许多优点，如测温范围宽、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损坏等.工作温度可从4.2K（一268.95℃）的低温直至2800℃的高温.测量不同温度可选用不同金属组成的热电偶.通常，测300℃以下的温度时可用铜一康铜热电偶：测量1100℃以下的温度可用镍铬一镍镁合金组成的热电偶：测量1100C以上的温度可用钳一钳合金和钨一钛热电偶，此外，由于热电偶的热容量小，受热点也可做得很小，因而对温度变化响应快，对测量对象的状态影响小，可以用于温度场的实时测量和监控两种金属构成回路有塞贝克效应，两种半导体构成回路同样有温差电动势产生，而且效应更为显著.在金属中温差电动势药为几微伏每度，而在半导体中常为几百微伏每度，甚至达到几毫伏每度.因此金属的塞贝克效应主要用于温度测量，而半导体的塞贝克效应则用于温差发电.电位差计是一种能够精确测量电源电动势或电路两端电位差的仪器.电位差计有两种形式：板式和箱式，前者原理清楚，后者结构紧凑，不论板式还是箱式，都是利用补偿法原理工作的.【实验目的】1.掌握电位差计的工作原理及使用方法2.了解热电偶产生温差电动势与温差的关系，3.用箱式电位差计测热电偶的温差电动势【实验原理】1.热电偶测温原理

暰讨论思考题暱 1.为什么波形能稳定而李萨如图形总稳定不下来? 2.李萨如图形法测量两同频率信号的相位差如何保证图形中心轴对称? 暰拓展阅读暱 [1] 吴怀选.2006.示波器使用初探.大学物理实验,19(03):29—32. [2] 郑元,戴赛萍等.2006.“示波器的使用暠实验教学中的两个常见问题.大学物理实 验,19(02):36—40. 3灡11 用电位差计测量温差电动势 暰引言暱 1821年德国物理学家塞贝克(T.J.Seeback)发现:当两种不同金属(如铜和康铜)组成一 个闭合回路时,若两个接触点处于不同温度,接触点间将产生电动势,回路中会出现电流,此现 象被称为温差电效应,又称热电效应或塞贝克效应,产生的电动势称为塞贝克电动势,也称为 温差电动势,上述回路构成温差电偶或热电偶.热电偶的温差电动势大小由热端和冷端的温差 决定,其极性热端为正极,冷端为负极. 热电偶的重要应用是测量温度.它是把非电学量(温度)转化成电学量(电动势)来测量的 一个实际例子.热电偶在冶金、化工生产中用于高、低温的测量,在科学研究、自动控制过程中 作为温度传感器,具有非常广泛的应用. 用热电偶测温具有许多优点,如测温范围宽、测量灵敏度和准确度较高、结构简单不易损 坏等.工作温度可从4灡2K(-268灡95曟)的低温直至2800曟 的高温.测量不同温度可选用不同 金属组成的热电偶.通常,测300曟 以下的温度时可用铜 -康铜热电偶;测量1100曟 以下的温 度可用镍铬-镍镁合金组成的热电偶;测量1100曟 以上的温度可用铂-铂铑合金和钨-钛热 电偶.此外,由于热电偶的热容量小,受热点也可做得很小,因而对温度变化响应快,对测量对 象的状态影响小,可以用于温度场的实时测量和监控. 两种金属构成回路有塞贝克效应,两种半导体构成回路同样有温差电动势产生,而且效应 更为显著.在金属中温差电动势约为几微伏每度,而在半导体中常为几百微伏每度,甚至达到 几毫伏每度.因此金属的塞贝克效应主要用于温度测量,而半导体的塞贝克效应则用于温差 发电. 电位差计是一种能够精确测量电源电动势或电路两端电位差的仪器.电位差计有两种形 式:板式和箱式.前者原理清楚,后者结构紧凑,不论板式还是箱式,都是利用补偿法原理工 作的. 暰实验目的暱 1.掌握电位差计的工作原理及使用方法. 2.了解热电偶产生温差电动势与温差的关系. 3.用箱式电位差计测热电偶的温差电动势. 暰实验原理暱 1.热电偶测温原理 第3章 基础实验 ·99·

.100:大学物理实验如图3-11-1所示，把两种不同的金属两端彼被此焊接组成闭合回路，若两接点的温度不同，回路中就产生温差电动势：这两种金属的组合叫热电偶.温差电动势的大小除了和组成的热电偶材料有关外，还决定于两接点的温度差，将一端的温度固定（称为冷端，实验中利用冰水混合物），另一端的温度t改变（称为热端），温差电动势亦随之改变铜铜t>to康铜康铜图3-11-1铜一康铜热电偶示意图电动势和温差的关系较复杂，其第一级近似式为E=α(t-to),式中α称为热电偶的温差电系数，其大小取决于组成热电偶的材料，用一只α值已知的热电偶，一端温度固定不变，另一端与待测物体接触，再用电位差计测出热电偶回路的电动势，就可以求出待测温度.由于温差电动势较低，因此在实验中利用电位差计来测量2.电压补偿法原理电位差计是利用电压补偿原理而设计的电压测量工具，用电压表测量电源电动势，其测量结果是端电压，不是电动势.因为将电压表并联到电源两端，就有电流I通过电源的内部，由于电源有内阻r，在电源内部不可避免地存在电位降E，，因而电压表的指示值只是电源的端电压（U一E，一E）的大小，它小于电动势.显然，只有当I-0时，电源的端电压U才等于其电动势E怎样才能使电源内部没有电流通过而又能测定电源的电动势呢？在图3-11-2所示的电路中，E是待测电源，E。是电动势可调的电源，E，与E。通过检流计连接在一起.当调节E。的大小至检流计指针不偏转，即电路中没有电流时，两个电源在回路中互为补偿，它们的电动势大小相等，方向相反，即E，一一E。，电路达到平衡.若已知平衡状态下E。的大小，就可以确定E，的值，这种测定电源电动势的方法，叫做补偿法EER.F1RRRG3FTU.E,ExK图3-11-2补偿法原理图图3-11-3电位差计工作原理图3.电位差计工作原理电位差计工作原理如图3-11-3所示，回路1为工作回路，回路2为校准电流回路，回路3

如图3灢11灢1所示,把两种不同的金属两端彼此焊接组成闭合回路,若两接点的温度不同, 回路中就产生温差电动势.这两种金属的组合叫热电偶.温差电动势的大小除了和组成的热电 偶材料有关外,还决定于两接点的温度差.将一端的温度t0 固定(称为冷端,实验中利用冰水混 合物),另一端的温度t改变(称为热端),温差电动势亦随之改变. 图3灢11灢1 铜 - 康铜热电偶示意图 电动势和温差的关系较复杂,其第一级近似式为 E=毩(t-t0), 式中毩称为热电偶的温差电系数,其大小取决于组成热电偶的材料. 用一只毩值已知的热电偶,一端温度固定不变,另一端与待测物体接触,再用电位差计测 出热电偶回路的电动势,就可以求出待测温度.由于温差电动势较低,因此在实验中利用电位 差计来测量. 2.电压补偿法原理 电位差计是利用电压补偿原理而设计的电压测量工具. 用电压表测量电源电动势,其测量结果是端电压,不是电动势.因为将电压表并联到电源 两端,就有电流I通过电源的内部,由于电源有内阻r,在电源内部不可避免地存在电位降Er, 因而电压表的指示值只是电源的端电压(U =Ex -Er)的大小,它小于电动势.显然,只有当 I=0时,电源的端电压U 才等于其电动势Ex . 怎样才能使电源内部没有电流通过而又能测定电源的电动势呢? 在图3灢11灢2所示的电 路中,Ex 是待测电源,E0 是电动势可调的电源,Ex 与E0 通过检流计连接在一起.当调节E0 的 大小至检流计指针不偏转,即电路中没有电流时,两个电源在回路中互为补偿,它们的电动势 大小相等,方向相反,即Ex =-E0,电路达到平衡.若已知平衡状态下E0 的大小,就可以确定 Ex 的值.这种测定电源电动势的方法,叫做补偿法. 图3灢11灢2 补偿法原理图 图3灢11灢3 电位差计工作原理图 3.电位差计工作原理 电位差计工作原理如图3灢11灢3所示,回路1为工作回路,回路2为校准电流回路,回路3 ·100· 大学物理实验

第3章基础实验:101为测量回路，在电位差计设计过程中，为了定标方便，工作回路的电流一般为10mA（即0.01A）.但工作电流由校准回路来调节，E，R，都是定值.校准时，将K掷向s，调节电阻R。使检流计指示为零，R，上电压降与E，相等，即工作电流使工作回路和校准回路达到补偿，此时工作电流I为I-E（如I=10-2A=10mA)R.在测量时，将K向，调节R的滑动片的位置，若在某一位置Rx使检流计指示为零，此时Rx上分得电压U（=I×Rx）和被测回路达到补偿，即Ux=U-IXRx.对于测量仪器，读出的数据不应是电阻（Rx）值，而是通过简单计算得到被测量的电压值Ux（=0.01XRx）【实验仪器】UJ-36型电位差计（1号1.5V电池4节，9伏电池2节），热电偶及加热装置，温度计【实验内容】铜1.连接电路将热电偶的电压端接到电位差计上“未温度计康铜康铜知”端.注意极性，对铜一康铜热电偶中康铜#断开，对应冷端为正，相反为负.电路如图二未知3-11-4所示.+2.校准工作电流先将电位差计上功能开关K调至“标电位差计冰水混合物加热炉准”，调节面板右上角的“电流调节”旋钮，使图3-11-4热电偶实验电路图检流指“0”，此时工作电流即调好了3.测出室温下的初始电动势先将K拨至“未知”，然后，调节右下方的读数盘，使检流计指“0”，同时读出温度计和电位差计上读数盘的数值，应注意的是面板上“倍率”开关，若电势差太小，请选用×0.2.4.加热测测量每升高约10℃测量一组t和E，共测6~8组数据（包括室温一组）.【数据处理】1.列出规范的数据表格，记录实验数据，填人表3-11-1中表 3-11-1E/mV次数to/℃（冷端)t/℃（热端）/℃（温差）1234056782.用作图法处理数据，以温差电动势（E）为纵坐标，温度差（△t）为横坐标，绘出E一△z图

为测量回路. 在电位差计设计过程中,为了定标方便,工作回路的电流一般为10mA(即0灡01A).但工 作电流由校准回路来调节,Es,Rs 都是定值.校准时,将K 掷向s,调节电阻Rp 使检流计指示为 零,Rs 上电压降与Es 相等,即工作电流使工作回路和校准回路达到补偿,此时工作电流I为 I= Es Rs (如I=10-2 A=10 mA). 在测量时,将 K 掷向x,调节R 的滑动片的位置,若在某一位置RX 使检流计指示为零,此 时RX 上分得电压U(=I暳RX)和被测回路达到补偿,即UX =U=I暳RX .对于测量仪器,读出 的数据不应是电阻(RX)值,而是通过简单计算得到被测量的电压值UX(=0灡01暳RX). 暰实验仪器暱 UJ 36型电位差计(1号1灡5V 电池4节,9伏电池2节),热电偶及加热装置,温度计. 暰实验内容暱 图3灢11灢4 热电偶实验电路图 1.连接电路 将热电偶的电压端接到电位差计上“未 知暠端.注意极性,对铜-康铜热电偶中康铜 断开,对应冷端为正,相反为负.电路如图 3灢11灢4所示. 2.校准工作电流 先将电位差计上功能开关 K 调至“标 准暠,调节面板右上角的“电流调节暠旋钮,使 检流指“0暠,此时工作电流即调好了. 3.测出室温下的初始电动势 先将 K 拨至“未知暠,然后,调节右下方的读数盘,使检流计指“0暠,同时读出温度计和电位 差计上读数盘的数值.应注意的是面板上“倍率暠开关,若电势差太小,请选用 暳0灡2. 4.加热测测量 每升高约10 曟 测量一组t和E,共测6~8组数据(包括室温一组). 暰数据处理暱 1.列出规范的数据表格,记录实验数据,填入表3灢11灢1中. 表3灢11灢1 次数 t0/曟(冷端) t/曟(热端) 殼t/曟(温差) E/mV 1 2 3 4 5 6 7 8 0 2.用作图法处理数据,以温差电动势(E)为纵坐标,温度差(殼t)为横坐标,绘出E 殼t图 第3章 基础实验 ·101·

.102.大学物理实验线，并由该图线求出直线斜率，即温差电系数α【注意事项】1.电源、热电偶的极性均不得接反.（如果接反了实验中会产生什么现象？）2.电热杯禁止空烧.温度计不能与电热杯底部接触使用电热杯加热时，水量不要超过杯子的号，以免沸水溢出引起烫伤事故。33.每次测量时，一定要等温度稳定后再读数.温度稳定的方法是：待温度上升到预测的温度前儿度，将调压器的电压降下来，以控制温度上升速度，直到稳定，温度稳定的主要标志是：面板上按钮按下时检流计指针基本不动4.铜一康铜热电偶温度每升高10℃时，大约产生0.30.4mV的温差电动势，测量中应预先将电位差计的示值调到相应位置，等温度达到预定值时，再微调电位差计即可，以免损坏检流计.5.作完实验后，经教师检查数据后才能拆除电路，并将电位差计面板上“倍率”开关旋到“断”【拓展阅读】[1]邹乾林.2010.温差电技术原理及在工科物理实验中的应用.大学物理实验，23(5):43—46[2]］赵建云，朱冬生，周泽广，王长宏，陈宏.2010.温差发电技术的研究进展及现状.电源技术，34（3）：310313.「3]张征，曾美琴，司广树.2004.温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应用.能源技术，25（3）：120—123.［4]徐立珍，李，杨知，陈昌和.2010.汽车尾气温差发电的实验研究.清华大学学报（自然科学版），50（2）：287—289【附录】UJ-36直流电位差计使用说明UJ36型电位差计+20100102020未知R（电流调节）G0.2G11x0.2x1标准50.6070调零断40-8030--9010020未知10,110(滑线盘）（步进盘）mV图3-11-5UJ-36直流电位差面板图1.将被测“未知”的电动势接在未知的两个接线柱上2.把倍率开关选在所需要的位置上，同时也接通电位差计工作电源和检流计放大器电源，3分钟以后调节检流计指零

线,并由该图线求出直线斜率,即温差电系数毩. 暰注意事项暱 1.电源、热电偶的极性均不得接反.(如果接反了实验中会产生什么现象? ) 2.电热杯禁止空烧.温度计不能与电热杯底部接触.使用电热杯加热时,水量不要超过杯 子的2 3 ,以免沸水溢出引起烫伤事故. 3.每次测量时,一定要等温度稳定后再读数.温度稳定的方法是:待温度上升到预测的温 度前几度,将调压器的电压降下来,以控制温度上升速度,直到稳定.温度稳定的主要标志是: 面板上按钮按下时检流计指针基本不动. 4.铜-康铜热电偶温度每升高10曟 时,大约产生0灡3~0灡4mV的温差电动势,测量中应 预先将电位差计的示值调到相应位置,等温度达到预定值时,再微调电位差计即可,以免损坏 检流计. 5.作完实验后,经教师检查数据后才能拆除电路,并将电位差计面板上“倍率暠开关旋到“断暠. 暰拓展阅读暱 [1] 邹乾林.2010.温 差 电 技 术 原 理 及 在 工 科 物 理 实 验 中 的 应 用.大 学 物 理 实 验, 23(5):43—46. [2] 赵建云,朱冬生,周泽广,王长宏,陈宏.2010.温差发电技术的研究进展及现状.电 源技术,34(3):310—313. [3] 张征,曾美琴,司广树.2004.温差发电技术及其在汽车发动机排气余热利用中的应 用.能源技术,25(3):120—123. [4] 徐立珍,李彦,杨知,陈昌和.2010.汽车尾气温差发电的实验研究.清华大学学报 (自然科学版),50(2):287—289. 暰附录暱 UJ 36直流电位差计使用说明 图3灢11灢5 UJ 36直流电位差面板图 1.将被测“未知暠的电动势接在未知的两个接线柱上. 2.把倍率开关选在所需要的位置上,同时也接通电位差计工作电源和检流计放大器电源,3分钟以后调 节检流计指零. ·102· 大学物理实验

第3章基础实验103.3.将开关扳向“标准”调节多圈变阻器R。·使检流计指零4.将开关扳向“未知”，调节步进盘和滑线盘使检流计再次指零.未知电压按下式表示：Ux=（步进盘度数+滑线盘度数）X倍率5.在连续测量时，要求经常核对电位差计工作电流，防止工作电压变化6.将开关扳向标准”，调节多圈变阻器R。使检流计指零.倍率开关旋向"G1”时，电位差计处×1位置，检流计短路.倍率开关指向"G0.2”时，电位差计处于×0.2位置，检流计断路.在未知端可输出标准直流电动势（不可输出电流）分度号：CK【附录表】铜一康铜热电偶分度表（参考端温度为0℃）02356789A温度/℃热电动势/mV00.3510.000.0390.0780.1170.1560.1950.2340.2730.312100.3910.4300.4700.5100.5490.5890.6290.6990.7090.749200.7890.8300.8700.9110.9510.9921.0321.0731.1141.155301.1961.2791.5281.5691.2371.3201.3611.4031.4441.486401.6111.9071.9501.9221.6531.6951.7381.7801.8221.865502.0352.2502.2942.3372.3802.0782.1212.1642.2072.424602.4672.5112.5552.5992.6432.6872.7312.7752.8192.864702.9082.9532.9973.0423.0873.1313.1763.2213.2663.312803.3573.4023.4933.6763.7213.7673.4473.5383.5843.630903.8133.8593.9524.1844.2313.9063.9884.0444.0914.1371004.2774.7014.3244.3714.4184.4654.5124.5594.6074.6541014.7494.7964. 1794.8447.8914.9394.9875.0355.0835.1311205.2275.6635.2755.3245.3725.4205.4695.5175.5665.6151305.1725.7615.8105.8595.9085.9576.0076.0566.1056.1551406.2046.2546.3036.3536.4036.4526.5026.5526.6026.6523. 12电子元件的伏安特性测定与补偿法测电阻【引言】当一个元件两端加上电压时，元件内就会有电流通过，电压与电流之比，就是该元件的电阻两端电阻元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系.将一个元件的电流随电压变化的情况在图上画出来，得到的就是该元件的伏安特性曲线，若元件的伏安特性曲线呈直线，则它的电阻为常数，称为线性电阻：若呈曲线，即它的电阻是变化的，则称为非线性电阻，非线性电阻伏安特性所反映出来的规律总是与一定的物理过程相联系的.利用非线性元件的特性可以研制各种新型的传感器、换能器，在温度、压力、光强等物理量的检测和自动控制方面都有广泛的应用.对非线性电阻特性及规律的研究，有助于加深对有关物理过程

3.将开关扳向“标准暠调节多圈变阻器Rp,使检流计指零. 4.将开关扳向“未知暠,调节步进盘和滑线盘使检流计再次指零.未知电压按下式表示: UX = (步进盘度数 + 滑线盘度数)暳 倍率 5.在连续测量时,要求经常核对电位差计工作电流,防止工作电压变化. 6.将开关扳向“标准暠,调节多圈变阻器Rp 使检流计指零.倍率开关旋向“G1暠时,电位差计处暳1位置,检 流计短路.倍率开关指向“G0灡2暠时,电位差计处于 暳0灡2位置,检流计断路.在未知端可输出标准直流电动势 (不可输出电流). 暰附录表暱 铜 康铜热电偶分度表(参考端温度为0 曟) 分度号:CK 温度/曟 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 热电动势/mV 0 0.00 0.039 0.078 0.117 0.156 0.195 0.234 0.273 0.312 0.351 10 0.391 0.430 0.470 0.510 0.549 0.589 0.629 0.699 0.709 0.749 20 0.789 0.830 0.870 0.911 0.951 0.992 1.032 1.073 1.114 1.155 30 1.196 1.237 1.279 1.320 1.361 1.403 1.444 1.486 1.528 1.569 40 1.611 1.653 1.695 1.738 1.780 1.822 1.865 1.907 1.950 1.922 50 2.035 2.078 2.121 2.164 2.207 2.250 2.294 2.337 2.380 2.424 60 2.467 2.511 2.555 2.599 2.643 2.687 2.731 2.775 2.819 2.864 70 2.908 2.953 2.997 3.042 3.087 3.131 3.176 3.221 3.266 3.312 80 3.357 3.402 3.447 3.493 3.538 3.584 3.630 3.676 3.721 3.767 90 3.813 3.859 3.906 3.952 3.988 4.044 4.091 4.137 4.184 4.231 100 4.277 4.324 4.371 4.418 4.465 4.512 4.559 4.607 4.654 4.701 101 4.749 4.796 4.844 7.891 4.939 4.987 5.035 5.083 5.131 4.179 120 5.227 5.275 5.324 5.372 5.420 5.469 5.517 5.566 5.615 5.663 130 5.172 5.761 5.810 5.859 5.908 5.957 6.007 6.056 6.105 6.155 140 6.204 6.254 6.303 6.353 6.403 6.452 6.502 6.552 6.602 6.652 3灡12 电子元件的伏安特性测定与补偿法测电阻 暰引言暱 当一个元件两端加上电压时,元件内就会有电流通过,电压与电流之比,就是该元件的电 阻.两端电阻元件的伏安特性是指元件的端电压与通过该元件电流之间的函数关系.将一个元 件的电流随电压变化的情况在图上画出来,得到的就是该元件的伏安特性曲线.若元件的伏安 特性曲线呈直线,则它的电阻为常数,称为线性电阻;若呈曲线,即它的电阻是变化的,则称为 非线性电阻.非线性电阻伏安特性所反映出来的规律总是与一定的物理过程相联系的.利用非 线性元件的特性可以研制各种新型的传感器、换能器,在温度、压力、光强等物理量的检测和自 动控制方面都有广泛的应用.对非线性电阻特性及规律的研究,有助于加深对有关物理过程、 第3章 基础实验 ·103·