《大学物理实验》课程教学资源（教案）电位差计测量温差电动势

大学物理实验教案电位差计测量温差电动势实验题目实验性质基本实验1教师实验学时1.掌握电位差计测量微弱电动势的基本原理（即，补偿法测量电动势的基本原理）；2.了解热电偶的制作方法以及测温原理；教学目的3.掌握电位差计的使用方法；4.学会如何由温差电动势的数值，处理得到热电偶测温端的温度值。1.补偿法测量电动势的基本原理；重点2.热电偶测温端温度的处理方法。难点补偿法测量电动势的基本原理课前的准备：1.仪器设备的检查，查看热电偶丝是否连接正常：时间的掌握：留由5分钟机动的时间。2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。3.处理数据作为参考。课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、数据表格的设计等）。(5分钟）二、讲解的设计(10分钟)1、引言教学1821年德国物理学家塞贝克（TJ.Seeback）发现：当两种不同过金属（如铜和康铜）组成一个闭合回路时，若两个结点处于不同程温度之下，接触点间将产生电动势，回路中会出现电流，此现象的设被称为温差电效应，又称热电效应或塞贝克效应，产生的电动势称计为塞贝克电动势，也称为温差电动势，上述回路称为热电偶。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，在科学研究中作为测温元件，自动控制过程中又可以作为温度传感器，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（-268.5℃）的低

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 电位差计测量温差电动势 实验性质 基本实验 实验学时 1 教师 教学目的 1. 掌握电位差计测量微弱电动势的基本原理（即，补偿法测量电动势的基本原理）； 2. 了解热电偶的制作方法以及测温原理； 3. 掌握电位差计的使用方法； 4. 学会如何由温差电动势的数值，处理得到热电偶测温端的温度值。 重 点 1. 补偿法测量电动势的基本原理； 2. 热电偶测温端温度的处理方法。 难 点 补偿法测量电动势的基本原理 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查，查看热电偶丝是否连接正常； 2.实验的预做（采集三组以上数据进行处理）。 3.处理数据作为参考。 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、数据表格的设计等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (10 分钟) 1、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，若两个结点处于不同 温度之下，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，上述回路称为热电偶。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，在科学研究中作为测温元件，自动控制过程中 又可以作为温度传感器，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（-268.5℃）的低 时间的掌握：留由 5 分 钟机动的时间

温直至2800℃甚至更高的温度。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-康铜热电偶，测量1300℃以下的温度可用镍铬-镍硅合金组成的热电偶；更高的温度测量则可用钨-、铂-铂合金或钨-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赛贝克效应，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。因此金属的赛贝克效应主要用于温度测量，而半导体的赛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。电位差计有两种型式：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。2、提出本实验的目的与任务，讲授本实验设计思想和设计原则实验原理（1）热电偶测温的基本原理如图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，回路中就产生温度差电动势。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，还决定于两接点的的温度差。将一端的温度to固定（称为冷端，严格的处理方式是将冷端置于冰水混合物之中，此时冷端温度为0℃。不过有时为了方便测量，冷端也可置于环境温度之下，在处理测温数据时，需要进行冷端非零温修正)，另一端的温度t改变称为热端、测温端或者工作端），温差电动势亦随之改变。钢康钢图1铜-康铜热电偶示意图电动势和温差的关系较复杂，当热端和冷端温差不太大时，可取其一级近似：

温直至 2800℃甚至更高的温度。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-康铜热电偶，测量 1300℃ 以下的温度可用镍铬-镍硅合金组成的热电偶；更高的温度测量则可用 钨-铼、铂-铂铑合金或钨-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赛贝克效应，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 金属的赛贝克效应主要用于温度测量，而半导体的赛贝克效应则用于 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。电位差计有两种型式：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。 2、 提出本实验的目的与任务，讲授本实验设计思想和设计原则 实验原理 （1）热电偶测温的基本原理 如图 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，回路中就产生温度差电动势。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 于两接点的的温度差。将一端的温度 t0 固定(称为冷端，严格的处理方 式是将冷端置于冰水混合物之中，此时冷端温度为 0℃。不过有时为 了方便测量，冷端也可置于环境温度之下，在处理测温数据时，需要 进行冷端非零温修正)，另一端的温度 t 改变(称为热端、测温端或者工 作端)，温差电动势亦随之改变。 图 1 铜-康铜热电偶示意图 电动势和温差的关系较复杂，当热端和冷端温差不太大时，可取 其一级近似：

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。标准的热电偶其“热电动势-温差”关系（或者说是上述的α值是已知的，可查询相关数据表获取。当冷端温度固定不变，同时热端与待测物体接触时，借助电学仪器采集到热电偶回路的电动势，就可以求出待测物体的温度了。一般的温差电动势是毫伏量级的，需要借助较为精密的电表采集电动势信号，比如Keithley2700数字电表。本实验一方面要求学会热电偶测量温度的方法，另一方面也希望掌握补偿法测量微弱电动势的原理，所以本实验中利用电位差计测量这一电信号。（2）补偿法测量电动势的基本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=E-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，=-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。图2补偿法原理图（3）电位差计工作原理电位差计工作原理如图3所示，回路1为工作回路，回路2为校准电流回路，回路3为测量回路

E t t = −  ( 0 ) 式中  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。 标准的热电偶其“热电动势-温差”关系（或者说是上述的  值） 是已知的，可查询相关数据表获取。当冷端温度固定不变，同时热端 与待测物体接触时，借助电学仪器采集到热电偶回路的电动势，就可 以求出待测物体的温度了。一般的温差电动势是毫伏量级的，需要借 助较为精密的电表采集电动势信号，比如 Keithley2700 数字电表。本 实验一方面要求学会热电偶测量温度的方法，另一方面也希望掌握补 偿法测量微弱电动势的原理，所以本实验中利用电位差计测量这一电 信号。 （2） 补偿法测量电动势的基本原理 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 r ，因而电压表的指示值只是电源 的端电压 (U E E = − x r ) 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 x 。 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 2 所示的电路中， E x 是待测电源， E0 是电动势可调的电源， E x 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 E x ＝ −E0 ，电路达到平衡。若已知平衡状态下 E0 的大小，就可以确定 E x 的值。这种测定电源电动势的方法，叫做 补偿法。 图 2 补偿法原理图 （3）电位差计工作原理 电位差计工作原理如图 3 所示，回路 1 为工作回路，回路 2 为校 准电流回路，回路 3 为测量回路

ERp1RRsRO23SHT0Es'KUx图3电位差计工作原理图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，Es、Rs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，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1为1=E（如/=10-2A=10mA）Rs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（=IxRx）和被测回路达到补偿，即Ux=U=I×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（=0.01×Rx）。3.数据的测量与处理（要求用做图法处理数据）1）调“标准”：先将电位差计上功能开关K调至“标准”，调节面板右上角的“电流调节”旋钮，使检流指“0”，此时“标准”即调好了；(2）调零：先将K拨至“未知”，按下图准备测量。调节右下方读数盘，使得检流指针指“0”，读出电位差计上读数盘的数值。应注意的是若电势差太小，步进盘可置于零位置，面板上“倍率”开关选用“×0.2”档（3）测手心的温度：用手握住热电偶一端，同上步骤进行调零，读出读数盘上数值，共测6～8组数据，计入实验报告表格中。4．介绍主要仪器设备与使用5.强调实验中要注意的问题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.做完实验后，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

图 3 电位差计工作原理图 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，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 S S E I R = （如 I= 10-2A= 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 （= X I R ）和被测回路达到 补偿，即 U U I R X X = =  。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 （=0.01× RX ）。 3.数据的测量与处理 （要求用做图法处理数据） 1) 调“标准”：先将电位差计上功能开关 K 调至“标准”，调节面板 右上角的“电流调节”旋钮，使检流指“0”，此时“标准”即调好了 ； (2) 调零：先将 K 拨至“未知”，按下图准备测量。调节右下方读数盘， 使得检流指针指“0”，读出电位差计上读数盘的数值。应注意的是若 电势差太小，步进盘可置于零位置，面板上“倍率”开关选用“×0.2 ” 档； (3) 测手心的温度： 用手握住热电偶一端，同上步骤进行调零，读出 读数盘上数值，共测 6～ 8 组数据，计入实验报告表格中。 4．介绍主要仪器设备与使用 5． 强调实验中要注意的问题 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. 做完实验后，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

三、学生实验开始(30分钟)四、指导实验重点辅导：测温原理与仪器操作规范。五、检查实验的结果，签字1.在很多实际应用中，由于考虑到测量的简便与实际等问题，热电偶的冷端并不是在冰水混合物之中的，而是直接置于环境温度之下。请问，在这种情况下如何由测量的温差电课动势得到测温端（热端）的温度？后思2.同样的，在实际应用热电偶测温时，测温端距离实验人员（或者采集设备）距离很远，考即冷端和热端存在一定的空间距离。此时热电偶丝的长度不可能满足实验需求，对于贵题金属（如铂热电偶）而言这个问题尤为突出。所以在实际测量时，往往会接入第三种金属作为延伸导线，一般采用带屏蔽功能的铜芯导线。请问第三种金属的接入是否会影响测量结果？[1]邹乾林，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.2010,23(5):43~46[2]赵建云，朱冬生，周泽广，王长宏，陈宏.温差发电技术的研究进展及现状。电源技术2010,Vol.34(3):310~313[3]张征，曾美琴，司广树.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.2004,Vol.25(3):120~123[4】徐立珍，李彦,杨知陈昌和.汽车尾气温差发电的实验研究。清华大学学报（自然科学版)参2010,Vol.50(2):287~289考文[5】谢洪亮.高压烧结聚晶立方氮化硼导热陶瓷武汉理工大学硕士学位论文，2014（第2章献2.2-2.4节）

三、学生实验开始 (30 分钟) 四、指导实验 重点辅导：测温原理与仪器操作规范。 五、检查实验的结果,签字 课 后 思 考 题 1. 在很多实际应用中，由于考虑到测量的简便与实际等问题，热电偶的冷端并不是在冰水 混合物之中的，而是直接置于环境温度之下。请问，在这种情况下如何由测量的温差电 动势得到测温端（热端）的温度？ 2. 同样的，在实际应用热电偶测温时，测温端距离实验人员（或者采集设备）距离很远， 即冷端和热端存在一定的空间距离。此时热电偶丝的长度不可能满足实验需求，对于贵 金属（如铂铑热电偶）而言这个问题尤为突出。所以在实际测量时，往往会接入第三种 金属作为延伸导线，一般采用带屏蔽功能的铜芯导线。请问第三种金属的接入是否会影 响测量结果？ 参 考 文 献 [1] 邹乾林. 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. 2010, 23(5):43~46. [2] 赵建云, 朱冬生, 周泽广, 王长宏, 陈宏. 温差发电技术的研究进展及现状. 电源技术. 2010, Vol. 34(3): 310~313. [3] 张征, 曾美琴, 司广树. 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. 2004, Vol.25(3):120~123. [4] 徐立珍,李彦,杨知,陈昌和. 汽车尾气温差发电的实验研究. 清华大学学报( 自然科学版). 2010, Vol. 50(2): 287~289. [5] 谢洪亮. 高压烧结聚晶立方氮化硼导热陶瓷. 武汉理工大学硕士学位论文, 2014（第 2 章 2.2-2.4 节）