張曉蓉

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院數(shù)理系，安徽合肥 230022）

由電橋法測電阻談?wù)`差分析及故障排除

張曉蓉

（安徽建筑工業(yè)學(xué)院數(shù)理系，安徽合肥 230022）

物理實驗是高等學(xué)校開設(shè)的一門獨立的必修課程，通過物理實驗的教學(xué)，要求學(xué)生能掌握比較扎實的實驗基本功，學(xué)會每個儀器使用。如電橋怎樣用，天平怎樣稱，怎樣處理數(shù)據(jù)現(xiàn)以電橋法測電阻為例加以分析。

物理實驗；電橋、靈敏度；誤差分析

1 物理實驗與理論之間的關(guān)系

物理學(xué)的基礎(chǔ)是實驗，但搞實驗的人也不能輕視理論的重要性，在物理學(xué)史中，有實驗走在前面的例子，也有理論先走一步的例子。一個現(xiàn)象通過觀測記錄加以分析推理得出，形成這一類現(xiàn)象內(nèi)在的普遍規(guī)律的觀測就是實驗。形成事物的內(nèi)在普遍規(guī)律就是理論。這就是實踐理論再實踐的法則。如果有自鳴為最完美的理論，在還沒有得到實踐證明為正確之前只能等一等。假設(shè)給過實驗證明，它與事實不符，就不能成為成功的理論。在物理學(xué)史上這類例子是不少的。如在古希臘時代亞里士多德認(rèn)為，天體的運動和地上萬物的運動，遵循兩種不同的力學(xué)規(guī)律，后來被伽俐略和牛頓的實驗觀測所否定，物理學(xué)畢竟是一門實驗的科學(xué)，理論是重要的、實驗還得先行，這對啟發(fā)學(xué)生的思考是有益的。

2 物理實驗課的地位和作用

目前，普通物理實驗已發(fā)展成為一門獨立的課程，對學(xué)生開設(shè)這門課，不單是因為物理學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué)，重要的是物理實驗本身有一套系統(tǒng)的實驗知識、方法、習(xí)慣和技能，而熟練掌握這些實驗方面知識和技能是學(xué)生今后進(jìn)行專業(yè)學(xué)習(xí)或從事相關(guān)科研的必備基礎(chǔ)。

從多年接觸大學(xué)新生的情況看，大多數(shù)學(xué)生實驗?zāi)芰κ潜容^差的，思想上不夠重視，不把實驗課作為一門課程來對待，以為單純是驗證理論的。學(xué)生獨立操作能力的訓(xùn)練也很不夠，習(xí)慣于機(jī)械的對照實驗講義所寫的步驟照方抓藥，碰到稍微復(fù)雜的問題通常依賴教師來解決，動手而不動腦占大多數(shù)，因而就不能對實驗進(jìn)行分析推理來排除故障。實驗操作之后對有效數(shù)字的處理及誤差分析和列表作圖也是一個薄弱環(huán)節(jié)。普通物理實驗第一課通常安排緒論課，著重講解有效數(shù)字、誤差分析和作圖等數(shù)據(jù)處理方法，凡此種種都說明加強(qiáng)物理實驗課教學(xué)是很必要的。

3 實驗中的故障及排除方法

如用自組電橋測量電阻，經(jīng)常會碰到下列一些問題。

3.1檢流計指針不動，原因可能是電源回路未接通或“橋”對角線BD斷開，如圖1所示，排除故障的順序是：用萬用表檢查電源有無輸出，合上開關(guān)K后再檢查A、C兩點有無電壓，最后分段檢查“橋”對角線上開關(guān)S和導(dǎo)線是否完好。假如仍未查出，則故障肯定是兩個橋臂R1、Rx（或R2、Rs）同時不通造成的，查出故障后，可采用相應(yīng)措施排除。

3.2檢流計指針偏向一邊，原因可能是電橋的比率臂（倍率）選得不恰當(dāng)，若是倍率選擇不當(dāng)，則改變倍率的值，就能使指針偏向另一邊。如果不論比率臂和比較臂RS取什么值，指針總向一邊偏轉(zhuǎn)，即電流總是從D流向B，則四個橋臂中必定有一個橋臂（如R2或Rx）斷開，或者同時有兩個正對的橋臂（如R2和Rx）斷開。這種故障只要用一根完好的導(dǎo)線就可以檢查出來，檢查前必須事先增大Rn的值以減小電路的工作電流，由圖1可知，當(dāng)用一根導(dǎo)線將某一橋臂短路時，如果檢流計的指針反向偏轉(zhuǎn)，則說明該橋臂是斷開的；如果檢流計的指針偏轉(zhuǎn)方向不變，則說明該橋臂完好；如果檢流計的指針不偏轉(zhuǎn)，則說明該橋臂對面的橋臂是斷開的。將斷開的橋臂接通后，再利用上述結(jié)論來判斷用導(dǎo)線短路橋臂是否完好，將查出的斷開橋臂中壞的導(dǎo)線或電阻換下，故障即能排除。

3.3檢流計指針搖擺不定，可能是電路中某一根導(dǎo)線接線端松動，只要重新將各接線端螺絲旋緊，故障就不再出現(xiàn)。

4 誤差分析及注意事項

4．1 掌握接線要領(lǐng)

按圖1回路對點接線，可將電橋線路分成三步聯(lián)線，先將橋臂四個電阻構(gòu)成一個回路，然后在一對角線上接電源（包括開關(guān)和滑線變阻器），最后在另一對角線上接檢流計。

4．2 學(xué)會調(diào)節(jié)電橋平衡（Ig=0）的方法

設(shè)比較臂Rs為某一值R1時，檢流計指針偏向一邊。當(dāng)Rs改為另一值R1時，其指針又偏向另一邊，則要使指針不偏轉(zhuǎn)，Rs的值必定在R1和R2之間。在讀取Rs時，務(wù)必使滑線變阻器Rn的值減少至零，以增大電橋的靈敏度。

4.3 學(xué)會消除滑線式電橋系統(tǒng)誤差的一種方法

4.4 箱式電橋

箱式電橋與線式電橋的差別在于用兩組電阻線圈代替了金屬線，用線式電橋測電阻時，采取不移動滑鍵B，交換Rs和Rx的位置，避免了長度測量不準(zhǔn)帶來的誤差。必須按規(guī)定選擇電橋的工作電壓，電源電壓低于規(guī)定值會使電橋的靈敏度降低，若高于規(guī)定值，則可能燒壞橋臂。電阻測量前，先用萬用表測量一下電阻的大約值，選取適當(dāng)?shù)谋嚷氏禂?shù)（倍率）kr，對于第四個度盤最小可為1Ω的QJ23型單臂電橋，可按下表選取倍率kr：

4.5 電橋靈敏度

電橋靈敏度S與比例系數(shù)K、電源電壓U、橋臂電阻R及檢流計的靈敏度有關(guān)。可以證明，輸入電壓越高，檢流計靈敏度越高，電橋靈敏度也越高。由于橋臂電阻功耗的限制，輸入電壓不能過高；另一方面，檢流計的靈敏度也是有限的，故電橋靈敏度不能無限提高。電橋靈敏度可由對電橋的分析計算得出，也可由實驗測得。由于標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs一般不能連續(xù)調(diào)節(jié)，其最小步進(jìn)值也會影響測量的精度，所以電橋的靈敏度應(yīng)于Rs相適應(yīng)。靈敏度太低固然會帶來誤差，但靈敏度太高了也無必要，否則Rs的不連續(xù)性突出出來，反而會造成調(diào)節(jié)的困難。

4.6 如何選擇儀器

現(xiàn)有一只44C4型微安表，其量程為100μA內(nèi)阻<800Ω，現(xiàn)欲用線式電橋測定該電表內(nèi)阻Rg的準(zhǔn)確性。要求畫出測量線路，并大致確定所用儀器的規(guī)格。

解：將微安表作為RX接在線式電橋的橋臂上，測出其內(nèi)阻，不過在線路上應(yīng)有兩點不同。①微安表既當(dāng)作橋臂，因此，調(diào)節(jié)滑鍵改變L1L2或者改變RS的值時，通過微安表的電流大小也隨之變化，但當(dāng)電橋平衡時，通過微安表的電流就不在發(fā)生變化達(dá)到一個穩(wěn)定值，這時若斷開或接通“橋”對角線上的按鈕S，微安表的指針不動，故可用待測微安表來判斷電橋是否達(dá)到平衡，不再需要“橋”對角線上的檢流計。②由于待測微安表允許通過的電流小于100μА，所以要用低電壓電源，并將滑線變阻器，由限流接法改為分壓接法。

考慮上述特點，可采用圖2所示的測量線路，前面已證明當(dāng)L1=L2或L1=時，測電阻的相對誤差最小，此時Rg≈RS允許的最大工作電壓為VAC=Ig（Rg+Rs）=2IgRg=2×1×10-4×800=0.16伏，若電源電壓為1.5伏，AC選用長為1米的Ф0.45mm康銅絲，（查表可知其電阻約3Ω）則滑線變阻器的負(fù)載電阻約為3Ω，其分壓比為0.16/1.5=0.1為便于將A、C兩點的電壓調(diào)節(jié)在0.16伏左右，選用總電阻為30Ω左右的滑線變阻器最好。

[1]李秀燕等.大學(xué)物理實驗[M].北京：科學(xué)出版社，2001

O441.1

A

1009-9530（2011）03-0007-03

2011-03-24

張曉蓉（1959-），女，湖南長沙人，安徽建筑工業(yè)學(xué)院數(shù)理系物理實驗室高級實驗師，主要研究方向為基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)研究。