利用阴极射线管测量电动势装置的设计 - 中山大学化学学院 - Sun Yat.DOC

利用阴极射线管测量电动势装置的设计 陈翔宇 杨习锋 杨文睿 （中山大学化学与化学工程学院，广州 510275） 指导老师：刘鹏 副教授 摘要：设计了一种利用阴极射线管（示波器）来测量电动势的装置。该方案采用了我们自行设计的放大电路，使得装置能更方便、快速、灵敏、精确测定电源电动势。 关键词：电动势；示波器；放大电路 电动势的测定在物理和化学的研究中占有重要地位应用十分广泛E1为大容量工作电池（甲电池），R2是滑线变阻器，E2是待测的化学电池，R为限流电阻，V是高精度电压表，F是放大电路。图2是将放大电路的电路图。 图1阴极射线管法测量电动势的电路图 图2放大电路图 甲电池E1提供电流，作用是保证电阻R2上有电压输出；R1的作用是调节回路中的电流，以使电阻R2在单位长度上有适当的电压变化值；R2的作用是通过移动滑片P改变输出电压，使之与电池E2的电动势E2相等，并由电压表V读出其值，即为电池E2的电动势；R是限流电阻，防止通过电池E2的电流过大而出现严重的电极极化现象；示波管的作用是起指示终点[5]。放大电路F的作用是放大输入到示波器的电信号，以提高示波器指示平衡的灵敏度，同时提供300K(高阻抗，起到限流的作用，是通过待测电池的电流几乎为零。 当K1、K2闭合后，如果R2—P间承担的电压U（R2-P）和E2的电动势E2不相等，假设前者大于后者，则E2中有图示方向的电流通过.此时示波器荧光屏上的光点偏离中间位置，左移滑片P以减小R2—P两端电压U（R2-P），使之和E2的电动势E2相等。示波管荧光屏上的光点回到中间位置，电路达到平衡，U（R2-P）=E2，其值由电压表V读出，即为E2的电动势。 输入到示波器中的电信号经过放大电路放大后，变得十分灵敏，调节电路时可迅速将光点调回到中间位置。通过实验也证明，本方案的反应速度非常快，光点达到平衡位置是瞬时的,其灵敏度相当高。 可见误差仍然是很小的。 2．测量步骤 1、先从理论上估算所测电池（E2）的电动势值（本实验是测定标准电池的电动势）。 2、闭合K1，调节R1，使R2上在单位长度电压有适当的变化值。调节滑片P，使电压表V的读数为所估算的电动势值。 3、预置示波器的光点于屏幕中央。 4、闭合K2，观察示波器的光点，倘若已经处于中间位置，则此时电压表V的示数即为电池E2的电动势；若光点有向上的位移，表明充电电流时正向的，表明U（R2-P）E2，缓慢左移滑片P，光点的位移逐渐减小，最后回到中间位置。读取电压表V的示数，即为电池E2的电动势E2。若有向下位移，表明充电电流是反向的，表明U（R2-P）E2，滑片P应缓慢向右调节，直至示波管的光点回到中间位置。 对于用示波器观察指示平衡时，还可采用加压扫描方式（该方式对实验结果影响不大，可方便地观察判断平衡），这时观察到的是一横光线（可用示波器调节其粗细），判断平衡的方法不变。 3．仪器药品 饱和标准电池BC9a型，R40甲电池（1.5V）两个，XJ4315型示波器，koyo蓄电池YB2.5L-A，EM－2B型数字电位差计，滑线变阻器，导线。 二．结果与讨论 1．测量标准电池的电动势 实验温度：T=25℃； 标准电池理论值由下式计算： Es=1.01830(4.06×10(5×（25(20) (9.5×10 (7×（25(20)2＝1=1018.07mV 测量的标准电池电动势结果见表1。 表1 阴极射线管法测量标准电池电动势 测量次数 1 2 3 平均值mV 绝对偏差mV 相对偏差% 绝对误差 mV 相对误差% Es/mV 1017.77 1017.70 1017.90 1017.79 0.073 0.007 0.28 0.03 2讨论 由表1的测量结果可得到以下结论： 本方案对电压有良好灵敏的响应，引入放大电路后，大大提高了装置的灵敏度，调节电路过程中，电压改变0.01mV，示波器信号即可产生较大的波动。实验结果的精密度较好，绝对偏差只有0.073mV,相对偏差只有0.007%。本方案的准确度良好，绝对误差只有0.28mV,相对误差是0.03%。 实验证明本方案采用的电路产生的电信号灵敏度极高，外界轻微的电磁干扰都能对它产生很大的影响，尤其是放大电路，因此我们用金属盒将放大电路屏蔽起来。但整个电路仍会受到部分影响，导致示波器信号展宽和不稳等现象。解决电路的抗电磁干扰问题有待进一步步的工作。 此法与传统的补偿电路法比较，其优点是显而易见的。主要有：由于电路中引入了示波管，因此在测量的任何阶段，通过待测电池的电流都可以忽略不计，同时，利用示波器指示平衡，使判断平衡更加方便准确；在实验中没有用到标准电池，测量精度不再受制于标准电池的电动势的精度，而采用了自行设计的放大电路，极大提高了装置的灵敏度和测量精度；由于