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【摘要】为了满足电位差计实验对毫伏级待测电动势的需求，设计了光电毫伏级待测电动势实验仪，并对其稳定性进行了研究。待测电动势实验仪是通过光电转换来实现的，输出的毫伏级电动势在低档位比较稳定，基本能够满足箱式电位差计测量范围和精度要求，实验效果良好。
【关键词】待测电动势 电位差计 毫伏级 光电转换
【基金项目】国家大学生创新性实验计划资助项目（201310225030）。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）01-0230-01
1.引言
电位差计实验是大学物理实验中最基本的实验项目之一，是用来精确测量电池电动势或电位差的专门仪器。实验所需要的待测电动势要求为毫伏级，灵敏度高，大小可调节，能够可重复性测量等特点[1，2]。当前大多数高校做电位差计实验时，采用的待测电动势是通过改变热电偶两端的温度来实现的，方法是用酒精灯或者电加热水杯进而对热电偶进行加热，改变热电偶的温度，从而改变待测电动势大小[3，4]。这种方法实验时间长，控制起来不灵敏，危险性较大，而且产生的电动势不能在长时间内稳定，电动势的大小会发生漂移[5]，实验的重复性不好等一系列问题。为了满足箱式电位差计对毫伏级别待测电动势实验需求，设计了光电毫伏级待测电动势实验仪，并对其稳定性进行了研究。
2.光电毫伏级待测电动势实验仪的设计
光电毫伏级待测电动势实验仪原理图如图1所示，它包括交流稳压电源、白炽灯、光电二极管PD和电位器RP，A和B为产生毫伏级电动势的输出端，其中交流电源为220V，小灯泡为15W；电路中交流稳压电源为与白炽灯串联，白炽灯发出的光入射至光电二极管PD的光敏面，光电二极管PD的正极和负极分别连接电位器RP的一个固定端，电位器RP的滑动端A和一个固定端B之间输出毫伏级电动势，输出电动势的大小可通过电位器调节，其中，连续稳定的电动势0-170mv能够满足电位差计实验对待测电动势具体实验要求。
图1 毫伏级可控电位差计实验仪原理图
3.待测电动势实验仪稳定性的研究
3.1 待测电动势实验仪稳定性研究的实验设计
根据测量仪器稳定性的需要，在电位差计测量范围0-170mv内，调节电位器改变输出电动势的大小，共设置6个组别，分别为U1、U2、 U3、U5、 U6。其中，U1为 5mv左右，U2为20mv左右，U3为40mv左右，U4为80mv左右，U5为120mv左右，U6为160mv左右，共6个组别，分别测试每组在0分钟，5分钟，10分钟，30分钟，60分钟，120分钟的电动势的大小，不同时间节点读数三次，并求出三次测量的平均值，分析不同组别输出毫伏级电动势的稳定性。
3.2 待测电动势实验仪稳定性研究的实验结果
输出电动势平均值随时间变化规律如图2所示，U1、 U2 和U3的三个组别输出电动势平均值的大小几乎不随时间改变，输出电动势比较稳定；输出电动势为80mv左右的U4组平均电动势随时间变化曲线有一定的波动，输出电动势为 120mv左右的和160mv左右的U5和U6 两个组别平均电动势随时间变化较大。输出电动势较小U1、 U2 和U3 三个组别的三次读数的差异略小，输出电动势较大的U4、U5和U6 三个组别三次读数的差异较大，实际实验中也反映了这个情况，电动势较小U1和U2 两个组别的电流表指针摆动幅度很小，电动势较大的U4、U5和U6 三个组别电流表指针摆动幅度较大。
图2输出电动势平均值随时间变化规律
4.结论与展望
设计的待测电动势实验仪是通过光电转换产生的毫伏级电动势，电动势大小可通过电位器调节，输出的电动势动势在低档位比较稳定，基本能够满足箱式电位差计测量范围和精度要求，解决了以前的待测电动势用酒精灯加热热电偶的方法所带来的实验时间长，控制起来不灵敏，危险性较大，学生无法正常完成实验等诸多问题。但是，小灯泡的光源本身会出现相对较重的频闪现象，导致光电二极管产生的电动势波动，电流表指针摆动，在测量数据的时候难免会对读数造成干扰，但这些缺点不会影响仪器的使用，反而使学生进一步认识光电转换原理，增强学生学习大学物理兴趣和积极性，提高学生实验效率[6，7]。光电毫伏级可控电动势实验仪使用方便，制作简单，成本低廉，能提高学生的实验效率和教师设计实验的选择性，使物理实验教学更具有实效性和可操作性，可满足理工科院校电位差计实验的需要[8]。
参考文献：
[1]李磊，苏学军.箱式电位差计交流电源的新设计[J].大学物理实验，2007，20 （2）：57-59
[2]张波.电位差计测量电池电动势的误差分析[J]. 沈阳大学学报， 1994，（02）：27-30
[3]高秋捷.热电偶的温差电特性[J].大学物理实验，2004，17（1）：37-39
[4]熊艳玲， 张宏琴， 吕月兰.直流电位差计测量热电偶电动势的不确定度分析[J].大学物理实验，1999，12（1）：56-60
[5]刘永萍.电位差计实验中出现的电流漂移现象剖析[J].黑龙江科技信息，2008，（27）：170
[6]支燕，蔡渊明.电势差计实验中常见故障的研究[J]. 工科物理， 1998， （5）：29 -31
[7]杨光.关于学习照明的频闪及危害问题的研究[J]. 灯与照明？， 2011， 35（7）：1-6
[8]张艳亮. 大学物理实验实施探究式教学的探索[J]. 大学物理实验， 2009，（03）：104 -107
【关键词】待测电动势 电位差计 毫伏级 光电转换
【基金项目】国家大学生创新性实验计划资助项目（201310225030）。
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）01-0230-01
1.引言
电位差计实验是大学物理实验中最基本的实验项目之一，是用来精确测量电池电动势或电位差的专门仪器。实验所需要的待测电动势要求为毫伏级，灵敏度高，大小可调节，能够可重复性测量等特点[1，2]。当前大多数高校做电位差计实验时，采用的待测电动势是通过改变热电偶两端的温度来实现的，方法是用酒精灯或者电加热水杯进而对热电偶进行加热，改变热电偶的温度，从而改变待测电动势大小[3，4]。这种方法实验时间长，控制起来不灵敏，危险性较大，而且产生的电动势不能在长时间内稳定，电动势的大小会发生漂移[5]，实验的重复性不好等一系列问题。为了满足箱式电位差计对毫伏级别待测电动势实验需求，设计了光电毫伏级待测电动势实验仪，并对其稳定性进行了研究。
2.光电毫伏级待测电动势实验仪的设计
光电毫伏级待测电动势实验仪原理图如图1所示，它包括交流稳压电源、白炽灯、光电二极管PD和电位器RP，A和B为产生毫伏级电动势的输出端，其中交流电源为220V，小灯泡为15W；电路中交流稳压电源为与白炽灯串联，白炽灯发出的光入射至光电二极管PD的光敏面，光电二极管PD的正极和负极分别连接电位器RP的一个固定端，电位器RP的滑动端A和一个固定端B之间输出毫伏级电动势，输出电动势的大小可通过电位器调节，其中，连续稳定的电动势0-170mv能够满足电位差计实验对待测电动势具体实验要求。
图1 毫伏级可控电位差计实验仪原理图
3.待测电动势实验仪稳定性的研究
3.1 待测电动势实验仪稳定性研究的实验设计
根据测量仪器稳定性的需要，在电位差计测量范围0-170mv内，调节电位器改变输出电动势的大小，共设置6个组别，分别为U1、U2、 U3、U5、 U6。其中，U1为 5mv左右，U2为20mv左右，U3为40mv左右，U4为80mv左右，U5为120mv左右，U6为160mv左右，共6个组别，分别测试每组在0分钟，5分钟，10分钟，30分钟，60分钟，120分钟的电动势的大小，不同时间节点读数三次，并求出三次测量的平均值，分析不同组别输出毫伏级电动势的稳定性。
3.2 待测电动势实验仪稳定性研究的实验结果
输出电动势平均值随时间变化规律如图2所示，U1、 U2 和U3的三个组别输出电动势平均值的大小几乎不随时间改变，输出电动势比较稳定；输出电动势为80mv左右的U4组平均电动势随时间变化曲线有一定的波动，输出电动势为 120mv左右的和160mv左右的U5和U6 两个组别平均电动势随时间变化较大。输出电动势较小U1、 U2 和U3 三个组别的三次读数的差异略小，输出电动势较大的U4、U5和U6 三个组别三次读数的差异较大，实际实验中也反映了这个情况，电动势较小U1和U2 两个组别的电流表指针摆动幅度很小，电动势较大的U4、U5和U6 三个组别电流表指针摆动幅度较大。
图2输出电动势平均值随时间变化规律
4.结论与展望
设计的待测电动势实验仪是通过光电转换产生的毫伏级电动势，电动势大小可通过电位器调节，输出的电动势动势在低档位比较稳定，基本能够满足箱式电位差计测量范围和精度要求，解决了以前的待测电动势用酒精灯加热热电偶的方法所带来的实验时间长，控制起来不灵敏，危险性较大，学生无法正常完成实验等诸多问题。但是，小灯泡的光源本身会出现相对较重的频闪现象，导致光电二极管产生的电动势波动，电流表指针摆动，在测量数据的时候难免会对读数造成干扰，但这些缺点不会影响仪器的使用，反而使学生进一步认识光电转换原理，增强学生学习大学物理兴趣和积极性，提高学生实验效率[6，7]。光电毫伏级可控电动势实验仪使用方便，制作简单，成本低廉，能提高学生的实验效率和教师设计实验的选择性，使物理实验教学更具有实效性和可操作性，可满足理工科院校电位差计实验的需要[8]。
参考文献：
[1]李磊，苏学军.箱式电位差计交流电源的新设计[J].大学物理实验，2007，20 （2）：57-59
[2]张波.电位差计测量电池电动势的误差分析[J]. 沈阳大学学报， 1994，（02）：27-30
[3]高秋捷.热电偶的温差电特性[J].大学物理实验，2004，17（1）：37-39
[4]熊艳玲， 张宏琴， 吕月兰.直流电位差计测量热电偶电动势的不确定度分析[J].大学物理实验，1999，12（1）：56-60
[5]刘永萍.电位差计实验中出现的电流漂移现象剖析[J].黑龙江科技信息，2008，（27）：170
[6]支燕，蔡渊明.电势差计实验中常见故障的研究[J]. 工科物理， 1998， （5）：29 -31
[7]杨光.关于学习照明的频闪及危害问题的研究[J]. 灯与照明？， 2011， 35（7）：1-6
[8]张艳亮. 大学物理实验实施探究式教学的探索[J]. 大学物理实验， 2009，（03）：104 -107