溫差電偶定標(biāo)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)＊

劉建偉 琚愛堂 梁雪峰

(長治學(xué)院電子信息與物理系,山西 長治 046011)

1 引言

教學(xué)改革過程中越來越倡導(dǎo)教師利用身邊的普通物品做實(shí)驗(yàn),或者是創(chuàng)造性地改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器,使得實(shí)驗(yàn)不但簡(jiǎn)便、主觀,同時(shí)還安全、可靠,從而達(dá)到發(fā)展學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能,培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí).因此,通過設(shè)計(jì)創(chuàng)造,自制或改進(jìn)一些實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器,可能達(dá)到一些常規(guī)或標(biāo)配儀器所達(dá)不到的預(yù)期效果.

溫差電偶是一種測(cè)量溫度的有效工具,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便,測(cè)量范圍寬,靈敏度和準(zhǔn)確度高(可精確到10－3℃),熱容量小、對(duì)溫度變化響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于實(shí)時(shí)測(cè)溫及監(jiān)控系統(tǒng).但是在具體的操作過程中發(fā)現(xiàn)存在一些成本、安全以及數(shù)據(jù)不是很精確的問題,基于此,我們對(duì)該實(shí)驗(yàn)儀器做了一些改進(jìn).

2 改進(jìn)說明

溫差電偶是利用溫差電效應(yīng)(如果用兩種不同的金屬構(gòu)成一個(gè)閉合電路,并使兩接點(diǎn)處于不同溫度,則電路中將產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì),并且有溫差電流流過,這種現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng))將兩種不同的金屬串接在一起,其兩端可以和儀器相接進(jìn)行測(cè)溫的元件.溫差電偶的溫差電動(dòng)勢(shì)與二接頭溫度差之間的關(guān)系比較復(fù)雜,但是在較小溫差范圍內(nèi)可以近似認(rèn)為溫差電動(dòng)勢(shì)Et與溫度差(t－t0)成正比,即Et＝c(t－t0),式中t為熱端溫度,t0為冷端的溫度,c為溫差系數(shù).

很多教材中用到的儀器和用具是箱式電勢(shì)差,溫差電偶,自耦變壓器,電爐,坩堝,標(biāo)準(zhǔn)電池,檢流計(jì),待測(cè)溫差電偶,冰,水,純錫,純鋅,及待測(cè)熔點(diǎn)的金屬(焊錫).用固定法校準(zhǔn)鎳鉻－鎳硅溫差電偶的儀器布置示意圖如圖1.

圖1

根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)過程,發(fā)現(xiàn)按照教材的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)有如下缺點(diǎn).

(1)教材實(shí)驗(yàn)中用的是電勢(shì)差計(jì),其缺點(diǎn)是需調(diào)整,在測(cè)量中需要時(shí)間長,而此過程中電爐在持續(xù)加熱使溫度持續(xù)上升,對(duì)溫度測(cè)量造成的誤差較大,使實(shí)驗(yàn)結(jié)果不夠精確.

(2)教材實(shí)驗(yàn)中用的加熱儀器是電爐,自耦變壓器.這些儀器耗能大,成本高,不安全.

3 探究過程

由于實(shí)驗(yàn)存在著這些缺點(diǎn),我們對(duì)溫差電偶定標(biāo)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行了改進(jìn),并且利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置操作了實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)表明,改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置有著明顯的優(yōu)點(diǎn),數(shù)據(jù)合理.

首先是將電勢(shì)差改裝成霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀,即用數(shù)字電壓表代替,使讀數(shù)直觀、快捷.減小溫度測(cè)量誤差,提高實(shí)驗(yàn)精確度.其次將這些加熱儀器改用電熱杯,可以降低成本,取材容易,也比較安全.

實(shí)驗(yàn)過程如下:

(1)按圖2連接好電路,用霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì).

圖2

(2)將溫差電偶的測(cè)溫端和冷端均置于冰水混合物中,測(cè)定溫差電動(dòng)勢(shì).

(3)電偶的測(cè)溫端置于室溫,并將記下溫度計(jì)的讀數(shù).

(4)接通電熱杯,將水加熱到沸點(diǎn),記下溫度及所對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì).

(5)數(shù)據(jù)處理.以溫差電偶的兩端點(diǎn)的溫差作為橫坐標(biāo),溫差電動(dòng)勢(shì)為縱坐標(biāo)作直角坐標(biāo)系,繪出定標(biāo)曲線.并求出溫差系數(shù).

(6)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(如表1).

表1

按照表中的數(shù)據(jù)我們繪制了EtΔt的函數(shù)關(guān)系式,如圖3所示.

由圖得Et＝0.0625t＋0.0685,從操作過程到圖像和數(shù)據(jù)都能說明改進(jìn)后給實(shí)驗(yàn)操作帶來方便,數(shù)據(jù)也更加精確.

圖3

4 改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)要考慮到實(shí)驗(yàn)的成本,安全性以及實(shí)驗(yàn)的精確度等好多因素.本實(shí)驗(yàn)改進(jìn)主要有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)將自耦變壓器,電爐,坩堝改裝成電熱杯,電熱杯容易取得,且成本低,也提高了實(shí)驗(yàn)的安全性.

(2)將箱式電勢(shì)差計(jì)改裝成霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀,在測(cè)溫過程中減少了測(cè)溫時(shí)間,降低了由于溫度持續(xù)升高而帶來的誤差,提高了實(shí)驗(yàn)的精確度.

1 楊述武.普通物理實(shí)驗(yàn)(電磁學(xué)部分)［M］.北京:高等教育出版社,1997.