温差电偶定标实验的改进＊

刘建伟 琚爱堂 梁雪峰

(长治学院电子信息与物理系,山西 长治 046011)

1 引言

教学改革过程中越来越倡导教师利用身边的普通物品做实验,或者是创造性地改进实验仪器,使得实验不但简便、主观,同时还安全、可靠,从而达到发展学生的实验技能,培养学生的创新意识.因此,通过设计创造,自制或改进一些实验教学仪器,可能达到一些常规或标配仪器所达不到的预期效果.

温差电偶是一种测量温度的有效工具,具有结构简单、使用方便,测量范围宽,灵敏度和准确度高(可精确到10－3℃),热容量小、对温度变化响应快等优点,广泛应用于实时测温及监控系统.但是在具体的操作过程中发现存在一些成本、安全以及数据不是很精确的问题,基于此,我们对该实验仪器做了一些改进.

2 改进说明

温差电偶是利用温差电效应(如果用两种不同的金属构成一个闭合电路,并使两接点处于不同温度,则电路中将产生温差电动势,并且有温差电流流过,这种现象称为温差电效应)将两种不同的金属串接在一起,其两端可以和仪器相接进行测温的元件.温差电偶的温差电动势与二接头温度差之间的关系比较复杂,但是在较小温差范围内可以近似认为温差电动势Et与温度差(t－t0)成正比,即Et＝c(t－t0),式中t为热端温度,t0为冷端的温度,c为温差系数.

很多教材中用到的仪器和用具是箱式电势差,温差电偶,自耦变压器,电炉,坩埚,标准电池,检流计,待测温差电偶,冰,水,纯锡,纯锌,及待测熔点的金属(焊锡).用固定法校准镍铬－镍硅温差电偶的仪器布置示意图如图1.

图1

根据具体的实验过程,发现按照教材的实验仪器进行实验有如下缺点.

(1)教材实验中用的是电势差计,其缺点是需调整,在测量中需要时间长,而此过程中电炉在持续加热使温度持续上升,对温度测量造成的误差较大,使实验结果不够精确.

(2)教材实验中用的加热仪器是电炉,自耦变压器.这些仪器耗能大,成本高,不安全.

3 探究过程

由于实验存在着这些缺点,我们对温差电偶定标实验仪进行了改进,并且利用改进后的实验装置操作了实验.实验过程和数据表明,改进后的实验装置有着明显的优点,数据合理.

首先是将电势差改装成霍尔效应实验仪,即用数字电压表代替,使读数直观、快捷.减小温度测量误差,提高实验精确度.其次将这些加热仪器改用电热杯,可以降低成本,取材容易,也比较安全.

实验过程如下:

(1)按图2连接好电路,用霍尔效应实验仪测定温差电动势.

图2

(2)将温差电偶的测温端和冷端均置于冰水混合物中,测定温差电动势.

(3)电偶的测温端置于室温,并将记下温度计的读数.

(4)接通电热杯,将水加热到沸点,记下温度及所对应的电动势.

(5)数据处理.以温差电偶的两端点的温差作为横坐标,温差电动势为纵坐标作直角坐标系,绘出定标曲线.并求出温差系数.

(6)实验数据(如表1).

表1

按照表中的数据我们绘制了EtΔt的函数关系式,如图3所示.

由图得Et＝0.0625t＋0.0685,从操作过程到图像和数据都能说明改进后给实验操作带来方便,数据也更加精确.

图3

4 改进优点

实验时要考虑到实验的成本,安全性以及实验的精确度等好多因素.本实验改进主要有以下优点:

(1)将自耦变压器,电炉,坩埚改装成电热杯,电热杯容易取得,且成本低,也提高了实验的安全性.

(2)将箱式电势差计改装成霍尔效应实验仪,在测温过程中减少了测温时间,降低了由于温度持续升高而带来的误差,提高了实验的精确度.

1 杨述武.普通物理实验(电磁学部分)［M］.北京:高等教育出版社,1997.