以電動勢ε=150V,內阻r=10Ω的1號電池為例。設外電路電阻分別為R1=10Ω,R2=5Ω。從理論上說,對應的電流及路端電壓應分別是:I1=1510+1A=0136A,U=15V-0136×1V=146V;I2155+1A=025A,U2=15V-025×1v=125v。但一般中學實驗用的儀表都是25級的,即讀數的誤差可能達到滿刻度的25%。當用電流表的06A檔和電壓表的3V檔測以上電流、電壓值時,讀數的絕對誤差分別可達±△I=±06A×25%=±0015A,±△U=±3V×25%≈±008V。因此,即使不考慮讀數時技術上的原因,單從儀表本身的誤差來說,實際測得的電流、電壓值應分別是I1=0136A±0015A,U1=146V±008V;I2=025A±0015A,U2=125V±008V,它們在這誤差範圍內,是完全不確定的。
如果I1,U1取可能讀數的上限,I2、U2取下限,則可求得:
r上=U1上-U2下I2下-I1上=(146+008)-(125-008)(025-0015)-(0136+0015)Ω=51Ω。
ε上=U1上+I1上r上=(146+008)V+(0136+0015)×51V=23V。
反之,如I1,U1取下限,I2,U2取上限,則可求得:
r下=U1下-U2上I2上-I1下=035Ωε下=U1下+I1下r下=14V,即測得的ε在14V至23V之間,不能確定;r在035Ω至51Ω之間不能確定。顯然。這樣的實驗是沒有多大意義的。
怎樣減少儀表讀數誤差對最後結果的影響?
由解析式ε=U1I2-U2I1I2-I1和有關的誤差理論,我們可以求得電動勢的相對誤差為:
△εε=(U1+U2)△IU1I2-U2I1+(I2+I1)△IU1I2-U2I1+2△II2-I1。
這相對誤差必然比電流表或電壓表單獨造成的誤差大好幾倍。事實上,設U′、I′分別表示U1、U2及I1、I2中較大的一個,即可推得下列不等式:
(U1+U2)△IU1I2-U2I1=△IU1I2U1+U2-U2U1U1+U2=△II21+U2I1=I11+U1U2>△II′,(I2+I1)△UU1I2-U2I1=△UU1I2I2+I1-U2I1I2+I1=△IU11+I1I2-U21+I2I1>△UU′2△II2-I1>2△II′,故△εε>△UU′+3△II′。
為了減少這誤差,測電動勢時最好是隻用電壓表來進行實驗,就是用電壓表測出電源在開路時的電壓。此時電流測量的誤差不存在(已確知為0),△εε=△UU。同理,由解析式r=U1-U2I1-I2及有關誤差理論,求得內電阻的相對誤差:
△rr=△2△UU1-U2+2△II2-I1要使這誤差盡可能小,應使|U1-U2|及|I2-I1|盡可能大,這隻有在電源開路和短路兩個極端情況下才能實現。因此,若僅考慮儀表讀數的誤差對結果的影響,實驗應這樣做:
在電源開路情況下,測定路端電壓,這路端電壓即可認為等於電源電動勢。
在電源短路情況下,測得電路中的電流強度,由式=εr求得內電阻r。
事實上,許多電源是不允許短路的,這時可在電源容量允許的範圍內選一盡可能小的外電阻R測得電流,由I=εR+r求得r。
必須指出,這一部分的討論,忽略了電流表、電壓表接入電路對電路中電流、電壓分布情況的影響。
關於圖線法。
從式U=ε-Ir可知,U與I的關係在U-I圖上可用一直線表示。令I=0,即得U開=ε,令U=0,得I,而內阻r=R開I短。
用圖線法來求實驗結果。可免去繁瑣的計算,對解決誤差問題也有重要意義。如果我們改變外電路的電阻,測出U1、I1;U2、I2,等多組值。由於儀表讀數的誤差,在U-I圖上,這些點並不真正分布在一直線上。如實驗中我們偶然選中了①、②、④、⑤、⑥、⑦,這幾對U、I值以求得ε、r的平均值(這幾對數據的特點是△U較小,△I較大,即εr值偏小),和選中③、④,⑤、⑥等幾對U、I值來求得ε、r的平均值(這幾對數據的特點是△U較大,△I較小,即ε、r值偏大),其結果是完全不同的。雖然我們盡可能增加實驗的次數,有可能減少最後平均值的誤差,但它的偶然性很大且計算十分繁瑣。我們若按各組U、I值作一條折衷的直線,使直線兩邊點的數目基本相同,再按圖線法求得ε、r的值,顯然可以大大減少實驗的偶然誤差。這樣分析雖很粗略,但對中學生來說已可以了。