大学物理综合设计性实验(完整)_理学_高等教育_教育专区。实验分析特别全面

　　综合设计性物理实验指导书 黑龙江大学普通物理实验室 目 绪论 实验 1 实验 2 实验 3 实验 4 实验 5 实验 6 实验 7 实验 8 实验 9 实验 10 实验 11 实验 12 实验 13 几何光学设计性实验 LED 特性测量 超声多普勒效应的研究和应用 热辐射与红外扫描成像实验 多方案测量食盐密度 多种方法测量液体表面张力系数 用 Multisim 软件仿真电路 霍尔效应实验误差来源的分析与消除 录 自组惠斯通电桥单检流计条件下自身内阻测定 用迈克尔逊干涉仪测透明介质折射率 光电效应和普朗克常数的测定液体电导率测量 光电池输出特性研究实验 非接触法测量液体电导率 I 绪 一．综合设计性实验的学习过程 论 完成一个综合设计性实验要经过以下三个过程： 1．选题及拟定实验方案 实验题目一般是由实验室提供，学生也可以自带题目，学生可根据自己的兴趣爱好自由选择题 目。选定实验题目之后，学生首先要了解实验目的、任务及要求，查阅有关文献资料（资料来源主 要有教材、学术期刊等） ，查阅途径有：到图书馆借阅、网络查询等。学生根据相关的文献资料， 写出该题目的研究综述，拟定实验方案。在这个阶段，学生应在实验原理、测量方法、测量手段等 方面要有所创新；检查实验方案中物理思想是否正确、方案是否合理、是否可行、同时要考虑实验 室能否提供实验所需的仪器用具、同时还要考虑实验的安全性等，并与指导教师反复讨论，使其完 善。实验方案应包括：实验原理、实验示意图、实验所用的仪器材料、实验操作步骤等。 2．实施实验方案、完成实验 学生根据拟定的实验方案，选择测量仪器、确定测量步骤、选择的测量条件，并在实验过 程中不断地完善。在这个阶段，学生要认真分析实验过程中出现的问题，积极解决困难，要于教师、 同学进行交流与讨论。在这种学习的过程中，学生要学习用实验解决问题的方法，并且学会合作与 交流，对实验或科研的一般过程有一个新的认识；其次要充分调动主动学习的积极性，善于思考问 题，培养勤于创新的学习习惯，提高综合运用知识的能力。 3．分析实验结果、总结实验报告 实验结束需要分析总结的内容有： （1）对实验结果进行讨论，进行误差分析； （2）讨论总结实 验过程中遇到的问题及解决的办法； （3）写出完整的实验报告（4）总结实验成功与失败的原因， 经验教训、心得体会。实验结束后的总结非常重要，是对整个实验的一个重新认识过程，在这个过 程中可以锻炼学生分析问题、归纳和总结问题的能力，同时也提高了文字表达能力。 在完成综合性、设计性实验的整个过程中处处渗透着学生是学习的主体，学生是积极主动地探 究问题，这是一种利于提高学生解决问题的能力，提高学生的综合素质的教学过程。 在综合设计性实验教学过程中学生与教师是在平等的基础上进行探讨、讨论问题，不要产生对 教师的依赖。有些问题对教师是已知的，但对学生是未知的，这时教师应积极诱导学生找到解决问 题的方法、 鼓励学生克服困难， 并在引导的过程中帮助学生建立科学的思维方式和研究问题的方法。 有些问题对教师也是一个未知的问题，这时教师应与学生共同思考共同解决问题。 二．实验报告书写要求 实验报告应包括：1 实验目的；2 实验仪器及用具；3 实验原理；4 实验步骤；5 测量原始数据； 6 数据处理过程及实验结果；7 分析、总结实验结果，讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办 法，总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。 三．实验成绩评定办法 教师根据学生查阅文献、实验方案设计、实际操作、实验记录、实验报告总结等方面综合评定 学生的成绩。 （1）查询资料、拟定实验方案：占成绩的 20%。在这方面主要考察学生独立查找资料，并根 据实验原理设计一个合理、可行的实验方案。 （2）实施实验方案、完成实验内容：占成绩的 30%。考察学生独立动手能力，综合运用知识 解决实际问题的能力。 （3）分析结果、总结报告：占成绩的 20%。主要考察学生对数据处理方面的知识运用情况， 分析问题的能力，语言表达能力。 （4）科学探究、创新意识方面：占成绩的 20%。考察学生是否具有创新意识，善于发现问题 并能解决问题。 （5）实验态度、合作精神：占成绩的 10%。考察学生是否积极主动地做实验，是否具有科学、 1 严谨、实事求是的工作作风，能否与小组同学团结合作。 四．综合设计性实验上课要求 1．做每个实验前要做实验前的开题报告，开题报告应包括： （1）实验的目的、意义、内容； （2）对实验原理的认识、拟定的测量方案等； （3）对实验装置工作原理、使用方法等方面的了解； （4）对实验的原理、测量方法、仪器使用等方面存在的问题、需进一步研究的内容等。 2．实验结束要求做实验总结报告，总结报告应包括： （1）阐述实验原理、测量方法； （2）介绍实验内容，分析测量数据、实验现象，总结测量结果； （3）实验的收获、实验的改进意见，对实验教学工作提出意见和建议等。 2 实验 1. 几何光学设计性实验 ——组装显微镜与望远镜 显微镜与望远镜是常用的助视光学仪器。显微镜主要用来帮助人们观察近处的微小物体，望远 镜则主要帮助人们观察远处的目标，它们在天文学、电子学、生物学和医学等领域中都起着十分重 要的作用。为适应不同用途和性能的要求，有各种类型的显微镜与望远镜，构造上也各有差异，但 是它们的基本光学系统都是由一个目镜和物镜组成。 一．实验目的 （1）掌握透镜成像规律； （1）组装简单的显微镜与望远镜，以熟悉它们的构造及其放大原理，掌握其调节与使用方法； （2）用自己组装的望远镜测量凸透镜和凹透镜的焦距。 二．实验室可提供的器材 1.2m 光学导轨一个，焦距为 4、8、20 ㎝的凸透镜各一个，待测凸透镜、凹透镜各一个，玻璃 叉丝屏（分划板）一个，物屏一个。 三．实验内容 1．区分凸、凹透镜，分辨不同凸透镜的焦距长短。 2．选择较短焦距的凸透镜做目镜，与分划板构成目镜系统，调整目镜到透镜之间的距离，使 分划板成像清晰。 3．利用透镜成像法测量所有凸透镜的焦距（用目镜系统观察成像） 。 4．组装显微镜 要求： （1）画出显微镜的光路图； （2）选择合适的凸透镜做物镜，利用目镜和分划板组成的目镜系统，组装显微镜。 （3）调整显微镜系统看清放大的像，观察显微镜放大的现象。 5．组装望远镜 要求： （1）画出开普勒望远镜的光路图。 （2）选择一个焦距较长的凸透镜做物镜，利用目镜系统，组装望远镜。 （3）用组装的望远镜系统，观察远处物体成像的现象。 4．用上述组装成的望远镜测量待测凸透镜的焦距 要求：画出测量光路图，并叙述测量原理及过程。 5．用上述组装成的望远镜测量待测凹透镜的焦距。 要求：画出测量光路图，并叙述测量原理及过程。 五．实验报告要求 1．阐述实验的基本原理及测量方法 内容包括：透镜成像原理，测量透镜焦距的方法，显微镜望远镜的结构、组装方法等 2．记录实验步骤及各种实验现象，画出光路图，记录实验数据。 3．总结本次实验的收获和体会。 3 实验 2 LED 特性测量 LED 是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易 于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括：照明、大屏幕显示、液晶 显示的背光源、装饰工程等。本实验通过测试各种 LED 特性，分析实验结果，从而进一步了解 LED 工作原理及相关应用。 实验目的 1. 测量 LED 的伏安特性 2. 测量 LED 的电光转换特性 3. 测量 LED 输出光空间分布特性 实验仪器及用具 LED 光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪及 LED 组件。 实验原理 一．LED 工作原理 N 发光二极管是由 P 型和 N 型半导体组成的二极管。 势垒电 空间 P 型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。 场方向 电荷区 N 型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。 P 当两种半导体结合在一起形成 P-N 结时， N 区的电子 （带 图 1 半导体 P-N 结示意图 负电）向 P 区扩散， P 区的空穴（带正电）向 N 区扩 散，在 P-N 结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动， 终扩散与漂移达到平衡，使流过 P-N 结的净电流为零。在空间电荷区内，P 区的空穴被来自 N 区 的电子复合，N 区的电子被来自 P 区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结 区或耗尽区。 当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P 区的空穴和 N 区的 电子就向对方扩散运动，从而在 PN 结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能 量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光 谱的中心波长，由组成 P-N 结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不同的材料及材料组分， 可以获得发射不同颜色的发光二极管。 LED 的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是 － 700 纳米，白光 LED 一般 采用三种方法形成。种是在蓝光 LED 管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱 合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构 成白光 LED 。第 3 种是紫外 LED 加 3 基色荧 光 I 粉， 3 基色荧光粉的光谱合成白光。 二． LED 光电特性 1.LED 的伏安特性 V 伏安特性反映了在 LED 两端加电压时，电 流 与 电压的关系，如图 2 所示。 在 LED 两端加正向电压，当电压较小，不 足 以 克服势垒电场时，通过 LED 的电流很小。当正 向 电 压超过死区电压（图 2 中的正向拐点）后，电流 随 电 图 2 LED 的伏安特性曲线 压迅速增长。 正向工作电流指 LED 正常发光时的正向电流值，根据不同管子的结构和输出功率的大小，其 4 值在几十毫安到 1 安之间。 正常工作电压指 LED 正常发光时加在二极管两端的电压。 允许功耗指加于 LED 的正向电压与电流乘积的值，超过此值，LED 会因过热而损坏。 LED 的伏安特性与一般二极管相似。在 LED 两端加反向电压，只有微安极的反向电流。反向 E 电压超过击穿电压（一般为几十伏）后，管子被击 穿损坏。 为安全起见， 激励电源提供的反向电 压低于击穿电压。 2、测量 LED 的电光转换特性 图 3 反映发光二极管的驱动电流与与输出照 度的关系。 发光二极管输出照度值与驱动电流近似 呈线性关系。 这是因为驱动电流与注入 PN 结的电 荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况 I 下，输出照度与注入电荷数成正比。 图3 LED 电光转换特性 （a）A 型管（加装透镜） （b）B 型管 图 4 两种发光二极管的角度特性曲线、LED 输出光空间分布特性 发光二极管的芯片结构及封装方式不同，输出光的空间分布也不一样，图 4 给出其中两种的 分布特性。图 4 的发射强度是以值为基准，此时方向角定义为零度，发射强度定义为 100％。 当方向角改变时，发射强度相应改变。发射强度降为峰值的一半时，对应的角度称为方向半值角。 发光二极管出光窗口附有透镜，可使其指向性更好，如图 4（a）的曲线所示，方向半值角大约 为± 7°左右，可用于光电检测，射灯等要求出射光束能量集中的应用环境。图 4 (b)所示曲线为 未加透镜的发光二极管，方向半值角大约为± 50°，可用于普通照明及大屏幕显示等要求视角宽 广的应用环境。 实验仪器介绍 5 LED 光发射器 LED 组件盒 照度检测 激励电源 测试控制器 实验仪 图5 LED 特性实验装置 LED 实验装置如图 5 所示。实验装置由 LED 光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实 验仪及 LED 组件盒组成。 LED 组件共提供红色，绿色，蓝色，白色 4 种高亮 LED 和红色，绿色，蓝色，白色 4 种功率 LED。 LED 光发射器可以旋转并由刻度盘指示旋转角度，方便测量 LED 输出光空间分布特性。 照度检测由光电池将 LED 输出的光信号转换成电信号后，由照度表显示。 激励电源有稳压与稳流两种输出模式，本实验内容采用稳压模式。在稳压模式下，选择 0～36 伏档,控制器向 LED 输出反向电压。选择 0～4 伏档,控制器向 LED 输出正向电压。输出调节旋纽可 以调节输出的电压值。 测试控制器提供电压换向，过压报警，输入输出信号的转接等功能。 实验仪上有电压，电流，照度 3 个表头，是读取实验数据的窗口，每个表头都带有量程切换按 键。 各部分的连线仪器上都有标示，按标示连接即可。 使用时应注意，只有在电源输出为 0 时（电源调节旋纽逆时针旋转到底） ，才可进行：切换电 源和实验仪的档位、更换 LED 组件、开启、关闭电源。否则易导致电源或仪器损坏。 LED 驱动电源 电压表 LED 光探头 照度表 电流表 图6 LED 特性测量原理图 实验内容与要求 1.测量伏安特性与电光转换特性 （1）测量反向特性 将照度检测探头至 LED 的距离调节到 20 厘米。调节探头的高度和角度，使其正对 LED。 6 输出模式选择稳压，电源输出档位选择 0～36V。此时控制器上的红色指示灯熄灭，表明加在 LED 上的为反向电压，测量反向特性。 将输出调节旋纽右旋至输出－20V，测量反向电流。逐渐减小反向电压，观察反向电流的变化， （2）测量正向特性 反向电压调节到 0 后， 将电源档位切换为 0～4V。 此时控制器上的红色指示灯亮， 表明加在 LED 上的为正向电压，测量正向特性。 根据实验数据，画出 4 只高亮 LED 管的伏安特性及电光转换特性曲线.测量 LED 输出光空间分布特性测试 测量高亮 LED、功率 LED，驱动电流保持在 16mA。 画出高亮 LED、功率 LED 输出光空间分布特性曲线，并比较。 实验注意事项 只有在电源输出为 0 时 （电源调节逆时针旋转到底） ， 才可切换电源和实验仪的档位， 更换 LED 组件，开启、关闭电源，否则导致电源或仪器损坏。 7 实验 3 超声多普勒效应的研究和应用 如果波源或接收器或两者相对于介质运动， 则发现接收器接收到的频率和波源振动 的频率不相同。 这种接收器接收到的频率有赖于波源或接收器运动的现象， 称为多普勒 效应。多普勒效应在核物理、天文学、工程技术、交通管理、医疗诊断等方面有十分广泛 的应用，如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达、多普勒彩色超声诊断仪等。本实验用超 声波来研究多普勒效应。 实验目的： 1. 验证超声波的多普勒效应； 2. 利用多普勒效应测量空气中的声速； 3. 将超声换能器作为速度传感器，测量运动物体的速度，研究匀速直线运动，匀 变速直线. 利用超声波测量物体的位置及移动距离。 实验用具： DH-DPL2 型 多普勒效应及声速综合测试仪，智能运动控制系统，测试架，示波器 等。 实验原理： 一．声波的多普勒效应 首先介绍波源 S 与接收器 R 的运动方向与波的传播方向共线.相对介质波源静止，接收器以速度 vR 运动 若接收器向着静止的波源运动， 在单位时间内接收器接收到的完整波的数目等于分 布在 u ? vR 距离内波的数目，即接收器接收到的频率为： fR ? u ? vR ? ? u ? vR u ? vR ? f u u f 其中 u 、 ? 、 f 分别为波在介质中传播的速度、波长及频率。由于波源在介质中静止， 所以波的频率 f 就等于波源的频率 f S ,因此有 fR ? u ? vR v ? ? f S ? ?1 ? R ? f S u u ? ? ?????（1） 当接收器离开波源运动时，接收器接收到的频率为： v ? ? f R ? ?1 ? R ? f S u ? ? ?????（2） ?f ? f S ? f R 称为多普勒频移 2.相对介质接收器静止，波源以速度 vS 运动 当波源运动时， 它所发出的相邻的两个同相振动状态是在不同地点发出的， 相隔的 距离为 vS TS , TS 为波源的周期。如果波源向着接收器运动，对接收器的有效波长为 ?R ? ? ? vSTS ? uTS ? vSTS ? ?u ? vS ?TS 接收器接收到的频率为 1 fR ? u ?R ? u u ? fS ? (u ? vS )TS u ? vS 1 f vS S 1? u ?????（3） 如果波源远离接收器运动，接收器接收到的频率为 fR ? 1 f vS S 1? u ?????（4） 3.相对介质，波源和接收器分别以速度 vS 、 vR 运动 波源的频率为 f S ，接收器的频率为 fR ? u ? vR fS u ? vS ?????（5） 如果波的传播方向、波源速度、接收器的速度三者不共线 所示， 接收器的频率为 R vR u ? vR cos? fR ? fS u ? vS cos? ? vS 图1 ? S 二．多普勒效应的应用 1. 用多普勒效应测声速 实验装置的声源是固定的， 接收器可在导轨上运动， 因此本实验研究上述第 1 种情 况，即相对介质波源静止，接收器以速度 vR 运动。根据（1）或（2）式，如果测得波 源的频率 f S 、接收器运动的速度 vR 及对应的频率 f R ，可以得到声速 u 。 2.测量物体的运动速度 测量物体的运动速度时， 可以把接收器作为速度传感器与被测物连在一起， 还是利 用（1）或（2）式，测得波源的频率 f S 、接收器的频率 f R 、声速 u ，可得到物体的运 动速度 vR 。本实验装置可以用多种方法测量声速，共振干涉法、相位法测量原理可参 考声速测量实验，下面介绍时差法测量声速原理。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经 过 t时间后，到达 L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速 度可由以下公式求出： u? L t 2 ?t 图 2 发射波与接收波 图 2 发射波与接收波 通过测量二换能器发射接收平面之间距离 L 和时间 t,就可以计算出当前介质下 的声波传播速度。可利用时差法测量声速的原理确定物体的位置及移动的距离。 三．超声波与压电陶瓷换能器 频率 20Hz-20kHz 的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高低温冲击试验箱高于 20kHz 称为超声 波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射 等优点 ,可避免实验室内各种声音的干扰。 压电陶瓷超声换能器是发生和接收超声波的器件，根据它的工作方式，分为纵 向（振动）换能器、径向（振动）换能器及弯曲振动换能器。本实验装置采用纵向 换能器。图 3为纵向换能器的 结构简图。 压电陶瓷片是用多晶体结构的压电材料 （如钛酸钡）制成，具有压电效应。能将正 弦交流信号变成压电材料纵向长度的伸缩， 使压电陶瓷成为声波的波源；反之，也可以 使声压变化转变为电压的变化，即用压电陶 瓷片作为声频信号的接收器。 图3 后盖反射板 压电陶瓷片 辐射头 正负电极片 纵向换能器的结构简 实验装置介绍 实验装置由综合实验仪、 智能运动控制系统和测试架三个部份组成， 实验装置及线. 综合测试仪，由功率信号源、接收器、功率放大器、微处理器，液晶显示器等 组成。综合测试仪面板如图 5。 功率信号源可提供 （1） 连续波，频率范围：20kHz~50kHz，步进值：10Hz，输出电压：10Vp-p； （2） 脉冲波，脉冲波宽度：75μs，周期：30ms；输出电压： 7Vp-p； 综合测试仪可完成下列测试功能： 3 （1） 接收器通过光电门时的平均频率及平均速度； （2） 波源发出脉冲信号到接收器接收的时间； （3） 实时跟踪接收器接收的频率变化，可控制采样点数和采样步距； （4） 数据存贮和查询功能。 6 测试架 13 14 15 16 3 17 1 8 2 7 4 11 12 5 9 10 1.发射换能器，2.接收换能器，3、5.限位保护座，4.测速光电门，6.接收线.测速挡光片和 行程撞块，9.步进电机，10.滚花帽，11.运动导轨，12.底座，13.光电门 I，14.光电门 II ，15.限位，16.电机控制 ， 17.光电门 I 插座同步电机。 图 4 实验装置及线.智能运动控制系统由步进电机，电机控制模块，单片机系统组成，面板如图 6 所 示。 智能运动控制系统用于控制小车的启、停及小车作匀速运动的速度。此外，内建了 七种变速运动模式：从零加速，后减速到零；再反向从零加速，后减速到零??不停循 环。 4 为了防止小车运动时发生意外， 设计有小车限位功能， 该功能由光电门限位和行程 开关控制组成。当小车运动到导轨两侧的限位光电门处时，根据不同的运行方式，小车 会自行停止运行或反向运行； 当因误操作致使小车越过限位光电门后， 会触发行程开关， 使系统复位停车， 这时可以关闭控制系统电源开关， 手动把小车移动到两限位光电门之 内后，重新启动电源。注意：为了保证电机运动状态的准确性，开启电源时必须确保 小车起始位置在两限位光电门之间。 图 6 智能运动控制系统 3.测试架由底座、超声发射换能器、导轨、载有超声接收器的小车、步进电机、传 动系统、光电门等组成。 实验内容及操作步骤 1.调整实验装置 （1）按图 4 接线。把测试架上收发换能器(固定的换能器为发射，运动的换能器为 接收)及光电门 I 连在综合测试仪上的相应插座上, 测试仪上的“发射波形”及“接收 波形”与示波器相接,将“发射强度”及“接收增益”调到；将测试架上的光电门 II、限位及电机控制接口与智能运动控制系统相应接口相连；将智能运动控制系统“电 源输入”接综合测试仪的“电源输出” 。 （2）把载有接收换能器的小车移动到导轨右端（移动时可以关闭智能运动控制 系统电源或在通电时保证移动区域在两限位光电门之间， 智能运动控制系统的使用请参 看附录仪器使用说明） （3）进入“多普勒效应实验”子菜单，切换到“设置源频率”后，按“ 值，该值对应的超声波频率即为换能器的谐振频率。 （4）谐振频率调好后， “动态测量” ，我们可以看到画面中换能器的接收频率（测 量频率）和发射源频率是相等的，而且改变接收换能器的位置，该测量频率和发射频率 始终是相等的，证明调谐成功。 2.验证多普勒效应 （1）按照上述实验步骤 1 的内容，设置好波源频率。 （2）转入“瞬时测量” ，确保小车在两限位光电门之间，开启智能运动控制系统电 源，设置小车运动的速度，使小车正或反通过中间测速光电门。每次测量完毕后记下接 5 ” “ ” 键增减信号频率，一次变化 10Hz；用示波器观察接收换能器波形的幅度是否达到 收器频率 改变小车的运动速度，反复多次测量，作出 ?f 的斜率 K 与理论值 f S u0 的关系。 声速理论值： vR 。 f R 、波源频率 f S 、及其差值 Δf 正 和 Δf 反，智能运动控制系统给出的小车速度 ? vR 关系曲线 其中 t 为室温，单位为℃ 。 也可以用“动态测量” ，注意：动态测量仅限于小车运动速度较低时。动态法可更 直观的验证多普勒效应。 3. 用多普勒效应测声速 测量步骤和 2 相同，可转入“动态测量”或“瞬时测量” ，小车运动速度由智能运 动控制系统确定，波源频率和接收器频率由综合测试仪确定,因而可由（1）或（2）式 求出声速 u 。进行多次测量后，求出声速的平均值。波源频率和接收器频率，也可以用 示波器测量。 3.用时差法测空气中的声速 综合测试仪进入“时差法测声速”画面，这时超声发射换能器发出 75μs 宽（填充 3 个脉冲） ，周期为 30ms 的脉冲波。可在直射式和反射式两种方式下进行。 （1）在直射方式下，接收换能器接收直达波，这时综合测试仪显示声波从发射换 能器到接收换能器传播的时间△t 值：△t1；用步进电机或用手移动小车（注意：手动 移动小车时候，通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动，以减小试验误差） 再 得 到 一 个 △ t 值 ： △ t2 ， 从 而 算 出 声 速 值 ?t 2 ? ?t1 ， 其中△x 为小车移动的距离 （可 ?x c0 , c0 ? 反射屏 以 直接从标尺上读出或参考控制器中显示的距离） 。 可用数字存储示波器测量△t，把发射、接收 能器的信号输入到示波器的两个通道中，发射信 到接收信号的个波峰之间的距离即为△t， 如 所示。 （3） 在反射方式下， 接收换能器接收由反射 反射的反射波。反射法测声速时，反射屏要远离 换能器，调整两换能器之间的距离、两换能器与 发射换能器 图7 ? L 换 号 图2 面 接收换能器 两 反 射屏之间的夹角? 以及垂直距离 L ，如图 7 所示。使用数字存储示波器（双踪、由脉 冲波触发）接收到稳定波形，用示波器观察波形，调节示波器使接收器波形的某一波头 的波峰处在一个容易辨识的时间轴位置上，然后向前或向后移动反射屏位置，使移动 ?L ， 记 下 此 时 示 波 器 中 上 述 波 头 在 时 间 轴 上 移 动 的 时 间 ?t 6 ，可得到声速 u? ?x 2?L ? 。 ?t ?t sin ? 还可以用驻波法和相位法测量声速（测量方法参见声速测量实验） 。用多种方法测 得的声速与理论值比较，分析各种测量方法的特点、测量误差产生的原因。 4.研究物体的运动状态 将超声换能器用作速度传感器，可进行匀速直线运动，匀加（减）直线运动，简谐 振动等实验。这时综合测试仪应进入“变速运动实验” ，设置好采样点数，采样步距后, “开始测量” ，测量完后显示出结果。 进行运动实验时，除了用智能运动系统控制的小车外，还可换用手动小车，这时注 意应该推动小车系统的底部使小车运动，并且不能用力过大、过猛。 5.设计性实验：用多普勒效应测量运动物体的未知速度。 根据前面实验内容 2 结果， 结合智能运动系统， 设计一个用多普勒效应测量运动物 体的未知速度的实验方案，包括原理、步骤和结果等。 6.设计性实验：利用超声波测量物体的位置及移动距离。 请实验者根据前面实验内容 3 中关于时差法测声速的原理， 结合智能运动控制系统 及导轨标尺，设计一个用超声波测量物体的位置及移动距离的实验方案，包括原理、步 骤、系统误差的处理和结果等。 仪器使用注意事项 1．使用时，应避免信号源的功率输出端短路。 2．注意仪器部件的正确安装、线．仪器的运动部分是由步进电机驱动的精密系统，严禁运行过程中人为阻碍小 车的运动。 4．注意避免传动系统的同步带受外力拉伸或人为损坏。 5．小车不允许在导轨两侧的限位位置外侧运行。 附录：仪器使用说明 1、综合测试仪主画面 开机时或按复位键时显示： “欢迎使用多普勒效应及声速综合实验仪” 。 按“确认”键（即中心键）后显示主菜单： “时差法测声速” “多普勒效应实验” “变速运动实验” “数据查询” 按“ ” “ ”键选择不同的任务，按“确认”键进入以下各任务： “时间差△t: xxxμ s” 7 “时差法测声速” ： “返回”，按 “确认”键返回主菜单； “多普勒效应实验” ： “设置源频率” ： “ ” “ ”增减信号频率，一次变化 10Hz； “瞬时测量” ：测过光电门时的平均频率及平均速度； “动态测量” ：不用光电门测得的动态频率（频率计） ； “返回” ，按 “确认”键返回主菜单； “变速运动实验” ： “采样点数”160，用“ “采样步距”65ms，用“ ” “ ” “ ”增减，一次变化 1； ”增减，一次变化 1ms； “开始测量” ：进入测量状态，测量完后显示结果“f-t” 、 “数据” 、 “存 储” 、 “返回” ；按“ ” “ ”键进入相关功能；若要对 数据进行存储，先选择该功能，按下“确认”后将显示 “存储组别：x” ，用“ 操作界面； “返回” “数据查询” ： “变速运动数据组别：x” 用“ ” “ ”键增减改变要查询的组别 x，按下“确认”后显示相关 ” “ ”键切换到相关 ” “ ”增减改变组别 x，然后 按下“确认”后将显示“已存储到组 x” ，并自动回到原 信息“f-t” 、 “数据” 、 “存储” 、 “返回” ，按“ 功能； 2、智能运动控制系统 用于控制小车的启、 停及小车作匀速运动的速度。 此外， 内建了七种变速运动模式： 从零加速，后减速到零；再反向从零加速，后减速到零??不停循环。 为了防止小车运动时发生意外， 设计有小车限位功能， 该功能由光电门限位和行程 开关控制组成。当小车运动到导轨两侧的限位光电门处时，根据不同的运行方式，小车 会自行停止运行或反向运行；当因误操作致使小车越限光电门后，会触发行程开关，使 系统复位停车， 这时可以关闭控制系统电源开关， 手动把小车移动到两限位光电门之内 后，重新启动电源。注意：为了保证电机运动状态的准确性，开启电源时必须确保小车 起始位置在两限位光电门之间。 （1）在匀速运动模式下，即显示速度 V 为 0.XXXm/s 或-0.XXXm/s（ “-”表示方 向为负） ，单击 键，进入速度设定模式，显示速度 V 为 0.XXXm/s 或-0.XXXm/s，并 键（速度增加）或 8 且高位“0”处于闪烁状态；这时再按 键（速度减小）来对速度 的大小进行设定，设定好后再单击 键进行确定即可。 速度显示误差为：± 0.002m/s。此速度可以当成已经确定的物理量，也可以用外部 测速装置来测量。 （2） 单击 ——启动/停止控制键， 将使电机加速启动到设定速度或从设定速度减 速到停止运行（为了防止步进电机的失步和过冲现象，需加速启动和减速停止） 。此键 在小车运行时才有效。 （3）在电机停止时单击 ——正/反转控制键，速度显示方向改变，电机下次的运 行方向将会改变。需要注意的是，当电机运行到导轨两侧的限定位置而停止时，只有按 此键改变电机运行方向才可反向运行。 （4）在速度设定完毕，即显示速度 V 为 0.XXXm/s 或-0.XXXm/s 时，单击 此键将停止查看，恢复原来速度显示数。在查看的过程中，其它键盘将失效。 （5）在速度设定完毕，单击 ——下键将进入小步进距离 L 设定,显示 L0.XXX 加键（加 1）或 减键（减 1）来对该位的大小 加键（加 1）或 减键（减 —— 上键将显示上次电机运行的距离 D，显示为 XXX.XXmm 用于时差法测声速，再次单击 mm，并且位开始闪烁；此时按 进行设定；再次单击 ——下键，向左移位闪烁，再按 1）来对该闪烁位的大小进行设定??依次对各位进行设定，继续单击 ——下键，直 到自动显示速度 V 为 0.XXXm/s 或-0.XXXm/s 时， 表示设定完毕。 步进距离可设定 到 0.300mm，小为 0.050mm，初始设定值为 0.102mm，具体设定方法见速度设定说 明。 （6）在速度设定完毕后，按下 键不放，直到数码管显示 ACCX 或-ACCX 时再 键不放直到显示速度 V 为 0.XXXm/s 或 释放，即可进入变速运动模式；再次按 -0.XXXm/s 时将返回原来匀速运动模式。 （7）在变速运动模式下，当电机处于停止状态时，单击 ——下键将改变速度曲 线 条先加速再减速曲线m/s 加速到系统速度所能设定的 值（0.475m/s）然后再减速停止） ，显示 ACCX 或-ACCX，X 为 1~7。 （8）速度曲线选择好后，单击 ——启动/停止控制键将启动变速运行曲线，运行 的过程中将显示瞬时速度 0.XXXm/s 或-0.XXXm/s，反映瞬时速度的大小和方向变化。 运动过程中再次单击 -ACCX，X 为 1~7。 9 ——启动 / 停止控制键将停止运行变速曲线，显示 ACCX 或 （9）在变速运动模式下，当电机不运行时，单击 速度显示方向改变，电机下次的运行方向将会改变。 ——正/反转控制键，变速运动 （10）当变速运动停止时显示 ACCX 或-ACCX，单击 键将显示上次变速运行的 距离 D，当 0mmD1000mm 时显示 XXX.XX mm；当 1000mmD10000mm 时显示 XXXX.X mm；10000mmD100000mm 时显示 XXXXX mm。 3、速度设定说明： （1）启动电机开始运行时，要先将固定接收换能器的小车置于导轨中间，即两个 限位光电门之间的位置， 然后按一下控制器后面的复位键即可做实验， 若运动模式切换， 需再重复上面操作，确保初始运动状态正确。 在匀速运动模式下，限位停车后，要按 键改变电机运行方向后方可再按 键启 动运行；在变速运动模式下，到限位位置后，电机运行方向将自动改变且继续运行，按 启动/停止键 才可停止运行。 （2）7 条加速曲线 加速到速度 V，然后再减速到 0；然后反向再从 0 加速到速度 V，再减速到 0……变速运行的距离可以查看。 （3）通过外部测距来校对设定电机小步进距离 L。先设定一个速度，使电机匀速运 行，运行一段距离后停车，记下控制器中显示的运行距离 D 和小车实际运行的距离 S （从标尺上读出） 。由于步进电机运行的步数一定，设原小步进为 L,需设定的小步 进为 LS，则有 D/L=S/LS。把计算出的 LS 值设入系统，那么下次运行距离显示值即为实 际测量值。本系统已预置一个参考值 L=0.102mm，可以通过多次实验设定该值。 10 实验 4 热辐射与红外扫描成像实验 热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到,黑体辐射实验是量子 论得以建立的关键性实验之一。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的 光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到∞，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外 线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温 度、表面积、黑度等因素有关。 实验目的 1.研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响，并分析原因; 2.测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射强度P和距离S以及距离的平方S 的关系，并描绘 P-S 曲线.依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图; 4.测量不同物体的防辐射能力; 5.了解红外成像原理，根据热辐射原理测量发热物体的形貌。 实验仪器用具 DHRH-1测试仪、黑体辐射测试架、红外成像测试架、红外热辐射传感器、半自动扫描平台、光 学导轨（60cm）、计算机软件以及专用连接线等。 实验原理 为定量地表明物体热辐射的规律，引入了光谱辐射出射度 M ν （频率为ν 的光谱辐射出射度是 指单位时间内从物体单位表面积发出的频率在ν 附近单位频率区间的电磁波能量,SI单位为 2 2 W (m2 ? Hz) ）、光谱吸收比 α(ν, T ) （在温度为T时，物体表面吸收的频率在ν 到ν +dν 区间的辐 射能量占全部入射的该区间的辐射能量的份额，称作物体的光谱吸收比）和黑体（能完全吸收照射 到它上面的各种频率的光的物体称作黑体）概念，实验表明，辐射能力越强的物体，其吸收能力也 越强。理论上可以证明，尽管各种材料的 M ν 和 α(ν, T ) 可以有很大的不同，但在同一温度下二者的 比 M ν α(ν, T ) 却与材料种类无关，而是一个定值。其数学表达式为： = F (ν, T ) α (ν, T ) 式中 F (ν, T ) 是一个与物质无关的普适函数。 Mν ????（1） 对于黑体， α(ν, T ) = 1，它的光谱辐射出射度应是各种材 1 图1 料中的，而且只与频率和温度有关。如果在腔壁上开一个小洞（图1），则射入小洞的光就很 难有机会再从小洞中出来。这样一个小洞实际上就能完全吸收各种波长的入射电磁波而成了黑体。 黑体辐射公式，即普朗克公式 Mν ? 2πh ν 3 c 2 e hν kT - 1 ?34 ????（2） ? 10 式中 hν 为能量子， h 为普朗克常量， h ? 6.6260755 J ?s。 从普朗克公式可以导出两个定律：一个是黑体的全部辐射出射度公式，即斯特藩-玻耳兹曼定 律 M ? ? M ν dν ? σT 4 0 ? ????（3） 式中 σ 为斯特藩-玻耳兹曼常量， σ ? 5.67051 ?10?8W /(m2 ? K 4 ) 图2辐射能量与波长的关系 另一个是维恩位移律，它说明，在温度为 T 的黑体辐射中，光谱辐射出射度的电磁波的频 率 νm 或波长 λm 由下式决定： νm ? CνT 或 λmT ? b ?3 ????（4） 式中 Cν 、 b 为常量，其值为 Cν ? 5.880?1010 H Z K ， b ? 2.8978?10 m ? K 图2显示了黑体不同色温的辐射能量随波长的变化曲线，峰值波长 λm 与它的温度T成反比。 实验内容及操作步骤 一．物体温度以及物体表面对物体辐射能力的影响 2 1．将黑体热辐射测试架、红外传感器安装在光学导轨上，调整红外热辐射传感器的高度，使 其正对模拟黑体（辐射体）中心，然后再调整黑体辐射测试架和红外热辐射传感器的距离为一较合 适的距离并通过光具座上的紧固螺丝锁紧。 2．将黑体热辐射测试架上的加热电流输入端口和控温传感器端口分别通过专用连接线测试仪面板上的相应端口相连；用专用连接线将红外传感器和DHRH-I面板上的专用接口相 连；检查连线是否无误，确认无误后，开通电源，对辐射体进行加热，见图3所示。 图3 3．测量不同温度时的黑体辐射强度，绘制温度 t ( C ) - P (V ) 辐射强度曲线）保持黑体辐射测试架离红外热辐射传感器距离1cm左右； （2）把温度控制器温度设定在80℃给黑体加热，用万用表或者数据采集分别测量四种黑体辐 射面（黑面、粗糙面、光面1、光面2（带孔） ）辐射强度大小（电压mV）随黑体温度变化之间的关 系，采用动态法测量； （3）实验时，保证热辐射传感器与待测辐射面距离相同，便于分析和比较； （4）根据测量数据分析物体温度以及物体表面对物体辐射能力的影响； （5）光面2上有通光孔，比较光面1与光面2的测量数据分析光照对实验的影响。 4.黑体温度与辐射强度微机测量： 用计算机动态采集黑体温度与辐射强度之间的关系时，先按照步骤2连好线，然后把黑体热辐 射测试架上的测温传感器PT100II连至测试仪面板上的“PT100传感器II”，用USB电缆连接电脑与 测试仪面板上的USB接口，见图4所示。 具体实验界面的操作以及实验案例详见安装软件上的帮助文档。 3 ? 图4 一． 探究黑体辐射和距离的关系 1.按照实验一的步骤2把线.将黑体热辐射测试架紧固在光学导轨左端某处，红外传感器探头紧贴对准辐射体中心，稍微 调整辐射体和红外传感器的位置，直至红外辐射传感器底座上的刻线对准光学导轨标尺上的一整刻 度，并以此刻度为两者之间距离零点。 3.将红外传感器移至导轨另一端，并将辐射体的黑面转动到正对红外传感器。 4.将控温表头设置在80℃，待温度控制稳定后， 移动红外传感器的位置， 每移动一定的距离后， 记录测得的辐射强度，绘制辐射强度-距离图以及辐射强度-距离的平方图,即P-S和P-S 图。 5．分析绘制的图形，你能从中得出什么结论，黑体辐射是否具有类似光强和距离的平方成反 比的规律？ 注意：实验过程中，辐射体温度较高，禁止触摸，以免烫伤。 三．依据维恩位移定律，测绘物体辐射强度P与波长的关系图 1.按实验一，测量不同温度时，辐射体辐射强度和辐射体温度的关系并记录。 2.根据公式（3），求出不同温度时的 λm 。 3.根据不同温度下的辐射强度和对应的 λm ，描绘P- λm 曲线.分析所描绘图形，并说明原因。 四．测量不同物体的防辐射能力 1．分别测量在辐射体和红外辐射传感器之间放入物体板之前和之后，辐射强度的变化。 2. 放入不同的物体板时，辐射体的辐射强度有何变化，分析原因，你能得出哪重物质的防辐 射能力较好，从中你可以得到什么启发。 4 2 五.红外成像实验（使用计算机） 1．将红外成像测试架放置在导轨左边，半自动扫描平台放置在导轨右边，将红外成像测试架 上的加热输入端口和传感器端口分别通过专用连线同测试仪面板上的相应端口相连；将红外传感器 安装在半自动扫描平台上，并用专用连接线将红外辐射传感器和面板上的输入接口相连，用 USB 连 接线将测试仪与电脑连接起来，如图 4 所示。 2．将一红外成像体放置在红外成像测试架上，设定温度控制器控温温度为 60 或 70 度等，检 查连线是否无误；确认无误后，开通电源，对红外成像体进行加热。 3．温度控制稳定后，将红外成像测试架向半自动扫描平台移近，使成像物体尽可能接近热辐 射传感器（不能紧贴，防止高温烫坏传感器测试面板）。 4．启动扫描电机，开启采集器，采集成像物体横向辐射强度数据；手动调节红外成像测试架 的纵向位置（每次向上移动相同坐标距离，调节杆上有刻度），再次开启电机，采集成像物体横向 辐射强度数据；电脑上将会显示全部的采集数据点以及成像图，软件具体操作详见软件界面上的帮 助文档。 实验注意事项 1.实验过程中，当辐射体温度很高时，禁止触摸辐射体，以免烫伤。 2.测量不同辐射表面对辐射强度影响时，辐射温度不要设置太高，转动辐射体时，应带手套。 3.实验过程中，计算机在采集数据时不要触摸测试架，以免造成对传感器的干扰。 4.辐射体的光面 1 光洁度较高，应避免受损。 5 实验 5 多方案测量食盐密度 一．实验目的和意义： 在日常生活中，食盐是我们必的生活用品。学习研究，利用学过的方法实现用多种方式测量 食盐密度，并通过此实验加深对知识的应用程度。 二．参考资料： 1．基础物理实验。 2．化学实验用书。 三．实验前应思考的问题： 1.利用学过的知识可以找到几种测量食盐密度的方法？ 2.如何确定食盐的密度，需要给定哪些已知量？ 3.实验操作过程中应该注意哪些问题？ 四．实验室可提供的主要器材： 食盐，比重瓶，水，电子天平，游标卡尺，螺旋测微器，烧杯，温度计等。 五、实验内容： 1.设计实验，利用饱和溶液比重瓶法测量出食盐密度。 2.设计实验（至少两个） ，利用所学过的知识测量出食盐密度。 3.比较用过的实验方法，选取的实验记录实验数据。 六．实验报告要求： 1．阐明实验目的和意义。 2．简要介绍本实验涉及基本原理。 3．写出设计实验的设计思路、设计过程和实验结果。 4．记录实验过程中遇到的问题及解决方法。 5．谈谈本实验的收获和改进意见。 1 实验 6 多种方法测量液体表面张力系数 一．实验目的和意义 1．了解多种测量液体表面张力系数的原理、方法； 2．分别用毛细管法（或自拟一种方法）和拉脱法测量液体的表面张力系数，研究 液体表面张力系数与温度、浓度的关系。 二．实验涉及的一些问题 1.怎样准确测量毛细管内径？ 2.毛细管法测量液体表面张力系数中，液柱高度与哪些量有关？是否需考虑接触 角的影响？怎样测量接触角？ 3.两种方法测量液体表面张力系数的系统误差来源主要有哪些？如何尽量减小这 些误差？ 三．实验室可提供的主要器材: 读数显微镜、毛细管、温度计、支架、液体表面张力系数测定仪、镊子、砝码。 四．实验内容： 1. 用不同毛细管测量室温下水的表面张力系数，分析接触角对测量的影响。 2．用毛细管法测量不同浓度食盐水的表面张力系数，作图，用小二乘法计算拟 合公式，分析结果。 3. 用拉脱法法测量不同温度下水的表面张力系数， 作图， 用小二乘法计算拟合公 式，分析结果。 五．实验报告要求： 1.简述测量液体表面张力系数的各种方法。 2.阐明毛细管法和拉脱法测量表面张力系数实验的原理、方法。 3.拟出实验步骤。 4.记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析讨论； 5.记录实验数据，并对结果分析讨论； 参考资料 1.大学物理实验指导书 2.夏思淝等.用力敏传感器测液体表面张力系数的误差分析. 物理实验.第 23 卷第 7 期.2002.7：39—43 3.仪器说明书。 2 实验 7 用 Multisim 软件仿真电路 一．实验目的及意义： Multisim 是加拿大一家推出的一种电子线路仿真软件，它实现了对模拟、数字和模拟数字 混合电路进行仿真。Multisim可以用虚拟的元件搭建各种电路，用虚拟的仪器进行各项参数和性能 指标测试，为电子产品的项目设计、开发研制提供了更快捷、更便利的条件，为此在工程设计中得 到了广泛的应用。 二．参考资料 1．Multisim 《仿真软件在电子电路分析中的应用》 ，科技情报开发与经济 2009 年第 19 卷第 6 期，王立功。 2． 《Multisim 在电路实验教学中的应用》 ，2007 年 10 月第 5 期，李剑青。 三．实验前应思考的问题 1．什么是 Multisim 软件？ 2．为什么可以用 Multisim 软件仿线．Multisim 软件仿真的优点？ 四．实验室可提供的主要器材 计算机 1 台连接宽带上网。 五．实验内容 Multisim 软件 1．用 Multisim 软件仿真老师指定电路。电路元件值变化时对应输出电路的变化。 2．用 Multisim 软件仿真较复杂的电路（自己选择电路） ，电路元件值变化时对应输出电路的变 化。 六．实验报告要求 1．叙述实验的目的及意义。 2．阐明实验的基本原理、仿线．记录实验的全过程，包括实验步骤、各种实验现象和仿线．分析实验结果，讨论实验中出现的各种问题。 5．得出实验结论，并提出改进意见。 3 实验 8 霍尔效应实验误差来源的分析与消除 一．实验目的和意义： 霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广 泛用于非电量电测、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自己检测和控制的今天，作为敏 感元件之一的霍尔器件，将有更广阔的应用前景。在产生霍尔效应的同时，因伴随各种负效应，所 以实验测得到的 VH 并不等于真实的霍尔电压值， 而是包含着各种负效应所引起的虚假电压。 因此， 误差来源的分析与消除就更为必要。 二．参考资料： 1．大学物理选题实验 50 例。 2．大学物理实验教程。 三．实验前应思考的问题： 1．霍尔效应测量中系统误差的主要来源有哪些，它们对测量的准确度有哪些影响。 2．如何消除霍尔效应测量中产生的系统误差。 四．实验室可提供的主要器材： TH-H 霍尔效应实验组合仪。 五、实验内容： 测量霍尔效应时，影响测量准确度的主要有以下几种效应：①不等位电势；②爱廷好森效应； ③能斯脱效应；④里纪一勒杜克效应。分别讨论这四种系统误差。 1．不等位电势。如图 l 所示的不等位电势 Vo ，这是由于测量霍尔电压的电极 A 和 A? 的位置难 能做到在—个理想的等势面上，因此当有电流 Is 通过时。即使不加磁场也会产生附加的电压 Vo =Isr。 其中 r 为 A 和 A? 所在的两个等势面之间的电阻，的正负号与电流 Is 的方向有关，与磁场 B 的方向 无关。 2． 爱廷好森效应。 这是由于构成电流的载流子速度(即能量)不同而引起的付效应。 如图 2 所示。 电流 Is 沿 X 方向，若速度为 v 的载流子，受霍尔电场与洛仑力作用刚好抵消则速度大于和小于 v 爱廷好森效的载流子在电场与磁场作用下将各自朝对立面偏转。从而在 y 方向引起温差，由此产生 的温度电效应在 A、 A? 之间就引入附加的电势差其正负与 Is 和 B 有关。 3．能斯脱效应。该效应是由于样品沿 X 方向的热流 Q 在 Z 方向的磁场 B 的作用下，在 Y 方 向直接产生一附加电场 E x ，相应的电势差 ， VN 的正负只与 B 的方向有关。 4．里纪一勒杜克效应。该效应是由于样品沿 x 方向有温度梯度，引起载流子沿梯度方向扩散 而有热流 Q 通过样品，在此过程中，载流子受 Z 方向的磁场作用下。在 Y 方向引起类似于爱廷好 效应的温度差，由此产生的电势差 ，此电势差的正负只与 B 的方向有关，与电流 Is 的方向无 关。 4 通过上述分析我们知道，霍尔效应实验中伴随着四种附加效应所引起的，四种附加效应所产生 的电势差总和，有时甚至远大于霍尔电势差，从而形成测量中的系统误差，为了减少和消除这些效 应引起的附加电势差，我们利用主要是由这些附加电势差与样品电流 I 和磁场 B 的方向的关系即将 I 和 B 正反两个方向组合出四种情况，因此 这样即可消除误差的影响。 六．实验报告要求： 1．写出实验原理，画出原理图。 2．拟出实验步骤。 3. 分析各种误差所占的比例。 4.分析是否存在其他来源的误差，环境因素影响的程度如何。 5 实验 9 自组惠斯通电桥单检流计条件下自身内阻测定 一．实验目的和意义： 电阻是电路中的基本元件，电阻值的测量是基本的电学测量之一。测电阻的方法有很多，其中 以电桥法为普遍。 了解惠斯通电桥的原理和特点， 掌握调节电桥平衡的操作步骤就显得更为重要。 二．参考资料： 1．电子线. 大学物理实验教程。 三．实验前应思考的问题： 下列因素能否使电桥测量产生误差？为什么？ 1．电源电压不太稳定； 2．导线．检流计没有调好零点； 4．检流计灵敏度不够高。 四．实验室可提供的主要器材： 电阻箱、检流计、电源、开关待测电阻、箱式惠斯通电桥等。 五、实验内容： 一．用电阻箱连成桥路如图所示。开始操作时，电桥一般处在很不平衡的状态。为了防止过大 的电流通过检流计，应将 Rh 拨至。随着电桥逐渐接衡， Rh 也逐渐减小直至零。 为了保护检流计，开关的顺序应注意先合 Kb ，后合 K g ；先断 K g ，后断 Kb ，即电源开关 Kb 要 先通后断。 D . 在电桥接衡时， 为了更好地判断检流计电流是否为零， 应反复开合开关 Kb （跃接法） ，细心观察检流计指针是否有摆 动。 测量几十、几百和几千欧姆的电阻各一，分别取 R1 / R2 ? 1 和 0.1 进行测量和比较， R1 、 R 2 的数值可选取几十或几百欧姆 （一般取 300：300 和 30：300） 。 二．用箱式电桥测电阻，要求将已测过的三个电阻再分别 测出其阻值并测出相应的电桥灵敏度，测量时应注意： １．先把“G”与“外接”连接，指针才能自由摆动。若指针不 停在零点，可旋动调零旋钮，将指针调到零点。使用完 毕， 注意把“G”与“内接”连接， 以免指针振荡， 振断悬丝。 ２．比例臂的选取，应根据待测电阻数值而定，务必使 R0 能有四位读数。 R1 Kg Rx A . R2 Rh .C G B Ro . Kb E ３．箱式电桥的电键 B 和 G，其功能相当于自组电桥的 Kb 和 K g ，因此，仍应先按通 B 再按通 G， 先断开 G 再断开 B，即 B 键先通后断。 六．实验报告要求： 1．写出实验原理，画出原理图。 2．拟出实验步骤。 3．列出数据表格，将自组电桥测量未知电阻的数据记录在表格中并计算结果。 4．记录箱式电桥测量未知电阻的数据及测量结果，并测出相应的灵敏度，标明单位。 5．计算出的结果与给定值进行比较，并分析产生差别的原因。 6 实验 10 用迈克尔逊干涉仪测透明介质折射率 一．实验目的和意义： 1．了解迈克耳逊干涉仪的原理、结构及调整方法； 2．用迈克尔逊干涉仪测量透明介质（空气、薄玻璃）的折射率。 二. 参考资料 1.光学教程。 2.大学物理实验指导书。 3.仪器使用说明书。 三．实验前应思考的问题 1. 迈克耳逊干涉仪的原理、结构及调整方法。 2. 透明介质折射率的测量。 四．实验室可提供的主要器材: 迈克尔逊干涉仪，He-Ne 激光器，钠灯，扩束镜，白光光源，毛玻璃，千分尺，薄玻璃片等。 五．实验内容： 1．了解迈克尔逊干涉仪的结构，熟悉仪器上各个部件的作用及调节方法，掌握仪器调节和使 用注意事项。 2．观察与分析非定域干涉现象。 3．观察与分析面光源产生的定域干涉条纹。 4．观察白光干涉条纹。 5．测定单色光波长、钠黄双线．测试透明介质的折射率。 六．实验报告要求： 1.写出实验的目的和意义。 2.简要介绍本实验设计的透明介质折射率的测量方案。 3.拟出实验步骤。高低温冲击试验箱 4.列出数据表格、记录数据。 5.对实验中发现的问题和仪器调节经验进行总结，提出改进意见，参考已发表的相关论文进行 探索研究，完成一篇实验研究论文。 7 实验 11 光电效应和普朗克常数的测定液体电导率测量 实验目的 1. 了解光电效应的基本规律，验证爱因斯坦光电效应方程。 2. 用光电效应法测定普朗克常数 h。 实验原理 当一定频率的光照射在金属表面时，光的能量只有部分以热 的形式被物体吸收， 而另一部分则转换为物体中某些电子的能量， 使这些电子逸出物体表面，这种现象称为光电效应。光电效应的 实验原理如图 1 所示。在光电管的阴极 K 和阳极 A 之间加上直流 电压 U AK ，用单色光照射阴极 K，产生的光电子在电场的作用下 向阳极 A 迁移形成光电流，高低温冲击试验箱改变 U AK ，测量出光电流 I 的大小， 即可得出光电管的伏安特性曲线。 A - K G V UAK 图1 光电效应的基本实验事实如下： （1）对应于某一频率，光电效应的 I ? U AK 关系如图 2 所示。 从图中可见，对一定的频率，有一电压 U 0 ，当 U AK ? U 0 时，电流为零，这个相对于阴极为负值的阳 极电压 U 0 ，称为截止电压。 (2）当 U AK ? U 0 时，随着 U AK 的增加，I 迅速增大，然后趋于饱和，饱和光电流 I M 的大小与入 射光的强度 P 成正比。 (3)对于不同频率的光，其截止电压的值不同，如图 3 所示。 (4)截止电压 U 0 与频率? 呈线 所示。当入射光频率低于某极限值? 0 （? 0 随不同 金属而异）时，不论入射光强度如何，照射时间多长，都没有光电流产生。 (5)光电效应是瞬时效应。即使入射光的强度非常微弱，只要频率大于? 0 ，在开始照射后立即 有光电子产生，所经过的时间至多为 10 ?9 秒的数量级。 U0 I IM1 IM 2 P1 P2 P 1 ?P 2 I ?1 ?2 ?1 ? ? 2 UAK U02 U01 UAK U0 ?0 图4 截止电压 U 0 与入射 光频率? 的关系图 ? 图2 同一频率，不同光强时 光电管的伏安特性曲线 不同频率时 光电管的伏安特性曲线 按照爱因斯坦的光量子理论，光能并不像电磁波理论所想象的那样，分布在波阵面上，而是集 中在被称之为光子的微粒上，但这种微粒仍然保持着频率（或波长）的概念。频率为? 的光子具有 能量 E ? h? ， h 为普朗克常数。当光子照射到金属表面上时，一次性地为金属中的电子全部吸收， 而无需积累能量的时间。电子把这能量的一部分用来克服金属表面对它的吸引力，其余的就变为电 子离开金属表面后的动能。按照能量守恒原理，爱因斯坦提出了的光电效应方程： 1 2 （1） h? ? mv0 ?A 2 1 2 式中， A 为金属的逸出功， mv0 为光电子获得的初始动能。 2 8 由（1）式可见，入射到金属表面的光频率越高，逸出的电子动能越大，所以即使阳极电位比 阴极电位低时也会有电子达到阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压 U 0 ，光电流才为零，此 时有关系式： 1 2 （2） eU0 ? mv0 2 阳极电位高于截止电压时，随着阳极电位的升高，阳极对阴极发射的电子的收集作用增强，光 电流随之增大； 当阳极电压高到一定程度， 已把阴极发射的光电子几乎全收集到阳极， 再增加 U AK 时 I 不再变化，光电流出现饱和，饱和光电流 I M 的大小与入射光的强度 P 成正比。 光子的能量 h? ? A 时， 电子不能脱离金属， 因而没有光电流产生。 产生光电效应的频率 （截 止频率）? 0 ? A / h 。 将（2）式代入（1）式可得： eU 0 ? h? ? A （3） 此式表明截止电压 U 0 是频率 v 的线性函数，直线斜率 k ? h / e ，只要用实验方法得出不同频率对应 的截止电压，求出直线斜率，就可算出普朗克常数 h 。 实验仪器 ZKY-GD-3 型光电效应实验仪，汞灯，光电管，滤色片，光阑，电源。 汞灯：可用谱线 nm ，577.0 nm 。 滤色片：5 片，透射波长分别为 365.0 nm ，404.7 nm ，435.8 nm ，546.1 nm ，577.0 nm 。 光阑：3 片，直径分别为 2 mm ，4 mm ，8 mm 。 光电管：光谱响应范围 320-700 nm ，暗电流： I ? 2 ?10?12 A(?2V ? U AK ? 0V ) 。 光电管电源：2 挡， ?2 0V ， ?2 ?30V ，三位半数显，稳定度 ? 0.1% 。 微电流放大器：6 挡， 10?8 10 ?13 A ，分辨率 10?14 A ，三位半数显，稳定度 ? 0.2% 。 实验内容 1． 测试前准 用遮光盖遮住光电管暗盒窗口，打开汞灯电源，预热 30 分钟。实验中切勿随意关闭汞灯电源。 调整光电管与光源的距离约 40cm 并保持不变。用专用连接线将光电管暗盒电压输入端与测试 仪电压输出端（后背板上）连接起来（红—红，蓝—蓝） 。用高频匹配电缆将光电管暗盒电流输出 端 K 与测试仪微电流输入端 K(后面板上)连接起来。 调零： 将“电流量程”选择开关置于所选档位， 仪器在充分预热后， 进行测试前调零。 调零时， “光 电管信号”切换开关切换到“调零”档位，旋转“电流调零”旋钮使电流指示为“000”。调节好后，将“光 电管信号”切换开关切换到“测试”档位，即可实验。 注意：在进行每一组测量前，必须按照上面的调零方法进行调零，否则会影响实验精度。 2．测普朗克常数 h （1）实验方法 理论上， 测出各频率的光照射下阴极电流为零时对应的 U AK ， 其值即该频率的截止电压 U 0 ， 然而实际上由于光电管的阳极反向电流（光电管制作过程中阳极往往被污染，沾上少许阴极材料， 入射光照射阳极或入射光从阴极反射到阳极之后都会造成阳极光电子发射，当 U AK 为负值时，阳极 发射的电子向阴极迁移构成了阳极反向电流） 、暗电流、本底电流（暗电流和本底电流是热激发产 生的光电流与杂散光照射光电管产生的光电流）及极间接触电压的影响，实测电流并非阴极电流， 实测电流为零时对应的 U AK 也并非截止电压 U 0 。 极间接触电位差与入射光频率无关，只影响 U 0 的准确性，不影响 U 0 ?? 曲线斜率，对测定普朗 克常数 h 无大的影响。 本实验可用“零电流法”或“补偿法”测截止电压 U 0 。 9 零电流法是直接将各谱线照射下测得的电流为零时对应的电压 U AK 的值作为截止电压 U 0 。 此法的前提是阳极反向电流、暗电流和本底电流都很小，测得的各谱线的截止电压与真实值相差很 小，且都相差约 ? U ，则对 U 0 ?? 曲线斜率无大的影响，因此对测定普朗克常数 h 无大的影响。 补偿法是调节电压 U AK 使电流为零后，保持 U AK 不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流 I1 为电 压接近截止电压时的暗电流和本底电流。重新让汞灯照射光电管，调节电压使电流达到 I1 ，将此时 对应的电压 U AK 的值作为截止电压 U 0 。此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。 （2）实验步骤 将汞灯遮光盖盖上，“电压选择”按键至于 ?2V 0V 档，“电流量程”选择 10?13 A 档，调零，将直 径为 4 mm 的光阑及 365.0 nm 滤色片装在光电管暗盒输入口上。打开汞灯遮光盖，从低到高调节电 压，用“零电流法”或“补偿法”测量该波长对应的 U 0 ，记录数据。 重复以上测量步骤，依次测量其他波长的截止电压 U 0 。 注意：实验中严禁在不加光阑、滤色片或遮光盖的情况下，用汞灯直接照射光电管！ 计算 U 0 ?? 曲线斜率，求普朗克常数 h 。 3．测量光电管的伏安特性曲线 自行设计方案，测量同频率，不同光阑（即不同光强）下，及同光阑，不同频率下，光电管的 伏安特性曲线．验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比 自行设计方案，在同一谱线，同一入射距离下，记录光阑分别为 2 mm 、4 mm 、8 mm 时对应的 电流值。 由于照到光电管上的光强与光阑面积成正比， 验证光电管的饱和光电流与入射光强成正比。 注意事项 1． 严禁汞灯直接照射光电管。 2． 汞灯需预热 30 分钟，开启后切勿随意关闭。 3． 汞灯开启后，表面温度较高，当心高温；不要将遮光盖长时间置于开启的汞灯上，以免烫 手；请勿直视光源。 4． 每次测量中各元件使用完毕，立即放回盒内。 5． 实验完成后用遮光盖遮住光电管暗盒窗口。 实验报告要求 1． 光电效应产生的原因、条件； 2． 阐明测量普朗克常数的实验原理、方法；记录实验数据，用正确的数据处理方法计算普朗 克常数，并对结果分析讨论； 3． 写明测量光电管特性的实验方案，用绘图软件作图，并对其进行分析讨论； 4． 总结收获和体会，提出对教学工作的意见和建议。 参考资料 1.大学物理实验指导书。 2.仪器使用说明书。 10 实验 12 光电池输出特性研究实验 实验目的： 1. 初步了解光电池的工作原理、光照特性与输出特性。 2. 练习测量光电池的光照特性与输出特性。 实验器具： 光电池，光源，电阻箱，电流表，数字电压表，开关，导线. 半导体 P–N 结在光照下能产生光电效应，把光能转换成电能向外输出。 2. 任何电源都可以看作由电动势与内阻组成，它的输出特性即光电池端电压与输出电 流之间的关系，由电动势、内阻及外部负载共同决定。我们一般希望电源的内阻越小越 好。 3. 为了减小系统误差，在测量中电流表内阻越小越好，电压表内阻越大越好。 实验要求： 1. 设计研究光电池输出特性的线. 拟出实验方案与步骤。 3. 测绘出光电池在不同光照下的输出特性曲线，并求出光电池的内阻。 注意事项： 要保证光照稳定，须保持光源电压的稳定。 思考题： 1. 要保证光照度的稳定，我们应采取何种措施？ 2. 从光电池的输出特性上看，若使它工作于能量转换状态，应满足什么条件？如果使 11 它工作于测量光照度的状态，应满足什么条件？ 参考文献：、 1. 大学物理实验讲义， 黑龙江大学。 2. 张安康著 电子工程师技术手册 科学技术出版社 1990 IV-020~IV-023 3. 王纪龙等 大学物理 科学出版社 2003 298―301 12 实验 13 非接触法测量液体电导率 实验目的： 1.了解和演示该互感式液体电导率传感器的工作原理,测量传感器放入液体中时,传感 器输出电压与液体电导率的关系,帮助学生深刻理解法拉第电磁感应定律、欧姆定律和 互感器原理等重要物理概念与规律。 2.用精密标准电阻对互感式液体电导率传感器进行定标。 3.测量盐水溶液电导率与温度关系曲线 实验仪器与材料 FD-LCM-A 液体电导率测量实验仪（含频率为 2500Hz 的实验信号源；中空互感式液 体电导率测量传感器；一组高精度系列电阻；3 1/2 数字交流电压表；500ml 实验量 杯及实验连接线ml）。 实验原理 FD-LCM-A 液体电导率测量实验仪测量液体的电导率采用一种中空互感式液体电 导率测量传感器。 传感器内部由二个纳米材料铁基合金环的电感线圈组成， 每环各绕一 组线圈，两组线圈匝数相同，其结构示意如图 1 所示 1 图1 这种传感器的工作原理是：由信号发生器输出的交变电流在线）环内产生 交变磁场， 该磁场在导电液体中产生交变的感生电流， 由于液体中的感生电流使同在液 体中的线）环内产生交变磁场，该磁场在线）内又产生感生电动势， 成为传感器的输出信号。 改变液体的电导率（σ），在相同的输入幅度（Vin）条件下，感生电流会发生变化， 导致传感器的输出信号电压（Vout）的变化。可以证明，液体的电导率在一定的 Vin 范围内， σ 与 Vout 成正比，所以可以写成： ? ? K(Vout / Vin ) (1) 在测量中，称 (Vout / Vin ) 为 “电压衰减”，所以在某一确定输入幅度的驱动下，电导率 与电压衰减成正比。 在测量装置中，盛放待测液体的容器很大，Vout 的大小主要与传感器的中空圆柱体的 液体（简称液体柱）有关，可从液体柱来计算液体的电导率。传感器的液体柱电阻与固 体电阻相当，所以： 2 R?? L 1 L ? S ? S ? ? 1 L R S （2） 比较（1）和（2）可得： 1 L 1 1 ?B KSR R Vout / Vin ? （3） 式（3）中： B? 1 L 1L K? K S ，也可写成： B S 。代入（1）可得到： ? ?( 1 L )Vout / Vin BS （4） 说明用此传感器测液体电导率时，与它的中空圆柱体长度（L），截面积（S），电压 衰减 (Vout / Vin ) 和比例常数（B）有关。而“外面”的液体，因为等效的 S 很大，R 很小。 所以，液体中的感生电流主要由中空圆柱体内的液体住的阻值限定。 需要注意的是：在实验中，为了多点定标比例常数（B)，需要配多种标准的 σ 液体， 这样操作既费时又困难。因此根据上面的原理，用电阻回路也称为“校核标准”（R）来 代替标准 σ 的液体使实验方便准确。 “校核标准”的结构就是将标准电阻替代液体住，短接标准电阻两端，成为电阻回路。需 要注意的是电阻回路的一部分必须从传感器中空圆柱体内穿过。 实验证明，“校核标准”和实际盐水配置的标准结果，误差不大于 10 量级。加上标准液 体的电导率对温度较敏感，所以实际应用都不用标准盐水进行定标。 ?3 3 实验要求： 1.画出液体电导率定标的实验电路图。。 2.根据“校核标准”范围:[0.00—9.00]Ω,测量不同“校核标准”(不能少于 20 点)时的 (Vout / Vin ) 值,记录在数据表格内。测量时注意随时调节（Vin）的幅度，在整个测量过 程中（Vin）保持不变。 1L B S 值，写出用本仪器测量液体电导率的计算公式 3.测量传感器的有关尺寸，计算 和相对不确定度公式。 K? 4.取电压衰减 (Vout / Vin ) 为纵坐标；取液体柱的倒数（1/R）为横坐标作图（不少于 20 点）。可以看出传感器感生电流在某一范围内是线性的。写出 (Vout / Vin ) 与（1/R）线 ( B max ? B min) 2 ），和斜率的相对误差（定 性关系式。计算平均斜率值（定义为： EB ? 义为： B max ? B min ? 100 % B max ? B min ） （式中的 Bmax 和 Bmin 分别为斜率的可能值 和小可能值）。 5. 测量不同温度下饱和盐水溶液的电导率,写出结果并分析其特性。 注意事项： 1.测量盐水饱和溶液在某一温度时的电导率,须将盐水混合搅拌,使盐充分溶解后在测 量。 2.实验用传感器应稳拿轻放，不可以掉地，撞击。 4 5
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