浙师大中学物理5.docx
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浙师大中学物理5
中学物理实验教学实验报告
实验名称:
综合性设计性实验研究
实验目的:
(1)测量单摆的振动周期,验证其等时性。
(2)正确使用朗威Llongwill®TM微机辅助高级中学物理
实验系统,提高实验技能。
(3)研究中学单摆振动的等时性应用于中学物理教学。
(4)增强研究单摆实验效果的方法,能学会用电脑分析、采
集数据,分析图像等提高指导技能。
(5)通过课堂实验和课件演示以及巩固练习来突破重难点,
探讨教学方法。
实验器材:
朗威Llongwill®TM微机辅助高级中学物理实验系统、微机、单摆、温度传感器、单摆传感器、光敏电阻、热敏电阻、继电器仪器、学生电源、温度计、烧杯、万用表
实验原理:
(1)单摆:
用一根绝对挠性且长度不变、质量可忽略不计的线悬挂一个质点,在重力作用下在铅垂平面内作周期运动,就成为单摆。
单摆做简谐运动的周期跟摆长的平方根成正比,跟重力加速度的平方根成反比,跟振幅、摆球的质量无关.
(2)DIS实验室:
DIS实验室,即数字信息系统实验室(DigitalInformationSystemLaboratory),简称DISLab。
它由“传感器+数据采集器+实验软件包(教材专用软件、通用扩展软件)+计算机”构成的新型实验系统。
朗威,包含系列物理量传感器、数据采集器和数据处理软件,基于PC平台使用,构成了完善的数字化物理实验体系,在真实实验的基础上实现了新课标要求的“信息技术与物理学科教学的全面整合”,能够完成高初中阶段所有定性研究和定量测量物理实验,在培养学生使用信息技术工具进行探索研究和自主学习方面做出了突出贡献。
(3)传感器:
能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应,诸如压电效应,磁致伸缩现象,离化、极化、热电、光电、磁电等效应。
被测信号量的微小变化都将转换成电信号。
化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器,被测信号量的微小变化也将转换成电信号。
向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。
当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。
传感器的应用:
1.自动门,利用人体的红外微波来开关门
2.烟雾报警器,利用烟敏电阻来测量烟雾浓度,从而达到报警目的
3.手机,数码相机的照相机,利用光学传感器来捕获图象
4.电子称,利用力学传感器(导体应变片技术)来测量物体对应变片的压
力,从而达到测量重量目的
5.水位报警,温度报警,湿度报警,光学报警等都是
(4)光敏传感器:
光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件.光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压.无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流(暗电流)很小.当光敏电阻受到一定
波长范围的光照时,它的阻值(亮电阻)急剧减小,电路中电流迅速增大.一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高.实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级,亮电阻值在几千欧以下.
光敏电阻的结构很简单,图1(a)为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图.在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质,称为光导层.半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路.为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大.为了提高灵敏度,光敏电阻的电极一般采用梳状图案,
2.光敏电阻的主要参数
光敏电阻的主要参数有:
(1)暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流.
(2)亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流.
(3)光电流亮电流与暗电流之差称为光电流.
(5)热敏电阻器:
热敏电阻器是敏感元件的一类,按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器(PTC)和负温度系数热敏电阻器(NTC)。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感,不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器(PTC)在温度越高时电阻值越大,负温度系数热敏电阻器(NTC)在温度越高时电阻值越低,它们同属于半导体器件。
(6)继电器:
当输入量(激励量)的变化达到规定要求时,在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。
电磁继电器的工作原理和特性:
电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。
只要在线圈两端加上一定的电压,线圈中就会流过一定的电流,从而产生电磁效应,衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯,从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。
当线圈断电后,电磁的吸力也随之消失,衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置,使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。
这样吸合、释放,从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
对于继电器的“常开、常闭”触点,可以这样来区分:
继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点,称为“常开触点”;处于接通状态的静触点称为“常闭触点。
实验操作:
(一)单摆的等时性:
(1)取出单摆传感器,接入数据采集器的第一输入口。
(2)点击“停止数据采集”,避免记录将调试阶段的挡光数据。
(3)进行“计时设置”,将通道一设置为“时刻”下的“隔次”模式。
(4)如图,在单摆摆球的下面安装10毫米长的火柴杆或牙签等,调整摆长和光电门的位置,使火柴杆可通过单摆传感器顺利挡光,并确保单摆传感器定位在单摆运动的平衡位置。
(5)点击“开始数据采集”,将摆球摆动。
(6)让摆球下的小木棒通过单摆传感器数十次以上,点击“停止数据采集”。
(7)打开“数据分析”表格,将“变量一”命名为T6,将实验数据栏T1内的数据全部选中复制,以次序列的“第二次”所在行对应的T6栏的单元格为起点,粘贴复制的实验数据。
(8)将“表达式一”命名为“周期”,并输入公式“T1-T6”,即T1中记录的摆球通过传感器的某一时刻减去前一时刻,可得出单摆的振动周期。
点击“数据计算”,得出如图3-11所示的实验结果。
(9)观察实验结果,总结单摆振动周期的等时性规律。
实验数据:
◆注意
(1)单摆下面的小木棒要与摆线成一条直线。
(2)单摆传感器两光电管之间的连线应与单摆摆面垂直。
(二)热敏电阻测量:
1.常温下测试热敏电阻,可将万用表置于电阻挡,用表笔触热敏电阻的两个引脚,此时万用表指示的阻值即为热敏电阻常温下的阻值。
此值通常情况下不与热敏电阻的标称阻值相等
2.将热敏电阻放入热水中,万用表进行测试,如果是负温度系数热敏电阻,就可看到万用表显示的阻值比常温下的阻值明显增大
3.不停加水,读出温度计读数,万用电表对热敏电阻进行测试,将测试结果记录在表下表中。
温度.c
78
72
67
58
50
40
22
电阻(kΩ)
0.73
0.83
1.13
1.35
1.69
2.55
6.15
半导体热敏电阻的电阻—温度特性
热敏电阻的电阻值与温度的关系为:
A,B是与半导体材料有关的常数,T为绝对温度,根据定义,电阻温度系数为:
读出在50℃时候的斜率为-22.3,电阻值为1699Ω,那么温度系数
=-0.0017
做出
曲线
从图中可以知道
,B=5210
设计热敏电阻器的电阻温度特性测量
实验仪器
温度传感器温度特性实验仪电阻箱杜瓦瓶
实验原理
热敏电阻通常是用半导体材料制成的,它的电阻随温度变化而急剧变化。
热敏电阻分为负温度系数(NTC)热敏电阻和正温度系数(PTC)热敏电阻两种。
NTC热敏电阻的体积很小,其阻值随温度变化比金属电阻要灵敏得多,因此,它被广泛用于温度测量、温度控制以及电路中的温度补偿、时间延迟等。
PTC热敏电阻分为陶瓷PTC热敏电阻及有机材料PTC热敏电阻两类。
PTC热敏电阻是20世纪80年代初发展起来的一种新型材料电阻器,它的特点是存在一个“突变点温度”,当这种材料的温度超过突变点温度时,其阻值可急剧增加5-6个数量级,(例如由101Ω急增到107Ω以上),因而具有极其广泛的应用价值。
本实验用温度计和直流电桥测定热敏电阻器与温度的关系
在一定的温度范围内,NTC热敏电阻的阻值与温度关系满足下列经验公式:
(1)
式中,R为该热敏电阻在热力学温度T时的电阻值,R0为热敏电阻处于热力学温度T0时的阻值。
B是材料常数,它不仅与材料性质有关,而且与温度有关,在一个不太大的范围内,B是常数。
式可求得,NTC热敏电阻在热力学温度T0时的电阻温度系数
(2)
由
(2)式可知,NTC热敏电阻的电阻温度系数是热力学温度的平方有关的量,在不同温度下,阻值不相同。
对
(1)式两边取对数,得
在一定温度范围内,lnR与成线性关系,可以用作图法或最小二乘法求得斜率B的值。
并由
(2)式求得某一温度时NTC热敏电阻的电阻温度系数
。
实验装置
本实验器材包恒温器、搅拌器、温度计、热敏电阻、小试管、电阻箱三只、干电池一节、检流计等。
热敏电阻放置在可变温度的恒温器中,用温度计测量温度。
将电阻箱、干电池、检流计用连接线接成电桥,测出热敏电阻的阻值。
实验内容和步骤
1.把NTC热敏电阻和玻璃温度计一起插在盛有变压器油的玻璃小试管内,试管置于盛有水的可控恒温槽中,当NTC热敏电阻、玻璃温度计和水温达到平衡时,用玻璃温度计测出NTC热敏电阻的温度θ,如图所示的电路测量NTC热敏电阻的阻值R0(注意:
热敏电阻的电流应小于300μA,避免热敏电阻自己发热对实验测量的影响。
此时直流电桥臂往往不能严格取1:
1比例,直流电源最大取1.5V)
2.先测出室温时(将NTC热敏电阻和温度计等插入室温水中)温度θ和NTC热敏电阻阻值R0.然后逐步增加恒温槽温度,每当温度达到稳定时,测量相应的一组θi与Ri的值.要求温度从70oC范围内测出8-10组数据.用公式T=273.15+θ,将摄氏温度θ换算成热力学温度T.
3.用最小二乘法求出温度在室温70oC范围内的材料常数B.
4.用公式
(2)计算NTC热敏电阻在温度θ=50.0oC时的电阻温度系数
(3)光敏电阻特性测定及其应用
(1)将万用表测量标笔的两端与热敏电阻的两端固定好,将万用表置于测量电阻档
(2)在关闭盒子盖子的情况下,再用手捂住光敏电阻,测量光敏电阻的阻值;(3)打开盒子,让光敏电阻的感光面对着窗口,测量光敏电阻的阻值;
(4)在打开盒子的情况下,让光敏电阻的感光面朝下,测量光敏电阻的阻值。
实验数据:
亮度
强光
较强
弱
电阻(kΩ)
0.31
3.7
9.67
定性的了解光敏电阻
多功能报警器
(四)电磁传感器:
便于信号处理,需要磁传感器能将磁信号转化成为电信号输出。
演示音乐播放。
自制音乐吉他,用旧的电阻定律演示器改装成吉他,利用电磁传感器,将信号放大
(5)单摆周期测量
1、让小铁块轻轻摆动起来,注意,摆线尽量在一个垂直面上摆动。
3、打开周期测量器,记录该时间及摆动的次数。
4、停止摆动,用卷尺测量摆线上端到小铁块中心的长度,记录该长度。
5、改变摆线的长度,重复上述实验,得到若干组数据。
6、根据实际情况可以调整试验密度。
如,对于摆线较短的实验可以适当增加实验密度。
实验数据
实验
序号
摆线长度
(厘米)
摆动时间
(秒)
摆动
次数
平均周期
(秒)
1
5
19.37
40
0.48425
2
10
26.06
40
0.6515
3
15
31.83
40
0.79575
4
20
36.63
40
0.91575
5
25
40.91
40
1.02275
6
30
44.28
40
1.107
根据实验数据作出平均周期与摆线长度的关系图表,见下图。
实验总结:
这学期的实验已经结束,从中也受益不少,对于今天的实验,弹奏自制小吉他印象很深刻,因为当时看到仪器上面是写着“电阻定律演示器”
做完实验之后,有所思,在很多时候,我们老师应该具备自己动手做实验的能力,不光光是只是教大家做实验,更多也是教大家动手思考能力。
在角色转换方面,也是得到很大提高。
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- 师大 中学物理