物理实验补充材料.docx

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物理实验补充材料

实验2示波器的原理与应用——参考课本P36、37页

[TFG1005DDS函数信号发生器的使用]

波形的选取：

按按键[shift]+[正弦波]；按按键[shift]+[方波]；按按键[shift]+[三角波]。

输出10KHZ频率：

[频率]+[1]+[0]+[KHZ]

输出10V电压：

[幅度]+[1]+[0]+[V]

频率～40KHz的调节：

[频率]+[4]+[0]+[KHZ]+[＜]，使的数字末尾的光标向左移位到十位数的上方，再调节右上方的“微调手轮”，即可测出“声速换能器”的实际谐振频率。

显示A通道输出信号：

[A]主通道

显示B通道输出信号：

[B]副通道

复位信号或重开电源的输出（默认）信号为：

A通道1KHz、1Vpp正弦波。

实验6声速测量

声速测量实验中，将函数信号发生器的输出信号（正弦波约40KHz、10Vpp）输入到“SW3型声速测定仪”左侧的“发射”端接口，而将声速测定仪右侧的“接收”端接口接入到示波器的“CH2”输入通道（或“CH1”输入通道）。

由于声速测定仪左侧上接口“发射”端与下接口“发射波形”端之间有衰减器，在相位比较法的测量时“发射波形”端接口只能接示波器“CH1”输入通道（或“CH2”输入通道）。

实验分析讨论：

分析实验结果的误差来源。

实验思考要点：

1、超声波发射器产生超声波是应用压电换能器的逆压电效应；接收器接收超声波是应用压电换能器的正压电效应。

2、如何选择超声波的最佳测量频率，使两压电换能器有谐振状态（P59页）

3、本实验选择在超声波范围内测量，有什么好处（P59页）

4、两压电换能器的端面为什么要平行

5、为避免压坏超声波发射器和接收器，开始操作时，应注意如何调节它们的距离（提示：

开始调节接收器与发射器靠近时，发射器和接收器绝对不能相碰。

）

6、如何防止读数鼓轮的回程误差

7、读数鼓轮如何读数分度值是多少最小有效数位在哪一位

8、测量超声波的波长和声速时，应用振幅极大值、相位比较法两种实验方法。

9、驻波共振（即振幅极大值）时，超声波发射器和接收器两端面距离的改变与声波波长的关系式

。

10、在同一时刻，发射面与接收面两处声压振动的相位差φ=2πl/λ；发射面与接收面两处声压振动的相位是同相位nπ时，超声波发射器和接收器改变的距离与声波波长的关系式ln=nλ，（n=1、2、3、…）。

11、驻波共振法测量中，当示波器显示的波形幅度极大时，移动接收器使再连续显示20次波形幅度极大，则接收器移动的距离是波长的10倍。

12、相位比较法测量中，当示波器显示向右直线时，移动接收器使再连续显示6次同向直线，相位改变12π，则接收器移动的距离是波长的6倍。

13、振幅极值法测量时，在示波器上可明显地观察到声压振幅随距离的增长而衰减，为了提高测量灵敏度，当声压振幅不够大时，应如何调节示波器（提示：

为了提高测量灵敏度，使接收波形的垂直幅度适当大，应把示波器的偏转因数适当调大还是调小）

14、把干燥空气看作理想气体时，声速的理论值计算式为

。

数据处理——参考格式

1．振幅极大值法测量声速

谐振频率fo=kHz（测量前、后的平均值），Δf=Hz

表17-1振幅极大值位置测定法测量声速的测量数据（读数鼓轮：

Δl=mm即分度值）

序号

1

2

3

4

5

6

li（mm）

序号

7

8

9

10

11

12

li（mm）

δli=li+6-li（mm）

λi（mm）

备注：

li为峰值时接收器位置；li+6li为6个半波长的距离，故

①用逐差法计算声速测量值（以下必做数据计算）

代入数据的计算式=（mm），其它δli同理计算记录于上表。

代入数据的计算式=（mm），其它λi同理计算记录于上表。

代入数据的计算式=（mm）

②计算声速测量结果

代入数据的计算式=（m/s）

③计算测量不确定度

==mm，

==（mm），而

相对不确定度E=

×100%==，

则

==（m/s）

所以，声速测量结果表示为v=（±）m/sP=68%

2．相位法测量声速

谐振频率fo=kHz，Δf=Hz

表17-2相位法测量声速的测量数据表（读数鼓轮Δl=mm）（每隔2

测一次）

序号

1

2

3

4

5

6

li（mm）

序号

7

8

9

10

11

12

li（mm）

δli=li+6-li（mm）

λi=|li+6-li|/6（mm）

备注：

li为峰值时接收器位置，则li+6-li为6个波长的距离。

①

=（mm）

②声速测量值为

=（m/s），

③声速理论值：

在标准状态下，0℃干燥空气中声速为v0=331.45m/s

实验室温度t=℃，查表：

空气中声速为v理==（m/s）

④声速的测量值与理论值的比较、计算百分误差

。

⑤计算测量不确定度（选做数据处理）

==（mm），

==（mm）

而

，

相对不确定度E=

=×100%=，

则

==（m/s）

声速测量结果表示为v=（±）m/sP=68%

【例如：

v=（±）m/s（P=%），相对不确定度E==%】

实验12霍尔效应

【实验内容】

1.测定霍尔元件的灵敏度KH和判断霍尔元件的类型

表1测定霍尔元件的灵敏度KH的测量数据记录表

霍尔片所在的位置x=mm、y=mm；励磁系数p=KGS/A，IM=0.600A，磁感应强度B=KGS

Is

（mA）

U1（mV）

U2（mV）

U3（mV）

U4（mV）

（+B，+IS）

（+B，-IS）

（-B，-IS）

（-B，+IS）

画出判断霍尔元件的类型的示意图。

列式子计算霍尔元件的灵敏度KH=mV/（mA•KGS），

2．测绘霍尔元件的UH－IS曲线（参考表格）

霍尔片所在的位置x=mm、y=mm；霍尔元件灵敏度KH=mV/（mA•KGS），IM=0.800A

Is

（mA）

U1（mV）

U2（mV）

U3（mV）

U4（mV）

（+B，+IS）

（+B，-IS）

（-B，-IS）

（-B，+IS）

以IS为横坐标，绘出UH－IS图，验证IS与UH的线性关系，列式计算直线斜率a；由直线斜率与磁场的关系a=KHB及其已知的KH，列式计算磁感应强度B。

3．测绘霍尔元件的UH－B曲线和电磁铁的B－IM曲线（参考表格）

霍尔片所在的位置x=mm、y=mm；霍尔元件灵敏度KH=mV/（mA•KGS），Is=（mA）

IM

（A）

U1（mV）

U2（mV）

U3（mV）

U4（mV）

（KGS）

（+B，+IS）

（+B，-IS）

（-B，-IS）

（-B，+IS）

绘制霍尔工作电流为时的UH－B图；另绘制电磁铁的B－IM图，列式计算B－IM图的直线斜率P。

4．测量霍尔系数RH和电导率σ（自拟表格）

实验14非平衡电流电桥原理与应用

教材上的电源电压（太大），在室温30℃时，流过Pt100的电流约为4.5/2/117=19mA（室温30℃时）、Cu50的电流约为2/57=，超过热电阻的额定电流容易烧坏；流过电阻箱“×100”欧姆档电流过大容易烧坏（“×1000Ω”或“×10000Ω”更容易烧坏）。

注意事项：

1、在图2电路中，电源电压US改为（或）。

连接好电路后，先选择电压表量程，将接线板上的转换开关打向左侧“US”，准确调节电源电压US为（或）；再将接线板上的转换开关打向右侧“U0”，适当选择电压表的量程，测量电桥输出电压U0。

（若电流大，传感器自身会发热，影响测量效果。

）

2、由于标准温度探头和待测传感器不是在加热板的同一位置上，尽量恒温测量，减小两个传感器的温差随即误差。

【实验内容】

1、根测量电路原理图，搭接非平衡电桥测量电路，其中R1、R2、R3用电阻箱设置，Rx为铂电阻Pt100（或铜电阻Cu50）（已装在加温筒内）；（要求10分钟内搭接完）

2、记录当时室温温度t0，用数字万用表测量（或应用公式

计算）室温下的Pt100或Cu50热电阻的电阻值Rx0值，作为下一步预调平衡时调节R1的参考值；

3、室温状态下，预调电桥平衡：

把R1调置为上一步骤的热电阻室温阻值Rx0，看电桥是否处于平衡；不平衡时，调节R1使之处于平衡，并记下电桥平衡时的R1即Rx0值；

4、对热电阻加温

打开加温控制器，先设置加温最高的温度，然后把加温开关打向合适档位开始对Pt100（或Cu50）热电阻加温（在加温过程中视温度变化快慢可随时改变加温档位），从温度30℃开始，每升高5℃，记录相应的电压表显示的U0值；（记录表参考如下表一所示）

【实验数据记录及数据处理】

卧式非平衡电桥测量Pt100电阻（或铜电阻Cu50）的温度特性

（室温：

t0=，R1=Rx0=Ω，R2=R3=Ω，U=）

温度t（℃）

t0

U0（V）

ΔRx（Ω）

Rx=Rx0+ΔRx（Ω）

根据测出的U0值，计算△Rx和Rx值填入上面的数据记录表（要求写出有关的计算式）。

用坐标纸作图描出Rx~t图线，并图解计算出铂电阻Pt100（或铜电阻Cu50）的温度系数测，与理论值Pt100=×103/℃（厂家提供的Pt100=×103/℃）（或Cu50×103/℃）比较计算百分相对误差。

实验1基本测量（——数据处理参考课本P31页）

实验4光杠杆法测量杨氏模量

误差的来源和减小的方法：

1、钢丝假伸长带来的误差

钢丝本身有弯曲、未拉紧而出现受力后假伸长（不是弹性伸长）。

为避免假伸长带来的误差，在测量前可先挂一定量的砝码作为底码，目的是将钢丝拉直、拉紧。

2、钢丝伸长滞后效应带来的误差

由于钢丝在加外力F作用后，要经过一段时间才能达到稳定伸长量，这种现象称为钢丝伸长滞后效应，这段时间叫做驰豫时间。

因此,①每次加砝码后，需经较长的时间才能得到F与δr的对应值，否则将带来误差;②采用加、减载测量再取平均值的测量方法（消除系统误差的抵消测量法）：

加载测量，由于滞后效应会使测量值小于准确值（因为还未到驰豫时间就读数），而减载测量，则会使测量值大于准确值，故取两者的平均值，可有效地消减滞后效应带来的误差。

3、杨氏模量仪以及光杠杆放大系统调整不当引起的误差

如望远镜偏离水平位置严重，致使反射镜的初始倾角很大，以致破坏tg2θ≈2θ的条件，又如砝码放置不平衡，使圆柱夹具与水平台圆孔不同轴而发生摩擦阻碍等等。

因此，测量前应对系统进行认真调整，尽量减少由此引起的误差。

4、钢丝锈蚀或金属疲劳引起的误差

钢丝锈蚀或长期受力产生所谓金属疲劳，将导致应力集中或非弹性形变，从而影响测量结果。

所以应更换钢丝。

5、砝码不准引起的误差

6、其他测量量的误差估计

（1）L、R、D只作一次测量，由于实验条件限制，它们的不确定度不能简单地只由量具的仪器误差来决定，应根据情况估算。

L——上下夹头间钢丝长度，用钢卷尺测量时，钢卷尺刻度无法与两端对齐并可能产生弯曲，其误差限可达2~3mm。

R——镜尺间的距离。

用钢卷尺测量时，由于装置的原因，很难保证钢卷尺拉成水平和两端与钢卷尺刻度对齐，若该距离为1.2m左右，则误差限可达2~4mm。

D——光杠杆前后足间的垂直距离（光杠杆常数、腿长）。

用游标卡尺或钢尺测量。

测量方法是将前后三足印在硬纸板上，作等腰三角形，从后足尖至前两足尖连线的垂直距离即为D，由于压印、作图连线宽度可达~0.3mm，故其误差限估算为0.5mm。

（2）钢丝直径d用千分尺在钢丝上中下三个测试点的前后、左右方向各测量一次，共测量6次取平均。

千分尺本身的误差限为0.004mm。

【实验数据记录及数据处理】——参考课本P52页

必做内容（要求：

必需写出的计算数据式子）

1、逐差法处理数据，求杨氏模量E（参照课本P52）

2、作图法求杨氏模量E

函数关系为x=kmg+b，以mg为自变量（横坐标），x为变量（纵坐标），作出“光杠杆法测金属丝的杨氏模量的x—mg图”。

（注意：

在图线上测量范围内，取相隔较远的两点（不取原数据点），）在图中标明选取点的坐标A（m1，x1）、B（m2，x2）和位置，并求出拟合直线的斜率k和金属丝的杨氏模量E。

代入数据的计算式=（×103m/N）；

代入数据的计算式=（Nm-2）

按作图法求斜率选点的规则：

在测量范围内、在直线上，相距较远的、不能取原始测量数据的两个点，而且必需在图线上用⊕符号标出的所选两点的位置和坐标值。

（见课本P19页）

实验结果：

1、逐差法：

杨氏模量E=（±）×1011N/m2

2、作图法：

杨氏模量E=×1011N/m2

讨论：

1.光杠杆有什么优点，怎样提高光杠杆测量的灵敏度

答：

光杠杆的优点是：

可以测量微小长度变化量。

因为光杠杆的放大倍数为2R/H，要提高放大倍数即适当地增大光杠杆到标尺的距离R或适当地减小光杠杆前后脚的垂直距离H，可以提高灵敏度。

2．定量分析各被测量中哪一个量的不确定度对结果影响最大

从上面各被测量量的相对不确定度可见，量的相对不确定度对结果影响最大。

3．实验中要求在正式读数前先加砝码把金属丝拉直，这样做会不会影响测量结果为什么

提示：

钢丝本身有弯曲、未拉紧而出现受力后的假伸长（不是弹性伸长）。

在测量前可先挂一定量的砝码作为底码，目的是将钢丝拉直、拉紧，可以避免假伸长带来的误差，（因为采用了逐差法、作图法处理数据，）不会影响测量的结果。

实验5刚体的转动惯量的测定

实验要求：

1）载物台的转轴垂直，引线要水平（即与大地的平行）；

2）忽略小滑轮质量，并且砝码质量m不能太大，使a<

3）光滑引线要够长度，取圆盘适当转数Ni，能满足砝码m自由下落的条件。

注意事项：

①必须调节刚体转轴竖直。

②遮光器不要碰光电门，塔轮转动要灵活，刚体系统阻力矩尽量要恒定。

③升降滑轮高度，必须保持引线与转轴垂直，并与塔轮半径相切。

④正确理解圆盘转数Ni相同与m自由下落的高度的关系，与遮光器的初始位置有关。

⑤N1、N2不一定取相邻的两个数，但差值不宜太大，以消除因两个遮光片或光电门不是精确成180度对称分布造成的实验误差。

实验讨论：

分析实验结果的误差来源和减小的方法。

思考问题：

1、验证刚体转动定律的实验要满足什么的实验条件

2、本实验是如何消除摩擦影响的能否完全消除为什么

3、如何验证平行轴定理

4、如何测量圆盘转动惯量I盘

提示：

调节实验装置：

载物台水平，转轴垂直底座，定滑轮滑槽与塔轮半径垂直，调整塔轮和定滑轮之间拉线成水平状态；

测量本底转动惯量：

空载时，改变力矩MT（即改变砝码质量m或改变塔轮半径），测出相应的角加速度β，作出M～β图线，如果是一条直线，就验证了转动定律，并可由直线斜率和截距求出本底转动惯量I0转动惯量I和摩擦力矩M。

。

测量圆盘的转动惯量：

将被测的圆盘放在载物架上，重复上述实验过程；作出M～β图线，求出本底加圆盘的总转动惯量

，则圆盘的转动惯量

。

数据处理参考格式（要求：

必需写出的计算数据式子）

1、验证刚体转动定律、测量本底转动惯量I0

塔轮半径R=mm，g=9.788m/s2

i

砝码m

（×10-3Kg）

m自由下落刚体转N1=2的时间tN1（ms）

m自由下落刚体转N2=4的时间tN2（ms）

βi（rad/s2）

M=mgR

（×10-3N•m）

1

2

3

4

5

写出计算过程，计算M和β，作出M－β图线，并计算（斜率）本底转动惯量I0（×10-3kg•m2）。

；

2、测量圆盘转动惯量

圆盘质量m盘=g，圆盘直径D盘=2R盘=mm，塔轮半径R=mm

i

砝码m

（×10-3Kg）

m自由下落刚体转N1=2的时间tN1（ms）

m自由下落刚体转N2=4的时间tN2（ms）

βi（rad/s2）

M=mgR

（×10-3N•m）

1

2

3

4

5

写出计算过程，计算M和β，作出M－β图线，计算（斜率）刚体转动惯量I（×10-3kg•m2）；求出圆盘转动惯量

，并与理论计算值

比较，求相对误差EI盘。

3、观察刚体的质量分布对转动惯量的影响、验证平行轴定理

2个小圆柱总质量2m柱=g，小圆柱的直径d拄=2R柱=mm，塔轮半径R=mm

i

di（mm）

砝码m

（g）

刚体转N1=2时间tN1（ms）

刚体转N2=4时间tN2（ms）

βi

（rad/s2）

M=mgR

（×103N•m）

总体转动惯量

Ii（×103kg•m2）

1

50

2

100

写出β、Ii的计算过程。

验证

是否成立。

求相对误差，写出结论。

实验结果与结论：

1、刚体空载时，从刚体转动M—图中，可得到一条关系的直线，测得转动刚体的本底转动惯量×g·m2，阻力矩×·m。

请判断是否能验证刚体转动定律成立

2、圆盘放在载物台上，从刚体转动M—图中，可得到一条关系的直线，测得圆盘转动惯量I盘=（×10-3Kg·m2），理论计算值是，百分误差为%。

3、塔轮半径Ｒ不变时，引线下砝码mg越小，刚体受到的力矩（M=mgR）越，刚体的转动角加速度越。

4、观测刚体质量分布对转动惯量有影响：

刚体质量m不变时，刚体质量分布距离d越大，刚体的转动角加速度越　，转动惯量I越　。

实验值I2-I1=（×10-3Kg·m2），理论计算值是（×10-3Kg·m2），其百分误差为%。

请判断是否能验证平行轴定理成立

实验N液体粘滞系数的测定

【概述】

各种液体具有不同程度的粘滞性，当液体流动时，平行于流动方向的各层流体速度都不相同，即存在着相对滑动，于是在各层之间就有摩擦力产生，这一摩擦力称为粘滞力，它的方向平行于接触面，其大小与速度梯度及接触面积成正比，比例系数η称为粘滞系数，它是表征液体粘滞性强弱的重要参数，液体的粘滞性的测量是非常重要的，例如，现代医学发现，许多心血管疾病都与血液粘滞的变化有关，血液粘滞系数的增大会使流入人体器官和组织的血流量减少，血液流速减缓，使人体处于供血和供氧不足的状态，这可能引起多种心脑血管疾病和其他许多身体不适症状。

因此，测量血粘滞系数的大小是检查人体血液健康的重要标志之一。

又如，石油在封闭管道中长距离输送时，其输运特性与粘滞性密切相关，因而在设计管道前，必须测量被输石油的粘滞。

测量液体粘滞系数有多种方法，本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体的粘滞系数。

如果一小球在液体中铅直下落，由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动，因此小球受到粘滞阻力，它的大小与小球下落的速度有关。

当小球作匀速运动时，测出小球下落的速度，就可以计算出液体的粘滞系数。

【实验原理】

1．当金属小球在粘性液体中下落时，它受到三个铅直方向的力：

小球的重力mg（m为小球质量）、液体作用于小球的浮力ρ•g•V（V是小球体积，ρ是液体密度）和粘滞阻力F（其方向与小球运动方向相反）。

如果液体无限深广，在小球下落速度v较小情况下有:

（1）

上式称为斯托克斯公式，其中r是小球的半径；η称为液体的粘滞，其单位是Pa•s。

小球开始下落时，由于速度尚小，所以阻力也不大；但随着下落速度的增大，阻力也随之增大。

最后，三个力达到平衡，即

于是，小球作匀速直线运动，由上式可得：

令小球的直径为d，并用

，

，

代入上式得：

（2）

式中ρ′为小球材料的密度，L为小球匀速下落的距离，t为小球下落L距离所用的时间。

2．实验时，待测液体必须盛于容器中（如图1所示），故不能满足无限深广的条件，

实验证明，若小球沿筒的中心轴线下降，式

（2）须做如下改动方能符合实际情况：

（3）

其中D为容器内径，H为液柱高度。

3．实验时小球下落速度若较大，例如气温及油温较高，钢珠从油中下落时，可能出现湍流情况,使公式

（1）不再成立,此时要作另一个修正（详见附录一）。

【实验装置】

FN10-Ⅱ型智能粘滞系数测定仪（见图2）、小钢球、蓖麻油、（千分尺、游标卡尺、电子天平--自备）、激光光电计时仪、温度计等。

（若实验室给出钢球材料密度，可不必用电子天平）

【实验内容】

1．调整粘滞系数测定仪及实验准备：

（1）调整底盘水平，在仪器横梁中间部位放重锤部件，调节底盘旋纽，使重锤对准底盘的中心圆点。

（2）将实验架上的上、下两个激光器接通电源，可看见其发出红色激光束。

调节上、下两个激光器，使其红色激光束平行地对准铅锤线。

（3）收回重锤部件，将盛有被测液体的量筒放置到实验架底盘中央，在实验中保持位置不变。

（4）在实验架上装上电磁铁。

小球用乙醚、酒精混合液清洗干净，并用滤纸吸干备用。

（5）先将1个测试小球投入试样容器，容器内的底部设计成斜坡状，小球下落后会自动移动到靠近筒壁的最低点，便于用拾球器将小球隔着筒壁吸住，沿管壁引导到电磁铁下端吸住。

（6）静止一会儿，轻按电磁铁上方的按钮开关，看小球下落过程中能否阻挡光线，若不能，则仔细调整激光光电门