《普通物理學(xué)實驗》實驗指導(dǎo)書.doc

普通物理學(xué)實驗實驗指導(dǎo)書機械建筑學(xué)院2011年10月實驗一 落球法測定液體粘滯系數(shù)一、實驗?zāi)康?、觀察液體的內(nèi)摩擦現(xiàn)象，學(xué)會用落球法測量液體的粘滯系數(shù)。2、掌握基本測量儀器（如游標(biāo)卡尺、螺旋測微計、秒表）的用法。二、實驗內(nèi)容 1、將玻璃圓筒裝入液體，調(diào)節(jié)圓筒，使其中心軸處于鉛直位置。用游標(biāo)卡尺測量圓筒的內(nèi)直徑D。用米尺量出圓筒上標(biāo)號線A、B之間的距離S。2、用螺旋測微計測小鋼球的直徑d、在三個不同的方向上測量，取其平均值。共測試5個小球，記錄測量結(jié)果，編號待用。3、用吸棒吸起小鋼球，為使其表面完全被所測的油浸潤，先將小球在油中浸一下，然后放入玻璃管中。用秒表測出小球勻速下降通過路AB所需的時間t，則v=s/t（5個小球分別測量）。4、小球的密度由實驗室給出，液體的密度可測定或給出。記下油的溫度。5、根據(jù)每個小球的數(shù)據(jù)，按照公式計算，然后求平均值及其 誤差。 注意:實驗中常用的液體為蓖麻油或甘油。為了減少實驗誤差，采用小直徑的鋼球（鋼球直徑1mm）。三、 實驗設(shè)備、儀器 1、甘油、粘滯系數(shù)實驗儀。2、游標(biāo)卡尺、螺旋測微計、秒表、鋼球。四、實驗原理 小球在液體中運動時，將受到與運動方向相反的摩擦阻力的作用。這種阻力即為粘滯力，是由于粘附在小球表面的液層與鄰近液層的摩擦而產(chǎn)生的，它不是小球和液體之間摩擦阻力。則根據(jù)斯托克斯定律，小球受到的粘滯力為：f=6rv 其中，是液體的粘滯系數(shù)，r是小球的半徑，v是小球的運動速度。在裝有液體的圓筒形玻璃管的導(dǎo)管D處讓小球自由下落。小球落入液體后，受到三個力的作用，即重力Vg，浮力0Vg和粘滯力f的作用，其中V是小球的體積，和分別為小球和液體的密度。在小球剛落入液體時，垂直向下的重力大于垂直身上的浮力和粘滯力之和，于是小球作加速運動。隨著小球運動速度的增加，粘滯力也增加，當(dāng)速度增加到一值v0時，小球所受的合力為零。此后小球就以該速度勻速下落。 前面說過，式只適用于小球在無限廣延的液體內(nèi)運動的情形。而在本實驗中，小球是在半徑為R的裝有液體的圓形管內(nèi)運動。如果只考慮管壁對小球運動的影響，則式應(yīng)修改為： f=6rv0（1+kr/R） 式中v0是小球在圓筒內(nèi)的收尾速度，即達到勻速運動的那個速度；k是一個常數(shù)，其值由實驗室給定。由于小球以v勻速下降，根據(jù)力的平衡方程得：6rv0（1+kr/R）=Vg0Vg 故液體的粘滯系數(shù)為：2g (0)/9v0（1+kr/R）=g (0)/18v0（1+kr/D）在小球的密度、液體的密度0和重力加速度g已知的情況下，只要測出小于的直徑d，圓筒的直徑D和小球的速度v0就可以算出液體的粘滯系數(shù)。式中各量的單位：g用N/kg,d、D用 kg/,v0用m/s,則的單位為N.s/即Pa.s。1、 數(shù)據(jù)與處理： g=_N.k =_kg. 0=_kg. K=_N/m S測=_m表1 測D值（m）次數(shù)DD123表2 測D及td（m）、t(s)編號ddt12345實驗二 三線擺測定剛體轉(zhuǎn)動慣量一、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)用三線擺法測量物體的轉(zhuǎn)動慣量，測量相同質(zhì)量的圓盤和圓環(huán)，繞同一轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)動慣量不相同說明轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量分布有關(guān)。2、驗證轉(zhuǎn)動慣量的平行軸定理。3、學(xué)習(xí)用激光光電傳感器精確測量三線擺扭轉(zhuǎn)運動的周期。二、實驗內(nèi)容 1、測定下圓盤對于 軸的轉(zhuǎn)動慣量J0和理論值進行比較。理論值公式為： 圓盤： （D為直徑） 圓環(huán)： 2、測圓環(huán)或圓盤對于 的轉(zhuǎn)動慣量J，和理論值比較。 3、驗證平行軸定理。將兩個直徑為D的圓柱體，使它們的間距為2d。D為圓柱中心軸線與轉(zhuǎn)軸間距離，兩圓柱中心連線通過轉(zhuǎn)軸，測得J和J，按公式計算值，并與理論值進行比較。三、 實驗設(shè)備、儀器 1、新型轉(zhuǎn)動測定儀平臺、米尺、游卡尺、計時計數(shù)儀、水平儀，試件為圓盤、圓環(huán)及圓柱體3種四、實驗原理 三線擺是將一個勻質(zhì)圓盤，心等長的三條線線對稱地懸掛在一個水平的小圓盤下面構(gòu)成。這上下兩個圓盤各自的懸點之間是等距的，各自構(gòu)成等邊三角形的三個頂點。當(dāng)?shù)讏A盤B調(diào)成水平，三線等長時，B盤可以繞垂直于其盤面并通過兩圓盤中心的軸線作扭轉(zhuǎn)擺動，扭轉(zhuǎn)的周期與下圓盤的轉(zhuǎn)動慣量有關(guān)，三線擺法正是通過測量它的扭轉(zhuǎn)周期去求任一已知質(zhì)量的物體的轉(zhuǎn)動慣量。在擺角很小、三懸線很長且等長，線的張力相等，上下圓盤平行，只繞軸扭轉(zhuǎn)的條件下，下圓盤B對軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 式中為下圓盤B的質(zhì)量，r和R分別為上圓盤A和下圓盤B上線懸點到各自圓心和的距離，H為兩圓之間的垂直距離，則僅為下圓盤扭轉(zhuǎn)的周期。若測量質(zhì)量為m待測物體對于軸的轉(zhuǎn)動慣量J，只須將待測物體置于圓盤上，設(shè)此時扭轉(zhuǎn)周期為T，則共同的對于軸的轉(zhuǎn)運慣量為： 于是得到待測物體于軸的轉(zhuǎn)動慣量為： 上式表明，各物體對同一轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量具有相疊加的關(guān)系，這是三線擺法的優(yōu)點。為了將測量值和理論值比較，安置待測物體時，要使其質(zhì)心恰和下圓盤B的軸心和重合。驗證平行軸定理，設(shè)兩柱體質(zhì)心離開 軸距離均為d時，對于 軸的轉(zhuǎn)動慣量為，設(shè)一個圓柱體質(zhì)量為m，則由平行軸定理可得： 由此測得的d值和用長度器實測的值比較，在實驗誤差允許范圍允許范圍內(nèi)兩者相符的話，就驗證了轉(zhuǎn)動慣量的平等軸定理。實驗三 驗證動量守恒定律一、實驗?zāi)康?、在彈性碰撞和完全非彈性碰撞兩種情形下，驗證動量守恒定律。二、 實驗設(shè)備、儀器 1、氣墊導(dǎo)軌、計時計數(shù)測速儀。2、滑行器2個、砝碼若干、非彈性碰撞器1對、彈性碰撞器2個、相同尺寸的擋光片2個。三、實驗原理 在水平導(dǎo)軌上放兩個滑行器，以兩個滑行器作為系統(tǒng)，在水平方向不受外力，兩滑行器碰撞前、后的總動量就保持不變。設(shè)兩滑行器的質(zhì)量分別為、,相碰撞的速度為和，相碰撞后的速度為和,則根據(jù)卻是守恒定律有： 只要測出兩個滑行器在碰撞前后的速度，稱出兩個滑行器的質(zhì)量，即可驗證上述動量守恒定律。彈性碰撞：兩滑行器在相碰端裝有彈性碰撞器，它們相碰撞時可看作是彈性碰撞。設(shè)兩個滑行器質(zhì)量相等，即，并令A(yù)滑行器靜止不動，（即0），B滑行器以速度，接近A滑行器并與之相碰，可以測出在這種條件下，即兩滑行器交換速度。若兩滑行器質(zhì)量不等，仍令VA0，以速度VB與相碰撞則式變?yōu)椋?四、實驗內(nèi)容（1）兩滑行器質(zhì)量相等VA01、次兩滑行器的碰撞端各裝好彈性碰撞器。2、將導(dǎo)軌調(diào)成水平狀態(tài)。3、將兩個質(zhì)量相等的滑行器放置導(dǎo)軌上，A滑行器靜止放置在兩個光電門之間，給B滑行器以一定的初速度，其速度可由光電門G2測定，兩滑行器相碰后B滑行器靜止，而A滑行器獲得速度V，其速度可由光電門G1測定，計算B滑行器在碰撞前的速度與A滑行器碰撞后的速度是否相等。（2）兩滑行器質(zhì)量不相等VA0 1、令A(yù)滑行器靜止（VA0），B滑行器兩側(cè)加上配重塊，給B滑行器以一定的初速度其大小可由光電門G2測定。2、相碰后兩滑行器的速度VA和VB，分別由光電門G1測定。 3、用天平稱出兩滑行器的質(zhì)量、 4、計算碰撞前后的總動量，驗證公式。實驗四 電表改裝與校準(zhǔn)一、實驗?zāi)康?、測量表頭內(nèi)阻及滿度電流。 2、掌握將1mA表頭改成較大量程的電流表和電壓表的方法。 3、設(shè)計一個R中1500的歐姆表，要求E在1.31.6V范圍內(nèi)使用能調(diào)零。 4、用電阻器校準(zhǔn)歐姆表，畫校準(zhǔn)曲線，并根據(jù)校準(zhǔn)曲線用組裝好的歐姆表測本知電阻。 5、學(xué)會校準(zhǔn)電流表和電壓表的方法。二、實驗內(nèi)容 1、中值法測出表頭的內(nèi)阻。2、改裝為大量程電流表。3、改裝為電壓表。三、 實驗設(shè)備、儀器 1、DH4508型電表改裝與校準(zhǔn)實驗儀。四、實驗原理 常見的磁電式電流計主要由放在永久磁場中的由細漆包線繞制的可以轉(zhuǎn)動的線圈、用來產(chǎn)生機械反力矩的游絲、指示用的指針和永久磁鐵所組成。當(dāng)電流通過線圈時，載流線圈在磁場中就產(chǎn)生一磁力矩M磁，使線圈轉(zhuǎn)動，從而帶動指針偏轉(zhuǎn)。線圈偏轉(zhuǎn)角度的大小與通過的電流大小成正比，所以可由指針的偏轉(zhuǎn)直接指示出電流值。1、電流計允許通過的最大電流稱為電流計的量程，用Ig表示，電流計的線圈有一定的內(nèi)阻，用Rg表示，Ig與Rg是兩個表示電流計特性的重要參數(shù)。 中值法測量內(nèi)阻Rg：測量原理見圖當(dāng)被測電流計接在電路中量，使電流計潢偏，再用十進電阻箱與電流計并聯(lián)作為分流電阻，改變電阻值即改變分流程度，當(dāng)電流計指針指示到中間值，且標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)仍保持不變，可通過調(diào)電源電壓和Rw來實現(xiàn)，顯然這時分流電阻值就等于電流計的內(nèi)阻。2、改裝為大量程電流表根據(jù)電阻并聯(lián)規(guī)律可知，如果在表頭兩端并聯(lián)上一個阻值適當(dāng)?shù)碾娮鑂2，如圖所示，可使表頭不能承受的那部分電流從R2上分流通過。這種由表頭和并聯(lián)電阻R2組成的整體就是改裝后的電流表。如需將量程擴大n倍，則不難得出 圖為擴流后的電流表原理圖。用電流表測量電流時，電流表應(yīng)串聯(lián)在被測電路中，所以要求電流表應(yīng)有較小的內(nèi)阻。另外，在表頭上并聯(lián)阻值不同的分流電阻，便可制成多量程的電流表。3、改裝為電壓表 一般表頭能承受的電壓很小，不能用來測量較大的電壓。為了測量較大的電壓，可以給表頭串聯(lián)一個阻值適當(dāng)?shù)碾娮鑂M,如圖所示，使表頭上不能承受的那部分電壓降落在電阻RM上。這種由表頭和串聯(lián)電阻RM組成的整體就是電壓表，串聯(lián)的電阻 RM叫做擴程電阻。選取不同大小的RM，就可以得到不同量程的 電壓表。可得擴程電阻值為： 五、實驗步驟儀器在進行實驗前應(yīng)對毫安表進行機械調(diào)零。 1、用中值法測出表頭的內(nèi)阻，Rg=_ 2、將一個量程為1mA的表頭改裝成5mA量程的電流表（1）根據(jù)式計算出分流電阻值，先將電源高到最小，RW調(diào)到中間位置。（2）慢慢調(diào)節(jié)電源，升高電壓，使改裝表指滿量程，這時記錄標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)。注意：RW作為限流電阻，阻值不要調(diào)至最小值。然后調(diào)小電源電壓，使改裝表每隔1mA逐步減小計數(shù)直至零點；再調(diào)節(jié)電源電壓按原間隔逐步增大改裝表計數(shù)到滿量程，每次記下標(biāo)準(zhǔn)表相應(yīng)的計數(shù)于下表。表 1改裝表讀數(shù)（mA）標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（mA）示值誤差I(lǐng)（mA）減小時增大時平均時12345以改裝表讀數(shù)為橫坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)表由大到小及由小到大調(diào)節(jié)時兩次讀數(shù)的平均值為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作出電流表的校正曲線，并根據(jù)兩表最大誤差的數(shù)值定出改裝表的準(zhǔn)確度級別。3、將一個量程為1mA的表頭改裝成1.5量程的電壓表。（1）根據(jù)式計算擴程電阻RW的阻值，可用R1、R2進行實驗。（2）連接校準(zhǔn)電路。用量程為2V的數(shù)顯電壓表作為標(biāo)準(zhǔn)表來校準(zhǔn)改裝的電壓表。調(diào)節(jié)電源電壓，使改裝表指針指到滿量程，記下標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)。然后每隔0.3V逐步減小改裝讀數(shù)直至零點，再按原間隔逐步增大至滿量程，每次記下標(biāo)準(zhǔn)表相應(yīng)的讀數(shù)于下表：表 2改裝表讀數(shù)（V)標(biāo)準(zhǔn)表讀數(shù)（V）示值誤差U（V）0.30.60.91.21.5（4）以改裝表讀數(shù)為橫坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)表由大到小及由小到大調(diào)節(jié)時兩次讀數(shù)的平均值為縱坐標(biāo)，在坐標(biāo)紙上作出電壓表的校正曲線，并根兩表最大誤差的數(shù)值定出改裝表的準(zhǔn)確度級別。實驗五 霍爾效應(yīng)實驗一、實驗?zāi)康?1、了解霍爾效應(yīng)原理及測量霍爾元件有關(guān)參數(shù)。 2、測繪霍爾元件的VHIx，VHIM曲線了解霍爾電勢差VH與霍爾元件控制電流Ix，勵磁電流IM之間的關(guān)系。 3、學(xué)習(xí)利用霍爾效應(yīng)測量磁感應(yīng)強度B及磁場分布。 4、判斷霍爾元件載流子的類型，并計算其濃度和遷移率。 5、學(xué)習(xí)用“對稱交換測量法”消除負(fù)效應(yīng)產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。二、實驗內(nèi)容 （1）研究霍爾效應(yīng)及霍爾元件特性 1、測量霍爾元件靈敏度KH,計算載流子濃度n。 2、測定霍爾元件的載流子遷移率。 3、判定霍爾元件半導(dǎo)體類型或者么推磁感應(yīng)強度B的方向。 4、研究VH與勵磁IM、工作電流I之間的關(guān)系。 （2）測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)引強度B的大小及分布 1、測量一定IM條件下電磁鐵氣隙中必的磁感應(yīng)強度B的大小。 2、測量電磁鐵氣隙中磁感應(yīng)強度B的分布。三、 實驗設(shè)備、儀器 1、霍爾效應(yīng)試驗儀、霍爾效應(yīng)測試儀。四、實驗原理 霍爾效應(yīng)從本質(zhì)上講是運動的帶電粒子在磁場中受洛侖茲力的作用而引起的偏轉(zhuǎn)。當(dāng)帶電粒子被約束在固體材料中，這種偏轉(zhuǎn)就導(dǎo)致在垂直電流和磁場的方向上產(chǎn)生正負(fù)電荷在不同側(cè)的聚積，從而形成附加的橫向電場。磁場B位于Z的正向，與之垂直的半導(dǎo)體薄片上沿X正向通以電流I，假設(shè)載流子為電子，它沿著與電流I相反的X負(fù)方向運動。 設(shè)霍爾元件寬度為l，厚度為d，載流子濃度為n，則霍爾元件的控制電流為： （1） 當(dāng)達到動態(tài)平衡時： （2） 由（1）（2）兩式可得： （3） 即霍爾電壓VH與I、B的乘積成正比、與霍爾元件的厚度成 反比，比例系數(shù)RH=稱為霍爾系數(shù)，它是反映材料霍爾效應(yīng)強度的重要參數(shù)，根據(jù)材料的導(dǎo)電率=ne的關(guān)系，還可以得到： （4）當(dāng)霍爾元件的材料和厚度確定時，設(shè)： （5）將（5）式代入（3）式中得： （6）若需測量霍爾元件兩之間的電勢差，E為由V產(chǎn)生的電場強度，L、l分別為霍爾元件的長度和寬度。由于金屬的電子濃度n很高，所以它的RH或KH都不大，因此不適宜作霍爾元件，此外元件厚度d愈薄，KH愈高，所以制作時，往往采用減小d的方法來增加靈敏度，但不能認(rèn)為d愈薄愈好，因為此時元件的輸入和輸出電阻將會增加，這對鍺元件是不希望的。五、實驗步驟（1）按儀器面板上的文字和符號提示將ZKYHS霍爾效應(yīng)實驗儀與ZKYHC霍爾效應(yīng)測試儀正確連接。 1、ZKYHC霍爾效應(yīng)測試面板右下方為提供勵磁電流IM的恒流源輸出端，接霍爾效應(yīng)測試儀上電磁鐵線圈電流的輸入端。 2、“測試儀”左下方為提供霍爾元件控制電流IM的恒流源輸出端，接“實驗儀”霍爾元件工作電流輸入