緒長光聲簡阿牛萬制8實驗指導(dǎo)書

1、46目錄緒 論1.普通物理實驗的目的和基本環(huán)節(jié)2 測量與儀器3、測量與誤差4系統(tǒng)誤差5偶然誤差6測量結(jié)果不確定度評定7 有效數(shù)字實驗一 長度測量實驗二 簡諧振動的研究實驗三 聲速的測定實驗四 制流電路與分壓電路實驗五 學(xué)習(xí)使用萬用電表實驗六 利用牛頓環(huán)干涉測量透鏡曲率半徑實驗七 光電效應(yīng)測定普朗克常量實驗八 阿貝折射計測定透明介質(zhì)的折射率緒 論1.普通物理實驗的目的和基本環(huán)節(jié)物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，其任何規(guī)律和理論都從實踐和實驗中來，并受到實踐的反復(fù)檢驗，由此而不斷發(fā)展。1、物理實驗課的培養(yǎng)目的（1）通過對物理實驗現(xiàn)象的觀測和分析，學(xué)習(xí)運用理論指導(dǎo)實踐、分析和解決實驗中問題的方法，從理論和實際的

2、結(jié)合上加深理論的理解。（2）培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)實驗的初步能力。包括通過閱讀教材或資料，能概括出實驗原理和方法的要點；正確使用基本實驗儀器，掌握基本物理量的測量方法和實驗操作技能；正確記錄和處理數(shù)據(jù)，分析實驗結(jié)果和撰寫實驗報告；自行設(shè)計和完成某些不太復(fù)雜的實驗任務(wù)等等。（3）培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)踏實的作風(fēng)和勇于探索、堅韌不拔的鉆研精神以及遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作、愛護(hù)公物的優(yōu)良品質(zhì)。2、物理實驗課的基本環(huán)節(jié) （1）課前實驗預(yù)習(xí)。 （2）實驗操作。 （3）課后實驗報告。其中實驗報告內(nèi)容包括： 實驗名稱、實驗?zāi)康?、實驗原理、實驗步驟、數(shù)據(jù)表格和數(shù)據(jù)處理、小結(jié)或討論(對于課后的問題進(jìn)行思考)。3、

3、實驗室規(guī)則 （1）課前應(yīng)完成指定的預(yù)習(xí)內(nèi)容,上課準(zhǔn)備回答教師提問。 （2）遵守課堂紀(jì)律，無故不允許遲到請假。 （3）儀器使用只可用自己小組的，未經(jīng)許可不得相互借用。 （4）愛護(hù)儀器，如有損壞照價賠償。 （5）做完實驗，經(jīng)老師審查測量數(shù)據(jù)，學(xué)生應(yīng)該將儀器整理還原，將桌面和凳子收拾整齊。經(jīng)老師審查儀器還原情況并簽字后，方能離開實驗室。 （6）實驗報告應(yīng)在下一次實驗時交到實驗室。2 測量與儀器（1）直接測量：為確定被測量對象的量值而進(jìn)行的被測物與儀器相比較的實驗過程。（2）間接測量： 將待測量表示成另外幾個可直接測量的量的函數(shù)，根據(jù)直接測量量通過函數(shù)計算，得出待測量。例：（3）測量結(jié)果 測量的結(jié)果應(yīng)

4、包括數(shù)值、單位。3、測量與誤差（1）真值： 待測物理量在實驗當(dāng)時條件下，所具有的客觀值的大小。（它不會因測量手段而改變）下列幾種情況可視為真值： 如三角形內(nèi)角和180（2）測量誤差：它是個理想的概念，一般不可能準(zhǔn)確得到。只能通過一定的計算方法對它進(jìn)行估計。a.是可正、可負(fù)的量，絕對值愈小，說明測量值越接近真值。測量結(jié)果愈準(zhǔn)確。b. 誤差存在于一切測量的始終。c. 誤差可以減少，但不能完全消除。d. 不能一味地為減少誤差而選擇過于精確的儀器和方案。（3）誤差的來源：例.用單擺來說明誤差來源理論中的單擺，是用一無質(zhì)量無彈性的線，掛起一質(zhì)點，在擺角接近零時，擺長l與周期 T之間存在 的關(guān)系. 其中g(shù)

5、為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。?）誤差的分類 根據(jù)產(chǎn)生誤差的原因和誤差所表現(xiàn)出的性質(zhì)，將誤差分為兩類：系統(tǒng)誤差 在相同條件下，多次測量同一物理量，其誤差的大小和方向保持不變，或隨著測量條件的變化有規(guī)律的變化。 偶然誤差 在相同條件下，多次測量同一物理量，測量結(jié)果不盡相同，誤差時大時小，完全是隨機(jī)的。 （5）絕對誤差與相對誤差絕對誤差絕對誤差不同于誤差絕對值相對誤差4系統(tǒng)誤差a 系統(tǒng)誤差的來源主要有以下幾方面：儀器誤差：儀器本身的缺陷或沒有按規(guī)定條件使用儀器造成的。 如：儀器精度的限制、儀器未調(diào)零、儀器磨損等。方法誤差：測量理論的近似性和不完善。環(huán)境誤差：外界環(huán)境未達(dá)到測量要求。如；光照、電磁場、溫度等

6、 1.是由測量系統(tǒng)本身不完善造成的。2.系統(tǒng)誤差的特點：使測量結(jié)果偏離真值的程度是確定的或按一定的規(guī)律影響測量結(jié)果；不能通過多次測量來發(fā)現(xiàn)和消除。5偶然誤差 1 偶然誤差的來源主要來自以下幾個方面：環(huán)境：氣流、溫度的擾動或起伏；環(huán)境中雜散電磁場的存在；噪聲的存在。人的感官的限制（聽、視、觸覺）過失誤差：將會引起測量失敗，必須避免！2隨機(jī)誤差分布函數(shù)（高斯分布、正態(tài)分布）：3 測量結(jié)果的最佳近似值為算術(shù)平均值證明：設(shè)，k 次等精度測量，得測量數(shù)據(jù)： 每次測量的隨機(jī)誤差分別是：對這些所有隨機(jī)誤差取平均值：根據(jù)隨機(jī)誤差的抵償性當(dāng)因此4 標(biāo)準(zhǔn)偏差s其中參數(shù)s1）它是與測量條件有關(guān)的量。2）是對分散情況

7、的定量表示。舉例說明: A2.12.62.82.93.03.23.7B2.12.42.72.93.13.43.7在等精度測量條件下，任一次測量值的隨機(jī)誤差落在區(qū)間 內(nèi)的概率為：68.3%.。即： 是一個統(tǒng)計性特征量，它的大小并不表示隨機(jī)誤差的準(zhǔn)確數(shù)值，而只是表示隨機(jī)誤差分布在值域范圍內(nèi)的概率大小。就是說對某一物理量在相同條件下進(jìn)行1000次測量，那么，測量值誤差可能有683次在。5 算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 6測量結(jié)果不確定度評定一、測量不確定度的基本概念 1、不確定度的定義 由于誤差的存在，使得測量結(jié)果具有一定程度的不確定性。所以，對某一物理量進(jìn)行測量，我們只能知道測量值與真值 之差的絕對值以一

8、定概率分布在某一數(shù)值u范圍內(nèi)，用公式表示為： 其中u值可以通過一定的方法進(jìn)行估算，稱為不確定度。1992年10月1日，我國開始執(zhí)行國家計量技術(shù)規(guī)范JJG1027-91測量誤差及數(shù)據(jù)處理施行，規(guī)定測量結(jié)果的最終表示形式用總不確定度或相對不確定度表示。對等精度多次測量而言，測量的結(jié)果應(yīng)包括多次測量的算術(shù)平均值、不確定度和相對不確定度。2、直接測量量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定： 由于誤差的來源很多，測量結(jié)果的不確定度一般也包含幾個分量。在修正了可定系統(tǒng)誤差之后，將直接測量量的不確定度分為二類a) 標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類分量 ： 用統(tǒng)計的方法評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，就是標(biāo)準(zhǔn)不確定度.b) 標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類分量 ：用其它非

9、統(tǒng)計分析評定的不確定度；極限誤差 c) 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：某此測量值的A類與B類不確定度按一定規(guī)則算出的測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，成為合成不確定度。3、關(guān)于不確定度的幾點說明：a）引入不確定度的概念，是規(guī)范科學(xué)提法的必然。不確定度是測量結(jié)果所攜帶的一個必要的參數(shù)，以表征待測量值的分散性、準(zhǔn)確性和可靠程度。b）不確定度表征真值以某置信概率存在的范圍，是對測量結(jié)果不確定性的量度。c）不確定度和誤差是兩個完全不同的概念，它們之間既有聯(lián)系又有本質(zhì)區(qū)別。對實驗結(jié)果的處理，我們用不確定度來評定，但在實驗設(shè)計中，常常還是要進(jìn)行誤差分析。d）嚴(yán)格的不確定度理論比較復(fù)雜，本課程在保證其科學(xué)性的前提下，適當(dāng)簡化。二

10、、間接測量量的不確定度評定 若測量量y由 構(gòu)成，且分量 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為則y 的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 其中為傳遞系數(shù)。最終測量結(jié)果的表示：相對不確定度7 有效數(shù)字1儀器讀數(shù)，記錄與有效數(shù)字 數(shù)字式儀表及步進(jìn)讀數(shù)儀器不需要進(jìn)行估讀，儀器所顯示的未位就是欠準(zhǔn)數(shù)字；儀器的讀數(shù)一般讀到最小分度的1/10，有時可讀到1/2，1/5。2有效數(shù)字的運算規(guī)則（1）實驗后計算不確定度，根據(jù)不確定度確定有效數(shù)字是正確決定有效數(shù)字的基本依據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)不確定度只可取一位有效數(shù)字，相對不確定度可以取一或二位有效數(shù)字。測量值的有效數(shù)字的末位應(yīng)與不確定度末位對齊。二、間接測量量的有效數(shù)字運算 （1）若干個數(shù)進(jìn)行加法或減法運算，其

11、和或差的結(jié)果的可疑數(shù)字的位置與參與運算各個量中的可疑數(shù)字的位置最高者相同。例如：278.2+12.451=290.7。（2）乘除運算時，與有效數(shù)字最少的一位相同。例如：5.43820.5=111（3）乘方和開方運算的有效數(shù)字的位數(shù)與其底數(shù)的有效數(shù)字的位數(shù)相同。例如：（4）對數(shù)運算，小數(shù)點后的后面的位數(shù)取成與真數(shù)的位數(shù)相同；例如： ln56.7=4.038（5）自然數(shù)1，2，3，4，不是測量而得，不存在可疑數(shù)字。因此可視為無窮多位有效數(shù)字的位數(shù)，書寫也不必寫出后面的0，如D=2R，D的位數(shù)僅由直接測量量R的位數(shù)決定。（6）物理常數(shù)， 的位數(shù)也可以看成很多位有效數(shù)字。例如L=2R，如測量量R=2.

12、3510-1（m）時，應(yīng)取為3.142，有效數(shù)字比2.35要多一位，也就是說，最終結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)不由物理常數(shù)決定。測量結(jié)果的單位可以改變，但其有效數(shù)字位數(shù)不可以改變，因為改變之后，測量儀器的精度就發(fā)生變化了。三、有效數(shù)字的舍入法則：四舍六入五留雙 實驗一 長度測量實驗?zāi)康募耙?掌握游標(biāo)卡尺及螺旋測微器的原理，學(xué)會正確使用游標(biāo)卡尺、螺旋測微器及讀數(shù)顯微鏡。2掌握等精度測量中不確定度的估算方法和有效數(shù)字的基本運算。3. 分析實驗數(shù)據(jù)的有效性實驗原理1游標(biāo)卡尺（1）原理 游標(biāo)卡尺由主尺和游標(biāo)兩部分構(gòu)成。游標(biāo)上一共有m分格，而m分格的總長度和主刻度尺上的(m1)分格的總長度相等。設(shè)主刻度尺上每個

13、等分格的長度為y，游標(biāo)刻度尺上每個等分格的長度為x，則有 (11)0510圖11游標(biāo)圖示235045 圖15螺旋測微計0455 圖14螺旋測微計2025150 圖12螺旋測微計0152520 圖13螺旋測微計主刻度尺與游標(biāo)刻度尺每個分格之差yxy/m為游標(biāo)卡尺的最小讀數(shù)值，即最小刻度的分度數(shù)值。主刻度尺的最小分度是毫米，若m50 ，即游標(biāo)刻度尺上50個等分格的總長度和主刻度尺上的49mm相等，每個游標(biāo)分度是0.98mm，主刻度尺與游標(biāo)刻度尺每個分度之差x10.950.02（mm），稱作50分度游標(biāo)卡尺；如m10 ，則游標(biāo)卡尺的最小分度為1/10mm0.1mm ，稱為10分度游標(biāo)卡尺；還有常用的

14、20分度的游標(biāo)卡尺，其分度數(shù)值為1/20 mm0.05mm。（2）讀數(shù)游標(biāo)卡尺的讀數(shù)表示的是主刻度尺的0線與游標(biāo)刻度尺的0線之間的距離。讀數(shù)可分為兩部分：首先，從游標(biāo)刻度上0線的位置讀出整數(shù)部分（毫米位）；其次，根據(jù)游標(biāo)刻度尺上與主刻度尺對齊的刻度線讀出不足毫米分格的小數(shù)部分，二者相加就是測量值。以10分度的游標(biāo)卡尺為例，看一下如圖11所示讀數(shù)。毫米以上的整數(shù)部分直接從主刻度尺上讀出為21mm。讀毫米以下的小數(shù)部分時應(yīng)細(xì)心尋找游標(biāo)刻度尺上哪一根刻度線與主刻度尺上的刻度線對得最整齊，對得最整齊的那根刻度線表示的數(shù)值就是我們要找的小數(shù)部分。若圖中是第6根刻度線和主刻度尺上的刻度線對得最整齊，應(yīng)該讀

15、作0.6mm 。所測工件的讀數(shù)值為21（0.16）=21.6（mm）。如果是第4根刻度線和主刻度尺上的刻度線對得最整齊，那么讀數(shù)就是21.4mm。20分度的游標(biāo)卡尺和50分度的游標(biāo)卡尺的讀數(shù)方法與10分度游標(biāo)卡尺相同，讀數(shù)也是由兩部分組成。（3）注意事項1）游標(biāo)卡尺使用前，應(yīng)該先將游標(biāo)卡尺的卡口合攏，檢查游標(biāo)尺的0線和主刻度尺的0線是否對齊。若對不齊說明卡口有零誤差，應(yīng)記下零點讀數(shù)，用以修正測量值；2）推動游標(biāo)刻度尺時，不要用力過猛，卡住被測物體時松緊應(yīng)適當(dāng)，更不能卡住物體后再移動物體，以防卡口受損；3）用完后兩卡口要留有間隙，然后將游標(biāo)卡尺放入包裝盒內(nèi)，不能隨便放在桌上，更不能放在潮濕的地方

16、。2螺旋測微器（千分之一厘米） （1）原理螺旋每轉(zhuǎn)動一周將前進(jìn)一個螺距，對于螺距為x的螺旋，如旋轉(zhuǎn)周，螺旋將移動。對一內(nèi)部螺旋的螺距為0.5mm的螺旋測微器 ，劃分為50格。副刻度尺（微分筒）每旋轉(zhuǎn)一周，螺旋測微器內(nèi)部的測微螺絲桿和副刻度尺同時前進(jìn)或后退0.5mm，而螺旋測微器內(nèi)部的測微螺絲桿套筒每旋轉(zhuǎn)一格，測微螺絲桿沿著軸線方向前進(jìn)0.01mm ，0.01mm 即為螺旋測微器的最小分度數(shù)值。在讀數(shù)時可估計到最小分度的1/10，即0.001mm ，故螺旋測微器又稱為千分尺。（2）讀數(shù)讀數(shù)可分兩步：首先，觀察固定標(biāo)尺讀數(shù)準(zhǔn)線（即微分筒前沿）所在的位置，可以從固定標(biāo)尺上讀出整數(shù)部分，每格0.5mm

17、，即可讀到0.5；其次，以固定標(biāo)尺的刻度線為讀數(shù)準(zhǔn)線，讀出0.5mm以下的數(shù)值，估計讀數(shù)到最小分度的1/10 ，然后兩者相加。如圖12所示，整數(shù)部分是5.5mm (因固定標(biāo)尺的讀數(shù)準(zhǔn)線已超過了1/2刻度線，所以是5.5mm，副刻度尺上的圓周刻度是20的刻線正好與讀數(shù)準(zhǔn)線對齊，即0.200mm。所以，其讀數(shù)值為5.5（20.00.01） =5.700mm。如圖13所示，整數(shù)部分（主尺部分）是5mm，而圓周刻度是20.9，即0.209mm，其讀數(shù)值為50.2095.209（mm）。使用螺旋測微器時要注意0點誤差，即當(dāng)兩個測量界面密合時，看一下副刻度尺0線和主刻度尺0線所對應(yīng)的位置。經(jīng)過使用后的螺旋

18、測微器0點一般對不齊，而是顯示某一讀數(shù)，使用時要分清是正誤差還是負(fù)誤差。如圖14 和圖15 所示，如果零點誤差用0表示，測量待測物的讀數(shù)是d。此時，待測量物體的實際長度為dd0 ，0可正可負(fù)。在圖14 中00.006mm , dd (0.006)d 0.006 (mm)。在圖15 中00.008mm , dd 0d 0.008（mm）。3.讀數(shù)顯微鏡（1）原理 測微螺旋螺距為1mm（即標(biāo)尺分度），在顯微鏡的旋轉(zhuǎn)輪上刻有100個等分格，每格為0.01mm，當(dāng)旋轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動一周時，顯微鏡沿標(biāo)尺移動1mm，當(dāng)旋轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)過一個等分格，顯微鏡就沿標(biāo)尺移動0.01mm。0.01mm即為讀數(shù)顯微鏡的最小分度。（

19、2）測量與讀數(shù)1）調(diào)節(jié)目鏡進(jìn)行視場調(diào)整，使顯微鏡十字線最清晰即可；轉(zhuǎn)動調(diào)焦手輪，從目鏡中觀測使被測工件成像清晰；可調(diào)整被測工件，使其被測工件的一個橫截面和顯微鏡移動方向平行；2）轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)輪可以調(diào)節(jié)十字豎線對準(zhǔn)被測工件的起點，在標(biāo)尺上讀取毫米的整數(shù)部分，在旋轉(zhuǎn)輪上讀取毫米以下的小數(shù)部分。兩次讀數(shù)之和是此點的讀數(shù)A；3）沿著同方向轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)輪，使十字豎線恰好停止于被測工件的終點，記下此值所測量工件的長度即LAA。（3）使用注意事項1）在松開每個鎖緊螺絲時，必須用手托住相應(yīng)部分，以免其墜落和受沖擊：2）注意防止回程誤差，由于螺絲和螺母不可能完全密合，螺旋轉(zhuǎn)動方向改變時它的接觸狀態(tài)也改變，兩次讀數(shù)將不同

20、，由此產(chǎn)生的誤差叫回程誤差。為防止此誤差，測量時應(yīng)向同一方向轉(zhuǎn)動，使十字線和目標(biāo)對準(zhǔn)，若移動十字線超過了目標(biāo)，就要多退回一些，重新再向同一方向轉(zhuǎn)動。實驗儀器游標(biāo)卡尺，螺旋測微器，讀數(shù)顯微鏡，鋼卷尺，待測物。實驗內(nèi)容及步驟所有測量量均測6次1.用游標(biāo)卡尺測圓柱體的體積，并計算不確定度；2.用螺旋測微器測量小鋼球直徑，自己頭發(fā)的直徑，計算不確定度；3.用米尺測量一個同學(xué)的身高，并計算不確定度。測量量12345 6DhdsL 數(shù)據(jù)處理 單位：mm1利用直接和間接測量的不確定度公式計算不確定度，并將直徑、高度和體積用測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)式表示出來。2計算體積求出不確定度，將測量結(jié)果用標(biāo)準(zhǔn)式表示出來。D為圓柱

21、體的直徑,h為圓柱體的高,d為小球的直徑,s為頭發(fā)的直徑,L為同學(xué)身高。游標(biāo)卡零點誤差（注意正負(fù)）： 螺旋測微器零點誤差： 思考題1何謂儀器的分度數(shù)值？米尺、20分度游標(biāo)卡尺和螺旋測微器的分度數(shù)值各為多少？如果用它們測量一個物體約7cm的長度，問每個待測量能讀得幾位有效數(shù)字？250分度游標(biāo)刻度的讀數(shù)末尾一位一定是偶數(shù)嗎？為什么？ 實驗二 簡諧振動的研究實驗?zāi)康募耙?驗證彈簧振子的運動規(guī)律，測出彈簧振子的倔強系數(shù)k。2用圖解法求彈簧的等效質(zhì)量。實驗原理將一根勁度系數(shù)為的彈簧一端固定，下端系一個質(zhì)量為m的物體，如圖所示。以物體的平衡位置為坐標(biāo)原點，在彈簧的彈性限度內(nèi)，物體離開平衡位置的位移與它所

22、受到彈力的關(guān)系為 （51）若忽略空氣阻力，由牛頓第二定律得，式中m0為彈簧的等效質(zhì)量。令，則前面公式又可寫成 （52）由此可知，系統(tǒng)作的是諧振動，其振動周期是 或者寫成 （53）ABCDEFGMHS圖51彈簧振子公式（53）說明：T僅決定于振子本身的特性，與初始條件無關(guān)；當(dāng)k一定時，正比于m，即m圖為一直線，其斜率為，截距為。實驗內(nèi)容1.驗證k一定時，與m成正比。2.求彈簧的勁度系數(shù)k。實驗步驟1.調(diào)節(jié)儀器。將儀器按照如圖51所示安裝，并調(diào)節(jié)支架讓小鏡面及其它參于振動的物體豎直。2. 測彈簧振子的倔強系數(shù)k（1）用天平稱出砝碼盤和掛鉤的質(zhì)量；（2）依次改變盤內(nèi)砝碼的質(zhì)量0g,1g,2g,3g,

23、4g,5g，讀出每次改變砝碼而使彈簧伸長的改變量，3.驗證k一定時，與m成正比。依次改變盤內(nèi)砝碼的質(zhì)量0g,1g,2g,3g,4g,5g對應(yīng)mi的30個周期i ，(i0，1,2,5)。數(shù)據(jù)處理1記錄實驗數(shù)據(jù)。2用逐差法求出步驟2中所測的數(shù)值彈簧的勁度系數(shù)k。3根據(jù)步驟3中的實驗數(shù)據(jù)作m圖,如為直線，即說明與m成正比。思考題將用圖解法求出k和m0。與用公式（51）和（53）求出的k和m0的數(shù)值進(jìn)行比較，分析產(chǎn)生誤差的原因。實驗三 聲速的測定實驗?zāi)康募耙?初步熟悉示波器和音頻信號發(fā)生器的功能和使用方法；2學(xué)會利用干涉法測定聲速；3學(xué)會利用相位比較法測定聲速。實驗原理S1S2游標(biāo)卡尺電聲轉(zhuǎn)換器信號

24、源頻率計示波器毫伏表圖181測量聲速的方法可分為兩類：一是測出聲波傳播距離s和所需的時間t，由算出聲速v；二是利用關(guān)系式，通過測量頻率f和波長來計算聲速v。本實驗所采用的共振干涉法和位相比較法，即屬于后者。1共振干涉法 設(shè)有一從發(fā)射源發(fā)出的一定頻率的平面波，經(jīng)過空氣傳播，到達(dá)接收器。如果接收面與反射面嚴(yán)格平行，入射波在接收面上垂直反射，入射波與反射相干涉形成駐波。實驗裝置如圖1所示，圖中S1、S2為壓電陶瓷喇叭，S1接低頻信號發(fā)生器，用為超聲波源；S2為接收器，由于壓電效應(yīng)，它把接收到的聲波轉(zhuǎn)換成電信號，且能在接收聲波的同時反射部分聲波。改變S1、S2之間的距離，當(dāng)其為半波長的整倍數(shù)時，媒質(zhì)中

25、出現(xiàn)穩(wěn)定的駐波共振現(xiàn)象。此時駐波的幅度達(dá)到極大，且接收面所處的聲壓波腹也相應(yīng)達(dá)到極大值。設(shè)此時S1、S2之間的距離為Ln，繼續(xù)調(diào)節(jié)S1、S2之間的距離，設(shè)它為Ln+1時，再次出現(xiàn)共振現(xiàn)象，則Ln+1Ln/2 。因此，若保持f（頻率）不變，通過測量相鄰兩次接收信號達(dá)到極大值時接收面與發(fā)射源之間的距離就可求出波長，用計算聲速。2相位比較法當(dāng)S1發(fā)出的平面超聲波通過媒質(zhì)到達(dá)接收器S2時，在同一時刻，在發(fā)射處的波和接收處的波之間產(chǎn)生位相差，其位相差可利用示波器的李薩如圖形觀察。和角頻率、傳播時間t之間的關(guān)系為t 。同時有，2/T，tL/v，Tv (T為周期)，代入上式得 （181）當(dāng)Ln/2時，得n,

26、其中n1,2,3,。實驗時，改變S1、S2之間的距離，相當(dāng)于改變了發(fā)射波和接收波之間的位相差，在示波器上可觀察到位相的變化。當(dāng)改變S1、S2之間的距離使振動的位相差從0變化時，李薩如圖形將從斜率為正的直線變?yōu)闄E圓，再變到原斜率的直線，此時S1、S2之間的距離的改變量L為。而L可直接測得，頻率f由頻率計讀出。由可求出聲速。實驗儀器綜合聲速測試儀（含信號源）、示波器；實驗內(nèi)容及步驟1、檢查實驗儀器是否正常；2、連接調(diào)試儀器，調(diào)節(jié)頻率在35.5-36.5khz之間，連接和信號源，綜合聲速測試儀左側(cè)線接信號源的發(fā)射端換能器接口，綜合聲速測試儀右側(cè)線接信號源的接受端換能器接口，剩下的；3、改變示波器信號

27、接收方式，調(diào)節(jié)發(fā)射端和接收端的距離，觀察示波器，逐次找出振幅最大的位置，記錄下讀數(shù)。（注：調(diào)節(jié)距離的方向必須是同一方向。）4、改變頻率重復(fù)3一次5、改變示波器信號接收方式，調(diào)節(jié)發(fā)射端和接收端的距離，觀察示波器，逐次找出相同斜線圖象的位置，記錄下讀數(shù)。（注：調(diào)節(jié)距離的方向必須是同一方向。）6、改變頻率重復(fù)3一次7、待查測量數(shù)據(jù)和儀器。數(shù)據(jù)測量1、記錄聲波頻率 2、共振干涉法(改變一次頻率重復(fù))3、相位比較法(改變一次頻率重復(fù)) 數(shù)據(jù)處理1、計算v值，2、誤差處理3、計算結(jié)果合成思考題根據(jù)實驗數(shù)據(jù)討論測量聲速兩種方法的優(yōu)缺點以及實驗中產(chǎn)生誤差的原因。實驗四 制流電路與分壓電路實驗?zāi)康?.了解電學(xué)實

28、驗室的規(guī)則、操作規(guī)程和安全知識；2.了解并掌握電學(xué)實驗基本儀器的性能和使用方法；3.掌握聯(lián)接電路的一般方法。實驗儀器 安培計，伏特計，變阻器，電阻箱，直流電源，導(dǎo)線，開關(guān)等。電學(xué)實驗基本知識圖1-1 磁電型儀表基本結(jié)構(gòu)圖1.永久磁鐵；2.極掌；3.圓柱形軟鐵芯；4.動圈；5.半軸；6.軸承；7.指針；8.游絲；9.刻度盤。一、電學(xué)實驗基本儀器介紹1.電表電表的種類很多，有磁電型電表、電磁型、電動型、靜電型、整流型、感應(yīng)型等。實驗室常用電表大部分是磁電型電表，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-1：永久磁鐵的兩個極上連著帶圓筒孔腔的極掌，極掌之間裝有圓柱形軟鐵芯，它的作用是使極掌和鐵芯間的空隙中磁場很強，并且磁

29、力線是以圓柱的軸為中心呈均勻輻射狀。在圓柱形鐵芯和極掌間空隙處放有長方形線圈，線圈上固定一根指針，當(dāng)有電流流通時，線圈就受電磁力矩而偏轉(zhuǎn)，直到跟游絲的反扭力矩平衡。線圈偏角的大小與所通入的電流成正比，電流方向不同，偏轉(zhuǎn)方向也不同，這是磁電式電表的基本特征。(1)指針式檢流計。它的特征是指針零點在刻度的中央，便于檢出不同方向的直流電。檢流計的主要規(guī)格是：圖1-2檢流計結(jié)構(gòu)圖檢流計常數(shù)：即偏轉(zhuǎn)一小格代表的電流值，一般約為安培/小格；內(nèi)阻約100。指針式檢流計主要用于判斷電路中電流的方向或有無電流, 由于量程(微安級)很小只能檢測小電流或小電位差。使用時，常串聯(lián)一個可變電阻，以免過大的電流損壞電表，

30、這個電阻稱為保護(hù)電阻，如圖1-2。(2)直流電壓表（毫伏表、伏特表）。直流電壓表是用來測量直流電路中兩點間電壓的大小，它的主要規(guī)格是： 量程：即指針偏轉(zhuǎn)滿度時的電壓值或能測量電壓的最大值。例如電壓表量程為07.5V15V30V，表示該電壓表有三個量程。第一個量程為7.5伏，在該表的兩端加上7.5伏電壓時其指針偏轉(zhuǎn)滿度；使用第二、三個量程時，分別加上15伏、30伏時指針偏轉(zhuǎn)滿度。內(nèi)阻：即電表兩端的電阻。同一電壓表量程不同內(nèi)阻不同，例如07.5V15V30V電壓表，它的三個量程內(nèi)阻分別為7500，15000，30000，但因為各量程的每伏歐姆數(shù)都是1000/V，所以電壓表內(nèi)阻一般用/V統(tǒng)一表示?？?/p>

31、用下式計算電壓表某量程的內(nèi)阻：內(nèi)阻=量程每伏歐姆數(shù)(3)直流電流表（毫安表、微安表、安培表）。直流電流表是用來測量直流電路中電流的大小，它的主要規(guī)格是：量程：即電流表指針偏轉(zhuǎn)滿度時的電流值。電流表也有單量程和多量程的。內(nèi)阻：一般安培表內(nèi)阻都在0.1以下，毫安計、微安計內(nèi)阻可達(dá)一、二百歐到一、二千歐。(4)使用電表注意事項：選擇合適的量程：根據(jù)待測電流或電壓大小，選擇合適的量程。若量程太小，測量過大的電壓或電流會使電表損壞；量程太大，測量小電流或小電壓指針偏轉(zhuǎn)太小，測量誤差較大。使用電表時應(yīng)事先估計待測量的大小，選擇電表稍大的量程試測一下，如不合適，選用更合適的量程。17654328901765

32、43289017654328901765432890176543289017654328900.1101100010010000圖1-3電阻箱面板結(jié)構(gòu)弄清電流方向：直流電表的偏轉(zhuǎn)方向與所通過的電流方向有關(guān),所以接線時必須注意電表上接線柱的“+”“-”標(biāo)記，“+”表示電流流入端，“-”表示電流流出端，切不可把極性接錯，以免撞壞指針。正確聯(lián)接電表：電流表是用來測量電流的，使用時必須串接在待測電路中，電壓表是用來測量電壓的，使用時應(yīng)當(dāng)與被測電路兩端并聯(lián)。減小視差：讀數(shù)時應(yīng)正確判斷指針位置。為了減少視差，必須正對指針使視線垂直于刻度盤表面讀數(shù)。精密的電表刻度尺旁附有鏡面，當(dāng)指針在鏡中的像與指針重合時，

33、指針?biāo)鶎?zhǔn)的刻度才是電表的準(zhǔn)確讀數(shù)。2.電阻箱：電阻箱的內(nèi)部有一套由錳銅線繞成的標(biāo)準(zhǔn)電阻。圖1-3為電阻箱面板結(jié)構(gòu)，旋轉(zhuǎn)電阻箱上的旋鈕，可以得到不同的電阻值，例如當(dāng)100擋指6代表電阻為600，10擋指6代表電阻為60，1擋指2代表電阻為2，0.1檔指0代表電阻為0.0，這時總電阻為6100+610+21+00.1=662.0。電阻箱的規(guī)格是：(1)總電阻：即最大電阻，如圖1-3所示的電阻箱總電阻為99999.9。(2)額定功率：指電阻箱每個電阻的功率額定值，一般電阻箱的額定功率為0.25W，可以由它計算額定電流。例如用1000擋的電阻時，允許通過的最大電流I=0.016A=16mA；100檔

34、的電阻，允許通過的最大電流I=0.05A=50mA?？梢?，電阻值愈大的檔，允許通過的最大電流愈小，過大的電流會使電阻發(fā)熱，從而電阻值不準(zhǔn)確，甚至灼毀。 (3)電阻箱的等級：電阻箱根據(jù)其最大誤差的大小分為若干個準(zhǔn)確度等級，一般分為0.02，0.05，0.1，0.2等，它表示電阻值相對誤差的百分?jǐn)?shù)。例如電阻箱為0.1級，當(dāng)電阻為662時，其誤差為6620.1%0.7。圖14(a) 變阻器實物圖BAC圖14(b) 變阻器示意圖ABC3.變阻器：變阻器是用來控制電路中的電壓和電流。它的構(gòu)造如圖14(a)。電阻絲密繞在絕緣瓷管上，兩端分別與固定在瓷管上的接線柱A,B相聯(lián)。電阻絲上涂有絕緣物，使圈與圈之間

35、相互絕緣。瓷管上方裝有一根和瓷管平行的金屬棒，一端聯(lián)有接線柱C。棒上還套有滑動接觸器，它緊壓在電阻圈上。接觸器與線圈接觸處的絕緣物已被刮掉，所以使接觸器沿金屬棒滑動就可以改變AC或BC之間的電阻。了解變阻器的結(jié)構(gòu)很重要，為此，應(yīng)把圖14(a)和圖14(b)中的A、B、C三點相互對應(yīng)。變阻器的規(guī)格是：(1)全電阻：即AB間的電阻。(2)額定電流：即變阻器所允許通過的最大電流。4.直流電源：目前實驗室普遍采用晶體管穩(wěn)壓電源。這種電源的穩(wěn)定性高，內(nèi)阻小，輸出連續(xù)可調(diào)，使用方便。蓄電池和干電池也是常用直流電源，但蓄電池需要經(jīng)常充電，維護(hù)比較麻煩；干電池經(jīng)使用后，電動勢不斷下降，內(nèi)阻不斷上升，最后由于內(nèi)

36、阻很大，不能提供電流，電池就得報廢。二、電學(xué)實驗操作規(guī)程1.準(zhǔn)備。實驗前作好預(yù)習(xí)報告，弄清實驗?zāi)康?、原理和任?wù)，了解實驗儀器功能、結(jié)構(gòu)、使用方法和注意事項。2.連線。按照要求或給定電路從電源開始順序連接電路。3.檢查。電路接好后，在通電之前必須檢查電路無誤后才能通電。4.通電。先開電源開關(guān)，再合電路開關(guān)；合電路開關(guān)時，切記要先點觸一下，試探電表偏轉(zhuǎn)是否正常，只有在確定電表正常工作、電路無誤后才能合上開關(guān)開始測量。5.安全。在實驗進(jìn)行中，身體的任何部位都不能接觸電路中金屬裸露的地方；實驗中途調(diào)換儀器、儀器換擋、改變量程、改變接線，都要先切斷電源；實驗儀器顯示任何不正常，都要切斷電源。6.歸整。實

37、驗結(jié)束時，將儀器調(diào)到最安全的狀態(tài)，先斷開電路開關(guān)再切斷電源，最后拆除聯(lián)線，整理好儀器和導(dǎo)線。圖1-5制流電路 KE基本電路電路連接方法多種多樣，但一個完整電路一般都包括電源、控制和測量三部分。測量電路是先根據(jù)實驗要求而確定好的，例如要校準(zhǔn)某一電壓表，需選一標(biāo)準(zhǔn)的電壓表和它并聯(lián)，這就是測量線路，它可等效于一個負(fù)載，這個負(fù)載可能是容性的、感性的或簡單的電阻，以RZ表示其負(fù)載。根據(jù)測量的要求，負(fù)載的電流值I和電壓值U在一定范圍內(nèi)變化，要求有一個合適的電源。控制電路的任務(wù)是控制負(fù)載的電流和電壓，使其數(shù)值和范圍達(dá)到預(yù)定的要求；控制元件主要使用滑線變阻器或電阻箱；滑線變阻器有兩種接法，即制流和分壓兩種連接

38、形式，由此得到兩種基本的電路，即制流電路或分壓電路。1制流電路K=0.5K=0.2K=10K=1K=0.1K=0.05xImax圖16制流特性曲線如圖1所示，R0為滑線變阻器，RZ為負(fù)載，當(dāng)滑動R0的觸點C時，整個回路電阻改變，電源電壓不變時，回路中電流隨之變化。因此，通過負(fù)載RZ的電流也改變，所以叫做制流電路。當(dāng)C滑動到A端時，=0，回路中電流最大，負(fù)載處。當(dāng)C滑動到B端時，變阻器全部電阻串聯(lián)入回路，最大，這時回路電流最小 。電壓可調(diào)范圍是從到E，相應(yīng)的電流變化為 到。圖1表示不同K（）值的制流曲線，從曲線可以清楚的看到制流電路有以下幾個特點：圖1分壓電路KE（1）K值越大電流調(diào)節(jié)范圍越?。?/p>

39、（2）K1時調(diào)節(jié)的線性較好；（3）K較小時（即R0RZ），X接近0時電流變化很大，細(xì)調(diào)程度較差；（4）不論R0大小如何，負(fù)載RZ上通過的電流都不可能為零。為保證安全，在制流電路接通電源前，一般應(yīng)使C滑動到B端，使最大，電流最小。以后逐步減小電阻，使電流增至所需值。(2)分壓電路如圖1所示。變阻器的兩個固定端A、B分別與電源的兩電極相聯(lián)，滑動端C和一個固定端A（或B,圖中用A）聯(lián)接到用電部分。接通電源后，AB兩端的電壓等于電源電壓。又是AC間電壓和CB間電壓之和，所以輸出電壓可以看作是的一部分。隨著滑動端C的位置改變，也就改變。當(dāng)C滑至B端，=，輸出電壓最大；當(dāng)C滑至A端，=0。所以輸出電壓可以

40、從零調(diào)節(jié)到電源電壓的任意數(shù)值上。圖18分壓特性曲線xumaxK=0.05K=0.1K=2K=1K=10由實驗可得不同K值的分壓特性曲線，如圖1所示。從曲線可以清楚看出分壓電路有如下幾個特點：(1)不論R0的大小，負(fù)載的電壓調(diào)節(jié)范圍均可從0變化到E；(2)K越小電壓調(diào)節(jié)越不均勻；(3)K越大電壓調(diào)節(jié)越均勻，因此要電壓U在0到Umax整個范圍內(nèi)均勻變化，則取K大于1比較合適，實際K=2那條線可近似作為直線，故取R0即可認(rèn)為電壓調(diào)節(jié)已達(dá)到一般均勻的要求了。為保證安全，在分壓電路接通電源時，一般應(yīng)使=0，以后逐步滑動C，使電壓增至所需值。實驗內(nèi)容1.觀察電表的度盤，計下度盤下側(cè)的符號和數(shù)字，說明其意義

41、？填入表1-1中。2. 記錄所用電表、電阻箱的量程、級別或額定功率，計算所用的量程最大允差和電阻箱最大容許電流值，填入表1-2中。3.研究制流電路的特性。連接圖1-1電路，用電阻箱為負(fù)載RZ，分別取K=0.1，1確定RZ值，改變滑線變阻器C點的位置，使電流從最小到最大過程中，測量1520個及相應(yīng)的電流值,填入表1-3中，并根據(jù)表1-5中數(shù)據(jù)作I 曲線.4.研究分壓電路的特性。連接圖1-3電路，用電阻箱為負(fù)載RZ，分別取K=0.1，2確定RZ值進(jìn)行實驗，即改變滑線變阻器C點的位置，使電壓從最小到最大過程中，測量1520個及相應(yīng)的電壓值, 填入表1-4中，并根據(jù)表1-6中數(shù)據(jù)作U 曲線。數(shù)據(jù)記錄表

42、 表1-1電表度盤下側(cè)的符號或數(shù)字的意義符號意義符號意義表1-2 電表的最大允差及電阻箱的額定電流。電流表電壓表電阻箱量程等級最大允差額定功率 額定電流 表1-3 制流電路中I與的變化關(guān)系().K=0.1E=10VRZ=200R0=2000/I/mAK=1,E=20VRZ=2000R0=2000/I/mA表1-4 分壓電路中U與的變化關(guān)系()K =2 E=20VRZ=4000R0=2000/U/VK=0.1,E=10VRZ=200R0=2000/U/V數(shù)據(jù)處理結(jié)果表1-5 制流電路中與I的變化關(guān)系().K=0.1E=10VRZ=200R0=2000I/mAK=1,E=30VRZ=2000R0=

43、2000I/mA根據(jù)表中的數(shù)據(jù)作I 曲線 結(jié)論：制流特性曲線特征表1-6 分壓電路中與U的變化關(guān)系()K =2 E=20VRZ=4000R0=2000U/V K=0.1,E=10VRZ=200R0=2000U/V 根據(jù)表中的數(shù)據(jù)作U 曲線 結(jié)論：分壓特性曲線特征思考與討論1畫出單刀雙擲、雙刀雙擲、反向開關(guān)的電路原理圖。2在分壓和限流實驗中，當(dāng)連接完電路準(zhǔn)備通電前，應(yīng)使滑動頭 C 移到哪一端？為什么？3有人說，分壓電路是用來控制電路電壓，限流電路是用來控制電路電流的，你認(rèn)為這種說法對嗎？4在分壓電路研究的實驗中如圖1-7，如果輸出電壓從 B 、C 兩端引出，這樣做可以嗎？這時輸出電壓的C 端是正

44、端還是負(fù)端？當(dāng) C 端移到 B 端時，輸出電壓是多少？實驗五 學(xué)習(xí)使用萬用電表實驗?zāi)康?.了解電表的接入誤差；2.學(xué)會使用萬用電表測量電阻、電壓、電流；3.掌握檢查線路故障的一般方法。實驗儀器萬用電表（500型），穩(wěn)壓電源，電阻箱，開關(guān)。實驗原理1.直流電壓檔。當(dāng)選擇開關(guān)撥到V時，萬用表就是一個多量程直流電壓表，各量程分別為1V、5V、25V、100V、500V，簡化線路如圖2-1是量程為1V、5V、25V的電路。由于、的分流作用，虛線框內(nèi)部分相當(dāng)于50的表頭，串聯(lián)不同的電阻分別得出所要求的量程。圖2-2是量程為100V、500V的電路，由于改為和表頭串聯(lián)，分流電阻只剩，故虛線框內(nèi)部分相當(dāng)?shù)谋?/p>

45、頭量程加大到200。這樣，同樣是串聯(lián)+，得到的電壓表量程為100V，再串聯(lián)得到量程500 V 。 萬用表在使用時往往不是固連在待測電路上，讀數(shù)后即撤離，所以接入誤差成為經(jīng)常要考慮的問題。下面考察接入誤差的成因及修正辦法。如圖2-3電路，未接電壓表時，BC間的電壓顯然等于.如果把電壓表接在 B、C兩點，測出的電壓不是，由于電壓表有一定的內(nèi)阻，電壓表接入后電路的電壓分配會發(fā)生改變，BC間的電壓變?yōu)?。電表未接入時的電壓為，接入后測出的卻是，這兩者之差稱為接入誤差，定義為=.由電路圖2-3可知，是以電壓表接入點BC為考察點的等效電阻（此時電源看作短路，故為并聯(lián)），所以可得. （2-1）根據(jù)（2-1）式

46、很容易知道接入誤差的大小，并在必要時可以修正測量值。2.直流電流檔。當(dāng)選擇開關(guān)調(diào)至檔時，萬用表就是一個多量程電流表。簡化電路如圖2-4。跟測電壓類似，測電流時也有接入誤差，若萬用表的內(nèi)阻為，以電表接入點為考察點，電路的電阻為，則接入誤差 （2-2）即電表測出的電流值。 3.歐姆計歐姆計的構(gòu)造原理如圖2-5。其中虛線框內(nèi)部分為歐姆計，a和b為兩接線柱（表筆插孔）。測量時將待測電阻接在a和b上。在歐姆計中，為電源（干電池），為表頭（內(nèi)阻為，滿度電流為），為限流電阻。由歐姆定律可知回路中的電流由下式?jīng)Q定： （2-3）由此可得，對一給定的歐姆計（即、給定），僅由決定，即與之間有一一對應(yīng)的關(guān)系。在表頭刻

47、度上處標(biāo)出相應(yīng)的值，電流表就成了歐姆計。由（2-3）式可知，當(dāng)時，回路中的電流最大，為。在歐姆計中設(shè)法改變表頭的滿度電流使其等于最大電流，即 （2-4）當(dāng)時，表頭指針指在度盤中央，由此通常用表示，稱之為歐姆計的中值電阻。即 =于是（2-4）式和（2-3）式可以改寫為 （2-5）和 （2-6）由（2-6）式可知：與是非線性關(guān)系，即均勻變化時，不會均勻變化，所以歐姆計度盤上刻度是不均勻的。歐姆計度盤正中那個刻度值即為，當(dāng)時，有，此時偏轉(zhuǎn)接近滿度，由于很小，變化較大（相對本身而言）變化不明顯，因而測量誤差很大；當(dāng)時，由于很大，變化較大（相對本身而言）變化也不明顯，因而測量誤差也很大。所以通常只用歐姆

48、計中間的一段來測量，即這段范圍。歐姆計都有幾個量程，每個量程的都不同，但每個量程的可用范圍都是。如=100，則測量范圍為20500；=1000，則測量范圍為2005000。歐姆計的刻度是對設(shè)計的電源電動勢計算出來的。但電源（干電池）電動勢不可能總是等于，會在使用過程中慢慢減小，所以在歐姆計中還裝有“歐姆調(diào)零”調(diào)節(jié)旋鈕，以保證刻度準(zhǔn)確。調(diào)節(jié)方法是：將表筆a和b短路（相接），調(diào)節(jié)“歐姆零點”旋鈕使指針偏轉(zhuǎn)滿度，即指針指0。每次改變量程后都應(yīng)重新調(diào)節(jié)歐姆零點。儀器介紹萬用電表是最常用的儀表，它可以測量交直流電壓，交直流電流和電阻，有的萬用表還增加檢測晶體管特性等功能。由于它的功能較多，在實驗調(diào)試、故障檢測工作中使用非常方便。萬用電表用途廣但準(zhǔn)確度低。1.萬用表操作規(guī)程（1）準(zhǔn)備。認(rèn)清所用萬用表的面板和刻度以及待測量的種類（交流或直流；電壓、電流或電阻）。（2）選擇合適的量程。根據(jù)待測量的種類和大小，將選擇開關(guān)撥至合適的位置（不知待測量的大小時，一般應(yīng)選擇最大量程先行試測）。（3）調(diào)零。用作電流表或電壓表時，電路接通電源之前先觀察電表指針是否指零，若未指零，調(diào)節(jié)機(jī)械調(diào)零旋鈕讓指針指零；用作歐姆計時，將兩表筆短接，調(diào)節(jié)歐姆調(diào)零