大學(xué)物理實驗教案

1、. 大 學(xué) 物 理 實 驗 教 案作者姓名 王 悅 學(xué)科(教研室) 大學(xué)物理教研室 所在院系 電氣工程系 第一講：誤差與數(shù)據(jù)處理本節(jié)授課時數(shù)：2學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1、測量與誤差1. 了解測量的含義，理解測量的分類和測量四要素并會判斷；2. 掌握誤差的分類和誤差的來源并會計算誤差；3. 熟練運用直接測量偶然誤差的估計公式進行誤差估計；4. 了解系統(tǒng)誤差的處理。2、不確定度的概念1. 了解不確定度的分類；2. 熟練掌握直接測量不確定度和間接測量的不確定度的計算。3、有效數(shù)字的處理要求熟練掌握各種運算中的有效數(shù)字位數(shù)的取舍原則。4、數(shù)據(jù)處理1. 了解數(shù)據(jù)圖表法的優(yōu)點和缺點，會熟練作圖和制表，給學(xué)

2、生強調(diào)容易忽視的細(xì)節(jié)：比如圖名，物理量的表示和單位以及描點的要求。2. 熟練掌握用作圖法求直線的斜率和截距的方法。理解如何把曲線改直。3. 熟練使用逐差法，了解其使用的前提和優(yōu)點。4. 了解最小二乘法的由來和優(yōu)點，能夠熟練使用公式了解相關(guān)系數(shù)的意義。二、教學(xué)重點與難點重點：1. 系統(tǒng)誤差和偶然誤差的特點；2. 不確定度和置信概率的定義和其中的物理意義；3. 不確定度的分類和具體計算，有效數(shù)字的運算法則；4. 數(shù)據(jù)處理中的逐差法和最小二乘法。難點：不確定度的傳遞和有效數(shù)字的運算法則。三、教學(xué)后記 通過緒論課，不少同學(xué)應(yīng)該都建立這樣的思想：實驗不僅僅是動手的過程，而操作后的數(shù)據(jù)是一個比較復(fù)雜和相當(dāng)

3、重要的工作。對于現(xiàn)在和以后的實驗，不確定度的分析是占有很重要的地位。實踐部分：11個實驗不同專業(yè)學(xué)生做的略有不同實驗01：基本長度的測量本節(jié)授課時數(shù)：3學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1學(xué)習(xí)游標(biāo)卡尺、螺旋測微器、讀數(shù)顯微鏡的測量原理和使用方法。2掌握誤差及有效數(shù)字的概念；學(xué)習(xí)直接測量量的數(shù)據(jù)處理方法。二、教學(xué)設(shè)計1、游標(biāo)卡尺構(gòu)造及讀數(shù)原理2、螺旋測微器(千分尺)3、讀數(shù)顯微鏡1首先檢查螺旋測微計的零點讀數(shù)，并記錄下來。然后用螺旋測微器測量小鋼珠直徑，不同位置測量6-8次，計算體積和不確定度，并寫出測量結(jié)果。2用游標(biāo)卡尺測量空心圓柱體不同部分的外徑、內(nèi)徑、高度，各測量6-8次。計算空心圓柱體的體積及不確定

4、度，并寫出測量結(jié)果。3首先將讀數(shù)顯微鏡的叉絲調(diào)節(jié)清楚。將頭發(fā)絲理直，放到讀數(shù)顯微鏡的載物臺上，使頭發(fā)絲與鏡筒平移方向垂直，再將發(fā)絲調(diào)節(jié)清楚。轉(zhuǎn)動鼓輪，平移鏡筒，測量發(fā)絲的直徑，在三個不同的部位測量6次，取平均值。三、教學(xué)重點與難點1掌握三種長度測量工具的正確讀數(shù)方法2誤差分析方法四、教學(xué)后記 學(xué)生在講解后能比較順利進行各種測量，但是往往忘記記錄零點誤差。實驗02：靜力稱衡法測不規(guī)則固體的密度本節(jié)授課時數(shù)：3學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1. 學(xué)會物理天平的正確使用。2. 掌握用流體靜力秤法測定不規(guī)則固體的密度。二、教學(xué)設(shè)計靜力稱衡法測不規(guī)則固體的密度方法介紹：這一方法的基本原理是阿基來德原理。物體在液

5、體中所受的浮力等于它所排開液體的重量。按密度定義： (1)在不考慮空氣浮力的條件下，物體在空氣中重為，它浸沒在液體中的視重。那么，物體受到的浮力為：和是該物體在空氣中及完全浸沒液體稱量時相應(yīng)的重量。又物體所受浮力等于所排液體重量，即：式中是液體的密度，是排開液體的體積，亦為物體的體積。g為重力加速度。由式(1)，(2)，(3)可得待測固體的密度： 用這種方法測密度，避開了不易測量的不規(guī)則體積，轉(zhuǎn)換成只須測量較易測量的重量。一般實驗時，液體常用水，為水的密度。實驗步驟：1.按天平的調(diào)節(jié)要求，調(diào)好天平。(1)底板的水平調(diào)節(jié)。(2)橫梁的水平調(diào)節(jié)。2.測量不規(guī)則金屬物體的密度。(1) 將細(xì)繩拴好金屬

6、塊放在天平左盤上，稱出此時質(zhì)量。(2) 把盛有大半杯水的燒杯放在天平左邊的托架上，將拴好金屬塊的細(xì)繩掛在天平左盤的吊鉤上，調(diào)整燒杯位置，使金屬塊浸沒在水中，稱出此時質(zhì)量（不要讓所稱物體接觸燒杯）。 (3)按照（4）式計算出金屬密度。三、教學(xué)重點與難點1掌握什么是流體靜力秤法2熟悉物理天平的正確使用四、注意事項1物理天平在使用中應(yīng)注意：(1)啟動、止動天平時動作要輕。(2)要“常止動”即取放物體、加減砝碼、撥動游碼、調(diào)節(jié)平衡螺母前及使用完畢后，必須轉(zhuǎn)動制動旋鈕，止動天平，使橫梁靜放在制動架上，這樣可避免刀口受沖擊而損壞，還可防止刀口離開刀口墊使橫梁掉下，只有在判斷天平是否平衡時才啟動天平。天平啟

7、動或止動時，旋轉(zhuǎn)制動旋鈕動作要輕。(3)加減砝碼必須使用鑷子，嚴(yán)禁用手，從秤盤中取下砝碼后，應(yīng)立即放入砝碼盒，以免丟失或弄臟。(4)每臺天平的左右秤盤、秤盤掛鉤等部件，不能左右調(diào)換，更不能與其他天平上的部件互換。2用流體靜力稱衡法測物體塊密度時應(yīng)注意：(1)在空氣中稱量物體塊質(zhì)量時，要使物體塊保持潔凈、干燥。(2)用細(xì)繩拴住物體塊時，最好為活套，這樣可方便調(diào)整物體塊與重物的間距，以利于后面的稱衡。實驗03：速度與加速度的測量本節(jié)授課時數(shù)：2學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1學(xué)習(xí)使用氣墊導(dǎo)軌的存儲式數(shù)字毫秒計。2觀察勻速直線運動，測量滑塊運動速度。3觀察勻加速運動，測量滑塊的加速度。二、教學(xué)設(shè)計1. 測量

8、滑塊運動的瞬時速度物體做直線運動時，其瞬時速度定義為： 根據(jù)這個定義瞬時速度實際上是不可能測量的。因為當(dāng)0時，同時有0，測量上有具體困難。我們只能取很小的及相應(yīng)的，用其平均速度來代替瞬時速度，即： 盡管這樣用平均速度代替瞬時速度會產(chǎn)生一定的誤差，但只要物體運動速度較大而加速度很小，這種誤差不會太大。2. 測量滑塊運動的加速度a 如圖所示，如果將氣墊導(dǎo)軌一段墊高，形成斜面，滑塊下滑時將做勻變速直線運動，有三個基本運動公式：式中和以及和分別為和時刻滑塊的位置坐標(biāo)和相應(yīng)的瞬時速度。在實驗中使用的毫秒計只能從=0開始計時，所以運動方程變?yōu)椋捍藭r為滑塊從處到處的運動時間，為兩光電門之間的距離。而加速度的

9、理論值為： 這里為導(dǎo)軌的傾斜角，由圖可得： 實驗時，使滑塊由導(dǎo)軌的上端靜止自由下滑，即可測得不同位置處各自的相應(yīng)的速度與加速度值。三、教學(xué)重點與難點1掌握如何通過控制光電門位置測量加速度和速度2熟悉氣墊導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)和正確使用方法四、注意事項1. 氣墊導(dǎo)軌是較精密的設(shè)備，嚴(yán)禁碰撞、磨損導(dǎo)軌表面，沒通氣的情況下，不能在導(dǎo)軌上推動滑塊。2. 實驗時，要特別注意，不要使滑塊、遮光片碰壞光電門，應(yīng)先用手試推滑塊，看是否與光電門相撞，調(diào)好后方進行試驗。3. 滑塊的內(nèi)表面光潔度高，應(yīng)嚴(yán)防劃傷碰壞，滑塊運動速度不應(yīng)太大，以免與氣墊導(dǎo)軌兩端碰撞而跌落使之受損。裝取遮光片或砝碼，應(yīng)將滑塊從氣墊導(dǎo)軌上取下操作，待固定

10、好再把滑塊放到導(dǎo)軌上。4. 實驗前應(yīng)仔細(xì)檢查導(dǎo)軌表面上每一個小孔是否暢通無阻，如果發(fā)現(xiàn)堵塞，應(yīng)先用細(xì)針仔細(xì)清通。5. 試驗中不需要通氣時應(yīng)關(guān)閉氣源，以免使用時間過長而燒壞電機。若送氣時聽見氣源電機有異常聲響，應(yīng)立即關(guān)閉氣源。實驗04：扭擺法測定物體轉(zhuǎn)動慣量本節(jié)授課時數(shù)：3學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1會用扭擺法測定幾種不同形狀物體的轉(zhuǎn)動慣量的方法，并與理論值比較。2測定剛體轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量分布的關(guān)系，驗證剛體轉(zhuǎn)動慣量的平行軸定理。二、教學(xué)設(shè)計轉(zhuǎn)動慣量的測量，一般都是使剛體以一定形式運動，通過表征這種運動特征的物理量，與轉(zhuǎn)動慣量的關(guān)系，進行轉(zhuǎn)換測量。本實驗使物體作扭轉(zhuǎn)擺動，由于擺動周期及其它參數(shù)的測定計

11、算出物體的轉(zhuǎn)動慣量。 扭擺的構(gòu)造如圖所示，在垂直軸1上裝有一根薄片狀的螺旋彈簧2，用以產(chǎn)生恢復(fù)力矩。在軸的上方可以裝上各種待測物體。垂直軸與支座間裝有軸承，以降低摩擦力矩，3為水平儀，用來調(diào)整系統(tǒng)平衡。 將物體在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)過一角度后，在彈簧的恢復(fù)力矩作用下，物體就開始繞垂直軸作往返扭轉(zhuǎn)運動。根據(jù)胡克定律，彈簧受扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的恢復(fù)力矩M與所轉(zhuǎn)過的角度成正比，即： （1）1垂直軸，2蝸簧，3水平儀式中，k為彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)。根據(jù)轉(zhuǎn)動定律式中，J為物體繞轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量，為角加速度，由上式得 （2）令，且忽略軸承的摩擦阻力矩，由式（1）、（2）得： 上述方程表示扭擺運動具有角簡諧振動的特性，角加速與角位移

12、成正比，且方向相反，此方程的解為： 式中，A為諧振動的角振幅，為初相位角，為角速度。此諧振動的周期為： （3）由（3）式可知 （4）只要實驗測得物體扭擺的擺動周期，并在J和k中任何一個量已知時即可計算出另一個量。 本實驗利用公式法先測得圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量，再用扭擺測出載物盤的擺動周期T0，再把圓柱體放到載物盤上，測出此時的擺動周期T1，分別代入（4）式，整理得： （5）其中J0為圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量。三、教學(xué)重點與難點1掌握規(guī)則物體轉(zhuǎn)動慣量的測量方法2熟悉扭擺的構(gòu)造、使用方法，以及轉(zhuǎn)動慣量測試儀的使用方法四、注意事項1彈簧的扭轉(zhuǎn)常數(shù)k值不是固定常數(shù)，它與擺動角度略有關(guān)系，擺角90°左右基本

13、相同，在小角度時變小。為了降低實驗時由于擺動角度變化過大 帶來的系統(tǒng)誤差，在測定各種物體的擺動周期時，擺角不宜過小，擺幅也不宜變化過大； 2光電探頭應(yīng)酬放置在擋光桿平衡位置處，擋光桿不能和它相接觸，以免增大摩擦力矩；3機座應(yīng)保持水平狀態(tài)；4在安裝待測物體時，其支架必須全部套入扭擺主軸，并將止動螺絲旋緊，否則扭擺不能正常工作；5在稱金屬細(xì)桿與木球的質(zhì)量時，必須將支架取下否則會帶來極大誤差。實驗05：空氣比熱容比的測定本節(jié)授課時數(shù)：2學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1學(xué)習(xí)一種測量空氣比熱容比的方法。2通過對空氣比熱容比的測定,加深對熱力學(xué)過程中狀態(tài)變化的理解。二、教學(xué)設(shè)計一般地說，同種物質(zhì)可以有不同的比熱容

14、，不僅物質(zhì)的比熱容與其溫度有強烈的依賴關(guān)系，而且還取決于外界對物質(zhì)本身所施加的約束。當(dāng)壓力恒定時可得物質(zhì)的定壓比熱容Cp，體積一定時可得物 質(zhì)的定容比熱容Cv。二者都是熱力學(xué)過程中的重要參量，因此又稱它們?yōu)橹鞅葻崛?。Cp及Cv一般是溫度的函數(shù)，但當(dāng)實際過程所涉及的溫度范圍不大時，二者均近似地視為常數(shù)。對于理想氣體，二者之間滿足如下關(guān)系：Cp-Cv=R。由上式立即可以得出一個熱力學(xué)中的重要物理量比熱容比: r r=Cp/Cv對于上圖滿足泊松公式： (1)而狀態(tài)III與狀態(tài)I是等溫的，所以，玻意耳定律成立，即： (2)由(1)及(2)式消去V1、V2可解得： (3) 可見，只要測得測量，

15、的值可測量出空氣的比熱容如果用，分別表示，與大氣壓強的差值時，則有： =+；=+ (4)將(4)式代入(3)式，并考慮到，則： 及所以： (5)同樣，只要用壓力計測得實驗過程中，時與的壓力差，即可通過(5)式求出比熱容比。三、教學(xué)重點與難點1比熱容比物理意義2熟悉用絕熱膨脹法測定空氣的比熱容比的方法四、注意事項1向容器內(nèi)壓入空氣時，壓強差值不超過15kpa;2實驗過程中打開出氣閥放氣時，當(dāng)聽到放氣聲將結(jié)束時應(yīng)迅速關(guān)閉出氣閥，提早或推遲關(guān)閉出氣閥，都將影響實驗要求，引入誤差。3由于數(shù)字電壓表有滯后顯示，如用計算機實時測量，發(fā)現(xiàn)此放氣時間約零點幾秒，并與放氣聲產(chǎn)生消失一致，而且關(guān)閉也需要零點幾秒的

16、時間，所以關(guān)閉出氣閥用聽聲更可靠些；4實驗要求環(huán)境溫度基本不變、如發(fā)生環(huán)境溫度不斷下降情況，可在遠(yuǎn)離實驗儀適當(dāng)加溫，以保證實驗正常進行。實驗06：熱電偶的溫差特性研究本節(jié)授課時數(shù)：3學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1. 了解電位差計的工作原理及使用方法2. 了解熱電偶的工作原理3. 用電位差計測量銅康銅的熱電偶溫差系數(shù)二、教學(xué)設(shè)計1、熱電偶的溫差電動勢1821年德國物理學(xué)家塞貝克（T J Seeback）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)線組成閉合回路時，若在兩接頭維持一溫差，回路就有電流和電動勢產(chǎn)生，后來稱此為塞貝克效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢，上述回路稱為熱電偶。溫差電熱電偶的溫差電動勢動勢的大小除了和

17、組成的熱電偶材料有關(guān)外，還決定于兩接點的的溫度差。如上圖所示，將一端的溫度T0固定(稱為冷端，實驗中為室溫)，另一端的溫度T改變(稱為熱端)，溫差電動勢亦隨之改變。電動勢和溫差的關(guān)系較復(fù)雜，其第一級近似式為: =(TT0) 式中稱為熱電偶的溫差系數(shù)，其大小取決于組成熱電偶的材料。2、電位差計工作原理電位差計是利用電壓補償原理而設(shè)計的電壓測量工具。通常使用電壓表測量電源電動勢，其實測量結(jié)果是端電壓，不是電動勢。怎樣才能使電源內(nèi)部沒有電流通過而又能測定電源的電動勢呢？在下圖所示 電位差計的補償原理的電路中，Ex是待測電源，E0是電動勢可調(diào)的電源，Ex與E0通過檢流計并聯(lián)在一起。當(dāng)調(diào)節(jié)E0的大小至檢

18、流計指針不偏轉(zhuǎn)，即電路中沒有電流時，兩個電源在回路中互為補償，它們的電動勢大小相等，方向相反，即Ex- E0，電路達到平衡。若已知平衡狀態(tài)下E0的大小，就可以確定Ex的值。這種測定電源電動勢的方法，叫做補償法。三、教學(xué)重點與難點1. 了解電位差計的工作原理及使用方法2. 了解熱電偶的工作原理3. 用電位差計測量銅康銅的熱電偶溫差系數(shù)4. 讀懂如何運用補償法的電路圖。四、注意事項1所有的接線必須接好不能出現(xiàn)虛接，標(biāo)準(zhǔn)電池和電勢差計的工作電源以及溫差電動勢的正負(fù)極不能接反。2每測一組數(shù)據(jù)后，都應(yīng)再次校準(zhǔn)電勢差計，實驗時應(yīng)注意提醒和檢查。3. 熱電偶與毫伏表相連接的兩端上的絕緣漆一定要用砂布打磨干凈

19、，且兩端要與毫伏表接觸良好。4. 測量結(jié)束后，倍率開關(guān)應(yīng)處在斷開位置，避免不必要的電能消耗。實驗07：電表的改裝及校準(zhǔn)實驗本節(jié)授課時數(shù)：2學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1掌握將電流計改裝成各種量程的電流表、電壓表的原理和方法。2學(xué)會用比較法校準(zhǔn)電表。3了解歐姆表的測量原理和定標(biāo)方法。二、教學(xué)設(shè)計1. 電流計可以改裝成毫安表或電流表電流計G只能測量很小的電流，為了曠達電流計的量程，可以選擇一個合適的分流電阻與電流計并聯(lián)，允許比電流計量程大的電流通過由電流計和與電流計并聯(lián)的分流電阻所組成的毫安表或電流表，這就改裝成為一只毫安表或電流表，這時電表面板上指針的指示值就要按好哪表火電流表的滿量程設(shè)計來讀取數(shù)據(jù)。

20、若測出電流計G的內(nèi)阻，則根據(jù)上圖就可以算出將此電流計改裝成量程為I的毫安表所需的分流電阻由于電流計與并聯(lián)，則設(shè)為臨界狀態(tài)時，則有：由上式可見，電流量程I擴展越大，分流電阻阻值越小。取不同的值，可以制成多量程的電流表。2. 電流計也可以改裝成電壓表，由于電流計量程很小，其內(nèi)阻也較小，所以只允許加很小的電位差，為了擴大其測量點位差的量程，可以讓其與一個高電阻串聯(lián)，這時兩端的電位差大部分分配在上，而家在電流計上的小部分電壓只與所加電位差U成正比。只需選擇合適的與電流計串聯(lián)作為分壓電阻，允許比原來大的電壓加到由電流計和與電流計串聯(lián)的分壓電阻所組成的電壓表上，這就改裝成為一只電壓表，這時電流計面板上指針

21、的指示值就要按電壓表的滿量程設(shè)計來讀取讀數(shù)。 如果改裝后的電壓表量程為V，則根據(jù)上圖就可以算出將此電流計改裝成量程為V的電壓表所需的分壓電阻。當(dāng)處于臨界條件時：由上式可見，電壓表量程V擴展越大，分壓電阻阻值越大。取不同的值，可以制成多量程的電壓表。三、教學(xué)重點與難點1. 了解替代法測量電流計內(nèi)阻的方法。2. 掌握將電流計改裝成電壓表和電流表的基本原理和方法。3. 學(xué)習(xí)繪制校準(zhǔn)曲線。四、教學(xué)后記部分學(xué)生的繪制的曲線不合理，部分同學(xué)在報告中沒有給出實驗結(jié)論實驗08：電阻元件的伏安特性本節(jié)授課時數(shù)：2學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1學(xué)會識別常用電路元件的方法。2掌握線性電阻，非線性電阻元件伏安特性的逐點測試

22、法。3掌握實驗裝置上直流電工儀表的設(shè)備的使用方法。二、教學(xué)設(shè)計電阻是導(dǎo)體材料的重要特性，在電學(xué)實驗中經(jīng)常要對電阻進行測量。測量電阻的方法有多種，伏安法是常用的基本方法之一。所謂伏安法，就是運用歐姆定律，測出電阻兩端的電壓和其上通過的電流，根據(jù)： 即可求得阻值R。也可運用作圖法，作出伏安特性曲線，從曲線上求得電阻的阻值。對有些電阻，其伏安特性曲線為直線，成為線性電阻，如常用的碳膜電阻、線繞電阻、金屬膜電阻等。另外，有些元件，伏安特性曲線為曲線，稱為非線性電阻元件，如燈泡、晶體二極管、穩(wěn)壓管、熱敏電阻等。非線性電阻元件的阻值是不確定的，只有通過作圖法才能反映它的特性。用伏安法測電阻，原理簡單，測量

23、方便，但由于電表內(nèi)阻介入的影響，給測量帶來一定系統(tǒng)誤差。在電流表內(nèi)接法中，由于電壓表測出的電壓值U包括了電流表兩端的電壓，因此，測量值要大于被測電阻的實際值。由可見，由于電流表內(nèi)阻不可忽略，故產(chǎn)生一定的誤差。在電流表外接法中，由于電流表測出的電流I包括的流過電壓表的電流，因此，測量值要小于實際值。由：可見，由于電壓表內(nèi)阻不是無窮大，故給測量帶來一定的誤差。上述兩種聯(lián)結(jié)電路的方法，都給測量帶來一定的系統(tǒng)誤差，即測量方法誤差。為此，必須對測量結(jié)果進行修正。其修正值為： 其中R為測量值，為實際值。為了減小上述誤差，必須根據(jù)待測阻值的大小和電表內(nèi)阻的不同，正確選擇測量電路。當(dāng) 且時，選擇電流表內(nèi)接法。

24、 且時，選擇電流表外接法。 且時，兩種接法均可。經(jīng)過以上處理，可以減小和消除由于電表接入帶來的系統(tǒng)誤差，但電表本身的儀器誤差，但電表本身的儀器誤差仍然存在，它決定于電表的準(zhǔn)確度等級和量程，其相對誤差為式中和為電流表和電壓表允許的最大示值誤差。1. 普通金屬膜電阻的V-A特性普通金屬膜電阻的阻值是不變的，所以它的V-A特性曲線如圖所示：2. 小燈泡的電阻的V-A特性小燈泡中的鎢絲開始處于常溫狀態(tài)。它的阻值保持不變狀態(tài)，但隨著電流通過，其溫度增高，阻值變大，它的V-A特性曲線如圖：3. 普通二極管的V-A特性普通二極管的特性是正向?qū)ǚ聪蚪刂?，它的V-A特性曲線如圖： 4. 穩(wěn)壓二極管的V-A特性

25、穩(wěn)壓管實質(zhì)上就是一個面結(jié)型硅二極管，它具有陡峭的反向擊穿特性，工作在反向擊穿狀態(tài)。在制造穩(wěn)壓管的工藝上，使它具有低壓擊穿特性。穩(wěn)壓管電路中，串入限流電阻，使穩(wěn)壓管擊穿后，電流不超過允許的數(shù)值，因此擊穿狀態(tài)可以長期持續(xù)，并能很好地重復(fù)工作而不至于損壞。穩(wěn)壓管的特性曲線如上圖所示，它的正向特性和一般硅二極管一樣，但反向擊穿特性較陡。由圖可見，當(dāng)反向電壓增加到擊穿電壓以后，穩(wěn)壓管進入擊穿狀態(tài)在曲線的AB段，雖然反向電流在很大范圍內(nèi)變化，但它兩端的電壓變化很小，即基本恒定。利用穩(wěn)壓管的這一特性，可以達到穩(wěn)壓目的。穩(wěn)壓管的參數(shù)如下： a. 穩(wěn)定電壓。即穩(wěn)壓管在反向擊穿后其兩端的實際工作電壓。這一參數(shù)隨工

26、作電流和溫度的不同略有改變，并且分散性較大，例如2CW14型的=67.5V。但對于每一個管子而言，對應(yīng)于某一工作電流，穩(wěn)定電壓有相應(yīng)的確定值。 b. 穩(wěn)定電流。即穩(wěn)壓管的電壓等于穩(wěn)定電壓時的工作電流c. 動態(tài)電阻。是穩(wěn)壓管電壓變化和相應(yīng)的電流變化之比，即，顯然，越小，穩(wěn)壓效果越好，動態(tài)電阻的數(shù)值隨工作電流的增加而減小。但當(dāng)工作電流以后，減小的不顯著，而當(dāng)時，明顯增加，阻值較大。d. 最大穩(wěn)定電流和最小穩(wěn)定電流。是指穩(wěn)壓管的最大工作電流，超過此值，即超過了管子的允許功耗散功率；是指穩(wěn)壓管的最小工作電流，低于此值，不再穩(wěn)定，常取。三、教學(xué)重點與難點1. 學(xué)習(xí)常用的電磁學(xué)儀器儀表的正確使用及簡單電路

27、的聯(lián)結(jié)；2. 掌握用伏安法測量電阻的基本方法及其誤差的分析；3. 測定線性電阻和非線性電阻的伏安特性；四、注意事項1. 使用電源時要防止短路，接通和斷開電路前應(yīng)使輸出為零，然后再慢慢微調(diào)。2. 測定金屬膜電阻的伏安特性時，所加電壓不得使電阻超過額定輸出功率。3. 測定穩(wěn)壓管伏安特性曲線時，不應(yīng)超過其最大穩(wěn)定電流實驗09：模擬示波器的使用本節(jié)授課時數(shù)：3學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1. 了解示波器的結(jié)構(gòu)和示波器的示波原理；2. 掌握示波器的使用方法，學(xué)會用示波器觀察各種信號的波形；3. 學(xué)會用示波器測量直流、正弦交流信號電壓；4. 觀察利薩如圖，學(xué)會測量正弦信號頻率的方法。二、教學(xué)設(shè)計示波管的結(jié)構(gòu)和特

28、點示波管一般可分為電子槍、偏轉(zhuǎn)板和熒光屏三部分（見圖）。電子槍由加熱電極F、陰極K、柵極G、加速電極FA、第一陽極A1（又稱聚焦電極）和第二陽極A2組成。偏轉(zhuǎn)板有水平偏轉(zhuǎn)板和垂直偏轉(zhuǎn)板兩對。熒光屏是由在示波管玻璃屏內(nèi)表面涂敷熒光物質(zhì)膜構(gòu)成。 要學(xué)生了解電子射線的電聚焦原理和掌握電子束的電偏轉(zhuǎn)與電偏靈敏度示波管的組成示波器掃描同步系統(tǒng):功能是獲得鋸齒波電壓信號,并用Y通道輸入信號或外部專用信號去控制鋸齒波信號的周期,使其為Y通道輸入信號周期的整數(shù)倍.如果將鋸齒波電壓加到X偏轉(zhuǎn)板上,可以使光點勻速的沿X方向從左端向右端做周期性運動,這個過程成為掃描. 如果它的頻率足夠高且Y軸無信號時, 再熒光屏上

29、將出現(xiàn)一條水平的亮線-時間基線.同步-信號完整穩(wěn)定的波形-鋸齒波周期大于或等于輸入信號周期, 鋸齒波每個相同位相點與輸入信號的相同位相點之間的對應(yīng)關(guān)系步隨時間變化.即:鋸齒波的周期是信號電壓周期的整數(shù)倍,且兩者保持一定的相位關(guān)系.在X/Y板上都加正弦電壓信號,當(dāng)頻率之比位整數(shù)倍的時候,位穩(wěn)定封閉的圖形,稱李莎如圖形三、教學(xué)重點與難點1掌握電子槍的工作原理，能夠?qū)懗瞿M示波器實驗過程的詳細(xì)連接方法2熟悉示波器面板上的各個旋鈕的功能和作用。3掌握示波器的使用方法，學(xué)會用示波器觀察各種信號的波形。4觀察利薩如圖。四、注意事項1. 在本實驗中切勿接錯導(dǎo)聯(lián)線!注意采取安全的措施，嚴(yán)防觸電。2. 在實驗過

30、程中將“輝度”調(diào)節(jié)適宜，絕不能過強，以免嚴(yán)重?fù)p壞熒光屏上的發(fā)光物質(zhì)，從而延長示波管的壽命。五、教學(xué)后記 學(xué)生在講解后能比較順利使用示波器的各個按鈕，對于調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)方波有的同學(xué)還有點迷惑，有時會忘記探筆上也有倍率選擇。另外如果學(xué)生不是直接把放大后的電壓反向加到X/Y上，而是改變信號，把正玄波加到Y(jié)上，把鋸齒電壓加到Y(jié)上，雖然可以得到圖形，但是振幅非常小，因為X的放大倍數(shù)小(電壓放大器)實驗10：霍爾效應(yīng)及其應(yīng)用本節(jié)授課時數(shù)：3學(xué)時一、教學(xué)內(nèi)容及要求1了解霍爾效應(yīng)原理以及有關(guān)霍爾器件對材料要求的認(rèn)識。2 學(xué)習(xí)用“對稱測量法”消除副效應(yīng)的影響，測量試樣的-和-曲線。3 確定試樣的導(dǎo)電類型、載流子濃度。

31、測量霍爾元件的電導(dǎo)率、載流子遷移率。4 繪制ISV0曲線。二、教學(xué)設(shè)計1什么是霍耳效應(yīng)?什么是霍耳系數(shù)?什么是霍耳元件的靈敏度?2霍耳效應(yīng)通過哪些物理量的測量來對磁場進行測量?3霍耳效應(yīng)測量磁場裝置怎樣使用?應(yīng)當(dāng)注意些什么?4本實驗可采取什么方法消除副效應(yīng)的影響?背景知識介紹:1879年，24歲的美國物理學(xué)家霍耳（E.H.Hall）在研究載流導(dǎo)體在磁場中所受力的性質(zhì)時，發(fā)現(xiàn)了一種電磁效應(yīng)，即如果在電流的垂直方向加上磁場，則在與電流和磁場都垂直的方向上將建立一個電場。這一效應(yīng)稱為霍耳效應(yīng)。由于這種效應(yīng)對一般材料而言很不明顯，因而長期未得到實際應(yīng)用。(金屬和電解質(zhì)的霍爾系數(shù)很小,霍爾效應(yīng)不顯著;半

32、導(dǎo)體的霍爾系數(shù)則大得多,霍爾效應(yīng)顯著.)20世紀(jì)50年代以來，隨著半導(dǎo)體工藝和材料的發(fā)展，先后制成了有顯著霍耳效應(yīng)的材料，如N型鍺、銻化銦、磷砷化銦等，對這一效應(yīng)實際應(yīng)用的研究隨之增加，其中比較突出的是用它來測量磁場。霍耳元件是一種利用霍耳效應(yīng)通過把磁信號形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栃问揭詫崿F(xiàn)信號檢測的半導(dǎo)體器件。具有響應(yīng)快、工作頻率高、功耗低等特點。半導(dǎo)體霍耳元件在磁測量中應(yīng)用廣泛，用霍耳元件作探頭制成的磁場測量儀器，其測量范圍寬、精度高，且頻率響應(yīng)寬。既可測大范圍的均勻場，也可測不均勻場或某點的磁場?，F(xiàn)在通用的特斯拉計(高斯計)，其探頭就是霍耳元件。通過研究霍耳效應(yīng)還可測得霍耳系數(shù)，由此能判斷材料的導(dǎo)

33、電類型、載流子濃度及載流子遷移率等重要參數(shù)，因此霍耳效應(yīng)也是研究半導(dǎo)體材料的一個重要實驗。簡單講解霍耳效應(yīng)原理（一）霍耳效應(yīng)現(xiàn)象將一塊半導(dǎo)體（或金屬）薄片放在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，并讓薄片平面與磁場方向（如Y方向）垂直。如在薄片的橫向（X方向）加一電流強度為的電流，那么在與磁場方向和電流方向垂直的Z方向?qū)a(chǎn)生一電動勢。這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)，稱為霍耳電壓。霍耳發(fā)現(xiàn)，霍耳電壓與電流強度和磁感應(yīng)強度B成正比，與磁場方向薄片的厚度d反比，即 （1）式中，比例系數(shù)R稱為霍耳系數(shù)，對同一材料R為一常數(shù)。因成品霍耳元件（根據(jù)霍耳效應(yīng)制成的器件）的d也是一常數(shù)，故常用另一常數(shù)K來表示，有 （2）式中，K稱為

34、霍耳元件的靈敏度，它是一個重要參數(shù)，表示該元件在單位磁感應(yīng)強度和單位電流作用下霍耳電壓的大小。如果霍耳元件的靈敏度K知道（一般由實驗室給出），再測出電流和霍耳電壓，就可根據(jù)式 （3）算出磁感應(yīng)強度B。 圖1 霍耳效應(yīng)示意圖 圖2 霍耳效應(yīng)解釋（二）霍耳效應(yīng)的解釋現(xiàn)研究一個長度為l、寬度為b、厚度為d的N型半導(dǎo)體制成的霍耳元件。當(dāng)沿X方向通以電流后，載流子（對N型半導(dǎo)體是電子）e將以平均速度v沿與電流方向相反的方向運動，在磁感應(yīng)強度為B的磁場中，電子將受到洛侖茲力的作用，其大小為方向沿Z方向。在的作用下，電荷將在元件沿Z方向的兩端面堆積形成電場，它會對載流子產(chǎn)生一靜電力，其大小為方向與洛侖茲力相

35、反，即它是阻止電荷繼續(xù)堆積的。當(dāng)和達到靜態(tài)平衡后，有，即，于是電荷堆積的兩端面（Z方向）的電勢差為 （4）通過的電流可表示為式中n是電子濃度，得 （5）將式代人式（3-18-4）可得可改寫為該式與1一致，就是霍耳系數(shù)。（三）霍耳元件副效應(yīng)的影響及其消除1霍耳元件的副效應(yīng)在研究固體導(dǎo)電過程中，繼霍耳效應(yīng)之后不久又發(fā)現(xiàn)了厄廷豪森（Etinghausen）、能斯特（Nernst）和里紀(jì)勒杜克（Righi-Ledue）效應(yīng)，它們都?xì)w屬于熱磁效應(yīng)。 （1）厄廷豪森效應(yīng)1887年厄廷豪森發(fā)現(xiàn)，由于載流子的速度不相等，它們在磁場的作用下，速度大的受到洛侖茲力大，繞大圓軌道運動；速度小的則繞小圓軌道運動，這樣

36、導(dǎo)致霍耳元件的一端較另一端具有較多的能量而形成一個橫向的溫度梯度。因而產(chǎn)生溫差電效應(yīng)，形成電勢差，記為。其方向決定于和磁場B的方向，并可判斷與始終同向（2）能斯特效應(yīng)由于輸入電流端引線的焊接點a、b處的電阻不相等，通電后發(fā)熱程度不同，使a和b兩端之間存在溫度差，于是在a和b之間出現(xiàn)熱擴散電流。在磁場的作用下，在c、e兩端出現(xiàn)了橫向電場，由此產(chǎn)生附加電勢差，記為。其方向與無關(guān)，只隨磁場方向而變。（3）里紀(jì)勒杜克效應(yīng)由于熱擴散電流的載流子的遷移率不同，類似于厄廷豪森效應(yīng)中載流子速度不同一樣，也將形成一個橫向的溫度梯度，以產(chǎn)生附加電勢差，記為。其方向只與磁場方向有關(guān)，且與同向。2不等勢電勢差 不等勢

37、電勢差是由于霍耳元件的材料本身不均勻，以及電壓輸入端引線在制作時不可能絕對對稱地焊接在霍耳片的兩側(cè)所引起的，如圖所示。因此，當(dāng)電流流過霍耳元件時，在電極3、4之間也具有電勢差，記為，其方向只隨方向不同而改變，與磁場方向無關(guān)。3副效應(yīng)的消除根據(jù)以上副效應(yīng)產(chǎn)生的機理和特點，除外，其余的都可利用異號法消除其影響，因 圖3 能斯特效應(yīng) 圖4 不等勢電勢差而需要分別改變和B的方向，測量四組不同的電勢差，然后作適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)處理，而得到。取、測得取、測得取、測得取、測得消去、和得因，一般可忽略不計，所以 （6）本實驗要利用霍爾效應(yīng)測量長直螺線管軸線上的磁感應(yīng)強度。三、教學(xué)重點與難點1. 了解霍耳效應(yīng)的機理和霍

38、耳元件的性能。2. 學(xué)習(xí)用霍耳元件測量磁場的實驗方法。3. 學(xué)習(xí)一種消除系統(tǒng)誤差的方法（異號法）。4. 利用公式計算霍耳電壓時，注意U1 、U2 、U3 、U4的符號。最簡單的辦法是U1 、U2 、U3 、U4各自減去零差后取絕對值，然后除于4。四、注意事項1. 霍耳元件質(zhì)脆、引線易斷，實驗時要注意不要碰觸或振動霍耳探頭（霍耳元件）。2. 霍耳元件的工作電流有一額定值，超過額定值后會因發(fā)熱而燒毀，實驗時要注意實驗室給出的額定值，一定不要超過。3. 螺線管勵磁電流額定值為1A，為避免過熱和節(jié)約用電，在不測量時應(yīng)立即斷開電源。 五、教學(xué)后記1. 學(xué)生在作圖時對作圖法的要素掌握還是不夠。2. 處理數(shù)據(jù)個別同學(xué)沒有掌握方向性，出現(xiàn)很大的錯誤，作圖后成折線實驗11：鐵磁材料的