弦線上橫波傳播規(guī)律的研究課件

實驗一弦線上橫波傳播規(guī)律的研究在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中駐波現(xiàn)象很普遍，它的應(yīng)用也比較廣泛。青少年學(xué)生對駐波現(xiàn)象應(yīng)有所認識和了解，知道它是由波的干涉所形成。本實驗利用駐波原理測量橫波的波長，使用SWV-1弦線波振動實驗儀，研究弦線上橫波的傳播規(guī)律。一、實驗?zāi)康模河^察駐波現(xiàn)象。學(xué)習(xí)利用駐波原理測量橫波波長的方法。驗證弦線上橫波的傳播規(guī)律。了解駐波與生活、生產(chǎn)和科研的聯(lián)系。實驗一弦線上橫波傳播規(guī)律的研究1二、實驗原理：沿弦線傳播的橫波其運動方程和波動方程分別為：（T為張力，μ為線密度）(1)（v為波的傳播速度）（2）相比較可得：二、實驗原理：（T為張力，μ為線密度）(1)2∵v=f

（f為頻率，為波長）

（3）將（3）兩邊取對數(shù)，得：

（4）實驗將證明（4）式成立?！遶=f（f為頻率，為波長）3三、實驗器材：SWV-1弦線波振動實驗儀、弦線、砝碼盤及砝碼。實驗儀器示意圖：三、實驗器材：4四、實驗內(nèi)容：

1．觀察駐波現(xiàn)象。2．固定張力T和弦線長度，改變振動頻率f，測量波長。作ln－lnf圖。3．固定振動頻率和弦線長度，改變張力T，測定波長。作ln－lnM圖四、實驗內(nèi)容：5五、實驗步驟：1、接通電源，打開面板上的電源開關(guān)，數(shù)碼管顯示振動源的振動頻率。按▲或▼鍵，改變振動源的振動頻率，調(diào)節(jié)面板上振幅調(diào)節(jié)旋鈕，使振動源有振動輸出。左右移動可動滑輪B的位置，在弦線上形成駐波。觀察駐波，學(xué)習(xí)測量波長。2、固定砝碼質(zhì)量不變，改變振動源的頻率。每改變一次頻率，均要左右移動可動滑輪B的位置，使弦線出現(xiàn)振幅較大而穩(wěn)定的駐波。記錄振動頻率、砝碼質(zhì)量、測量弦線波長。3、固定振動源的頻率，在砝碼盤上添加不同質(zhì)量的砝碼，以改變同一弦線上的張力。每改變一次張力，均要左右移動可動滑輪B的位置，使弦線出現(xiàn)振幅較大而穩(wěn)定的駐波。記錄振動頻率、砝碼質(zhì)量，測量弦線波長。五、實驗步驟：6實驗二用冷卻法測定金屬的比熱容

本實驗以銅樣品為標準樣品，采用冷卻法測定鐵、鋁樣品在℃時的比熱容。樣品溫度的變化由熱電偶溫度計反映。熱電偶數(shù)字顯示測溫技術(shù)是當前生產(chǎn)實際中常用的測試方法，它比用一般的溫度計測溫有著測量范圍廣、計值精度高、可以自動補償熱電偶的非線性因素等優(yōu)點。一、實驗?zāi)康模?．了解冷卻定律。2．學(xué)會用冷卻法測量金屬的比熱容。3．學(xué)習(xí)把曲線變?yōu)橹本€的一種數(shù)據(jù)處理方法。實驗二用冷卻法測定金屬的比熱容7二、實驗原理：將質(zhì)量為M1的金屬樣品加熱后，放在較低溫度的介質(zhì)中（例如室溫的空氣），經(jīng)過對流，樣品將逐漸冷卻，單位時間內(nèi)其熱量損失應(yīng)與溫度下降速率成正比，于是可得到關(guān)系式：

（1）式中表示單位時間內(nèi)樣品因?qū)α鞫鴵p失的熱量，c1為金屬樣品在溫度時的比熱容，為金屬樣品在溫度時的溫度下降速率。根據(jù)冷卻定律，樣品因?qū)α鞫鴵p失的熱量由下式表示：

（2）式中a1為熱交換系數(shù)，S1為樣品外表面的面積，α為常數(shù)（強迫對流時α＝1，自然對流時α＝5／4），為樣品溫度，為周圍介質(zhì)的溫度。二、實驗原理：式中a1為熱交換系數(shù)，S1為樣品外表面的面積8由式（1）和（2）可得（3）對質(zhì)量為M2比熱容為c2的另一種樣品，則有同樣的表達式

（4）（3）和（4）相除，得

（5）由式（1）和（2）可得9如果兩樣品的形狀與尺寸相同，即S1＝S2

；兩樣品的表面狀況也相同，而周圍介質(zhì)（空氣）的性質(zhì)也不變，則有a1=a2。于是，當周圍介質(zhì)溫度不變，（即室溫度恒定）兩樣品又處于相同溫度時，（5）也可以簡化為（6）分別是第一種樣品和第二種樣品在溫度時的冷卻速率。如果兩樣品的形狀與尺寸相同，即S1＝S2；兩樣品的表面狀況10根據(jù)冷卻規(guī)律，假設(shè)金屬固體在不太高的溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度變化很小，則（3）式可寫成：（7）兩邊取對數(shù)：（8）通過實驗，作出（）～t冷卻曲線，在冷卻曲線上作切線，并求出曲線的斜率（如圖1），得到各溫度的冷卻速率。根據(jù)冷卻規(guī)律，假設(shè)金屬固體在不太高的溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度11圖1冷卻曲線圖2在雙對數(shù)坐標紙上以為橫軸，以為縱軸，作～圖（見圖2）。圖1冷卻曲線12由（8）式可知各實驗點將連成一直線，直線的斜率為α，截距為lg（a1S1/cM1）,將α、a1S1/cM1代入（7）式，可得樣品冷卻表達式。

如果已知標準金屬樣品的比熱容C1、質(zhì)量M1；待測樣品的質(zhì)量M2及兩樣品在溫度θ時冷卻速率之比，通過（6）式就可以求出待測的金屬材料的比熱容C2。由（8）式可知各實驗點將連成一直線，直線的斜率為α，截距為l13三、實驗器材：DH4603冷卻法金屬比熱容測量儀，待測量的金屬材料銅、鐵和鋁。 本實驗裝置（見上圖）由加熱儀和測試儀組成。加熱儀的加熱裝置可通過調(diào)節(jié)手輪自由升降。被測樣品安放在樣品室內(nèi)的底座上，測溫熱電偶放置于被測樣品內(nèi)的小孔中。當加熱裝置向下移動到底后，對被測樣品進行加熱；樣品需要降溫時則將加熱裝置移上。儀器內(nèi)設(shè)有自動控制限溫裝置，防止因長時間不切斷加熱電源而引起溫度不斷升高。三、實驗器材：14四、實驗內(nèi)容：1．用電子天平秤出銅、鐵、鋁三種金屬樣品的質(zhì)量。2．測出銅、鐵、鋁三種金屬樣品在100℃時的冷卻速率。3．已知100℃時銅的比熱容Ccu=0.0940cal/（gK），由式（6）分別求出鐵和鋁在100℃時的比熱容。四、實驗內(nèi)容：15五、實驗步驟：1、開機前先連接好加熱儀和測試儀，共有加熱四芯線和熱電偶線兩組線。2．選取長度、直徑、表面光潔度盡可能相同的銅、鐵、鋁三種金屬樣品，用電子天平稱出它們的質(zhì)量，再根據(jù)MCu＞MFe＞MA1這一特點，把它們區(qū)別開來。3．將熱電偶的冷端置于冰水混合物中。將熱電偶端的銅導(dǎo)線與數(shù)字表的正端相連，冷端銅導(dǎo)線與數(shù)字表的負端相連。4．按鐵、銅、鋁的次序分別將被測樣品安放在樣品室內(nèi)的底座上，測溫熱電偶放置于被測樣品內(nèi)的小孔中。當加熱裝置向下移動到底后，對被測樣品進行加熱。5．當樣品加熱到150℃時（此時熱電勢顯示約為6.7mV），切斷電源移去加熱源，樣品繼續(xù)安放在與外界基本隔絕的有機玻璃圓筒內(nèi)自然冷卻（筒口須蓋上蓋子）。記錄樣品的冷卻速率。具體做法是記錄數(shù)字電壓表上示值約從降到所需的時間（因為數(shù)字電壓表上的值顯示數(shù)字是跳躍性的，所以只能取附近的值），從而計算。每一樣品應(yīng)重復(fù)測量5次。五、實驗步驟：16實驗三磁場的描繪

測量磁場的方法很多，常用的有電磁感應(yīng)法、半導(dǎo)體（霍爾效應(yīng)）探測法和核磁共振法。本實驗采用電磁感應(yīng)法，應(yīng)用先進的玻莫合金磁阻傳感器作探頭，測量圓線圈和亥姆霍茲線圈磁場。與探測線圈、霍爾傳感器作測量探頭相比，玻莫合金磁阻傳感器具有靈敏度高、抗干擾能力強、可靠性高、易于測量等優(yōu)點，有助于學(xué)生深入研究弱磁場和地球磁場等。一、實驗?zāi)康模?．通過測量和描繪圓線圈軸線上的磁場分布，學(xué)習(xí)弱磁場的測量方法。2．驗證畢奧-薩伐爾定理。證明磁場迭加原理。3．用亥姆霍茲線圈校正和測量磁阻傳感器作探頭的弱磁特斯拉儀線性度。4．學(xué)習(xí)測量地磁的水平分量（選做）。實驗三磁場的17二、實驗原理：1．載流圓線圈的磁場半徑為R的圓線圈，通以電流，根據(jù)畢奧一沙伐爾定律，可計算出沿圓形電流軸線方向的磁感應(yīng)強度B。它是一個非均勻磁場，在軸線方向的量值為(1)式(1)中，N是圓線圈的匝數(shù)，x為軸線上測量點離圓線圈中心的距離，μ0為真空磁導(dǎo)率()。二、實驗原理：(182．亥姆霍茲線圈的磁場一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當線圈間距d等于線圈半徑R時，則兩個載流圓線圈的總磁場在軸的中點附近的較大范圍內(nèi)是均勻的。這對線圈稱為亥姆霍茲線圈。載流圓線圈及亥姆霍茲線圈的磁場分布見下圖。(a)載流圓線圈磁場分布(b)亥姆霍茲線圈磁場分布圖1載流圓線圈及亥姆霍茲線圈的磁場分布2．亥姆霍茲線圈的磁場(a)載流圓線圈磁場分布(b)亥19三、實驗器材磁阻傳感器；圓線圈和亥姆霍茲線圈實驗平臺(臺面上有1厘米的等距離刻線組)；高靈敏度三位半數(shù)字毫伏表、三位半數(shù)字電流表和直流穩(wěn)流電源(組成在一個儀器箱內(nèi))。實驗裝置簡圖如圖2所示。三、實驗器材20四、實驗內(nèi)容：1、測量和描繪單個圓線圈軸線上的磁場分布，驗證畢奧-薩伐爾定理。2、測量和描繪亥姆霍茲線圈的磁場分布，證明磁場迭加原理。用亥姆霍茲線圈校正和測量磁阻傳感器作探頭的弱磁特斯拉儀線性度。3、測量地磁的水平分量（選做）。四、實驗內(nèi)容：21五、實驗步驟：1．按圖2所示安裝儀器。用直尺測量線圈外徑到工作臺中心線的距離，適當調(diào)節(jié)，使兩線圈的軸心線與工作臺中心線重合。按實驗要求，調(diào)節(jié)線圈間距，并使線圈平面與實驗工作臺垂直。2．磁阻傳感器探頭插頭內(nèi)缺口向上，插入儀器上插座。然后儀器通電，預(yù)熱十五分鐘。3．測量載流圓線圈a（左線圈）在軸線上的磁感應(yīng)強度Ba。每移動一格，測量一次Ba，記錄數(shù)據(jù)。4．在亥姆霍茲線圈的軸線上，先測量直流電流通過單個圓線圈a和單個圓線圈b產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度Ba和Bb，然后測量直流電流通過亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場Ba+b。5．傳感器置于亥姆霍茲線圈軸線中心，改變線圈電流，測量磁感應(yīng)強度B。用亥姆霍茲線圈校正和測量磁阻傳感器作探頭的弱磁特斯拉儀線性度。五、實驗步驟：22實驗四電學(xué)元件伏安特性的測量伏特計、安培計法是一種較為普遍的測量電學(xué)元件的電阻的方法，雖然精確度不很高，但所用的測量儀器（如伏特計和安培計）卻較簡單，使用也方便。由于電表的內(nèi)阻往往對測量結(jié)果有影響，所以這種方法常帶來明顯的系統(tǒng)誤差。若改用補償法來測量電壓，則可避免這個缺點。一、實驗?zāi)康模?．學(xué)會正確使用電學(xué)基本測量儀器。2．掌握電學(xué)元件伏安特性測量的基本方法。3．學(xué)會分析伏安法的電表接人誤差，正確選擇測量電路。實驗四電學(xué)元件伏安特性的測23二、實驗原理：1．兩種測量電路的分析在一定溫度下，當直流電流通過某一待測電阻時，用電壓表測出兩端的電壓U，同時用電流表測出通過的電流I，根據(jù)歐姆定律計算：這種測量電阻的方法即伏安法。若U／I為常量，則該電阻稱為線性電阻；若U／I不為常量，則稱該電阻為非線性電阻(非線性元件)，如二極管等。在實際測量中，由于電流表和電壓表各存在內(nèi)阻和，所以用(1)式計算出的和真實值不一致，而且選用不同的測量電路，其系統(tǒng)誤差也不相同。以下是兩種測量電路的分析。二、實驗原理：這種測量電阻的方法即伏安法。若U／I為常24

電流表內(nèi)接：如圖1(a)所示，實驗中電流表顯示出流過的電流I，

，但電壓表所顯示的電壓為和上的電壓之和，即或。（a）電流表內(nèi)接（b）電流表外接電流表內(nèi)接：如圖1(a)所示，實驗中電流表顯示出流過25

2．二極管的伏安特性(非線性電阻)半導(dǎo)體二極管是由P型和N型半導(dǎo)體材料組成的，其核心部分是一個PN結(jié)，PN結(jié)處在P區(qū)和N區(qū)的相連處。若電壓加在二極管上，P端接高電位，N端接低電位，稱為“正向連接”。半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號見圖2。二極管以正向連接時，很容易導(dǎo)通，電路中電流比較大。隨著正向電壓的增加，電流增加，電流的大小并不與電壓成正比。即R=U／I公式成立，但R不為常量，且其值變化范圍很大。以正向電壓U和正向電流I的對應(yīng)關(guān)系作圖，稱為二極管的正向伏安特性曲線，見圖3。同樣地，測二極管的正向I—U特性曲線，也要考慮到電流表內(nèi)接或外接的問題，以盡量減小電表的測量誤差。2．二極管的伏安特性(非線性電阻)26三、實驗器材：直流穩(wěn)壓電源E、開關(guān)K、滑線變阻器（可調(diào)電位器Ro）、數(shù)字多用表（電流表mA）、數(shù)字萬用表（電壓表V）、待測線性電阻R、待測二極管。四、實驗內(nèi)容：用內(nèi)接法和外接法分別測電阻R。測二極管的正向伏安特性，作圖線。五、實驗步驟：1．連接好線路，逐次測量。實驗線路如下圖所示。每次測量之前，將開關(guān)K斷開，首先估算并調(diào)節(jié)電流表、電壓表、滑線變阻器Ro所應(yīng)放置的合適檔位。三、實驗器材：27

2．測量數(shù)據(jù)(1)按圖4(a)連線，用外接法分別測電阻R1，將實驗數(shù)據(jù)記入表l中。(2)按圖4(b)連線，用內(nèi)接法分別測R1，將實驗數(shù)據(jù)記入表2中。(3)按右圖(c)連線，測二極管的正向伏安特性(注意二極管的正負極性)。對于不同型號的二極管，各正向電壓、電流的參數(shù)不同，應(yīng)正確確定電壓和電流的測量范圍，以及電壓間隔的選取。將測量數(shù)據(jù)記人表中。3．以為橫坐標，以為縱坐標，在毫米方格紙上作出二極管的正向伏安特性曲線。2．測量數(shù)據(jù)28實驗五測定波璃的折射率當光線以一定的入射角穿過兩面平行的玻璃板時，傳播方向不變，但是出射光線跟入射光線相比，有一定的側(cè)移。根據(jù)這一特點，可用插針法求玻璃的折射率。一、實驗?zāi)康模?．加深對折射定律的理解。2．學(xué)習(xí)用插針法測定玻璃的折射率。二、實驗原理：根據(jù)光的折射定律，求玻璃對空氣的折射率。ANO＇＇V1OP1P2iBaba＇b＇N＇rP3P4實驗五測定波璃的折射率A29三、實驗器材：長方形玻璃磚、白紙、大頭針、圖釘、直尺、錘子、繪圖板、量角器等。四、實驗內(nèi)容：用插針法測定玻璃的折射率，求玻璃對空氣的折射率。五、實驗步驟：1．用圖釘把白紙釘在繪圖板上。2．在白紙上畫一條直線aa‘作為界面，過aa’上的一點O畫出界面的法線NN‘，并畫一條線段AO作為入射光線。3．把玻璃磚平放在紙上，使它的長邊跟aa＇對齊，畫出玻璃磚的另一邊bb＇，此后不要再移動玻璃磚的位置。三、實驗器材：304．在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2。5．透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像，調(diào)整視線的方向，直到P1的像被P2擋住。再在觀察的這一側(cè)插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2，P4擋住P1、P2、P3。記下P3、P4的位置。6．移去大頭針和玻璃磚，過P3P4引直線O＇B，與bb＇交于O＇。連接OO＇。這樣入射角i=∠AON，折射角r=∠O＇ON＇。7．用量角器量出入射角和折射角，查出它們的正弦值，填入表格。8．用上面的方法，分別求出多組入射角和對應(yīng)的折射角，查出它們的正弦值，記入表格。9．對表格中的數(shù)據(jù)進行處理，求出玻璃對空氣的折射率n。4．在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2。31實驗六單擺測量重力加速度要研究周期與擺角的關(guān)系，就必須在不同的擺角，甚至在大擺角下進行周期測量。由于空氣阻尼的存在，無法精確測得大角度下擺動周期的準確值。采用集成開關(guān)型霍耳傳感器和電子計時器實現(xiàn)自動計時后，能夠在很短的幾個周期內(nèi)準確測得單擺在大角度下的周期，這樣就可以忽略空氣阻尼對擺角的影響，使研究周期與擺角關(guān)系的實驗得以順利進行。在得到周期與擺角的關(guān)系后，可以用外推至擺角為零的方法，精確測得擺角極小時的振動周期值，從而更精確地測定重力加速度。一、實驗?zāi)康模?．驗證單擺擺長與周期之間的關(guān)系，并求出重力加速度。2．測量擺角與周期之間的關(guān)系，作關(guān)系圖，求出重力加速度。3．學(xué)會運用外推法求所需的物理量。實驗六單擺測量重力加速度32二、實驗原理：1．周期與擺長的關(guān)系當擺角θm很小時（小于3°），單擺的振動周期T和擺長L有如下近似關(guān)系：或(1)如固定擺長L，測出相應(yīng)的振動周期T，由（1）式可以求出g。也可以逐次改變擺長L，測量各相應(yīng)的周期T，再求出T2，最后在坐標紙上作T2-L圖。如圖是一條直線，說明T2與L成正比關(guān)系。求出該直線的斜率k，由可以求出g。二、實驗原理：或332．周期與擺角的關(guān)系在忽略空氣阻力和浮力的情況下，由單擺振動時能量守恒，可以得到質(zhì)量為m的小球在擺角為θ處動能和勢能之和為常量，即：

(2)式中，L為單擺擺長，θ為擺角，g為重力加速度，t為時間，E0為小球的總機械能。因為小球在擺幅為θm處釋放，則有E0=mgL（1-cosθm），代入（2）式，解方程得到

(3)2．周期與擺角的關(guān)系(234（3）式中T為單擺的振動周期。令k=sin（θm/2），并作變換sin（θ/2）=ksinφ，則有

經(jīng)過近似計算可得

(4)以往的單擺實驗對（4）式只能考慮到一級近似，現(xiàn)在單擺振動周期可以精確測量了，即可用二級近似公式。于是測出不同的θm所對應(yīng)的二倍周期2T，作出圖，并對圖線外推，從截距2T得到周期T，就可以進一步得到重力加速度g。（3）式中T為單擺的振動周期。經(jīng)過近似計算可得35三、實驗器材：FD-DB-Ⅱ型單擺實驗儀四、實驗內(nèi)容：1．當擺角θm很小時（小于3°），逐次改變擺長L，測量各相應(yīng)的周期T，在坐標紙上作T2-L圖，求出圖線的斜率k，由

求出g。2．固定擺長L，測出不同的擺角θm所對應(yīng)的周期T，作出圖，并對圖線外推，從截距2T得到周期T，進一步求得重力加速度g。三、實驗器材：36五、實驗步驟：1．以靜止的單擺線為鉛垂線，移動米尺上所附的平面鏡，使懸點在平面鏡上的水平橫線處成像。仔細調(diào)節(jié)，使懸點、橫劃線、懸點的像三點共線。記下橫劃線在米尺上的讀數(shù)，即懸點的位置。2．在平面鏡的上方裝上傳感器，再移動至擺球下方約1.0cm處。在金屬小球底部貼上一塊小型釹鐵硼磁鋼，調(diào)節(jié)擺線的長度，使磁鋼產(chǎn)生的磁場能被傳感器接收到。調(diào)節(jié)計時器，預(yù)置開關(guān)次數(shù)（不宜太大，實驗中可用10次，即5個周期）。3．將小球拉開一段距離，用水平直尺測量x的距離，應(yīng)用三角函數(shù)計算出擺角θ的大小。4．在擺角θ小于3°條件下，取5組擺長，每一擺長都做5次，測相應(yīng)的周期T。將所得的數(shù)據(jù)填入表1中。5．固定擺長，改變擺角（即改變x的距離），取6組擺角（θ小于45°即可）。每組測6次，測相應(yīng)的周期T。將所得的數(shù)據(jù)填入表2中。五、實驗步驟：37實驗七聲速的測量（超聲）聲速是描述聲波在媒質(zhì)中傳播快慢的物理量。其測量方法可分為兩大類：一類是根據(jù)公式，測出聲波傳播路程s所需要的時間，去求；另一類是利用公式，測量聲波的頻率和波長去求聲速。在本實驗中用的是后一種方法。一、實驗?zāi)康模?．運用振幅極值法（駐波法）測聲波在空氣中的速度。2．了解電壓換能器的功能。3．學(xué)習(xí)用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)。實驗七聲38二、實驗原理：由發(fā)射器發(fā)生的聲波經(jīng)空氣傳播到一定距離的接受器，如果接受面與發(fā)射面平行，聲波即在兩面間來回反射形成駐波，當兩面之間的距離為半波長的整數(shù)倍時，接受器上的聲壓達到最大值。測出聲壓最大值的位置L1、L2、L3…相鄰兩次極大值之間的距離為半波長。如已知聲波的頻率，由可以求出聲波在空氣中的速度。三、實驗器材：低頻信號發(fā)生器、數(shù)字頻率計、壓電陶瓷超聲換能器一對、游標卡尺、同軸電纜、示波器等。四、實驗內(nèi)容：運用振幅極值法（駐波法）測聲波在空氣中的速度，并求出誤差。二、實驗原理：39五、實驗步驟：1．連接測試系統(tǒng)。2．在收發(fā)超聲換能器間隔幾厘米時，調(diào)整測試系統(tǒng)頻率，在示波器上看到接受信號幅度最大。記下此時接受器的位置。3．改變接受器位置，測出相繼出現(xiàn)10個接受器信號最大值位置L，從分開和靠攏兩次求平均值。用分組逐差法求出波長，并記下信號頻率和室溫。4．求出聲速，求出誤差。五、實驗步驟：40實驗八氣墊導(dǎo)軌上的碰撞實驗氣墊導(dǎo)軌簡稱氣軌，它利用從導(dǎo)軌表面小孔噴出的壓縮空氣，在導(dǎo)軌和滑塊之間形成一層很薄的“氣墊”，使滑塊漂浮在氣墊上。當滑塊在氣軌上運動時，僅受到很小的空氣粘滯性摩擦阻力，這樣滑塊的運動可近似地認為是無摩擦的運動。本實驗運用氣墊導(dǎo)軌技術(shù)研究一維碰撞運動中的動量和能量問題。一、實驗?zāi)康模?．驗證動量守恒定律。2．了解非完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞的特點。實驗八氣墊導(dǎo)軌上的碰撞實驗41二、實驗原理：當兩滑塊在水平的導(dǎo)軌上沿直線作對心碰撞時，根據(jù)動量守恒定律，兩滑塊的總動量在碰撞前后保持不變。即

(1)式（1）中為滑塊1的質(zhì)量，和是滑塊1碰撞前和碰撞后的動量。為滑塊2的質(zhì)量，和是滑塊2碰撞前和碰撞后的動量。兩滑塊碰撞后的相對速度與碰撞前相對速度的比值稱為恢復(fù)系數(shù)，用e表示，即(2)當e=1時，兩滑塊的碰撞為完全彈性碰撞；當e=0時，兩滑塊的碰撞為完全非彈性碰撞；當0＜e＜1時,兩滑塊的碰撞為非完全彈性碰撞。二、實驗原理：421．非完全彈性碰撞取滑塊1的質(zhì)量大于滑塊2的質(zhì)量，先使滑塊2靜止，然后推動滑塊1去撞滑塊2。則有碰撞前后動能的變化為

(3)(4)2．完全非彈性碰撞滑塊2先靜止，然后推動滑塊1去撞滑塊2，碰撞后兩滑塊粘在一起，以同一速度運動。則有

(5)碰撞前后動能的變化為

(6)1．非完全彈性碰撞碰撞前后動能的變化為43三、實驗器材：

氣墊導(dǎo)軌、滑塊、光電門、數(shù)字毫秒計、游標卡尺、尼龍粘膠帶或橡皮泥。四、實驗內(nèi)容：研究非完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞的性質(zhì)，驗證動量守恒定律。五、實驗步驟：1．調(diào)平氣軌，檢查滑塊碰撞彈簧，保證對心碰撞。2．進行非完全彈性碰撞。適當安置光電門A、B的位置，使能順序測出3個時間t1A、t2B、t1B，并在可能條件下使A、B距離小些。每次碰撞時，需使=0，也不要太大。三、實驗器材：443．進行完全非彈性碰撞。兩滑塊的相對碰撞面上加上尼龍膠帶，使=0，進行碰撞。4．計算結(jié)果和分析。兩類碰撞，碰撞后、前動量之比。兩類碰撞，碰撞前后動能變化。非完全彈性碰撞時的恢復(fù)系數(shù)。對實驗結(jié)果作分析與評價。六、實驗數(shù)據(jù):1．非完全彈性碰撞==d1=d2=t10/st1/st2/sV10（m/s）V1（m/s）V2（m/s）c△Ek/-10-7JeC為碰撞后動量和與碰撞前動量和之比。2．完全非彈性碰撞==d1=d2=t10/st2/sV10（m/s）V2（m/s）c△Ek/-10-7JC為碰撞后動量和與碰撞前動量和之比。3．進行完全非彈性碰撞。45實驗九用DIS實驗系統(tǒng)測小車的加速度現(xiàn)代信息技術(shù)給物理量的測量帶來了革命性的變化，不但簡單方便，而且測量精度高，誤差小。利用數(shù)字化、信息化技術(shù)進行實驗研究，簡稱為DIS實驗，DIS是英文digitalinformationsystem的縮寫。本實驗是應(yīng)用DIS實驗系統(tǒng)測量小車的加速度。一、實驗?zāi)康模?．熟悉DIS實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理。2．學(xué)習(xí)用DIS實驗系統(tǒng)測定下滑小車的加速度。二、實驗原理：DIS實驗系統(tǒng)是一種將傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機組合起來，共同完成對物理量測量的實驗裝置，它能實時采集數(shù)據(jù)并進行快速處理，它能顯示難以觀察的實驗過程。它的測量系統(tǒng)框圖如下：實驗九用DIS實驗系統(tǒng)測小車的加46本實驗用運動傳感器結(jié)合計算機獲得小車從斜面上下滑時的v-t圖，根據(jù)，再通過圖象求小車的加速度。三、實驗器材：小車、1m長的木板、運動傳感器、數(shù)字采集器、計算機四、實驗內(nèi)容：認識DIS實驗系統(tǒng)的組成和部件，應(yīng)用DIS實驗系統(tǒng)測定下滑小車的加速度。計算機研究對象傳感器數(shù)據(jù)采集器本實驗用運動傳感器結(jié)合計算機獲得小車從斜面上下滑時的v-t計47五、實驗步驟：1．把運動傳感器的發(fā)射部分固定在小車上，其接收部分固定在平板的右端。平板稍傾斜。用專用導(dǎo)線把運動傳感器接收部分、數(shù)據(jù)采集器和計算機相連。2．開啟實驗裝置電源，運行計算機輔助系統(tǒng)軟件，點擊屏幕上的實驗菜單，選擇“從v-t圖求加速度”。屏上將出現(xiàn)“位移-時間”坐標。3．從平板一端推一下小車后，單擊“起動”，屏上顯示運動小車的s-t圖。4．單擊屏上“v–t”按鈕，可得到整段s-t圖線所對應(yīng)的v-t圖線。5．單擊“選擇區(qū)域”按鈕，選擇需要分析的一段v-t圖線，屏幕上將顯示由軟件計算出的對應(yīng)的加速度。6．多次測量以得出a的平均值。五、實驗步驟：48實驗十誤差和實驗數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識一、測量誤差的基本知識1．測量與誤差（１）測量與單位從計量角度說，測量就是把待測量直接或間接地與另一個選作標準的同類量（即單位）進行比較，從而得到待測量與選作標準的同類量之間的倍數(shù)（即數(shù)值）關(guān)系的實驗過程。測量所得到的數(shù)值的大小，與所選用的單位有關(guān)。因此，在表示某一待測量的測量結(jié)果時，必須同時給出數(shù)值和單位，兩者缺一不可。實驗十誤差和實驗數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識49（２）直接測量和間接測量直接測量：將待測量與預(yù)先標定好的儀器、量具直接進行比較，讀出其量值的大小。例如用米尺測長度，用天平稱質(zhì)量，用秒表測時間，用電表測電流或電壓等。間接測量：如用單擺測重力加速度g，先直接測得擺長l和單擺周期T，然后由公式算出重力加速度，因此g為間接測量量。（３）測量誤差在實際測量過程中，由于測量儀器的精度不夠，測量原理和方法的不完善，測量者感官能力的限制，所得的測量結(jié)果和真值總存在一定的差異。這種測量值與真值之間的差異稱為測量誤差，若某物理量的測量值為x，真值為A，則測量誤差定義為：ε=x-A。上式所定義的測量誤差反映了測量值偏離真值的大小和方向，因此又稱ε為絕對誤差。（２）直接測量和間接測量50由于在實際測量中，往往不能確切知道真值A(chǔ)，而只能求得最接近于真值的估計值，即最佳估計值，通常取多次重復(fù)測量的平均值作為最佳值，用表示。因此，實際能求得的誤差僅是測量值和最佳估計值之差。絕對誤差可以表示某一測量結(jié)果的優(yōu)劣，但在比較不同測量結(jié)果時則不適用，需要用相對誤差表示。相對誤差定義為：相對誤差=（絕對誤差/測量最佳值）×100%。有時被測量有公認值或理論值，還可以用“百分誤差”來表征：百分誤差=〔（測量最佳值-公認值）/公認值〕×100%。由于在實際測量中，往往不能確切知道真值A(chǔ)，而只能求得最接近于51２．誤差的分類根據(jù)誤差的性質(zhì)及產(chǎn)生的原因，可將誤差分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差。（１）系統(tǒng)誤差在一定條件下對同一物理量進行多次重復(fù)測量時，誤差的大小和符號均保持不變；而當條件改變時，誤差按某種確定的規(guī)律變化（如遞增、遞減、周期性變化等），則這類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因：①測量儀器本身的缺陷。②實驗理論和方法的不完善。③環(huán)境的影響或沒有在所規(guī)定的條件下使用儀器。④實驗者的習(xí)慣與偏向引入的系統(tǒng)誤差。２．誤差的分類52（２）隨機誤差在同一條件下多次測量同一物理量時，測量值彼此之間總有稍許誤差，而且變化不定，并在消除系統(tǒng)誤差后仍然如此，這種絕對值和符號隨機變化的誤差稱為隨機誤差，也稱偶然誤差。隨機誤差產(chǎn)生的原因：①實驗者本人感覺器官分辨能力的限制。②測量過程中，實驗條件和環(huán)境因素的微小的、無規(guī)則的起伏變化。（３）粗大誤差明顯地歪曲了測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差。它是由于實驗者使用儀器的方法不正確，粗心大意讀錯、記錯、算錯測量數(shù)據(jù)或?qū)嶒灄l件突變等原因造成的。含有粗大誤差的測量值稱為壞值或異常值，正確的結(jié)果中不應(yīng)包含有過失錯誤。在實驗測量中要極力避免過失錯誤，在數(shù)據(jù)處理中要盡量剔除壞值。（２）隨機誤差53二、有效數(shù)字及其運算規(guī)則１．有效數(shù)字的定義及基本性質(zhì)（1）有效數(shù)字的定義在使用儀器對被測量進行測量讀數(shù)時，由于受到儀器的制約，只能讀到儀器的最小分度值，然后在最小分度值以下還可再估讀一位數(shù)字。從儀器刻度讀出的最小分度值的整數(shù)部分是準確的數(shù)字，稱為可靠數(shù)字；而在最小分度以下估讀的末位數(shù)字，它具有不確定度，通常稱為可疑數(shù)字。據(jù)此定義：測量結(jié)果中所有可靠數(shù)字加上末位的可疑數(shù)字統(tǒng)稱為測量結(jié)果的有效數(shù)字。（2）有效數(shù)字的基本特性①有效數(shù)字的位數(shù)與儀器的最小分度值有關(guān)，也與被測量的大小有關(guān)。②有效數(shù)字的位數(shù)與小數(shù)點的位置無關(guān)，單位換算時有效數(shù)字的位數(shù)不應(yīng)發(fā)生變化。二、有效數(shù)字及其運算規(guī)則54２．有效數(shù)字的運算規(guī)則（1）數(shù)值的舍入修約規(guī)則——“四舍六入五湊偶”①擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字小于5時，則舍去。②擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字大于5，或者是5而其后跟有并非為0的數(shù)字時，則進一。③擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字為5，而右面無數(shù)字或皆為0時，若所保留的末位數(shù)字為奇數(shù)則進一，為偶數(shù)或0則舍棄，即“單進雙不進”。（2）有效數(shù)字運算規(guī)則①加減運算不同有效位數(shù)的數(shù)相加減時，最后結(jié)果的欠準數(shù)與參與加減諸數(shù)中最先出現(xiàn)欠準數(shù)位置對齊。②乘除運算不同有效位數(shù)的數(shù)進行乘除運算后，結(jié)果的有效位數(shù)一般與參加運算的數(shù)中有效位數(shù)最少的一個相同。２．有效數(shù)字的運算規(guī)則55（3）乘方、開方的有效數(shù)字運算乘方、開方后結(jié)果的有效位數(shù)與底數(shù)的有效數(shù)字的位數(shù)相同。（4）三角函數(shù)、對數(shù)的有效數(shù)字運算三角函數(shù)的有效數(shù)字的位數(shù)與角度的有效位數(shù)相同，對數(shù)尾數(shù)的有效位數(shù)與真數(shù)的有效位數(shù)相同。三、實驗數(shù)據(jù)處理的一般方法１．列表法用列表法記錄原始數(shù)據(jù)，優(yōu)點是簡明和條理清楚。容易看出數(shù)據(jù)遞增或遞減的變化趨勢，也有助于檢查和發(fā)現(xiàn)實驗中的問題。應(yīng)注意如下的原則：①表格中各欄目所列物理量均應(yīng)標明其名稱和單位。②表格中各物理量的排列應(yīng)盡量與測量順序一致。對于有函數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)表，則應(yīng)按自變量由小到大或由大到小的順序排列。（3）乘方、開方的有效數(shù)字運算56③表格中所列的數(shù)據(jù)主要是原始數(shù)據(jù)，但重要的中間計算結(jié)果也可列入表中。④如有必要，還應(yīng)記下測量表格中各量所用的儀器及其規(guī)格，以及環(huán)境條件，以利對結(jié)果復(fù)查。２．作圖法作圖法是將一系列數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或變化情況用圖線直觀地表示出來，是一種最常用的數(shù)據(jù)處理方法。它可以研究物理量之間的變化規(guī)律，找出對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系求取經(jīng)驗公式。如果圖線是依據(jù)許多數(shù)據(jù)點描繪出來的光滑曲線，則作圖法有多次測量取其平均的作用。在作圖法中，有了圖線可以求出實驗需要的某些結(jié)果，繪出儀器的校準曲線；有了圖線可以直接讀出沒有進行測量的對應(yīng)于某x的y值；在一定條件下，也可以從圖線的延伸部分讀到測量范圍以外無法測量的點的值；有了圖線還可以幫助發(fā)現(xiàn)實驗中個別的測量錯誤，并可以通過圖線進行系統(tǒng)誤差分析。③表格中所列的數(shù)據(jù)主要是原始數(shù)據(jù)，但重要的中間計算結(jié)果也可列57（1）作圖規(guī)則及步驟①將數(shù)據(jù)列表。②選擇合適的坐標紙。③畫出坐標軸的方向，標明物理量、單位，在坐標軸上標數(shù)。④在坐標紙上標點和連線。⑤標注圖名。（2）作圖法常用的幾種應(yīng)用①由斜率、截距求得實驗結(jié)果。②由外推求得實驗結(jié)果。③由內(nèi)插求得實驗結(jié)果。④由圖線得儀器的校正曲線。（1）作圖規(guī)則及步驟58３．逐差法若一物理量（看作自變量）作等距改變時測得另一物理量（看作函數(shù)）一系列的對應(yīng)值，通常把這一組數(shù)據(jù)前后對半分成一、二兩組，用第二組的第一項減第一組的第一項，用第二組的第二項減第一組的第二項，……即順序逐項相減，然后取平均值求得結(jié)果，這就稱為一次逐差法。把一次逐差值再做逐差，然后才計算結(jié)果的稱為二次逐差法，依次類推。４．線性回歸法判斷兩個物理變量之間是否存在相關(guān)關(guān)系，并由實驗數(shù)據(jù)求出它們的經(jīng)驗方程，這個過程稱為回歸分析。線性回歸法是以最小二乘原理為基礎(chǔ)的一種實驗數(shù)據(jù)處理方法。３．逐差法59實驗一弦線上橫波傳播規(guī)律的研究在生活、生產(chǎn)和科學(xué)研究領(lǐng)域中駐波現(xiàn)象很普遍，它的應(yīng)用也比較廣泛。青少年學(xué)生對駐波現(xiàn)象應(yīng)有所認識和了解，知道它是由波的干涉所形成。本實驗利用駐波原理測量橫波的波長，使用SWV-1弦線波振動實驗儀，研究弦線上橫波的傳播規(guī)律。一、實驗?zāi)康模河^察駐波現(xiàn)象。學(xué)習(xí)利用駐波原理測量橫波波長的方法。驗證弦線上橫波的傳播規(guī)律。了解駐波與生活、生產(chǎn)和科研的聯(lián)系。實驗一弦線上橫波傳播規(guī)律的研究60二、實驗原理：沿弦線傳播的橫波其運動方程和波動方程分別為：（T為張力，μ為線密度）(1)（v為波的傳播速度）（2）相比較可得：二、實驗原理：（T為張力，μ為線密度）(1)61∵v=f

（f為頻率，為波長）

（3）將（3）兩邊取對數(shù)，得：

（4）實驗將證明（4）式成立?！遶=f（f為頻率，為波長）62三、實驗器材：SWV-1弦線波振動實驗儀、弦線、砝碼盤及砝碼。實驗儀器示意圖：三、實驗器材：63四、實驗內(nèi)容：

1．觀察駐波現(xiàn)象。2．固定張力T和弦線長度，改變振動頻率f，測量波長。作ln－lnf圖。3．固定振動頻率和弦線長度，改變張力T，測定波長。作ln－lnM圖四、實驗內(nèi)容：64五、實驗步驟：1、接通電源，打開面板上的電源開關(guān)，數(shù)碼管顯示振動源的振動頻率。按▲或▼鍵，改變振動源的振動頻率，調(diào)節(jié)面板上振幅調(diào)節(jié)旋鈕，使振動源有振動輸出。左右移動可動滑輪B的位置，在弦線上形成駐波。觀察駐波，學(xué)習(xí)測量波長。2、固定砝碼質(zhì)量不變，改變振動源的頻率。每改變一次頻率，均要左右移動可動滑輪B的位置，使弦線出現(xiàn)振幅較大而穩(wěn)定的駐波。記錄振動頻率、砝碼質(zhì)量、測量弦線波長。3、固定振動源的頻率，在砝碼盤上添加不同質(zhì)量的砝碼，以改變同一弦線上的張力。每改變一次張力，均要左右移動可動滑輪B的位置，使弦線出現(xiàn)振幅較大而穩(wěn)定的駐波。記錄振動頻率、砝碼質(zhì)量，測量弦線波長。五、實驗步驟：65實驗二用冷卻法測定金屬的比熱容

本實驗以銅樣品為標準樣品，采用冷卻法測定鐵、鋁樣品在℃時的比熱容。樣品溫度的變化由熱電偶溫度計反映。熱電偶數(shù)字顯示測溫技術(shù)是當前生產(chǎn)實際中常用的測試方法，它比用一般的溫度計測溫有著測量范圍廣、計值精度高、可以自動補償熱電偶的非線性因素等優(yōu)點。一、實驗?zāi)康模?．了解冷卻定律。2．學(xué)會用冷卻法測量金屬的比熱容。3．學(xué)習(xí)把曲線變?yōu)橹本€的一種數(shù)據(jù)處理方法。實驗二用冷卻法測定金屬的比熱容66二、實驗原理：將質(zhì)量為M1的金屬樣品加熱后，放在較低溫度的介質(zhì)中（例如室溫的空氣），經(jīng)過對流，樣品將逐漸冷卻，單位時間內(nèi)其熱量損失應(yīng)與溫度下降速率成正比，于是可得到關(guān)系式：

（1）式中表示單位時間內(nèi)樣品因?qū)α鞫鴵p失的熱量，c1為金屬樣品在溫度時的比熱容，為金屬樣品在溫度時的溫度下降速率。根據(jù)冷卻定律，樣品因?qū)α鞫鴵p失的熱量由下式表示：

（2）式中a1為熱交換系數(shù)，S1為樣品外表面的面積，α為常數(shù)（強迫對流時α＝1，自然對流時α＝5／4），為樣品溫度，為周圍介質(zhì)的溫度。二、實驗原理：式中a1為熱交換系數(shù)，S1為樣品外表面的面積67由式（1）和（2）可得（3）對質(zhì)量為M2比熱容為c2的另一種樣品，則有同樣的表達式

（4）（3）和（4）相除，得

（5）由式（1）和（2）可得68如果兩樣品的形狀與尺寸相同，即S1＝S2

；兩樣品的表面狀況也相同，而周圍介質(zhì)（空氣）的性質(zhì)也不變，則有a1=a2。于是，當周圍介質(zhì)溫度不變，（即室溫度恒定）兩樣品又處于相同溫度時，（5）也可以簡化為（6）分別是第一種樣品和第二種樣品在溫度時的冷卻速率。如果兩樣品的形狀與尺寸相同，即S1＝S2；兩樣品的表面狀況69根據(jù)冷卻規(guī)律，假設(shè)金屬固體在不太高的溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度變化很小，則（3）式可寫成：（7）兩邊取對數(shù)：（8）通過實驗，作出（）～t冷卻曲線，在冷卻曲線上作切線，并求出曲線的斜率（如圖1），得到各溫度的冷卻速率。根據(jù)冷卻規(guī)律，假設(shè)金屬固體在不太高的溫度范圍內(nèi)，比熱容隨溫度70圖1冷卻曲線圖2在雙對數(shù)坐標紙上以為橫軸，以為縱軸，作～圖（見圖2）。圖1冷卻曲線71由（8）式可知各實驗點將連成一直線，直線的斜率為α，截距為lg（a1S1/cM1）,將α、a1S1/cM1代入（7）式，可得樣品冷卻表達式。

如果已知標準金屬樣品的比熱容C1、質(zhì)量M1；待測樣品的質(zhì)量M2及兩樣品在溫度θ時冷卻速率之比，通過（6）式就可以求出待測的金屬材料的比熱容C2。由（8）式可知各實驗點將連成一直線，直線的斜率為α，截距為l72三、實驗器材：DH4603冷卻法金屬比熱容測量儀，待測量的金屬材料銅、鐵和鋁。 本實驗裝置（見上圖）由加熱儀和測試儀組成。加熱儀的加熱裝置可通過調(diào)節(jié)手輪自由升降。被測樣品安放在樣品室內(nèi)的底座上，測溫熱電偶放置于被測樣品內(nèi)的小孔中。當加熱裝置向下移動到底后，對被測樣品進行加熱；樣品需要降溫時則將加熱裝置移上。儀器內(nèi)設(shè)有自動控制限溫裝置，防止因長時間不切斷加熱電源而引起溫度不斷升高。三、實驗器材：73四、實驗內(nèi)容：1．用電子天平秤出銅、鐵、鋁三種金屬樣品的質(zhì)量。2．測出銅、鐵、鋁三種金屬樣品在100℃時的冷卻速率。3．已知100℃時銅的比熱容Ccu=0.0940cal/（gK），由式（6）分別求出鐵和鋁在100℃時的比熱容。四、實驗內(nèi)容：74五、實驗步驟：1、開機前先連接好加熱儀和測試儀，共有加熱四芯線和熱電偶線兩組線。2．選取長度、直徑、表面光潔度盡可能相同的銅、鐵、鋁三種金屬樣品，用電子天平稱出它們的質(zhì)量，再根據(jù)MCu＞MFe＞MA1這一特點，把它們區(qū)別開來。3．將熱電偶的冷端置于冰水混合物中。將熱電偶端的銅導(dǎo)線與數(shù)字表的正端相連，冷端銅導(dǎo)線與數(shù)字表的負端相連。4．按鐵、銅、鋁的次序分別將被測樣品安放在樣品室內(nèi)的底座上，測溫熱電偶放置于被測樣品內(nèi)的小孔中。當加熱裝置向下移動到底后，對被測樣品進行加熱。5．當樣品加熱到150℃時（此時熱電勢顯示約為6.7mV），切斷電源移去加熱源，樣品繼續(xù)安放在與外界基本隔絕的有機玻璃圓筒內(nèi)自然冷卻（筒口須蓋上蓋子）。記錄樣品的冷卻速率。具體做法是記錄數(shù)字電壓表上示值約從降到所需的時間（因為數(shù)字電壓表上的值顯示數(shù)字是跳躍性的，所以只能取附近的值），從而計算。每一樣品應(yīng)重復(fù)測量5次。五、實驗步驟：75實驗三磁場的描繪

測量磁場的方法很多，常用的有電磁感應(yīng)法、半導(dǎo)體（霍爾效應(yīng)）探測法和核磁共振法。本實驗采用電磁感應(yīng)法，應(yīng)用先進的玻莫合金磁阻傳感器作探頭，測量圓線圈和亥姆霍茲線圈磁場。與探測線圈、霍爾傳感器作測量探頭相比，玻莫合金磁阻傳感器具有靈敏度高、抗干擾能力強、可靠性高、易于測量等優(yōu)點，有助于學(xué)生深入研究弱磁場和地球磁場等。一、實驗?zāi)康模?．通過測量和描繪圓線圈軸線上的磁場分布，學(xué)習(xí)弱磁場的測量方法。2．驗證畢奧-薩伐爾定理。證明磁場迭加原理。3．用亥姆霍茲線圈校正和測量磁阻傳感器作探頭的弱磁特斯拉儀線性度。4．學(xué)習(xí)測量地磁的水平分量（選做）。實驗三磁場的76二、實驗原理：1．載流圓線圈的磁場半徑為R的圓線圈，通以電流，根據(jù)畢奧一沙伐爾定律，可計算出沿圓形電流軸線方向的磁感應(yīng)強度B。它是一個非均勻磁場，在軸線方向的量值為(1)式(1)中，N是圓線圈的匝數(shù)，x為軸線上測量點離圓線圈中心的距離，μ0為真空磁導(dǎo)率()。二、實驗原理：(772．亥姆霍茲線圈的磁場一對相同的載流圓線圈彼此平行且共軸，通以同方向電流，當線圈間距d等于線圈半徑R時，則兩個載流圓線圈的總磁場在軸的中點附近的較大范圍內(nèi)是均勻的。這對線圈稱為亥姆霍茲線圈。載流圓線圈及亥姆霍茲線圈的磁場分布見下圖。(a)載流圓線圈磁場分布(b)亥姆霍茲線圈磁場分布圖1載流圓線圈及亥姆霍茲線圈的磁場分布2．亥姆霍茲線圈的磁場(a)載流圓線圈磁場分布(b)亥78三、實驗器材磁阻傳感器；圓線圈和亥姆霍茲線圈實驗平臺(臺面上有1厘米的等距離刻線組)；高靈敏度三位半數(shù)字毫伏表、三位半數(shù)字電流表和直流穩(wěn)流電源(組成在一個儀器箱內(nèi))。實驗裝置簡圖如圖2所示。三、實驗器材79四、實驗內(nèi)容：1、測量和描繪單個圓線圈軸線上的磁場分布，驗證畢奧-薩伐爾定理。2、測量和描繪亥姆霍茲線圈的磁場分布，證明磁場迭加原理。用亥姆霍茲線圈校正和測量磁阻傳感器作探頭的弱磁特斯拉儀線性度。3、測量地磁的水平分量（選做）。四、實驗內(nèi)容：80五、實驗步驟：1．按圖2所示安裝儀器。用直尺測量線圈外徑到工作臺中心線的距離，適當調(diào)節(jié)，使兩線圈的軸心線與工作臺中心線重合。按實驗要求，調(diào)節(jié)線圈間距，并使線圈平面與實驗工作臺垂直。2．磁阻傳感器探頭插頭內(nèi)缺口向上，插入儀器上插座。然后儀器通電，預(yù)熱十五分鐘。3．測量載流圓線圈a（左線圈）在軸線上的磁感應(yīng)強度Ba。每移動一格，測量一次Ba，記錄數(shù)據(jù)。4．在亥姆霍茲線圈的軸線上，先測量直流電流通過單個圓線圈a和單個圓線圈b產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度Ba和Bb，然后測量直流電流通過亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場Ba+b。5．傳感器置于亥姆霍茲線圈軸線中心，改變線圈電流，測量磁感應(yīng)強度B。用亥姆霍茲線圈校正和測量磁阻傳感器作探頭的弱磁特斯拉儀線性度。五、實驗步驟：81實驗四電學(xué)元件伏安特性的測量伏特計、安培計法是一種較為普遍的測量電學(xué)元件的電阻的方法，雖然精確度不很高，但所用的測量儀器（如伏特計和安培計）卻較簡單，使用也方便。由于電表的內(nèi)阻往往對測量結(jié)果有影響，所以這種方法常帶來明顯的系統(tǒng)誤差。若改用補償法來測量電壓，則可避免這個缺點。一、實驗?zāi)康模?．學(xué)會正確使用電學(xué)基本測量儀器。2．掌握電學(xué)元件伏安特性測量的基本方法。3．學(xué)會分析伏安法的電表接人誤差，正確選擇測量電路。實驗四電學(xué)元件伏安特性的測82二、實驗原理：1．兩種測量電路的分析在一定溫度下，當直流電流通過某一待測電阻時，用電壓表測出兩端的電壓U，同時用電流表測出通過的電流I，根據(jù)歐姆定律計算：這種測量電阻的方法即伏安法。若U／I為常量，則該電阻稱為線性電阻；若U／I不為常量，則稱該電阻為非線性電阻(非線性元件)，如二極管等。在實際測量中，由于電流表和電壓表各存在內(nèi)阻和，所以用(1)式計算出的和真實值不一致，而且選用不同的測量電路，其系統(tǒng)誤差也不相同。以下是兩種測量電路的分析。二、實驗原理：這種測量電阻的方法即伏安法。若U／I為常83

電流表內(nèi)接：如圖1(a)所示，實驗中電流表顯示出流過的電流I，

，但電壓表所顯示的電壓為和上的電壓之和，即或。（a）電流表內(nèi)接（b）電流表外接電流表內(nèi)接：如圖1(a)所示，實驗中電流表顯示出流過84

2．二極管的伏安特性(非線性電阻)半導(dǎo)體二極管是由P型和N型半導(dǎo)體材料組成的，其核心部分是一個PN結(jié)，PN結(jié)處在P區(qū)和N區(qū)的相連處。若電壓加在二極管上，P端接高電位，N端接低電位，稱為“正向連接”。半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號見圖2。二極管以正向連接時，很容易導(dǎo)通，電路中電流比較大。隨著正向電壓的增加，電流增加，電流的大小并不與電壓成正比。即R=U／I公式成立，但R不為常量，且其值變化范圍很大。以正向電壓U和正向電流I的對應(yīng)關(guān)系作圖，稱為二極管的正向伏安特性曲線，見圖3。同樣地，測二極管的正向I—U特性曲線，也要考慮到電流表內(nèi)接或外接的問題，以盡量減小電表的測量誤差。2．二極管的伏安特性(非線性電阻)85三、實驗器材：直流穩(wěn)壓電源E、開關(guān)K、滑線變阻器（可調(diào)電位器Ro）、數(shù)字多用表（電流表mA）、數(shù)字萬用表（電壓表V）、待測線性電阻R、待測二極管。四、實驗內(nèi)容：用內(nèi)接法和外接法分別測電阻R。測二極管的正向伏安特性，作圖線。五、實驗步驟：1．連接好線路，逐次測量。實驗線路如下圖所示。每次測量之前，將開關(guān)K斷開，首先估算并調(diào)節(jié)電流表、電壓表、滑線變阻器Ro所應(yīng)放置的合適檔位。三、實驗器材：86

2．測量數(shù)據(jù)(1)按圖4(a)連線，用外接法分別測電阻R1，將實驗數(shù)據(jù)記入表l中。(2)按圖4(b)連線，用內(nèi)接法分別測R1，將實驗數(shù)據(jù)記入表2中。(3)按右圖(c)連線，測二極管的正向伏安特性(注意二極管的正負極性)。對于不同型號的二極管，各正向電壓、電流的參數(shù)不同，應(yīng)正確確定電壓和電流的測量范圍，以及電壓間隔的選取。將測量數(shù)據(jù)記人表中。3．以為橫坐標，以為縱坐標，在毫米方格紙上作出二極管的正向伏安特性曲線。2．測量數(shù)據(jù)87實驗五測定波璃的折射率當光線以一定的入射角穿過兩面平行的玻璃板時，傳播方向不變，但是出射光線跟入射光線相比，有一定的側(cè)移。根據(jù)這一特點，可用插針法求玻璃的折射率。一、實驗?zāi)康模?．加深對折射定律的理解。2．學(xué)習(xí)用插針法測定玻璃的折射率。二、實驗原理：根據(jù)光的折射定律，求玻璃對空氣的折射率。ANO＇＇V1OP1P2iBaba＇b＇N＇rP3P4實驗五測定波璃的折射率A88三、實驗器材：長方形玻璃磚、白紙、大頭針、圖釘、直尺、錘子、繪圖板、量角器等。四、實驗內(nèi)容：用插針法測定玻璃的折射率，求玻璃對空氣的折射率。五、實驗步驟：1．用圖釘把白紙釘在繪圖板上。2．在白紙上畫一條直線aa‘作為界面，過aa’上的一點O畫出界面的法線NN‘，并畫一條線段AO作為入射光線。3．把玻璃磚平放在紙上，使它的長邊跟aa＇對齊，畫出玻璃磚的另一邊bb＇，此后不要再移動玻璃磚的位置。三、實驗器材：894．在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2。5．透過玻璃磚觀察大頭針P1、P2的像，調(diào)整視線的方向，直到P1的像被P2擋住。再在觀察的這一側(cè)插兩枚大頭針P3、P4，使P3擋住P1、P2，P4擋住P1、P2、P3。記下P3、P4的位置。6．移去大頭針和玻璃磚，過P3P4引直線O＇B，與bb＇交于O＇。連接OO＇。這樣入射角i=∠AON，折射角r=∠O＇ON＇。7．用量角器量出入射角和折射角，查出它們的正弦值，填入表格。8．用上面的方法，分別求出多組入射角和對應(yīng)的折射角，查出它們的正弦值，記入表格。9．對表格中的數(shù)據(jù)進行處理，求出玻璃對空氣的折射率n。4．在線段AO上豎直地插上兩枚大頭針P1、P2。90實驗六單擺測量重力加速度要研究周期與擺角的關(guān)系，就必須在不同的擺角，甚至在大擺角下進行周期測量。由于空氣阻尼的存在，無法精確測得大角度下擺動周期的準確值。采用集成開關(guān)型霍耳傳感器和電子計時器實現(xiàn)自動計時后，能夠在很短的幾個周期內(nèi)準確測得單擺在大角度下的周期，這樣就可以忽略空氣阻尼對擺角的影響，使研究周期與擺角關(guān)系的實驗得以順利進行。在得到周期與擺角的關(guān)系后，可以用外推至擺角為零的方法，精確測得擺角極小時的振動周期值，從而更精確地測定重力加速度。一、實驗?zāi)康模?．驗證單擺擺長與周期之間的關(guān)系，并求出重力加速度。2．測量擺角與周期之間的關(guān)系，作關(guān)系圖，求出重力加速度。3．學(xué)會運用外推法求所需的物理量。實驗六單擺測量重力加速度91二、實驗原理：1．周期與擺長的關(guān)系當擺角θm很小時（小于3°），單擺的振動周期T和擺長L有如下近似關(guān)系：或(1)如固定擺長L，測出相應(yīng)的振動周期T，由（1）式可以求出g。也可以逐次改變擺長L，測量各相應(yīng)的周期T，再求出T2，最后在坐標紙上作T2-L圖。如圖是一條直線，說明T2與L成正比關(guān)系。求出該直線的斜率k，由可以求出g。二、實驗原理：或922．周期與擺角的關(guān)系在忽略空氣阻力和浮力的情況下，由單擺振動時能量守恒，可以得到質(zhì)量為m的小球在擺角為θ處動能和勢能之和為常量，即：

(2)式中，L為單擺擺長，θ為擺角，g為重力加速度，t為時間，E0為小球的總機械能。因為小球在擺幅為θm處釋放，則有E0=mgL（1-cosθm），代入（2）式，解方程得到

(3)2．周期與擺角的關(guān)系(293（3）式中T為單擺的振動周期。令k=sin（θm/2），并作變換sin（θ/2）=ksinφ，則有

經(jīng)過近似計算可得

(4)以往的單擺實驗對（4）式只能考慮到一級近似，現(xiàn)在單擺振動周期可以精確測量了，即可用二級近似公式。于是測出不同的θm所對應(yīng)的二倍周期2T，作出圖，并對圖線外推，從截距2T得到周期T，就可以進一步得到重力加速度g。（3）式中T為單擺的振動周期。經(jīng)過近似計算可得94三、實驗器材：FD-DB-Ⅱ型單擺實驗儀四、實驗內(nèi)容：1．當擺角θm很小時（小于3°），逐次改變擺長L，測量各相應(yīng)的周期T，在坐標紙上作T2-L圖，求出圖線的斜率k，由

求出g。2．固定擺長L，測出不同的擺角θm所對應(yīng)的周期T，作出圖，并對圖線外推，從截距2T得到周期T，進一步求得重力加速度g。三、實驗器材：95五、實驗步驟：1．以靜止的單擺線為鉛垂線，移動米尺上所附的平面鏡，使懸點在平面鏡上的水平橫線處成像。仔細調(diào)節(jié)，使懸點、橫劃線、懸點的像三點共線。記下橫劃線在米尺上的讀數(shù)，即懸點的位置。2．在平面鏡的上方裝上傳感器，再移動至擺球下方約1.0cm處。在金屬小球底部貼上一塊小型釹鐵硼磁鋼，調(diào)節(jié)擺線的長度，使磁鋼產(chǎn)生的磁場能被傳感器接收到。調(diào)節(jié)計時器，預(yù)置開關(guān)次數(shù)（不宜太大，實驗中可用10次，即5個周期）。3．將小球拉開一段距離，用水平直尺測量x的距離，應(yīng)用三角函數(shù)計算出擺角θ的大小。4．在擺角θ小于3°條件下，取5組擺長，每一擺長都做5次，測相應(yīng)的周期T。將所得的數(shù)據(jù)填入表1中。5．固定擺長，改變擺角（即改變x的距離），取6組擺角（θ小于45°即可）。每組測6次，測相應(yīng)的周期T。將所得的數(shù)據(jù)填入表2中。五、實驗步驟：96實驗七聲速的測量（超聲）聲速是描述聲波在媒質(zhì)中傳播快慢的物理量。其測量方法可分為兩大類：一類是根據(jù)公式，測出聲波傳播路程s所需要的時間，去求；另一類是利用公式，測量聲波的頻率和波長去求聲速。在本實驗中用的是后一種方法。一、實驗?zāi)康模?．運用振幅極值法（駐波法）測聲波在空氣中的速度。2．了解電壓換能器的功能。3．學(xué)習(xí)用逐差法處理實驗數(shù)據(jù)。實驗七聲97二、實驗原理：由發(fā)射器發(fā)生的聲波經(jīng)空氣傳播到一定距離的接受器，如果接受面與發(fā)射面平行，聲波即在兩面間來回反射形成駐波，當兩面之間的距離為半波長的整數(shù)倍時，接受器上的聲壓達到最大值。測出聲壓最大值的位置L1、L2、L3…相鄰兩次極大值之間的距離為半波長。如已知聲波的頻率，由可以求出聲波在空氣中的速度。三、實驗器材：低頻信號發(fā)生器、數(shù)字頻率計、壓電陶瓷超聲換能器一對、游標卡尺、同軸電纜、示波器等。四、實驗內(nèi)容：運用振幅極值法（駐波法）測聲波在空氣中的速度，并求出誤差。二、實驗原理：98五、實驗步驟：1．連接測試系統(tǒng)。2．在收發(fā)超聲換能器間隔幾厘米時，調(diào)整測試系統(tǒng)頻率，在示波器上看到接受信號幅度最大。記下此時接受器的位置。3．改變接受器位置，測出相繼出現(xiàn)10個接受器信號最大值位置L，從分開和靠攏兩次求平均值。用分組逐差法求出波長，并記下信號頻率和室溫。4．求出聲速，求出誤差。五、實驗步驟：99實驗八氣墊導(dǎo)軌上的碰撞實驗氣墊導(dǎo)軌簡稱氣軌，它利用從導(dǎo)軌表面小孔噴出的壓縮空氣，在導(dǎo)軌和滑塊之間形成一層很薄的“氣墊”，使滑塊漂浮在氣墊上。當滑塊在氣軌上運動時，僅受到很小的空氣粘滯性摩擦阻力，這樣滑塊的運動可近似地認為是無摩擦的運動。本實驗運用氣墊導(dǎo)軌技術(shù)研究一維碰撞運動中的動量和能量問題。一、實驗?zāi)康模?．驗證動量守恒定律。2．了解非完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞的特點。實驗八氣墊導(dǎo)軌上的碰撞實驗100二、實驗原理：當兩滑塊在水平的導(dǎo)軌上沿直線作對心碰撞時，根據(jù)動量守恒定律，兩滑塊的總動量在碰撞前后保持不變。即

(1)式（1）中為滑塊1的質(zhì)量，和是滑塊1碰撞前和碰撞后的動量。為滑塊2的質(zhì)量，和是滑塊2碰撞前和碰撞后的動量。兩滑塊碰撞后的相對速度與碰撞前相對速度的比值稱為恢復(fù)系數(shù)，用e表示，即(2)當e=1時，兩滑塊的碰撞為完全彈性碰撞；當e=0時，兩滑塊的碰撞為完全非彈性碰撞；當0＜e＜1時,兩滑塊的碰撞為非完全彈性碰撞。二、實驗原理：1011．非完全彈性碰撞取滑塊1的質(zhì)量大于滑塊2的質(zhì)量，先使滑塊2靜止，然后推動滑塊1去撞滑塊2。則有碰撞前后動能的變化為

(3)(4)2．完全非彈性碰撞滑塊2先靜止，然后推動滑塊1去撞滑塊2，碰撞后兩滑塊粘在一起，以同一速度運動。則有

(5)碰撞前后動能的變化為

(6)1．非完全彈性碰撞碰撞前后動能的變化為102三、實驗器材：

氣墊導(dǎo)軌、滑塊、光電門、數(shù)字毫秒計、游標卡尺、尼龍粘膠帶或橡皮泥。四、實驗內(nèi)容：研究非完全彈性碰撞與完全非彈性碰撞的性質(zhì)，驗證動量守恒定律。五、實驗步驟：1．調(diào)平氣軌，檢查滑塊碰撞彈簧，保證對心碰撞。2．進行非完全彈性碰撞。適當安置光電門A、B的位置，使能順序測出3個時間t1A、t2B、t1B，并在可能條件下使A、B距離小些。每次碰撞時，需使=0，也不要太大。三、實驗器材：1033．進行完全非彈性碰撞。兩滑塊的相對碰撞面上加上尼龍膠帶，使=0，進行碰撞。4．計算結(jié)果和分析。兩類碰撞，碰撞后、前動量之比。兩類碰撞，碰撞前后動能變化。非完全彈性碰撞時的恢復(fù)系數(shù)。對實驗結(jié)果作分析與評價。六、實驗數(shù)據(jù):1．非完全彈性碰撞==d1=d2=t10/st1/st2/sV10（m/s）V1（m/s）V2（m/s）c△Ek/-10-7JeC為碰撞后動量和與碰撞前動量和之比。2．完全非彈性碰撞==d1=d2=t10/st2/sV10（m/s）V2（m/s）c△Ek/-10-7JC為碰撞后動量和與碰撞前動量和之比。3．進行完全非彈性碰撞。104實驗九用DIS實驗系統(tǒng)測小車的加速度現(xiàn)代信息技術(shù)給物理量的測量帶來了革命性的變化，不但簡單方便，而且測量精度高，誤差小。利用數(shù)字化、信息化技術(shù)進行實驗研究，簡稱為DIS