大物實(shí)驗(yàn)期末考試總結(jié)

1.非線性元件伏安特性的研究一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握用伏安法研究二極管正向伏安特性及鎢絲燈伏安特性的方法；2．掌握用最小二乘法（回歸法）處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到經(jīng)驗(yàn)公式的方法。二．實(shí)驗(yàn)儀器DH6102型伏安特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)原理1．半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管由一個(gè)p-n結(jié)，加上接觸電極、引線和封裝管殼組成。常見(jiàn)的二極管有硅二極管和鍺二極管。加到二極管兩端的電壓與流過(guò)其上面的電流的關(guān)系曲線，就叫二極管的伏安特性曲線，如圖1所示。由于p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦?，故二極管的正反向伏安特性相差很大，二極管的伏安特性可分三部分：①正向特性。當(dāng)所加的正向電壓很小時(shí)，正向電流也很小，只有當(dāng)正向電壓加到某個(gè)數(shù)值時(shí)，電流才開(kāi)始明顯加大，這個(gè)外加電壓值叫做二極管的閾值電壓或開(kāi)通電壓，記作。通常硅二極管的閾值電壓=~，鍺二極管=~。閾值電壓的確定，一般是在正向特性曲線較直部分畫(huà)一切線，延長(zhǎng)相交于橫坐標(biāo)上一點(diǎn)，該點(diǎn)在橫軸上的值就是該二極管的閾值電壓。②反向特性。當(dāng)二極管兩端加反向電壓時(shí)，反向電流很小且在一定范圍內(nèi)不隨反向電壓的增加而增加。③反向擊穿特性。當(dāng)反向電壓繼續(xù)增加時(shí)，反向電流會(huì)突然增大，這種現(xiàn)象稱作反向擊穿，產(chǎn)生擊穿的臨界電壓稱為反向擊穿電壓。不同的二極管，反向擊穿電壓也不同。一般情況下，二極管反向電壓不得超過(guò)反向擊穿電壓，否則會(huì)燒壞管子。（2）鎢絲燈的伏安特性當(dāng)鎢絲燈泡兩端施加電壓后，鎢絲上有電流流過(guò)，產(chǎn)生功耗，燈絲溫度上升，致使燈泡電阻增加。因此，通過(guò)鎢絲燈的電流越大，其溫度越高，阻值也越大，其伏安特性如圖2中曲線所示。燈泡不加電壓時(shí)，稱為冷態(tài)電阻。施加額定電壓測(cè)得的電阻稱為熱態(tài)電阻。由于正溫度系數(shù)的關(guān)系，冷態(tài)電阻小于熱態(tài)電阻，一般鎢絲燈的冷態(tài)電阻與熱態(tài)電阻的阻值可相差幾倍至十幾倍。而且由于鎢絲燈點(diǎn)亮?xí)r溫度很高，超過(guò)額定電壓時(shí)會(huì)燒斷，所以使用時(shí)不能超過(guò)額定電壓。2．用伏安法測(cè)量非線性電阻元件的伏安特性對(duì)非線性電阻元件伏安特性的研究，一般都是采用伏安法進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)采用的是內(nèi)阻很高數(shù)字電壓表及內(nèi)阻很小的電流表，而且測(cè)量的是低、中值電阻，所以選擇電流表外接法的測(cè)量電路。二極管及鎢絲燈伏安特性的測(cè)量電路分別如圖3和4所示。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．二極管的正向伏安特性的測(cè)量:在0V～V范圍內(nèi),每隔讀一次電流表，在V～范圍內(nèi),每隔讀一次電流表，并將所讀數(shù)據(jù)記入下表中（注意正確記錄測(cè)量數(shù)據(jù)的有效數(shù)字）。2．測(cè)量鎢絲燈的伏安特性:由0V開(kāi)始，每隔1V讀一次電流表，直到鎢絲燈的額定電壓11V，并將所讀數(shù)據(jù)記入下表中。注意事項(xiàng)1．須了解待測(cè)元件(二極管、鎢絲燈)的規(guī)格，使加在它上面的電壓和通過(guò)的電流均不超過(guò)額定值。2.須了解測(cè)量時(shí)所需其它儀器的規(guī)格（如電源、電壓表、電流表、滑線變阻器等的規(guī)格），也不得超過(guò)其量程或使用范圍。五．?dāng)?shù)據(jù)處理惠斯通電橋一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握惠斯登電橋的結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理。2、學(xué)會(huì)使用電阻箱自組惠斯登電橋測(cè)中值電阻及電橋靈敏度的方法。3、估算儀器誤差，計(jì)算測(cè)量不確定度。二、實(shí)驗(yàn)儀器：直流穩(wěn)壓電源、AC5/2型直流指針式檢流計(jì)（分度值；臨界電阻360Ω；內(nèi)阻44Ω）、ZX21型六旋鈕電阻箱（舊式）兩個(gè)（電阻范圍Ω；等級(jí)：級(jí)；額定功率）、ZX21型六旋鈕電阻箱（新式）一個(gè)（電阻范圍Ω；等級(jí)分檔9×（10000，1000，100，10，1，）分別為，，，1，；殘余誤差mΩ）、47kΩ電位器一粒、滑線變阻器、待測(cè)電阻、電位器、換向開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線若干。三、實(shí)驗(yàn)原理1.惠斯登電橋的平衡條件惠斯登直流電橋也稱為單臂直流電橋，是一種直流平衡電橋，其原理電路如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，Rx、R2、R3、R4構(gòu)成了四個(gè)橋臂，BD兩點(diǎn)之間接入檢流計(jì)形成一個(gè)通路，稱為橋路。當(dāng)電橋平衡時(shí)，=0,橋路沒(méi)有電流流過(guò)，=0.此時(shí)有：設(shè)I1為電橋平衡時(shí)流過(guò)ABC路的電流，I2為流過(guò)ADC路的電流，那么式（1）可寫(xiě)為：把（2）的兩式相處，得：即：式（3）就是惠斯登電橋的平衡條件。式中R2/R3（或R4/R3）稱為比率臂，R4（或R2）稱為比較臂。調(diào)節(jié)惠斯登電橋平衡一般可根據(jù)待測(cè)電阻Rx的大小，選好比率臂再調(diào)節(jié)比較臂。橋路上的電位器Rb，起到保護(hù)檢流計(jì)的作用，當(dāng)電橋不平衡時(shí)，流過(guò)BD間的電流可能較大，會(huì)燒壞檢流計(jì)，此時(shí)Rb應(yīng)調(diào)到最大值，以減小流過(guò)檢流計(jì)的電流，當(dāng)電橋基本平衡時(shí)，Rb要調(diào)到最小值，提高檢流計(jì)的靈敏度，減小電橋的測(cè)量誤差。所以惠斯登電橋的平衡一般要調(diào)兩次，一次是Rb取大值時(shí)調(diào)平衡，稱為粗調(diào)。第二次是在粗調(diào)后，Rb減至最小值再調(diào)平衡，稱為細(xì)調(diào)。2.測(cè)量中，采用換臂法消除不等臂誤差實(shí)驗(yàn)中自組電橋的比率臂（R2和R3）電阻并非標(biāo)準(zhǔn)電阻，存在較大的不等臂誤差，為消除該系統(tǒng)誤差，實(shí)驗(yàn)可采用交換測(cè)量法進(jìn)行。先按原線路進(jìn)行測(cè)量得到一個(gè)R4值，然后將R2和R3位置互相交換，按同樣的方法再測(cè)得一個(gè)值，兩次測(cè)量，電橋平衡后分別有：聯(lián)立兩式得：由式（3）可知：交換測(cè)量后得到的測(cè)量值與比率臂阻值無(wú)關(guān)，只與比較臂R4有關(guān)。3.改變電源電壓的方向，消除電橋中寄生電勢(shì)的影響在電橋電路的任一支路中，都可能寄生有熱電勢(shì)與接觸電勢(shì)，這些寄生電勢(shì)與電橋電源在各支路產(chǎn)生的電勢(shì)差相互作用使得電橋出現(xiàn)虛假的平衡，引起Rx的測(cè)量誤差。由于寄生電勢(shì)和它所引起的電流方向、大小往往是不變的，所以可采用改變電源電壓的方向來(lái)消除。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)換向開(kāi)關(guān)來(lái)達(dá)到改變電源電壓的方向，測(cè)出電源電壓改變方向后二次的Rx值，取其算術(shù)平均值。4.電橋靈敏度當(dāng)電橋平衡時(shí)，流過(guò)檢流計(jì)的電流應(yīng)為零。但實(shí)際上檢流計(jì)的靈敏度總有一定的限度，當(dāng)減小到我們感覺(jué)不到檢流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)時(shí)，（比如小于格），我們就認(rèn)為電橋平衡了，這樣Rx的測(cè)量就會(huì)有誤差。為了確定由于檢流計(jì)靈敏度不夠而帶來(lái)的測(cè)量誤差，我們引入電橋靈敏度的概念。電橋靈敏度定義為：相對(duì)電橋靈敏度S定義為：式（4）表示電橋平衡后，Rx的相對(duì)改變量所引起電橋偏離平衡時(shí)檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)n。S越大，電橋越靈敏，帶來(lái)的測(cè)量誤差也越小。通常Rx是不能人為改變的，要想測(cè)量S，就要在電橋平衡后保持比率臂不變，而把比較臂電阻R4，變?yōu)?，因而有：四、?shí)驗(yàn)內(nèi)容1、利用自組惠斯登電橋測(cè)未知電阻Rx（Rx≈2kΩ）（1）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)先布局后接線。布局：電阻箱、檢流計(jì)放在正前方，便于讀書(shū)?；瑒?dòng)變阻器和開(kāi)關(guān)放在兩側(cè)，便于操作。根據(jù)線路圖按回路對(duì)點(diǎn)接線，電橋線路可大致分為三步聯(lián)接：（a）先連接電源電路，將電源與換向開(kāi)關(guān)的兩個(gè)接線柱聯(lián)接；（b）將四個(gè)橋臂聯(lián)成一個(gè)回路；（c）在一對(duì)角線的兩點(diǎn)A、C（R2與R3的聯(lián)接點(diǎn)和R4與Rx的聯(lián)接點(diǎn)）之間接換向開(kāi)關(guān)中間的兩個(gè)接線柱和滑線變阻器；（d）在另一個(gè)對(duì)角線的兩點(diǎn)B、D（R2與Rx的聯(lián)接點(diǎn)和R3與R4的聯(lián)接點(diǎn)）之間接入檢流計(jì)G和電位器Rb。（2）在接線正確無(wú)誤后，將電阻箱R2，R3調(diào)到歐姆，先用萬(wàn)用表估計(jì)一下待測(cè)電阻的阻值，將R4調(diào)到待測(cè)電阻的估計(jì)值，然后再調(diào)節(jié)電橋平衡，在調(diào)節(jié)電橋平衡中應(yīng)遵循先粗后細(xì)的原則。（a）粗調(diào)時(shí)先將滑線變阻器阻值、Rb調(diào)至最大，調(diào)節(jié)電阻箱R4直到使檢流計(jì)指針指零；（b）細(xì)調(diào)時(shí)，在粗調(diào)的基礎(chǔ)上，將滑線變阻器阻值、Rb調(diào)至最小，調(diào)節(jié)電阻箱R4時(shí)檢流計(jì)再次指零，此時(shí)電橋達(dá)到平衡，此時(shí)記下R4的阻值，并測(cè)量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格。（3）改變電流方向，重復(fù)（2）中的（a）（b）步驟。（4）將電阻箱R2，R3對(duì)換位置，重復(fù)步驟（2）（3）。記下R4的阻值，并將測(cè)量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格。2、測(cè)量電橋靈敏度保持比率臂不變，不改變電流方向的情況下，在電橋平衡的基礎(chǔ)上，改變比率臂電阻R4，使得檢流計(jì)指針?lè)謩e左右偏轉(zhuǎn)2格，記下此時(shí)的比較臂電阻R4，計(jì)算比較臂電阻R4的改變值△R4，并將測(cè)量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格。3、不確定度計(jì)算提示在本實(shí)驗(yàn)中，我們主要考慮B類(lèi)不確定度。下面介紹B類(lèi)不確定度的計(jì)算與合成。不確定度計(jì)算：（1）電阻箱的準(zhǔn)確度等級(jí)引起的不確定度計(jì)算示例：電阻箱（新式，分檔位標(biāo)等級(jí)）電阻箱的極限誤差為：其中：ai為各檔位等級(jí)；Ri為各檔位的電阻示值；R0為殘余誤差；m為電阻箱所使用的旋鈕數(shù)；b為每個(gè)旋鈕的殘余誤差，一般a小于等于級(jí)時(shí)，b=Ω；a大于等于=級(jí)時(shí)，b=Ω。將電阻的極限誤差當(dāng)做其不確定度，則其電阻不確定度為：例，假設(shè)一新式電阻箱示數(shù)為Ω，R0=30mΩ，則其儀器誤差為：其電阻不確定度為：（2）電橋靈敏度引起的不確定度例測(cè)得電橋在平衡點(diǎn)附近的靈敏度為=Ω，當(dāng)人眼判斷檢流計(jì)指針是否偏轉(zhuǎn)的分辨極限△n取時(shí)，電橋靈敏度引起的不確定度就是其基本誤差限。即：（3）合成不確定度4、實(shí)驗(yàn)提示（1）注意保護(hù)檢流計(jì)，不能使指針超過(guò)滿偏；（2）比率臂阻值選取必須考慮測(cè)量精度和電阻箱的額定功率。五、數(shù)據(jù)處理等厚干涉測(cè)透鏡曲率半徑實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．加深對(duì)等厚干涉現(xiàn)象及其特點(diǎn)的理解。2．學(xué)會(huì)利用牛頓干涉環(huán)測(cè)量透鏡的曲率半徑。3．正確使用讀數(shù)顯微鏡。二、實(shí)驗(yàn)儀器讀數(shù)顯微鏡（測(cè)量精度為）牛頓環(huán)鈉光燈（波長(zhǎng)589nm）實(shí)驗(yàn)原理牛頓環(huán)儀是由待測(cè)曲率半徑很大的平凸透鏡和平板玻璃疊合裝在金屬框架中構(gòu)成的，如圖1所示。在平凸透鏡和平板玻璃之間形成一個(gè)厚度自O(shè)點(diǎn)向邊緣逐漸增加的空氣薄膜。波長(zhǎng)為λ的單色光垂直照射此空氣薄膜，那么空氣薄膜上下二表面反射的光將發(fā)生干涉，形成一組以O(shè)點(diǎn)為圓心的明暗相間的同心圓環(huán)，稱為“牛頓環(huán)”。假設(shè)透鏡的曲率半徑為R，在與接觸點(diǎn)O相距r處空氣薄膜厚度為d。當(dāng)光垂直入射時(shí)，在該處上下二表面反射光的光程差為：其中n為空氣折射率且等于1；λ/2為由于位相突變而產(chǎn)生的附加程差。由圖可知：由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d，可略去二階小量，可得由（1）與（2）有在該處若形成暗紋，由干涉條件可得：即同理若該處形成明條紋可得由于接觸點(diǎn)O處可能發(fā)生彈性形變，接觸面間也可能附著灰塵，故接觸處不可能是一個(gè)幾何點(diǎn)，而是一個(gè)圓面。所以近圓心處條紋比較模糊，以致于難以確切判定條紋的級(jí)數(shù)，即干涉條紋的序數(shù)不一定是條紋的級(jí)數(shù)。假設(shè)測(cè)量序號(hào)為m1、m2環(huán)亮條紋的直徑，這里的m1、m2不一定是干涉條紋的級(jí)數(shù)，因而有式中m1+j、m2+j為干涉級(jí)數(shù)，j為干涉級(jí)修正值。由上兩式可得：則實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、將牛頓環(huán)儀朝向鈉光源，觀察牛頓環(huán)干涉條紋。調(diào)節(jié)牛頓環(huán)上的螺絲，使干涉環(huán)成圓形且其圓心位于牛頓環(huán)儀的中心。最后將牛頓環(huán)儀放置在讀數(shù)顯微鏡的物鏡正下方。2、根據(jù)圖1調(diào)節(jié)半反半透玻璃鏡，使鈉光燈發(fā)出的光通過(guò)半反半透玻璃鏡部分入射牛頓環(huán)且可通過(guò)讀數(shù)顯微鏡觀察到明亮的視場(chǎng)。3、調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的目鏡，清晰地看到目鏡中的測(cè)量叉絲。4、將望遠(yuǎn)鏡的鏡筒由上往下移到最底端，注意物鏡不可碰到牛頓環(huán)儀。5、移動(dòng)牛頓環(huán)儀使物鏡對(duì)準(zhǔn)牛頓環(huán)儀的中心，然后由下往上緩慢移動(dòng)鏡筒直到看到清晰的干涉條紋。6、微調(diào)鏡筒直到看到第十四或第十五干涉亮條紋與測(cè)量叉絲重合無(wú)視差。7、測(cè)量干涉環(huán)的弦長(zhǎng)。測(cè)量過(guò)程應(yīng)避免回程差。從左或從右開(kāi)始測(cè)量第5條亮條紋到第24條亮條紋的位置。注意：叉絲對(duì)準(zhǔn)干涉條紋的中間而不是相切。薄透鏡的焦距的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會(huì)調(diào)節(jié)光學(xué)元件的等高共軸。2.掌握薄透鏡焦距測(cè)量的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器光學(xué)導(dǎo)軌、凹凸薄透鏡各一個(gè)、像屛、物屏、光具座、三維調(diào)節(jié)架、光源、三角板等，導(dǎo)軌上刻度尺的測(cè)量精度為1mm。實(shí)驗(yàn)原理1、凸透鏡焦距的測(cè)定a二次成像法圖1二次成像法測(cè)薄凸透鏡焦距的示意圖假設(shè)物AB與像屏p之間的距離為D，薄凸透鏡的焦距為，使并固定物AB與像屏p位置。沿導(dǎo)軌方向移動(dòng)透鏡，則必能在像屏上觀察到兩次清晰的實(shí)像。設(shè)透鏡兩次成像之間的位移為d。運(yùn)用物像的共軛對(duì)稱性質(zhì)，可以得到關(guān)系式：（1）所以，只要測(cè)出D和d就可求出透鏡的焦距。這個(gè)方法又稱為貝塞爾法或共軛法，它的優(yōu)點(diǎn)是避免在測(cè)量物距像距時(shí)估計(jì)透鏡光心位置的不準(zhǔn)確所帶來(lái)的誤差。b.自準(zhǔn)直法圖2自準(zhǔn)直法測(cè)薄凸透鏡焦距的示意圖如圖2所示，當(dāng)物體AB放置在待測(cè)透鏡L的焦平面上，在另一側(cè)放一平面反射鏡M。物體AB上任一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)凸透鏡折射后成為平行光線，而后被平面反射鏡M反射回來(lái)，再經(jīng)透鏡折射后，仍會(huì)聚于它的焦平面上，形成一個(gè)與原物大小相等、方向相反的倒立實(shí)像。此時(shí)物體AB到透鏡L之間的距離，就是待測(cè)透鏡的焦距。這種測(cè)量方法能比較迅速、直接地測(cè)出透鏡焦距。2、輔助透鏡法測(cè)量凹透鏡焦距圖3輔助透鏡成像法測(cè)薄凹透鏡焦距的示意圖如圖3所示，設(shè)物AB經(jīng)凸透鏡L１后成一實(shí)像A′B′。將待測(cè)凹透鏡L２置于L１和A′B′之間，使成實(shí)像A″B″。分別測(cè)出待測(cè)凹透鏡L２到虛物A′B′和實(shí)像A″B″之間距離l、（即l為物距，為像距）。根據(jù)成像公式，即可求出待測(cè)凹透鏡L２的像方焦距：（3）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.光學(xué)元件等高共軸的調(diào)節(jié)(1)確定凹凸透鏡，粗測(cè)凸透鏡焦距。(2)將光源、物屏、待測(cè)透鏡和像屏依次放在光學(xué)導(dǎo)軌上，然后進(jìn)行各光學(xué)元件等高共軸的粗調(diào)和細(xì)調(diào)。粗調(diào)：將光源、物屏、待測(cè)透鏡和像屏靠在一起（光源保持不動(dòng)），然后調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的中心大致在同一直線上。細(xì)調(diào)：1.調(diào)節(jié)像屛、物屏及凸透鏡的截面（過(guò)光心的截面）垂直于光學(xué)導(dǎo)軌。此操作是本實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵所在。2.利用二次成像法調(diào)節(jié)光學(xué)元件共軸(1)物屏和像屏之間的距離大于4倍凸透鏡的焦距并固定物屏和像屏.(2)移動(dòng)凸透鏡，在像屏上觀察到兩次成像，一次成大像，一次成小像。當(dāng)兩次像的中心重合時(shí)，表明各光學(xué)元件已經(jīng)共軸。若兩次成像的中心不重合，則分成兩維進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)透鏡的高低，使兩次像的中心在同一高度；然后前后（實(shí)驗(yàn)人員正對(duì)著導(dǎo)軌）調(diào)節(jié)透鏡，使兩次像的中心重合。2.凸透鏡焦距的測(cè)定(1)二次成像法測(cè)定凸透鏡的焦距。如圖1，在光學(xué)平臺(tái)上依次放置各光學(xué)元件，并使物屏與像屏間的距離大于4倍透鏡焦距且固定物屏與像屏。記錄物屏與像屏的位置。移動(dòng)透鏡，在像屏上呈現(xiàn)清晰、放大、倒立的實(shí)像，記下此時(shí)透鏡的位置，然后繼續(xù)移動(dòng)透鏡直到像屏上呈現(xiàn)清晰、縮小、倒立的實(shí)像，記下此時(shí)透鏡的位置。根據(jù)公式（1）可以求出凸透鏡的焦距。改變物屏與像屏間的距離再次測(cè)量。任一間離下只要測(cè)一次數(shù)值。改變物屏與像屏間的距離三次。最后焦距取平均值。注意：1.物屏的位置是出光面的位置；像屏的位置是成像面的位置。2.為了減小景深的影響，透鏡位置應(yīng)取所成清晰像范圍的中間位置（例如：在某一范圍內(nèi)移動(dòng)透鏡，我們看到的像一樣清晰，那么透鏡的位置就是這一范圍的中間位置），下面也要這樣操作。3.d的值最好要大于19cm。4.通過(guò)觀察像的邊界是否明暗分界清晰來(lái)確定像是否清晰，最好觀察像中心處邊界，尤其是大像時(shí)。(2)自準(zhǔn)直法測(cè)定凸透鏡的焦距。如圖2，在光學(xué)平臺(tái)上依次放置各光學(xué)元件，并使物屏和平面鏡之間的距離比所測(cè)凸透鏡的焦距大約10厘米。前后移動(dòng)凸透鏡及調(diào)節(jié)平面鏡俯仰旋鈕，直到物屏上產(chǎn)生一個(gè)與物重合且清晰的倒立實(shí)像為止，測(cè)出物屏和透鏡的距離，即為透鏡的焦距。通常為了判斷像是否清晰，可以通過(guò)調(diào)節(jié)平面鏡俯仰旋鈕將像與物錯(cuò)開(kāi)一點(diǎn)便于觀察像邊界是否清晰。重新找像清晰的位置，再測(cè)量，最后求平均值。測(cè)量次數(shù)3次。注意：為了獲得更亮的像，反射鏡與透鏡應(yīng)盡量靠近；同理減小景深的影響。3.輔助透鏡法測(cè)定凹透鏡的焦距（1）在像屏上記錄凸透鏡所成像的中心，然后將凹透鏡放置在凸透鏡與像屏之間。（2）調(diào)節(jié)凹透鏡的截面（過(guò)光心的截面）垂直于光學(xué)導(dǎo)軌。（3）上下前后調(diào)節(jié)凹透鏡和像屏的位置，使所成像的中心與凸透鏡所成像的中心重合。改變凸透鏡和像屏的位置，重復(fù)此操作。操作次數(shù)要兩次以上，另外放上凹透鏡所成的像與單獨(dú)凸透鏡所成像的大小差別應(yīng)較大。（4）取下凹透鏡。移動(dòng)凸透鏡直到像屏上成一倒立縮小的實(shí)像并固定凸透鏡，記下此時(shí)像屏位置A′B′。在這之后的操作過(guò)程中不可移動(dòng)和調(diào)節(jié)凸透鏡。（5）將待測(cè)凹透鏡放置在輔助透鏡與像屏之間的位置，然后將像屏向后移動(dòng)（遠(yuǎn)離透鏡的方向）一段距離（距離大于10厘米），最后移動(dòng)凹透鏡直至在像屏上又出現(xiàn)清晰的像，記下像屏位置A″B″及凹透鏡的位置。利用公式（3）計(jì)算出待測(cè)凹透鏡的焦距。僅改變凹透鏡和像屏的位置再次測(cè)量，任一位置下只要測(cè)一次數(shù)值。改變凹透鏡與像屏的位置三次。最后焦距求平均值。注意：l的值應(yīng)該要大于10cm；同理減小景深的影響。數(shù)據(jù)處理誤差分析：1、等高共軸調(diào)節(jié)不好。2、成像清晰范圍找得不準(zhǔn)。3、測(cè)量成像平面與成像光軸和光具座讀數(shù)位置之間的誤差。對(duì)于輔助透鏡法來(lái)說(shuō)，主要的測(cè)量誤差來(lái)源于測(cè)凹透鏡位置以及像屏位置的測(cè)量；對(duì)于二次成像法來(lái)說(shuō)，主要的測(cè)量誤差來(lái)源于物屏位置，像屏位置，凸透鏡成大像的位置和小像的位置的測(cè)量；對(duì)于自準(zhǔn)直法，測(cè)量的誤差來(lái)源主要是物體位置和凸透鏡的測(cè)量。4、由于物體所放位置不能測(cè)量或物體傾斜沒(méi)進(jìn)行修正。5、像差。在測(cè)薄透鏡焦距時(shí)，通常把實(shí)驗(yàn)光具組看成是理想光具組，即同心光束經(jīng)凸透鏡折射后仍為同心光束，像與物在幾何上完全相似。而實(shí)際上只有近軸的單色光才能近似達(dá)到這個(gè)要求，所以像差不可避免。6、實(shí)驗(yàn)裝置誤差。在實(shí)驗(yàn)裝置上物平面與讀數(shù)點(diǎn)的近似共面，透鏡光心與讀數(shù)點(diǎn)的近似共面，刻度尺刻度的不均勻以及薄透鏡的近似等都會(huì)引起系統(tǒng)誤差。金屬線脹系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握金屬的線膨脹系數(shù)的測(cè)量原理與方法。2、掌握千分尺測(cè)量長(zhǎng)度的微小變化量的方法。3、了解PID控溫調(diào)節(jié)的原理，掌握控制實(shí)驗(yàn)溫度的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1.控溫式固體線脹系數(shù)測(cè)定儀金屬棒樣品一端固定在加熱管內(nèi)；另一端通過(guò)頂桿與千分表接觸，為自由端。金屬棒樣品自由端在彈簧作用下將長(zhǎng)度變化轉(zhuǎn)化成千分表指針的偏轉(zhuǎn)，通過(guò)表盤(pán)刻度讀出其長(zhǎng)度變化量。使用要求:（1）整體要求平穩(wěn)，因伸長(zhǎng)量極小，故儀器不應(yīng)有振動(dòng)；（2）千分表安裝須適當(dāng)固定（以表頭無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)為準(zhǔn)）且與被測(cè)物體有良好的接觸（然后再轉(zhuǎn)動(dòng)表殼校零）；（3）被測(cè)物體與千分表探頭需保持在同一直線。2.開(kāi)放式PID溫控試驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)儀包括水箱、水泵、加熱器、控制及顯示電路等部分3.千分表千分表是用于精密測(cè)量位移量的量具，它利用齒條-齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將線位移轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，由表針的角度變量讀出線位移量。大表針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈（小表針轉(zhuǎn)動(dòng)一格），代表線位移，最小分度值為。4.待測(cè)金屬管三、實(shí)驗(yàn)原理1.線膨脹系數(shù)當(dāng)固體溫度升高時(shí)，產(chǎn)生線度增長(zhǎng)的現(xiàn)象稱為固體的線膨脹，固體長(zhǎng)度L和溫度t之間的函數(shù)關(guān)系式:L0為溫度為0攝氏度時(shí)的長(zhǎng)度，α，β，...是和被測(cè)物質(zhì)有關(guān)的常量，α為固體的線膨脹系數(shù)，單位為，因β及其以后的項(xiàng)比α小很多，可略去。設(shè)L1為室溫t1對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度，L2為高溫t2對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)度。則有：又令L2=L1+ΔL，則：當(dāng)2-1大于1，又由于L1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ΔL，上式可以近似寫(xiě)成：準(zhǔn)確的控制t是準(zhǔn)確控制Δt和ΔL的關(guān)鍵。2.PID調(diào)節(jié)原理PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，假如被控量與設(shè)定值之間有偏差e(t)=設(shè)定值-被控量，調(diào)節(jié)器依據(jù)e(t)及一定的調(diào)節(jié)規(guī)律輸出調(diào)節(jié)信號(hào)u(t)，執(zhí)行單元按u(t)輸出操作量至被控對(duì)象，使被控量逼近直至最后等于設(shè)定值。調(diào)節(jié)器是自動(dòng)控制系統(tǒng)的指揮機(jī)構(gòu)。在我們的溫控系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié)，執(zhí)行單元是由可控硅控制加熱電流的加熱器，操作量是加熱功率，被控對(duì)象是水箱中的水，被控量是水的溫度。PID調(diào)節(jié)器是按偏差的比例(proportional)、積分(integral)、微分(differential)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)規(guī)律可表示為：式中第一項(xiàng)為比例調(diào)節(jié)，Kp為比例系數(shù)。第二項(xiàng)為積分調(diào)節(jié)，Ti為積分時(shí)間常數(shù)。第三項(xiàng)為微分調(diào)節(jié)為微分時(shí)間常數(shù)。PID溫度控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中溫度隨時(shí)間的一般變化關(guān)系可用圖2表示：系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)定值后一般不能立即穩(wěn)定在設(shè)定值，而是超過(guò)設(shè)定值后經(jīng)過(guò)一定的過(guò)渡過(guò)程才能重新穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用PID控溫儀控制實(shí)驗(yàn)溫度；2、用千分表測(cè)量銅管溫度變化時(shí)長(zhǎng)度的微小變化量，并求出銅管的線膨脹系數(shù)。3、實(shí)驗(yàn)提示:（1）銅棒的線膨脹系數(shù)為（2）實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前檢查金屬棒是否固定良好，千分表安裝位置是否合適。一旦開(kāi)始升溫及讀數(shù)，避免再觸動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀。為減小系統(tǒng)誤差，將第1次溫度達(dá)到平衡時(shí)的溫度及千分表讀數(shù)分別作為T(mén)0，L0。溫度的設(shè)定值每次提高ΔT，溫度在新的設(shè)定值達(dá)到平衡后，記錄溫度及千分表讀數(shù)于表中。（3）為保證實(shí)驗(yàn)安全，溫控儀最高設(shè)置溫度為60度。若決定測(cè)量n個(gè)溫度點(diǎn)，則每次升溫范圍為ΔT=(60－室溫)/n。（4）在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中（升溫及讀數(shù)）不能接觸和移動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，否則會(huì)影響千分表的讀數(shù)。每個(gè)同學(xué)的動(dòng)作要輕，以免影響他人。五．?dāng)?shù)據(jù)處理水銀溫度計(jì)的校正與熱電偶的定標(biāo)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊唬┧y溫度計(jì)的校正1.學(xué)習(xí)水銀溫度計(jì)0℃沸點(diǎn)的校正法。2.學(xué)習(xí)溫度計(jì)溫標(biāo)分度修正值的計(jì)算方法。3.學(xué)習(xí)福廷氣壓計(jì)的使用方法。（二）熱電偶的定標(biāo)1.了解熱電偶測(cè)溫的原理和方法。2.掌握熱電偶的定標(biāo)方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器（一）水銀溫度計(jì)的校正待較正溫度計(jì)（0~100℃，分度值1℃）1支、福廷氣壓計(jì)、加熱器、裝冰容器、冰等。（二）熱電偶的定標(biāo)熱電偶（銅-康銅，-200~400℃）、數(shù)字毫伏表、量熱器、加熱器、攪拌器、標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)（0~100℃，分度值℃）、冰等實(shí)驗(yàn)原理（一）水銀溫度計(jì)的校正溫度計(jì)讀數(shù)的校正通常用兩種方法，分別是定點(diǎn)法和比較法，本實(shí)驗(yàn)采用定點(diǎn)法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。定點(diǎn)法校正水銀溫度計(jì)，即以純物質(zhì)的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，先測(cè)量純凈水的0℃點(diǎn)（若在原0刻度以下為負(fù)值），及沸點(diǎn)。所確定的0℃點(diǎn)和沸點(diǎn)，并不是原先0℃的刻度和100℃的刻度，在至間約分，計(jì)算出全部溫標(biāo)刻度的改正值Δt：為實(shí)驗(yàn)中所處的大氣壓下對(duì)應(yīng)的純凈水的沸點(diǎn)（水的沸點(diǎn)與氣壓有關(guān)，可查閱附錄表）。若被測(cè)介質(zhì)的溫度計(jì)示讀數(shù)為t，校正該水銀溫度計(jì)后的實(shí)際溫度為：（二）熱電偶的定標(biāo)1．熱電偶工作原理如圖1所示，兩種不同成份的導(dǎo)體A、B（稱為熱電偶絲或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)兩接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)（T＞），在回路中就有電流產(chǎn)生。這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)（或稱賽貝克效應(yīng)），相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱溫差電動(dòng)勢(shì)（或賽貝克電動(dòng)勢(shì)）。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為參考端，通常以0℃點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。理論上，任何兩種不同的金屬導(dǎo)線均可組成熱電勢(shì)熱電偶，但實(shí)際上為了使熱電偶回路有較大的熱電勢(shì)，通常選擇耐高溫，易于熱電勢(shì)配制，而且熱電勢(shì)與溫差基本上呈線性關(guān)系等的金屬，本實(shí)驗(yàn)采用銅-康銅材料制備熱電偶，使用溫度范圍-20～400℃，熱電勢(shì)為mv/100℃。本實(shí)驗(yàn)熱電偶測(cè)溫線路如圖2所示，金屬A的兩端分別和金屬B焊接，測(cè)量?jī)x表插入A線中間（或者插入B線之間）理論上可以證明，在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C，只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個(gè)溫度，這個(gè)閉合電路中的溫差電動(dòng)勢(shì)總是和只由A、B兩種金屬組成的熱電偶中的溫差電動(dòng)勢(shì)一樣。2．熱電偶的定標(biāo)用實(shí)驗(yàn)方法確定熱電偶兩端溫度差大小與溫差電動(dòng)勢(shì)的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，稱為熱電偶的溫度定標(biāo)。經(jīng)過(guò)定標(biāo)后的熱電偶，就可作為熱電偶溫度計(jì)使用了。本實(shí)驗(yàn)采用比較法來(lái)進(jìn)行熱電偶定標(biāo)，即用被校熱電偶與一準(zhǔn)確度較高的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)去測(cè)同一介質(zhì)的溫度，在被校熱電偶的使用范圍內(nèi)改變不同的溫度，進(jìn)行逐點(diǎn)校準(zhǔn)，就可得到被校熱電偶的一條校準(zhǔn)曲線。定標(biāo)裝置如圖3所示：當(dāng)熱電偶測(cè)量端與參考端（0℃）有溫差時(shí)，溫差電動(dòng)勢(shì)則會(huì)在數(shù)字毫伏表上顯示出來(lái)。把經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的溫度計(jì)靠近測(cè)量端，先通過(guò)加熱器讓水沸騰，然后切斷加熱器電源讓水從沸點(diǎn)開(kāi)始降溫，并在降溫過(guò)程中依次等間隔地記錄數(shù)字電壓毫伏表與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的各組對(duì)應(yīng)值，即可作出熱電偶的定標(biāo)曲線。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(一)水銀溫度計(jì)的校正1．0℃點(diǎn)的確定。把被校驗(yàn)的水銀溫度計(jì)豎直浸在冰水混合的容器中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程使冰和水兩態(tài)并存，經(jīng)過(guò)5～10分鐘穩(wěn)定后，便可開(kāi)始進(jìn)行0℃點(diǎn)的校正。通過(guò)多次測(cè)量取平均值確定0℃點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于系統(tǒng)不斷向外界吸熱，冰含量由于熔化逐漸變少，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)注意在容器中多放冰塊，少放水；并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中及時(shí)添加冰塊，減少水。2．沸點(diǎn)的確定。把被校驗(yàn)的水銀溫度計(jì)套在軟木塞中，豎直放進(jìn)雙壁蒸汽鍋中，當(dāng)水沸騰5～10分鐘后記錄穩(wěn)定沸點(diǎn)，重復(fù)數(shù)次取平均值確定沸點(diǎn)。3．測(cè)量得到實(shí)驗(yàn)環(huán)境下純凈水的沸點(diǎn)（1）在福廷氣壓計(jì)上記錄溫度t及氣壓讀數(shù)，并進(jìn)行修正（福廷氣壓計(jì)使用法，參閱附錄）：其中g(shù)、分別為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣群?5°海平面的重力加速度。（2）查附錄表,確定大氣壓為時(shí)所對(duì)應(yīng)的水沸點(diǎn)4．計(jì)算原溫標(biāo)每一分度值的改正值△t，校正該溫度計(jì)的溫標(biāo)，列溫度校正表（二）熱電偶的定標(biāo)1．按定標(biāo)裝置圖3接好實(shí)驗(yàn)電路。2．參考端置于零度點(diǎn)的冰水混合物。3．測(cè)量端加熱至沸點(diǎn)，在溫度～電壓表格中記錄標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與數(shù)字毫伏表對(duì)應(yīng)參數(shù)值。4．切斷加熱器電源，在測(cè)量端降溫過(guò)程中，等間隔記錄溫度～電壓各組參數(shù)值至室溫。5．制熱電偶定標(biāo)曲線（溫度～電壓曲線）。（三）實(shí)驗(yàn)提示1．使用溫度計(jì)以前，要注意觀察量程和認(rèn)清分度值。水銀正常使用的測(cè)溫范圍一般在全量程的30%～90%之間。由于溫度計(jì)熱膨脹響應(yīng)慢，讀數(shù)時(shí)一定要等到被測(cè)介質(zhì)與溫度計(jì)達(dá)到熱平衡后（5～10分鐘）才能讀數(shù)。溫度計(jì)讀數(shù)時(shí)注意消除視差，視線應(yīng)與水銀柱凸表面相平。2．為了測(cè)量值準(zhǔn)確，要注意溫度計(jì)的浸入深度，同時(shí)溫度計(jì)水銀泡應(yīng)與被測(cè)對(duì)象的容器壁有一定的間距，與被測(cè)物體相接觸，若測(cè)液體，必須攪拌，使液溫均勻。熱電偶定標(biāo)實(shí)驗(yàn)可以把測(cè)量端和溫度計(jì)水銀泡繞在一起，置于水壺中央，且不接觸熱水壺電熱絲。3．冰水混合物中的冰塊要細(xì)，水要少，且將熱電偶一端置于冰水混合物中心。4．在降溫過(guò)程中可加適當(dāng)?shù)募?xì)冰塊且充分的攪拌，待冰融解且溫度計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定才可讀數(shù)。7、長(zhǎng)度的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握游標(biāo)卡尺、螺旋測(cè)微計(jì)、讀數(shù)顯微鏡等常用長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器測(cè)量原理和使用方法。2.學(xué)習(xí)應(yīng)用有效數(shù)字記錄測(cè)量數(shù)據(jù)和不確定度計(jì)算。實(shí)驗(yàn)儀器游標(biāo)卡尺：分度值,量程15cm,最大允許誤差為螺旋測(cè)微計(jì)：分度值,量程,最大允許誤差為讀數(shù)顯微鏡：分度值,量程50mm,最大允許誤差為待測(cè)樣品：口型遮光片、金屬圓柱筒、金屬片等。實(shí)驗(yàn)原理1、游標(biāo)卡尺構(gòu)造及讀數(shù)原理游標(biāo)卡尺主要由兩部分構(gòu)成,如(圖1)所示：在一毫米為單位的主尺上附加一個(gè)能夠滑動(dòng)的有刻度的小尺（副尺）,叫游標(biāo),利用它可以把主尺估讀的那位數(shù)值較為準(zhǔn)確地讀出來(lái)。圖1游標(biāo)卡尺在構(gòu)造上的主要特點(diǎn)是：游標(biāo)上N個(gè)分度格的總長(zhǎng)度與主尺上（N-1）個(gè)分度格的長(zhǎng)度相同,若主尺上最小分度為a,游標(biāo)上最小分度值為b,則有Nb=（N-1)a（）那么主尺與游標(biāo)上每個(gè)分格的差值（游標(biāo)的精度值或游標(biāo)的最小分度值）是：（）圖2常用的游標(biāo)是五十分游標(biāo)(N=50。另有10分度的、20分度的、50分度游標(biāo)卡尺),即主尺上49mm與游標(biāo)上50格相當(dāng),見(jiàn)圖2。五十分游標(biāo)的精度值=0．02mm．游標(biāo)上刻有0、l、2、3、…、9,以便于讀數(shù)。毫米以上的讀數(shù)要從游標(biāo)“0”刻度線在主尺上的位置讀出,毫米以下的數(shù)由游標(biāo)（副尺）讀出。即：先從游標(biāo)卡尺“0”刻度線在主尺的位置讀出毫米的整數(shù)位,再?gòu)挠螛?biāo)上讀出毫米的小數(shù)位。游標(biāo)卡尺測(cè)量長(zhǎng)度l的普遍表達(dá)式為（）式中,k是游標(biāo)的“0”刻度線所在處主尺刻度的整刻度（毫米）數(shù),n是游標(biāo)的第n條線與主尺的某一條線重合,。圖3所示的情況,即。圖3在用游標(biāo)卡尺測(cè)量之前,應(yīng)先把量爪A、B合攏,檢查游標(biāo)的“0”刻度線是否與主尺的“0”刻度線重合。如不重合,應(yīng)記下零點(diǎn)讀數(shù),加以修正,即待測(cè)量。其中,為未作零點(diǎn)修正前的讀數(shù)值,為零點(diǎn)讀數(shù)?？梢哉?也可以負(fù)。使用游標(biāo)卡尺時(shí),可一手拿物體,另一手持尺,如圖4所示。要特別注意保護(hù)量爪不被磨損。使用時(shí)輕輕把物體卡住即可讀數(shù)。圖4游標(biāo)卡尺使用注意事項(xiàng)（１）使用前,首先要弄清其規(guī)格（２）根據(jù)被測(cè)對(duì)象情況,決定使用外測(cè)量爪、內(nèi)測(cè)量爪、尾尺。（３）校正零點(diǎn)讀數(shù)。若量爪A、Ｂ接觸時(shí),游標(biāo)０線與主線不重合,應(yīng)找出修正量,然后再使用。（４）注意保護(hù)量爪,預(yù)防卡口磨損。為此測(cè)量時(shí)不應(yīng)將待測(cè)物卡得太緊。（５）用畢將其固定螺絲松開(kāi),然后將游標(biāo)卡尺放入包裝盒。2、螺旋測(cè)微器(千分尺)常見(jiàn)的螺旋測(cè)微器如（圖5）所示。它的量程是25mm,分度值是。螺旋測(cè)微器結(jié)構(gòu)的主要部分是一個(gè)微螺旋桿。螺距是mm。因此,當(dāng)螺旋桿旋一周時(shí),它沿軸線方向只前進(jìn)。圖5螺旋柄圓周上,等分為50格,螺旋桿沿軸線方向前進(jìn)mm時(shí)螺旋柄圓周上的刻度轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)分格,這就是所謂機(jī)械放大原理。測(cè)量物體長(zhǎng)度時(shí),應(yīng)輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)螺旋柄后端的棘輪旋柄,推動(dòng)螺旋桿,把待測(cè)物體剛好夾住時(shí)讀數(shù),可以從固定標(biāo)尺上讀出整格數(shù)（每格）。圖6螺旋測(cè)微計(jì)的讀數(shù)方法：（1）測(cè)量前后應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)校正,即以后要從測(cè)量讀數(shù)中減去零點(diǎn)讀數(shù)。零點(diǎn)讀數(shù)時(shí)順刻度序列記為正值,反之為負(fù)值。（2）讀數(shù)時(shí)由主尺讀整刻度值,以下由微分套筒讀出,并估讀到量級(jí)。（3）要特別注意主尺上半毫米刻線,如果它露出到套筒邊緣,主尺上就要讀出的數(shù)。螺旋測(cè)微器使用注意事項(xiàng)：（1）使用前,首先要弄清其規(guī)格,選用合適的量程。（2）校正零點(diǎn)讀數(shù)。（3）先用粗測(cè)旋鈕使測(cè)頭小砧接近被測(cè)物,后用微調(diào)旋鈕使測(cè)頭小砧接觸被測(cè)物。聽(tīng)到“喀”、“喀”止動(dòng)聲后停止旋轉(zhuǎn)。否則易損傷測(cè)微螺桿。（4）讀數(shù)時(shí)要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻線是否已經(jīng)露出。（5）測(cè)量完畢應(yīng)使測(cè)微螺桿與測(cè)砧之間留有空隙,以防因熱膨脹損壞螺紋。3.讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡是用來(lái)測(cè)量微小距離或微小距離變化的。其構(gòu)造分為觀察被測(cè)物體的顯微鏡和讀數(shù)的螺旋測(cè)微裝置。讀數(shù)顯微鏡的量程一般為50mm,分度值是,可估讀到。讀數(shù)顯微鏡的使用：1.將讀數(shù)顯微鏡適當(dāng)安裝,對(duì)準(zhǔn)待測(cè)物；2.調(diào)節(jié)顯微鏡的目鏡,以清楚地看到叉絲（或標(biāo)尺）；3.調(diào)節(jié)顯微鏡物鏡焦距,使被測(cè)物體成像清晰；4.旋轉(zhuǎn)測(cè)微手輪,使叉絲豎線與被測(cè)物體的兩端面相切；5.分別讀出相切時(shí)標(biāo)尺所對(duì)應(yīng)的讀數(shù)L1和L2,兩者讀數(shù)之差△L=L1-L2即被測(cè)物體的長(zhǎng)度。讀數(shù)顯微鏡使用注意事項(xiàng)：(1)測(cè)量時(shí),顯微鏡移動(dòng)方向與待測(cè)長(zhǎng)度平行。(2)同次測(cè)量中,測(cè)微手輪須恒定向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn),避免產(chǎn)生空程誤差。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)量金屬片的厚度10次。測(cè)量時(shí)應(yīng)注意—零點(diǎn)讀數(shù)和使用棘輪旋柄。（先選量程,再定零點(diǎn)讀數(shù),最后用粗測(cè)和微調(diào)旋鈕測(cè)量）2．分別用游標(biāo)卡尺測(cè)量圓柱筒內(nèi)、外徑和高各10次,求出圓柱筒的體積。3．用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量口型遮光片的縫寬10次。（先調(diào)目鏡,后調(diào)物鏡）4.數(shù)據(jù)處理及相關(guān)公式提示：i.直接測(cè)量量的不確定公式ii．直接測(cè)量量不確定合成公式P=iii．不確定傳遞公式附錄1:游標(biāo)卡尺的示值誤差限(P59)附錄2：tp與n的關(guān)系（P34）iv．金屬片的厚度結(jié)果表示為（mm）（P＝）△儀＝,,總不確定度。v．讀數(shù)顯微鏡測(cè)量口型遮光片寬度。數(shù)據(jù)處理方法同iv,△儀＝。vi．用游標(biāo)卡尺測(cè)圓柱筒的內(nèi)外徑及高。d、D、h都為直接測(cè)量量,不確定度的處理方法同iv。體積V為間接測(cè)量量,利用不確定度傳導(dǎo)公式計(jì)算體積的不確定度。結(jié)果表示為：(單位)（P=）不確定度傳導(dǎo)公式：數(shù)據(jù)處理8.物體密度的測(cè)量一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握物理天平秤衡法；2、掌握用流體靜力秤衡法測(cè)量不規(guī)則固體密度；3、掌握用比重瓶法測(cè)小粒固體密度。二、實(shí)驗(yàn)儀器物理天平（感量，稱量1000g）、砝碼、比重瓶（100ml）、燒杯（450ml）、溫度計(jì)（50°/°）、待測(cè)大塊固體，待測(cè)小粒固體等。三、實(shí)驗(yàn)原理1．流體靜力稱衡法測(cè)量非均勻?qū)嵭奈镔|(zhì)設(shè)某一不規(guī)則實(shí)心物質(zhì)在空氣中的質(zhì)量m1，其浸沒(méi)在密度為ρ0的液體中的視質(zhì)量m2（設(shè)該物質(zhì)的密度大于液體）根據(jù)阿基米德原理，浸沒(méi)在液體中的物質(zhì)所受浮力的大小等于它所排開(kāi)液體的重量，可知該物質(zhì)的體積為：由此得待測(cè)大塊物質(zhì)的密度：2．比重瓶法使用傳統(tǒng)方法測(cè)量細(xì)小、顆粒狀的實(shí)心物質(zhì)存在較大的誤差，因此，在本實(shí)驗(yàn)中引入比重瓶，通過(guò)定容法測(cè)量該種類(lèi)物質(zhì)的密度。比重瓶是容積固定(恒定溫度下)的容器，用玻璃制成，其瓶塞是一個(gè)中間有毛細(xì)管的磨口塞子。使用時(shí)，注入液體到瓶口，用塞子塞緊，多余的液體就會(huì)通過(guò)毛細(xì)管流出，從而保證比重瓶的容積恒定。設(shè)待測(cè)粒狀實(shí)心物質(zhì)的質(zhì)量為m1，所選用比重瓶盛滿已知密度ρ0的液體后瓶和液體的總質(zhì)量為m2，然后把待測(cè)物質(zhì)裝入比重瓶中，排出多余的液體后三者總質(zhì)量為m3，則排出液體的體積即為質(zhì)量為m1的粒狀物質(zhì)的體積：可得待測(cè)粒狀物質(zhì)的密度為：可見(jiàn)，兩種方法都是根據(jù)阿基米德定律，通過(guò)易于測(cè)量的被排出水體積得到不易測(cè)量的物質(zhì)體積，從而求出該物質(zhì)的密度。當(dāng)然，所測(cè)物質(zhì)不能溶于實(shí)驗(yàn)所用液體。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.物理天平的調(diào)節(jié)：（1）調(diào)節(jié)水平：通過(guò)調(diào)節(jié)底腳螺母，使得底座上水準(zhǔn)儀中的氣泡處于中間位置；（2）調(diào)節(jié)零點(diǎn)：把托盤(pán)掛到刀口上，游碼歸零，輕啟橫梁，觀察指針偏轉(zhuǎn)方向，關(guān)閉天平，合理調(diào)節(jié)平衡螺母，使得打開(kāi)天平時(shí)，指針指向零；（3）檢查靈敏度：移動(dòng)游碼，記錄指針偏離格數(shù)，計(jì)算感量和靈敏度。（4）記錄室溫，查表得到實(shí)驗(yàn)環(huán)境下水的密度。2.用流體靜力秤衡法測(cè)銅塊密度（1）用物理天平測(cè)量銅塊在空氣中的質(zhì)量；（2）用燒杯取適量水，放置到托架上；（3）把待測(cè)銅塊完全浸沒(méi)在水中，測(cè)量此時(shí)銅塊的視質(zhì)量。3.比重瓶法測(cè)鉛粒的密度（1）取適量的鉛粒（大于100g），采用復(fù)秤法測(cè)量鉛粒的質(zhì)量；（2）取一比重瓶，并裝滿水，擦干瓶壁外側(cè)的水分，用復(fù)秤法測(cè)量該質(zhì)量；（3）把待測(cè)鉛粒完全裝在比重瓶中，并裝滿水，擦干屏蔽外側(cè)的水分，用復(fù)秤法測(cè)量帶有待測(cè)鉛粒并裝滿水的比重瓶質(zhì)量。4.實(shí)驗(yàn)提示（1）不能再橫梁懸空狀態(tài)下調(diào)節(jié)左右配平螺絲或加減砝碼；不能用手抓砝碼，應(yīng)用鑷子夾。（2）采用流體靜力秤衡時(shí)，必須保證進(jìn)入液體后物質(zhì)的性質(zhì)不變。（3）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)清潔物體表面，避免占有灰塵、油脂等；懸掛在液體中的物質(zhì)，若附上氣泡會(huì)影響浮力，注意消除。（4）比重瓶?jī)?nèi)壁及小粒物質(zhì)若附上氣泡影響測(cè)量的體積，注意消除。9.示波器的使用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解示波器的原理和基本結(jié)構(gòu)；2、掌握開(kāi)機(jī)的調(diào)節(jié)步驟，用示波器測(cè)量交流信號(hào)的電壓、頻率及位相差。二、實(shí)驗(yàn)儀器LDS20410雙蹤示波器、EE1641B1型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器/計(jì)數(shù)器、移相器三、實(shí)驗(yàn)原理1、示波器顯示原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)一個(gè)信號(hào)輸入示波器時(shí)，示波器采集了信號(hào)中電壓隨時(shí)間的變化規(guī)律，是一維的信息，無(wú)法在屏幕上顯示二維的圖形，因此在示波器屏幕上要顯示交流電壓信號(hào)的波形，也還需要加一個(gè)沿x軸方向的勻速運(yùn)動(dòng)的掃描電壓信號(hào)，如圖1所示。Ux的正方向的勻速運(yùn)動(dòng)與Uy豎直方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)相互顯示了正弦波形，這就是示波器波形顯示的原理。當(dāng)然如果x軸外加其他電壓信號(hào)，其顯示的波形將會(huì)是Ux和Uy疊加的結(jié)果，假設(shè)，則，，消去t即可得到y(tǒng)=y（x）的方程由此可以根據(jù)不同的目的在示波屏上顯示各式各樣的波形。示波器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。交流信號(hào)輸入后，經(jīng)過(guò)增益等處理，把信號(hào)傳遞給采集模塊和觸發(fā)端，通過(guò)觸發(fā)端來(lái)進(jìn)行信號(hào)的觸發(fā)和釋抑，以控制何時(shí)采集數(shù)據(jù)、觸發(fā)間隔以采集數(shù)據(jù)。而后通過(guò)采集系統(tǒng)采集后在顯示屏上顯示有意義的波形。2、測(cè)量交流信號(hào)的電壓、周期、頻率的方法當(dāng)波形顯示在屏幕上以后，可以通過(guò)測(cè)量方法來(lái)得到波形的相關(guān)信息，一般的測(cè)量方法有：直接測(cè)量法、光標(biāo)法和自動(dòng)測(cè)量法。測(cè)量的基本原理：通過(guò)調(diào)節(jié)增益V/DIV，在示波器上顯示大小適中、穩(wěn)定的正弦波形，選擇其中一個(gè)完整的波形，測(cè)算波形峰峰值的垂直距離DIV，則峰峰值電壓Uy=DIV*V/DIV*探頭增益；同理測(cè)算信號(hào)n個(gè)周期的水平距離DIV，則信號(hào)周期T=(DIV*T/DIV)/n.3、相干信號(hào)位相差的測(cè)量1）雙蹤法輸入頻率相同、初相位不同的兩列波形信號(hào)，采用雙蹤法方式工作，觸發(fā)源選擇CH1或CH2，得到被測(cè)波形，其一個(gè)周期在坐標(biāo)刻度片上占8DIV，即每1DIV相應(yīng)為45°兩列波相鄰波峰的水平距離△x為，則兩列信號(hào)的相位差為2）李薩如圖形法將一個(gè)正弦波電壓加到熒光屏垂直偏轉(zhuǎn)板，把另一個(gè)正弦波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板。這樣熒光屏上出現(xiàn)的圖形為一個(gè)橢圓，有它能很容易求出兩電壓之間的相位差。同頻率的兩個(gè)交流電在熒光屏上的圖形，由兩電壓的相位差確定，如圖3所示。如果兩個(gè)交流電的最大值Ux和Uy相同，且示波器的放大器在水平和豎直方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度相同，根據(jù)振動(dòng)的合成規(guī)律很容易知道，當(dāng)兩電壓的相位差ψ=0°或ψ=180°時(shí)，圖形是一條與x軸夾角為45°或135°的直線；當(dāng)ψ=90°或270°時(shí)，圖形是一個(gè)圓。若兩電壓的頻率成整數(shù)倍，屏上可得到比較復(fù)雜的穩(wěn)定圖形?，F(xiàn)設(shè)從CH1和CH2通道分別輸入兩個(gè)同頻率、有一定相位差的信號(hào)，選擇合適的靈敏度，并采用外觸發(fā)工作方式，即可在示波屏上觀察到如圖4的李薩如圖形。令，假定波形在x軸線上的截距為2，則對(duì)x軸上的P點(diǎn)有：及。所以相位差為：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器，頻率調(diào)到，電壓調(diào)至5V。1.示波器選中CH1通道并將一個(gè)探頭接到CH1上，將探頭與信號(hào)源的一個(gè)輸出端相接，將探頭接地端與信號(hào)源另一個(gè)輸出端相接。2.調(diào)節(jié)CH1通道的時(shí)間靈敏度和電壓靈敏度，將圖形調(diào)到適當(dāng)大小，調(diào)節(jié)上下、左右位移旋鈕，將圖形調(diào)到合適位置。3.數(shù)出圖形最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差格數(shù)，并記下此時(shí)的電壓靈敏度。4.選中光標(biāo)鍵，光標(biāo)模式設(shè)為手動(dòng)，光標(biāo)類(lèi)型設(shè)為V，出現(xiàn)橫向的兩條光標(biāo)，選擇CURA，調(diào)節(jié)公用旋鈕將光標(biāo)調(diào)至最低端，在取消CURA，選擇CURB，調(diào)公用旋鈕將另一個(gè)光標(biāo)調(diào)至圖形最高端，讀出的數(shù)值即為電壓峰峰值。5.取消光標(biāo)，按測(cè)量鍵，選擇電壓峰峰值測(cè)量，即讀出電壓峰峰值。6.讀出圖形6、7、8個(gè)周期所占格數(shù)，并記下此時(shí)的單位時(shí)間。7.選中光標(biāo)鍵，光標(biāo)模式設(shè)為手動(dòng)，光標(biāo)類(lèi)型設(shè)為T(mén)，出現(xiàn)縱向的兩條光標(biāo)，調(diào)節(jié)公用旋鈕將兩光標(biāo)調(diào)至圖形的6、7、8個(gè)周期，即讀出6、7、8個(gè)周期的時(shí)間。8.將CH2通道也選中，接好探頭。將信號(hào)源的兩個(gè)輸出端分別接在移相器的A、B接點(diǎn)，CH1、CH2的接地端都接在O接點(diǎn)。CH1探頭接在P接點(diǎn)，CH2探頭接在A接點(diǎn)，示波器上會(huì)顯示出兩列正弦波。9.按sweep鍵，將格式從Y-T調(diào)為X-Y，調(diào)節(jié)CH1、CH2下方的VOLTS/DIV旋鈕來(lái)調(diào)整橫向和縱向的拉伸，調(diào)節(jié)SEC/DIV旋鈕調(diào)整光波數(shù)的密度，調(diào)節(jié)CH1、CH2的位移旋鈕調(diào)節(jié)圖像的位置，直到出現(xiàn)一個(gè)比較清晰的橢圓。10.調(diào)節(jié)橢圓位置，測(cè)出截距2和2b。10、RC暫態(tài)串聯(lián)電路的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過(guò)對(duì)RC串聯(lián)電路暫態(tài)過(guò)程的研究，加深對(duì)電容特性的認(rèn)識(shí)。掌握時(shí)間常數(shù)τ的意義及測(cè)量方法。2、進(jìn)一步熟悉示波器的使用。二、實(shí)驗(yàn)儀器EE1641B1型函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，LDS20410數(shù)字示波器，RX7/0型十進(jìn)式電容箱，ZX21型旋轉(zhuǎn)式電阻箱（新）（），導(dǎo)線若干三、實(shí)驗(yàn)原理1、RC串聯(lián)電路如圖1即為RC串聯(lián)電路，當(dāng)開(kāi)關(guān)K打向“1”時(shí)，電源E對(duì)電容C充電，若在此之前電容C無(wú)電荷積累，則稱此為RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)；在電容充有電荷的情況下，若將開(kāi)關(guān)K打向“2”，則電容對(duì)電路放電，稱此為零輸入響應(yīng)。根據(jù)基爾霍夫定律可得，在零狀態(tài)響應(yīng)時(shí)，有：可得：對(duì)式子的兩邊進(jìn)行積分則電阻R兩端的電壓：在零輸入響應(yīng)時(shí)，有：對(duì)式子再次進(jìn)行積分，取Uc從E到0，時(shí)間0到t可得：由（1-1）至（1-4）式可以描述電路中，元件R、C兩端電壓Ur、Uc隨時(shí)間t變化的充放電過(guò)程，如圖2從圖中可以看出不管是充電還是放電Uc和Ur都是按照指數(shù)規(guī)律變化的。充電時(shí)，E=Ur+Uc,電容兩端電壓Uc隨充電電量q的增加而逐漸增加，而隨著q或Uc的增加，Ur相應(yīng)減少。同理放電時(shí)，Uc+Ur=0，開(kāi)始時(shí)Uc=E，Ur=-E，逐漸放電后，電能逐漸消耗在電阻上，使得Uc和Ur逐漸趨于零。2、時(shí)間常數(shù)τ的測(cè)量在RC暫態(tài)電路中，時(shí)間常數(shù)τ是一個(gè)重要的參數(shù)，它唯一決定了暫態(tài)過(guò)程的快慢。τ值可以通過(guò)測(cè)量示波器屏幕上顯示的Uc和Ur曲線然后采用最小二乘法得到，具體做法如下（以Uc充電為例）。記錄充電時(shí)Uc（t）曲線上所對(duì)應(yīng)的幾個(gè)坐標(biāo)參數(shù)，并在相同靈敏度下測(cè)量出方波信號(hào)的幅值E。將（1-1）式改寫(xiě)為，并在兩邊取對(duì)數(shù)，可得：令x=t，y=ln(E-Uc),則（2-1）式可寫(xiě)為直線方程y=kx+b的形式。通過(guò)作圖法或最小二乘法求出斜率k，則可得：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、用示波器測(cè)量信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號(hào)的重要參數(shù)1、打開(kāi)示波器的開(kāi)關(guān)，讓它預(yù)熱20秒。打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器的開(kāi)關(guān)，旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)頻率為1000Hz，旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，調(diào)節(jié)電壓為，按下電源波形按鈕，將波形調(diào)為方波。因?yàn)閮x器穩(wěn)定有一段時(shí)間，所以要等待15分鐘后再進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn)。2、將信號(hào)發(fā)生器的紅線和示波器的通道線相接，信號(hào)發(fā)生器的黑線和示波器的通道接地線相接。示波屏上出現(xiàn)一串方形波。按下自動(dòng)測(cè)量功能鍵，用示波屏右邊的菜單鍵選擇“峰峰值”，記錄下此時(shí)直接測(cè)量的峰峰值；用示波屏右邊的菜單鍵選擇“周期”，記錄下此時(shí)直接測(cè)量的周期。記錄下此時(shí)的波形圖，這是電源電壓的波形圖。二、用示波器測(cè)量RC電路三種暫態(tài)的圖形和重要參數(shù)3、如上原理中的電路連接示意圖所示連接電路，將電容箱的電容調(diào)成μF，電阻箱阻值調(diào)成100Ω。4、通過(guò)旋轉(zhuǎn)CH1通道垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)開(kāi)關(guān)（改變波形的高度，調(diào)至CH1=2V）和掃描時(shí)基開(kāi)關(guān)（改變波形的寬度，調(diào)至M=200μs）調(diào)節(jié)波形的大小，通過(guò)旋轉(zhuǎn)CH1垂直位移旋鈕（改變波形上下位置）和水平位置旋鈕（改變波形左右位置），使示波屏上出現(xiàn)大小適中、清晰穩(wěn)定的波形圖。5、按下光標(biāo)測(cè)量功能鍵，用光標(biāo)進(jìn)行測(cè)量。用第一個(gè)菜單鍵來(lái)控制光標(biāo)的功能和開(kāi)關(guān)，選擇手動(dòng)。用第二個(gè)菜單鍵來(lái)選擇測(cè)量對(duì)象為電壓V。用第四、第五菜單鍵來(lái)控制操作的光標(biāo)對(duì)象，用共用功能鍵來(lái)控制光標(biāo)的移動(dòng)，讓兩個(gè)光標(biāo)分別置于峰頂和峰谷。6、逐漸調(diào)大電阻箱的阻值，每次調(diào)大100Ω，觀察波形的變化情況，當(dāng)波形與光標(biāo)的兩條線有一部分重合，此時(shí)為未飽和狀態(tài)。當(dāng)波形與光標(biāo)的兩條線相切（只有一個(gè)交點(diǎn)時(shí)），此時(shí)達(dá)到臨界狀態(tài)。當(dāng)波形與光標(biāo)的兩條線完全分離，此時(shí)為飽和狀態(tài)。分別記錄下未飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的波形圖（未飽和狀態(tài)下和臨界狀態(tài)下可任選一阻值，最好能鮮明的表示這個(gè)狀態(tài)下的波形特點(diǎn)）和每個(gè)波形圖對(duì)應(yīng)的電阻箱的阻值。這是三個(gè)狀態(tài)下電路中電容的電壓隨時(shí)間變化的波形圖。7、將接在電容箱兩端的示波器通道線