中学生物理实验设计应用

2021-5-27 1 物 理 实 验 设 计 与 应 用六 、 研 究 制 流 和 分 压 电 路 的 原 理 及 应 用七 、 磁 电 式 直 流 电 表 的 改 装 与 实 践八 、 电 桥 电 路 的 设 计 与 应 用九 、 示 波 器 的 使 用 与 测 量2013年 10月 2021-5-27 2 实 验 六 研 究 制 流 和 分 压 电 路 的原 理 及 应 用 实 验 目 的 ：1 了 解 各 类 电 阻 的 应 用 功 能 ， 学 会 用 变 阻 器 组 成 制 流 及 分 压 电 路 。2 分 析 与 研 究 不 同 负 载 电 阻 对 分 压 电 路 分 压 比 的 影 响 。3 学 会 和 设 计 用 分 压 法 来 测 量 各 类 非 电 量 。4 学 会 和 设 计 用 分 压 电 路 的 形 式 来 达 到 控 制 电 路 的 目 的 。 2021-5-27 3 实 验 原 理 ： 电 路 中 电 阻 变 化 电 流 变 化 电 阻 端 的 负 载 电 阻 端 的 电 压 变 化 电 压 变 化 2021-5-27 4 电 阻 符 号 和 实 物 图 2021-5-27 5 各 种 固 定 电 阻 2021-5-27 6 各 种 小 型 的 可 变 电 阻 （ 电 位 器 ） ( 2 ) 可 调 电 阻 微 调 电 阻 滑 线 变 阻 器 胶 木 板 型 瓷 板 型 有 机 实 芯 型 精 密 多 圈 型 可 变 电 阻 在 电 路 中 的 表 示 图实 物 照 片 2021-5-27 7 各 种 体 积 较 大 的 可 变 电 阻 (电 位 器 ) 2021-5-27 8 * 电 位 器 阻 值 变 化 特 性 直 线 式 （ X)、 对 数 式 （ D） 、 指 数 式 （ Z） 2021-5-27 9 1.分 析 制 流 电 路 ACZ RR EI ZREI max EU max当 C滑 至 A点 ， RAC=0时 ， 则 负 载 上 电 压电 路 中 电 流 2021-5-27 10 当 C滑 至 B点 ， 时 ， 则 ： 0RRAC 0min RR EI Z ZZ RRR EU 0min 0RRAC 负 载 端 的 电 压电 路 中 的 电 流 2021-5-27 11 由 以 上 关 系 可 得 到 电 路 内 相 应 的电 路 中 电 流 变 化 范 围 为 ：负 载 端 电 压 变 化 范 围 为 ： ZREZRR E0 ERR R ZZ0 E最 小 最 大最 低 最 高 2021-5-27 12 2 分 析 分 压 电 路 滑 线 变 阻 器 上 的 两 个 固 定 端 A、 B与 电 源 E相 接 ， 而 负载 电 阻 R Z是 接 在 滑 线 变 阻 器 的 滑 动 端 C和 固 定 端 A或 B上 。 2021-5-27 13 当 C点 由 A B端 时 ，负 载 电 阻 上 URZ由 0 E， ACZ ACZBCACZ ACZBCACZ ACZ RR RRR ERR RRRRR RR EU )(1 得 到 ：1.调 节 的 范 围 与 变 阻 器 的 阻 值 无 关 ；2.AC两 端 的 分 压 值 可 由 下 式 得 到 ：思 考 ： 如 果 R 0取 得 较 小 或 很 大 ， 会 怎 么 样 ？ 2021-5-27 14 3 制 流 电 路 与 分 压 电 路 的 差 别 及 选 择（ 1） 分 析 调 节 范 围 分 压 电 路 的 电 压 调 节 范 围 较 大 ， 可 从 0 E； 而 制 流 电 路 的 电 压 调 节 范 围 较 小 ， 只 能 从EERR R ZZ 0 2021-5-27 15 （ 2） 分 析 细 调 程 度 当 时 ， 在 整 个 调 节 范 围 内 的 调 节 程 度 基 本 上 是 均 匀 的 ， 因 制 流 电 路 可 调 的 范 围 较 小 ， 故 负 载 电 阻 端 的 电 压 变 化 值 也 小 ， 但 能 调 节 的 程 度 较 精 细 。 而 分 压 电 路 对 负 载 端 的 电 压 变 化 较 明 显 ， 但 调 节 的 程 度 却 较 粗 糙 。 20 ZRR 2021-5-27 16 (3) 分 析 功 率 损 耗 使 用 同 一 个 变 阻 器 ， 分 压 电 路 消 耗 的 电 能 要 比 制 流 电 路 的大 。 基 于 以 上 的 差 别 a.当 负 载 电 阻 较 大 、 需 调 节 的 电 压 范 围 较 宽 时 可 选 分 压 电 路 形 式 b.当 负 载 电 阻 较 小 、 功 耗 较 大 、 需 调 节 的 电 压 范 围 不 太 大 时 可 选 用 制 流 电 路 形 式 。 c.若 一 级 制 流 或 一 级 分 压 电 路 不 能 达 到 调 节 上 的 要 求 ， 可 考 虑 采 用 二 级 制 流 电 路 （ 或 二 段 分 压 电 路 ） 的 方 法 来 满 足 细 调 的 要 求 。思 考 ： 二 级 制 流 电 路 或 二 段 分 压 电 路 的 线 路 图 是 怎 样 的 ？ 2021-5-27 17 RzR2R1 KE RzR 2R1EK 二 级 限 流 电 路二 级 分 压 电 路 2021-5-27 18 设 计 与 应 用 性 实 验 内 容 ：1.分 析 与 研 究 当 为 不 同 时 ， 得 到 电 路 的 制 流 特 性 曲 线 I X是 怎 样 的 ， 。 KRRZ 0 0RRX ACI X？作 为 回 家 作 业 思 考 并 画 一 下 2021-5-27 19 设 计 与 应 用 性 实 验 内 容 ：2.分 析 与 研 究 当 为 不 同 时 ， 得 到 电 路 的 分 压 特 性 曲 线 U X是 怎 样 的 ， 。 U KRRZ 0 0RRX AC？ X 作 为 回 家 作 业 思 考 并 画 一 下 2021-5-27 20 设 计 与 应 用 性 实 验 内 容 ：3.设 计 一 个 分 压 电 路 ， 要 求 能 同 时 控 制 二 个 小 灯 泡 进 行 交 替 亮 暗 的 变 化 。思 考 ：a.电 路 的 形 式 ；b.同 时 交 替 亮 暗 的 变 化 。 2021-5-27 21 D1D2REK 分 压 的 方 式思 考 ：分 压 电 阻 在 选 择 上有 什 么 要 求 ？1.阻 值 上 的 要 求2.类 型 上 的 要 求3.功 率 上 的 要 求 2021-5-27 22 设 计 与 应 用 性 实 验 内 容 ：4.设 计 一 个 分 压 电 路 ， 要 求 通 过 测 量 电 压 的 方 式 来 得 到 测 量 高 值 电 阻 的 目 的 。提 示 ： 通 过 分 压 的 方 式 串 接 一 个 标 准 电 阻 R0。 2021-5-27 23FVX V0RXR0E 分 压 的 方 式 放 大 器 2021-5-27 24 设 计 与 应 用 性 实 验 内 容 ：5.设 计 一 个 分 压 电 路 ， 要 求 通 过 测 量 电 压 的 方 式 来得 到 测 量 一 些 非 电 量 的 结 果 （ 譬 如 位 移 量 、 角 度量 、 温 度 量 等 ） 。提 示 ：a.可 变 电 阻 的 左 右 移 动 即 为 位 移 量 的 变 化 ；b.电 位 器 的 旋 转 即 为 角 度 量 的 变 化 ；c.热 敏 电 阻 阻 值 的 变 化 与 其 所 处 的 温 度 有 关 。 2021-5-27 25 定 标 ， 测 出 旋 转 一 圈 或 n圈 变 化 的 电 阻 值然 后 定 出 旋 转 一 度 的 阻 值 或 电 压 值 。00 0360 x xRR 2021-5-27 26 实 验 七 磁 电 式 直 流 电 表 的 改 装 与 实 践实 验 目 的 ：1.了 解 磁 电 式 直 流 电 表 内 部 的 结 构 和 偏 转 原 理 。2.学 会 将 磁 电 式 直 流 电 表 改 装 成 多 量 程 的 电 流 表 、 电 压 表 及 欧 姆 表 。3.学 习 和 实 践 制 作 必 要 的 实 验 装 置 。 2021-5-27 27 实 验 原 理 ： 指 针 偏 转 的 磁 电 式 直 流 电 表 是 物 理 实 验 中 的 基 本仪 器 之 一 ， 其 内 、 外 部 结 构 见 下 图 。 2021-5-27 28 1.将 微 安 表 改 装 成 欧 姆 表 如 图 所 示gRA欧 姆 表 ER0 RX 0)( RRRRR EI gnxn 2021-5-27 29 假 设 E 1.5V AI 500 KRn 30270 120 70 45 30 20 12.9 7.5 3.3 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50kRx/ AI / 满 刻 度 电 流 值 中 心 刻 度 电 流对 应 的 电 阻 值9012.5 2021-5-27 30 2.将 微 安 表 改 装 成 毫 安 表 设 电 表 的 原 有 量 限 为 I0（ ） ， 现 要 设 计 成 能 测 量 最 大 值 为 50mA的 电 流 表 （ 扩 大 量 程 1000倍 ） ， 应 考 虑 设 法 与 表 头 并 联 一 个 电 阻 起 到 分 流 的 作 用 . A50 R1=?IR1=0.05A-I0 0.05AI0 Rm Rs )05.0( )( 001 IRRIR sm 100 )05.0()( RIRRI sm 2021-5-27 31 3.将 微 安 表 改 装 成 直 流 电 压 表 初 始 的 电 流 表 要 用 以 测 量 电 压 ， 其 测 量 电 压 值 为 ggg RIU 为 了 能 测 量 较 高 的 电 压 ， 则 设 法 通 过 外 接 串 联 电 阻 来 起 到 分 压 的 作 用 ，即 将 微 安 表 不 能 承 受 的 那 部 分 电 压 降 落 在 分 压 电 阻 RS上 ， 见 图 5。Ig Rg RSUg 5V50VR 1URRI sgg )( ggggs RUURIUR )1( 1 SR R 2021-5-27 32 实 验 内 容 ：1 测 出 微 安 表 头 （ 50 A） 的 内 阻 值 （ 可 有 多 种 测 量 表 头 内 阻 的 方 法 ） 。提 示 ：（ 1） 半 偏 法 测 量 内 阻（ 2） 替 代 法 测 量 内 阻（ 3） 电 桥 法 测 量 内 阻 等 其 他 方 法 2021-5-27 33 半 偏 法 测 定 电 表 内 阻 2021-5-27 34 替 代 法 测 定 电 表 内 阻重 要 的 是 保 持 A 0电 流 不 变 2021-5-27 35 直 流 电 桥 法 测 电 阻实 验 线 路 和 测 量 方 法 2021-5-27 36 实 验 八 电 桥 电 路 的 设 计 与 应 用 实 验 目 的 ：1.了 解 电 桥 电 路 测 量 电 阻 变 化 的 特 点 。2.学 会 组 合 电 桥 电 路 的 原 理 。3.拓 展 电 桥 电 路 的 应 用 及 非 电 量 的 检 测 。 2021-5-27 37 实 验 原 理 ： 电 桥 电 路 本 质 上 是 利 用 电 阻 与 电 阻 间 的 电 位 比 较 方 式 来 判 断 桥 路 间 的 平 衡 性 ， 然 后 根 据 不 同 桥 臂 上 电 阻 之 间 的 比 例 关 系 来 得 到 某 一 被 测 电 阻 值 。 3 42RRRRX RiRiNS 2021-5-27 38 实 验 内 容 ：1.用 热 敏 电 阻 作 为 测 温 器 件 ， 设 计 一 个 电 桥 电 路 ， 并 组 成 测 量 及 控 制 温 度 的 系 统 。 设 法 制 作 一 个 电 子 温 度 计 。 热 敏 电 阻 定 标 ： 得 到 00C时 的 电 阻 值 和 1000C时 的 电 阻 值 ，然 后 由 100 00( )100T TR RTx Rx Tx Rx 2021-5-27 39 用 平 衡 电 桥 法 测 量 温 度 热 敏 电 阻 （ 测 温 元 件 ）定 标 ： 得 到 00C时 的 电 阻 值 和 1000C时 的 电 阻 值 ，然 后 由 100 00( )100T TR RTx Rx Tx Rx 2021-5-27 40 用 非 平 衡 电 桥 法 测 量 温 度 热 敏 电 阻 （ 测 温 元 件 ）定 标 ： 得 到 00C时 的 电 压 值 和 1000C时 的 电 压 值 ，然 后 由 XXXTTX VTVVVV 0 0100100 2021-5-27 41 实 验 九 示 波 器 的 使 用 与 测 量实 验 目 的 ：1.学 会 示 波 器 的 使 用 与 操 作 方 法2.了 解 示 波 器 显 示 交 变 电 信 号 波 形 的 基 本 原 理3.学 会 用 示 波 器 检 测 各 种 电 信 号 的 方 法 2021-5-27 42 实 验 仪 器 ： 示 波 器 （ 双 踪 ） 、 多 用 电 表 、 交 流 信 号 发 生 器 、 电 阻 箱 、 电 容 器 、 电 感 线 圈 、 导 线 等 2021-5-27 43 实 验 原 理 ：一 示 波 器 的 构 造 与 基 本 原 理 示 波 管 、 扫 描 发 生 器 、 同 步 电 路 、 水 平 轴 和 垂 直 轴 放 大 器 、 电 源 。 2021-5-27 44 示 波 管 示 波 管 是 示 波 器 用 以 显 示 各 种 波 形 的 核 心 部 分 ， 在 一 个 抽 成 高 真 空 的 玻 璃 泡 内 装 有 各 种 电 极 ； 即 ： 电 子 枪 （ 阴 极 、 栅 极 、 阳 极 ） 、 偏 转 极 （ X偏 转 极 和 Y偏 转 极 ） 、 荧 光 屏 等 。 电 子 束 2021-5-27 45 扫 描 发 生 器 被 测 的 交 变 电 信 号 加 到 一 对 Y偏 转 极 上 ， 而 在 一 对 X偏 转 极 上 则 加 由 示 波 器 内 部 产 生 的 锯 齿 波 电 信 号 ， 用 以 产 生 扫 描 作 用 。 即 波 形 图 是 函 数 曲 线 的 一 部 分 ， X与 Y两 对 偏 转 极 上 的 电 信 号 在 示 波 管 上 合 成 的 效 果 见 下 ： 2021-5-27 46 同 步 电 路 同 步 电 路 是 为 了 示 波 器 在 工 作 时 时 能 观 察 到 稳 定 的 波 形 而 设 定 的 电 路 ， 则 要 求 X方 向 的 起 始 扫 描 相 位 每 次 都 相 等 ， 即 要 求 扫 描 电 压 周 期 Tx为 被 测 电 压 周 期 Ty的 n倍 （ n 1、 2、 3、 ） 。 同 步 电 平 调 整 旋 钮 2021-5-27 47 水 平 轴 与 垂 直 轴 放 大 器 为 了 观 察 电 压 幅 度 不 同 的 电 信 号 波 形 ， 示 波 器 内 设 有 衰 减 器 和 放 大 器 ， 能 起 到 对 外 来 小 信 号 的 放 大 及 大 信 号 的 衰 减 作 用 ， 使 观 察 到 的 波 形 适 中 。 在 示 波 器 的 操 作 面 板 上 ， 通 常 有 可 分 别 控 制 X、 Y两 方 向 的 调 节 旋 钮 。 X扫 描 档 调 节 旋 钮Y1衰 减 档 调 节 旋 钮 Y2衰 减 档 调 节 旋 钮 2021-5-27 48 2021-5-27 49 2021-5-27 50 2021-5-27 51 2021-5-27 52 1.观 察 波 形 （ 校 准 基 准 方 波 信 号 譬 如 ： 1KHZ、 50mV）实 验 内 容 2021-5-27 53 2.测 量 交 变 电 信 号 的 电 压 值读 数 与 计 算 ：读 其 y方 向 上 的 高 度 0.7072 2 2p p p pU UU U divVnU pp / 2021-5-27 54 3.测 量 交 变 电 信 号 的 周 期 与 频 率 值divtnT /在 x方 向 上 读 其 峰 峰 间 距 Tf 1 T 2021-5-27 55 2021-5-27 56 4.测 量 两 交 变 电 信 号 间 的 相 位 差 值 TT 2 02arcsin 2xb 2021-5-27 57 5.设 计 并 制 作 一 个 移 相 器 可 通 过 电 阻 与 电 容 组 合 后 在 交 流 电 路 中 形 成 的 相 位 变 化 原 理 来 设 计 制 作 一 个 移 相 器 ， 要 求 通 过 改 变 其 中 电 阻 的 阻 值 变 化 后 ， 能 在 显 示 屏 上 观 察 到 电 路 中 的 相 位 差 变 化 情 况 。提 示 ： 用 电 容 与 电 阻 相 连 接 后 产 生 一 定 的 相 位 差 （ 一 级 RC移 相 电 路 ） 输 入交 流信 号 输 出 有 相 位 差 的交 流 信 号CR 2021-5-27 58 6.用 示 波 器 测 量 非 电 量 在 熟 悉 了 示 波 器 使 用 的 前 提 下 ， 设 法 通 过 设 计 与 制 作 一 些 必 要 的 装 置 ， 测 量 一 些 譬 如 长 度 量 的 变 化 、 温 度 量 的 变 化 、 物 体 质 量 间 的 变 化 等 参 数 。提 示 ：（ 1） 设 法 将 被 测 的 非 电 量 通 过 传 感 器 的 形 式 转 换 成 电 量 后 输 入 于 示 波 器 。（ 2） 将 非 电 量 设 法 通 过 变 化 电 阻 、 电 容 、 电 感 、 频 率 等 参 数 量 后 ， 再 由 相 应 的 电 路 输 入 于 示 波 器 。 （ 3） 设 法 制 作 一 些 光 电 转 换 、 机 电 转 换 、 声 光 和 声 电 转 换 的 装 置 来 实 现 将 非 电 量 转 换 成 电 量 后 输 入 于 示 波 器 。 2021-5-27 59 7.用 示 波 器 来 鉴 别 电 学 黑 盒 子1 324 Y1 Y21.可 以 输 入 正 弦 波 信 号 后 通 过 示 波 器 来 检 测 相 位 变 化 2.可 以 输 入 方 波 信 号 后 通 过 示 波 器 来 检 测 波 形 变 化