中学生物理实验设计应用6-9课件

物理实验设计与应用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八、电桥电路的设计与应用九、示波器的使用与测量九、示波器的使用与测量20132013年年1010月月5/16/20241实验六实验六 研究制流和分压电路的研究制流和分压电路的原理及应用原理及应用 实验目的：实验目的：1 1了解各类电阻的应用功能，学会用变阻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。器组成制流及分压电路。2 2分析与研究不同负载电阻对分压电路分分析与研究不同负载电阻对分压电路分 压比的影响。压比的影响。3 3学会和设计用分压法来测量各类非电量。学会和设计用分压法来测量各类非电量。4 4学会和设计用分压电路的形式来达到控制学会和设计用分压电路的形式来达到控制 电路的目的。电路的目的。5/16/20242实验原理：实验原理：电路中电阻变化电路中电阻变化 电流变化电流变化 电阻端的电阻端的 负载电阻端的负载电阻端的 电压变化电压变化 电压变化电压变化 5/16/20243 各种小型的可变电阻（电位器）各种小型的可变电阻（电位器）(2)(2)可调电阻可调电阻 微调电阻微调电阻 滑线变阻器滑线变阻器 胶木板型胶木板型 瓷板型瓷板型 有机实芯型有机实芯型 精密多圈型精密多圈型可变电阻在电路中的表示图可变电阻在电路中的表示图实物照片实物照片5/16/20246各种体积较大的可变电阻各种体积较大的可变电阻(电位器电位器)5/16/20247 *电位器阻值变化特性电位器阻值变化特性 直线式直线式 （X)X)、对数式（、对数式（D D）、指数式（）、指数式（Z Z）5/16/202481.1.分析制流电路分析制流电路 当当C C滑至滑至A A点，点，R RACAC=0=0时，则时，则 负载上电压负载上电压电路中电流电路中电流5/16/20249当当C C滑至滑至B B点，点，时，时，则：则：负载端的电压负载端的电压电路中的电流电路中的电流5/16/202410 由以上关系可得到电路内相应的由以上关系可得到电路内相应的电路中电流变化范围为：电路中电流变化范围为：负载端电压变化范围为：负载端电压变化范围为：最小最小最大最大最低最低最高最高5/16/2024112 2分析分压电路分析分压电路 滑线变阻器上的两个固定端滑线变阻器上的两个固定端A A、B B与电源与电源E E相接，而负相接，而负载电阻载电阻R RZ Z是接在滑线变阻器的滑动端是接在滑线变阻器的滑动端C C和固定端和固定端A A或或B B上。上。5/16/202412当当C C点由点由A BA B端时，端时，负载电阻上负载电阻上U URZRZ由由0 E0 E，得到：得到：1.1.调节的范围与变阻器的阻值无关；调节的范围与变阻器的阻值无关；2.AC2.AC两端的分压值可由下式得到：两端的分压值可由下式得到：思考：如果思考：如果R R0 0取得较小或很大，会怎么样？取得较小或很大，会怎么样？5/16/2024133 3制流电路与分压电路的差别及选择制流电路与分压电路的差别及选择（1 1）分析调节范围）分析调节范围 分压电路的电压调节范围较大，可从分压电路的电压调节范围较大，可从0E0E；而制流电路的电压调节范围较小，只能从而制流电路的电压调节范围较小，只能从5/16/202414（2 2）分析细调程度）分析细调程度 当当 时，在整个调节范围内的调节程度基本时，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，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。但调节的程度却较粗糙。5/16/202415(3)(3)分析功率损耗分析功率损耗 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。大。基于以上的差别基于以上的差别 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。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。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？思考：二级制流电路或二段分压电路的线路图是怎样的？5/16/202416RzR2R1KERzR2R1EK二级限流电路二级限流电路二级分压电路二级分压电路5/16/202417设计与应用性实验内容：设计与应用性实验内容：1.1.分析与研究当分析与研究当 为不同时，得到电路的为不同时，得到电路的 制流特性曲线制流特性曲线I IX X是怎样的，是怎样的，。IX？作为回家作业思考并画一下作为回家作业思考并画一下5/16/202418设计与应用性实验内容：设计与应用性实验内容：2.2.分析与研究当分析与研究当 为不同时，得到电路的为不同时，得到电路的 分压特性曲线分压特性曲线U UX X是怎样的，是怎样的，。U U？X作为回家作业思考并画一下作为回家作业思考并画一下5/16/202419设计与应用性实验内容：设计与应用性实验内容：3.3.设计一个分压电路，要求能同时控制二个设计一个分压电路，要求能同时控制二个 小灯泡进行交替亮暗的变化。小灯泡进行交替亮暗的变化。思考：思考：a.a.电路的形式；电路的形式；b.b.同时交替亮暗的变化。同时交替亮暗的变化。5/16/202420D1D2REK分压的方式分压的方式思考：思考：分压电阻在选择上分压电阻在选择上有什么要求？有什么要求？1.1.阻值上的要求阻值上的要求2.2.类型上的要求类型上的要求3.3.功率上的要求功率上的要求 5/16/202421设计与应用性实验内容：设计与应用性实验内容：4.4.设计一个分压电路，要求通过测量电压的设计一个分压电路，要求通过测量电压的 方式来得到测量高值电阻的目的。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提示：通过分压的方式串接一个标准电阻R0。5/16/202422FVXV0RXR0E分压的方式分压的方式放大器放大器5/16/202423设计与应用性实验内容：设计与应用性实验内容：5.5.设计一个分压电路，要求通过测量电压的方式来设计一个分压电路，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、角度得到测量一些非电量的结果（譬如位移量、角度量、温度量等）。量、温度量等）。提示：提示：a.a.可变电阻的左右移动即为位移量的变化；可变电阻的左右移动即为位移量的变化；b.b.电位器的旋转即为角度量的变化；电位器的旋转即为角度量的变化；c.c.热敏电阻阻值的变化与其所处的温度有关。热敏电阻阻值的变化与其所处的温度有关。5/16/202424定标，测出旋转一圈或定标，测出旋转一圈或n n圈变化的电阻值圈变化的电阻值然后定出旋转一度的阻值或电压值。然后定出旋转一度的阻值或电压值。5/16/202425实验七实验七 磁电式直流电表的改装与实践磁电式直流电表的改装与实践实验目的：实验目的：1.1.了解磁电式直流电表内部的结构和偏转原理。了解磁电式直流电表内部的结构和偏转原理。2.2.学会将磁电式直流电表改装成多量程的电流表、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。电压表及欧姆表。3.3.学习和实践制作必要的实验装置。学习和实践制作必要的实验装置。5/16/202426实验原理：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。仪器之一，其内、外部结构见下图。5/16/2024271.1.将微安表改装成欧姆表如图所示将微安表改装成欧姆表如图所示A欧姆表欧姆表ER0RX5/16/202428假设假设E E1.5V1.5V 270270120120 70 70 45 45 30 30 20 2012.912.97.57.53.33.3 0 0 0 0 5 5 10 10 15 15 20 20 25 25 30 30 35 35 40 40 45 45 50 50满刻度电流值满刻度电流值中心刻度电流中心刻度电流对应的电阻值对应的电阻值9012.55/16/2024292.2.将微安表改装成毫安表将微安表改装成毫安表 设电表的原有量限为设电表的原有量限为I I0 0（），现要设计成能测量最大值为），现要设计成能测量最大值为50mA50mA的的 电流表（电流表（扩大量程扩大量程10001000倍倍），应考虑设法与表头并联一个电阻起到分流的作用），应考虑设法与表头并联一个电阻起到分流的作用.R1=?I IR1R1=0.05A-I=0.05A-I0 0 0.05A0.05AI I0 0 RmRmRs5/16/2024303.3.将微安表改装成直流电压表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，其测量电压值为初始的电流表要用以测量电压，其测量电压值为 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，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即将微安表不能承受的那部分电压降落在分压电阻R RS S上，见图上，见图5 5。IgIgR Rg gR RS SU Ug g5V5V50V50VR1 15/16/202431实验内容：实验内容：1 1测出微安表头（测出微安表头（50A50A）的内阻值（可有多种测）的内阻值（可有多种测 量表头内阻的方法）。量表头内阻的方法）。提示：提示：（1 1）半偏法测量内阻）半偏法测量内阻（2 2）替代法测量内阻）替代法测量内阻（3 3）电桥法测量内阻）电桥法测量内阻 等其他方法等其他方法5/16/202432 半偏法测定电表内阻半偏法测定电表内阻5/16/202433替代法测定电表内阻替代法测定电表内阻重要的是保持重要的是保持A0电流不变电流不变5/16/202434 直流电桥法测电阻直流电桥法测电阻实验线路和测量方法实验线路和测量方法5/16/202435实验八实验八 电桥电路的设计与应用电桥电路的设计与应用 实验目的：实验目的：1.1.了解电桥电路测量电阻变化的特点。了解电桥电路测量电阻变化的特点。2.2.学会组合电桥电路的原理。学会组合电桥电路的原理。3.3.拓展电桥电路的应用及非电量的检测。拓展电桥电路的应用及非电量的检测。5/16/202436实验原理：实验原理：电桥电路本质上是利用电阻与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同桥臂上电阻之间的比例关系 来得到某一被测电阻值。来得到某一被测电阻值。5/16/202437实验内容：实验内容：1.1.用热敏电阻作为测温器件，设计一个电桥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。法制作一个电子温度计。热敏电阻热敏电阻定标：得到定标：得到00C时的电阻值和时的电阻值和1000C时的电阻值，时的电阻值，然后由然后由5/16/202438用平衡电桥法测量温度用平衡电桥法测量温度 热敏电阻热敏电阻（测温元件）（测温元件）定标：得到定标：得到00C时的电阻值和时的电阻值和1000C时的电阻值，时的电阻值，然后由然后由5/16/202439用非平衡电桥法测量温度用非平衡电桥法测量温度 热敏电阻热敏电阻（测温元件）（测温元件）定标：得到定标：得到00C时的电压值和时的电压值和1000C时的电压值，时的电压值，然后由然后由5/16/202440实验九实验九 示波器的使用与测量示波器的使用与测量实验目的：实验目的：1.1.学会示波器的使用与操作方法学会示波器的使用与操作方法2.2.了解示波器显示交变电信号波形的基本原了解示波器显示交变电信号波形的基本原 理理3.3.学会用示波器检测各种电信号的方法学会用示波器检测各种电信号的方法5/16/202441实验仪器：实验仪器：示波器（双踪）、示波器（双踪）、多用电表、多用电表、交流信号发生器、交流信号发生器、电阻箱、电阻箱、电容器、电容器、电感线圈、电感线圈、导线等导线等 5/16/202442实验原理：实验原理：一示波器的构造与基本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。示波管、扫描发生器、同步电路、水平轴和垂直轴放大器、电源。5/16/202443示波管示波管 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；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）、即：电子枪（阴极、栅极、阳极）、偏转极（偏转极（X X偏转极和偏转极和Y Y偏转极）、偏转极）、荧光屏等。荧光屏等。电子束电子束5/16/202444扫描发生器扫描发生器 被测的交变电信号加到一对被测的交变电信号加到一对Y Y偏转极上，而在一对偏转极上，而在一对X X偏转极偏转极 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，作用。即波形图是函数曲线的一部分，X X与与Y Y两对偏转极上两对偏转极上 的电信号在示波管上合成的效果见下：的电信号在示波管上合成的效果见下：5/16/202445同步电路同步电路 同步电路是为了示波器在工作时时能观察到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，则要求稳定的波形而设定的电路，则要求X X方向的方向的 起始扫描相位每次都相等，即要求扫描电压起始扫描相位每次都相等，即要求扫描电压 周期周期TxTx为被测电压周期为被测电压周期TyTy的的n n倍（倍（n n1 1、2 2、3 3、）。）。同步电平调整旋钮同步电平调整旋钮5/16/202446水平轴与垂直轴放大器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，通常的波形适中。在示波器的操作面板上，通常 有可分别控制有可分别控制X X、Y Y两方向的调节旋钮。两方向的调节旋钮。X X扫描档调节旋钮扫描档调节旋钮Y1Y1衰减档调节旋钮衰减档调节旋钮Y2Y2衰减档调节旋钮衰减档调节旋钮5/16/2024475/16/2024485/16/2024495/16/2024505/16/2024511.1.观察波形观察波形 （校准校准基准方波信号基准方波信号 譬如：譬如：1KHZ1KHZ、50mV50mV）实验内容实验内容5/16/2024522.2.测量交变电信号的电压值测量交变电信号的电压值读数与计算：读数与计算：读其读其y y方向上的高度方向上的高度5/16/2024533.3.测量交变电信号的周期与频率值测量交变电信号的周期与频率值在在x x方向上读其峰峰间距方向上读其峰峰间距T5/16/2024545/16/2024554.4.测量两交变电信号间的相位差值测量两交变电信号间的相位差值5/16/2024565.5.设计并制作一个移相器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。电路中的相位差变化情况。提示：提示：用电容与电阻相连接后产生一定的相位差用电容与电阻相连接后产生一定的相位差 （一级（一级RCRC移相电路）移相电路）输入输入交流交流信号信号输出有相位差的输出有相位差的交流信号交流信号CR5/16/2024576.6.用示波器测量非电量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、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。物体质量间的变化等参数。提示：提示：（1 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）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。示波器。（2 2）将非电量设法通过变化电阻、电容、电感、频率等参数量后，）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。再由相应的电路输入于示波器。（3 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）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。来实现将非电量转换成电量后输入于示波器。5/16/2024587.7.用示波器来鉴别电学黑盒子用示波器来鉴别电学黑盒子1324Y1Y21.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5/16/202459