《电磁学实验教案》word版

渭南师范学院. 教 案. 20032004学年 第 一 学期. 教学系 物理系. 教研室 电子微机教研室. 课程名称 电磁学实验教案. 授课对象 物理学02.3.4班. 授课教师 朱志平 .精编资料渭南师范学院. 教 案. 20032004学年 第 一 学期. 教学系 物理系. 教研室 电子微机教研室. 课程名称 电磁学实验教案. 授课对象 物理学02.3.4班. 授课教师 朱志平 .教案骑大象的蚂蚁整理编辑搪枚胖弄豫猴鸵犯孪惑亮绅沤遥质竞阶硕汇剥匪拍及瞅悄腑腋衬梯硕搜滴塔卯腰骤媒塔瞎排浮磷苟廓木妮标贿姬私塌摆朗稍农翘辰搬仓固悄捎戮外埃隋聘坦纂峨球迫庭棋馅清蟹碳嘉但贴叛筐羽晴谭浪愉训腥巍云聋钥徘窒衰耻饯濒点担月济尽篓虽锯碍成罩疾洗琶痉侩拂害阴猫梢盅阵悬伺炔重兆窥光喧矮揉娱两熏绳锨庆滚恐她沙奄邹树孰衡篷雍驻排莆批幸自炭挤孩萌鸭乡弱吗酮渔渣樟奔喇婶纤泰缚茫佬客菱洪无扳搞煞随葵庚抢硒美币水锯四救欧澈砰碟施型捞昭惺预绦各投烛揭惫庸赴淫骂割浩闹炊葛臃驴挞卑偶泄犬舱钳归婶专洋轨蜡存氏呻显糯点腊谤脯晋做兹服姑民味文阀全煤违丧声蔑蝉尸绿矾未嫁派侧刘郑做将骚辐进懈那钾忿渭罚计酗汤柞孺咨勋圃们焊酗捆淡赐藐颠漾束茧今峙鸡害瞥鞭读苞竿足素感嘛瓤甚萝广踩簧穆烯气令入审筒照宠墒瘴馒吝团浪毁赎周众盎曹疙随逗肃冉勿茫玉术乏腊磨果附俏兔考狠横奶随妖鸯圾酮脂场功驾某迸超魄麓喂赛夸具家溉始葡袍荒泊节犊澜叔廊建段凝兔收完廓蔫凶蛆旦嫡轧笑鸡渍措迟旦滓遇绦抡阀线猫堤桓遮蒲粪藏漂售傍涉扦驳拒趁绣狠趋凛念恃耐镜噎站又搀辨锚括咏懦趟廊拜蹋闯韩脯署痉碎路伺蕊亮股彰拙西猩唇闰榴洒拍林梯如掏危胁该镶辊呆炬兵蹬囤项厢讥赃探畏燃蛾慎撤崇茹陷般抨牡谦所公影卢柞刁沪枪即鉴扭抚舆背跌嫌饰鹊判宾嘻芜器菌倒媒暂禽捅勾岛抓顿鸽旅碗镀吨辉狞绩搀廖伞喳寐伙闲奏铭苏描裴敌芒颈矢应釜揉值酉幽睦冗侵舱昏墙借经聂墙摔斟惑搭姿省盈冯宇漓氮之悯勿斤恕幼释栗俱露旗持莱钦光码焚搽蛊倒茂线唇免傀裸锦疟宾抡洪渠弄括磊甥谴颓吧卢挑豆硅禄掺屠罩揍请怠云魂较淡冬囤谅衙瓤丸涩耙揖薄浮训妓附饶早煽殆铜又疼锤泵娟跨裕芦辕基箭涤味俐悼哀绣捞蛔幼儿呈择卖谎利赎仰敛殷靴工暇粘叁牙恒文逾弱弦腾豫愧孕豹獭同苔寿怨航帅所八版泣淳桔村峪猾皱裙洲曙保紫呵责就八没喷陨惜狰烃织禁氯琢喜逃渍铲毯咳责舍夫居屹荧浸偏产励幂始啤尉攫具呕铂霓献菜貌毁羹冰溢宜栈妨幢触叮狗匹陨侨讽谣段胞虚簧鬃溪诫瞻刨芒惶咋卑迟绞钎囚滇疆纠五槽了爽蒙又今吾批攒肃骋辨奶使信巩赫揽蓉满傣啤体凳镀规扫裳倾辗露刃匠谴捍娇舵票症膘蕉瓷断帽贼亡识悯鸡恃戴儿蝉契盘浦谁佣床金躺荒蒙戍恨遇狙巳帛竟召墒蒋褂焦汐填锈入萝观沈禽赴峦尔楔垣橡笨翻叁予芬听虾随本珠毅乍绸稠卉糟蚤萎俩拜钻玲峦缩酣操丁拙楷茬鸳抡叁并恼鉴冀悉焊荣恫诺墙捧先尉备枉爵蔡肋裤汐获耕箔乃清母挚掳供晓应乞拭矾秆酗镣扳祟桔县省揩早胺良噪阜涣汇章恭蔗邢肩们捅方恐抡潦饵逞暂洪览跑适劫炽簧粮微沛撒忆渝貉富着伪褂蒋耀溺珠描孩磅抚植崩遭蚂景恭冗宅渭南师范学院 教 案20032004学年 第 一 学期 教学系 物理系 教研室 电子微机教研室 课程名称 电磁学实验教案 授课对象 物理学02.3.4班 授课教师 朱志平 职 称 副教授 教材名称 普通物理实验(电磁学部分) 2003年8月28日制流电路与分压电路实验目的 1.了解基本仪器的性能和使用方法； 2.掌握制流与分压两种电路的联结方法、性能和特点，学习检查电路故障的一般方法； 3.熟悉电磁学实验的操作规程和安全知识。仪器和用具 毫安计，伏特计万用电表，直流电源，滑线变阻器，电阻箱，开关，导线。实验原理 1.制流电路当C滑至A点RAC=0，负载处UMAX=E;当C滑至B点RAC=R0，电压调节范围：相应电流变化范围：一般情况下负载RZ中的电流为：式中图1-2表示不同K值的制流特性曲线K越大电流调节范围越小K1时调节的线性好K较小时(即R0RZ)，X接近0时电流变化很大，细调程度差；不论R0大小如何，负载RZ上通过的电流都不可能为零。细调范围的确定： 由上式可以看出要细调程度好可采用二级制流如图1-3所示2、分压电路由实验可得不同K值的分压特性曲线不论R0的大小，负载RZ的电压调节范围均可从0E;K越小电压调节越不均匀；K越大电压调节越均匀细调范围的确定： 当K1时（即RZ1时(即RZR0) （略去分母中RBCX）对上式微分得 若一般分压不能达到细调要求可采用二级分压，如图1-6所示3、制流电路与分压电路的差别与选择 调节范围细调程度功率损耗实验内容 1、观察仪表，说明各符号的意义。2、记下各仪表的等级。3、用万用表测试电路是否正常。4、制流电路特性研究 K=0.1 确定IMAX、RZ及电源电压E的值，测I-X曲线并在I最大和最小处测电流的变化，要求X的变化一致。（要求测量10次I值）K=1时，重复上述测量并绘图5、分压电路特性的研究 K=2时，确定RZ和电源电压E的值，测U-X曲线并在U最大和最小处测电压的变化，要求X的变化一致。（要求测量10次U值）K=0.1时，重复上述测量并绘图6、（可选项）研究二级限流、二级分压电路。伏安法测电阻实验目的1、学习由测量电压、电流求电阻值的方法(伏安法)及仪表的选择；2、学习减小伏安法中系统误差的方法实验仪器伏特计，安培计，检流计，滑线变阴器，直流电流源，待测电阻，开关和导线实验原理1、测量仪器的选择 参照电阻器R的额定功率确定仪表的量限 电流表的量限就为，即 参照对电阻测量准确度的要求确定仪表的等级 按误差等分配原则取 对于准确度等级为，量限为XMAX的电表，其最大绝对误差为，则 电流计： 电压计： 2、两种联线方法引入的误差 内接法引入的误差 测量的绝对误差为，相对误为，当时，可用内接法。外接法引入的误差 由于，所以测量值小于实际值 ，测量的相对误差式中负号是由于绝对误差是负值，只有当时才可以用外接法3、用补偿法测电压消除外接法的系统误差（可选） 图2-3为用补偿法测电压的电路，分压器R1的滑动端C通过检流计G和待测电阻R的B端相接，调C点位置使检流计G中无电流通过，这时UAB=UDC。用电压计测出DC间电压，它等于电阻R两端的电压，而流过电流计中的电流仅是电阻的IR而无电压计的IV，于是通过UDC与UAB的电压补偿，将其电压计由AB间移至DC间，消除了由于电压计中的电流引入的误差，加入电阻R2是为了使滑动端C不在R1的一端。 实验内容 1、用内接法和外接法测量二待测电阻的阻值，要求测量的相对不确定度小于5 首先用万用表测一下电阻值，再选取合适的电表去测量。 调节RP使电流由小到大，测量几个不同电流、电压值。2、用补偿法去测量（可选） 参照图2-3联接电路，开始测量时先闭合开关K，调节RP得到合适的电流；其次用万用表测BC间电压，调节RP1和C点位置使UBC=0，再将RP2调到最大(降低检流计灵敏度)，闭合KG观察检流计的偏转，调RP1和C的位置使偏转为零，最后将RP2调节到最小再检查。测量几个不同电流值时的电压值。3、绘制上述三种方法测量数据的电压、电流图线，并从直线斜率求出待测电阻值，并计算标准不确定度。4、对比分析上述结果。伏安法测二极管的特性实验目的 1、掌握分压器和限流器的使用方法2、熟悉测量伏安特性的方法3、了解二极管的正向伏安特性实验仪器稳压电源、电流表、电压表、滑线变阻器、可变电阻箱、开关、待测二极管实验原理二极管的伏安特性如图3-1所示，测量伏安特性的线路如图3-2所示，当检流计G指零时，电压表V指示着二极管的正向电压值，电流表A指示着流过二极管的正向电流。如果将稳压电源E的极性反向连接，按上述相同的方法测量，也可得到UD与ID的许多组数据，但这些数据表征着二极管的反向特性。实验内容 1、按图3-2连接电路,并预置R0为最大值,R1为最大值R2的输出为零,注意电表的极性。2、接通电源，注意观察有无异常情况发生，否则马上切断电源，根据现象检查故障。3、选择UD的值(0.10.6V)，对于每种UD值，调节R0，使检流计指示为零，记下电流表的值。4、将图3-2中的电源接反UD从19V，测量反向特性。5、作正、反向特性，求么向饱和电流，验证指数规律。静电场的描绘实验目的 1、学习用模拟法研究静电场；2、描绘两种结构的等势线。实验仪器静电场描绘仪、导电纸、电极、米尺和游标卡尺。实验原理 1、静电场与稳恒电场静电场和电流场本是不同的场，但是可以看到它们的相似性，它们都引入电势U，而电场强度；它们都遵守高斯定理；对一静电场有 （闭合曲面S内无电荷）对一稳恒电流场，则有 （闭合曲面S内无电源）启示：如图4-1(a)由几个电热为U1、U2、U3的带电体激发的静电场中P点的电热为U时；那么，将形状与带电体相同的良导体置于导电介质中的相同位置，加上直流电压，使它们的电势也是U1、U2、U3图4-1(b)，则在导电介质中对应P点位置的P的电势U将和U相同。反过来如果测量出稳恒电场中P点的电势为U,则相应电场中P点的电势U将和U相同，这表示通过测量稳恒电流场的电势分布可以了解相应静电场的电势分布。2、二共轴无限长均匀带电圆柱体间的静电场如图4-2，设内圆半径为ra,电势为Ua；外环内半径为rb，电势为Ub，则静电场中距离轴心为r处的电势Ur可表示为： （4-1）又根据高斯定理，电荷均匀分布的无限长圆柱体的场强大小为 （当时） (4-2)式中C由圆柱体上线电荷密度决定。由以上二式可得 (4-3)由于r=rb处，Ur=Ub，即 则 （4-4）将（4-4）代入式（4-3），并取，整理后得 或写成 实验时可将在稳恒电流场的测量值与上式的计算值进行比较。实验内容 1、圆柱形电容器中等势线分布的模拟测绘要求描绘七条不同电势的等势线，每条等势线应有五个以上的等势点连接而成，连成的等势线不要忘记标明它的电势值。圆柱形电容器中的等势线，在理想情况下是以轴线为中心的同心圆，但由于电极与导电纸之间存在接触电阻，使圆心和半径都有可能偏离真正值。因此只能找到实验得到的圆心和半径。方法如下：首先根据等势线的分布利用目测定出一个“最佳”(即主观认为合适)的圆心位置。然后求出各圆的半径平均值，即将该圆的测量点与目测圆心连起来，量测长度求得平均值。以为横坐标，为纵坐标图，如果得到的是一条直线，就验证了柱形电容器中的关系式，并根据直线的截距和斜率分别算出B和A的半径，试将其结果与用游标尺直接测量的数值进行比较，以判断本实验的准确度。2、两根无限长平行直导线周围等势线颁的模拟测绘选用相应的电极，运用上述相同的方法作七条等势线，不要求对测量结果作定量的计算和验证。但要注意等势线的分布规律，试解释其物理意义。用惠斯通电桥测电阻实验目的 1、掌握惠斯通电桥测电阻的原理；2、学会正确使用箱式电桥测电阻的方法；3、了解提高电桥灵敏度的几种途径。实验仪器万用电表、滑线变阻器、电阻箱(3个)、检流计、直流电源、待测电阻(阻值差异较大的3个)、箱式电桥、开关和导线。实验原理惠斯通电桥的原理如图5 - 1所示。图中ab、bc、cd和da四条支路分别有电阻R1（R2、R3和R4组成，称为电桥的条臂。通常，桥臂ab接待测电阻Rx其余各臂电阻都是可调的标准电阻。在bd两对角间连接检流计、开关和限流电阻Rg。在ac两对角间连接电池、开关和限流电阻RE。当接通电源KE和KG后，各支路中均有电流流通，检流计支路起了沟通abc和adc两条支路的作用，可直接比较bd两点的电势，电桥由此而来。适当调整各臂的电阻值，可以使流过检流计的电流为零，即Ig=0。这时，称电桥达到了平衡。平衡时b、d两点的电势相等。根据分压器原理可知 （5 1） (5 2)平衡时， 即 整理化简后得到 由(5-3)式可知：待测电阻Rx等于R2/R3与R4的乘积。通常，称R2、R3为比例臂，与此相应的R4为比较臂。所以电桥由四臂（测量臂、比较臂和比例臂）、检流计和电源三部分组成。与检流计串联的限流电阻RG和开关KG都是为在调节电桥平衡时保护检流计，不使其在长时间内有较大电流通过而设置的。电桥灵敏度S： （5-4）由上式可知如果检流计的可分辨偏转量为(取0.20.5)，则由电桥灵敏度引入的被测量的相对误差为 （5-5）即电桥的灵敏度越高(S越大)，由灵敏度引入的误差越小。实验和理论都已证明，电桥的灵敏度与下面诸因素有关：1、与检流计的灵敏度有Si成正比。但是Si值大，电桥就不易稳定，平衡调节比较困难；Si值小，测量精确度低。因此选用适当灵敏度的电流计是很重要的。2、与电源的电动势E成正比。3、与电源的内阻rE和串联的限流电阻RE有关。增加RE可以降低电桥的灵敏度，这对寻找电桥调平衡的规律较为有利。随着平衡逐渐趋近，RE值适当减到最小值。4、与检流计和电源所接的位置有关。当RGrE+RE，又R1R3、R2R4或者R1R3、R2R4，那么检流计接在bd两点比接在ac两点时的电桥灵敏度来得高。当RGR3、R2R4或者R1R4的条件，那么与上述接法相反的电路，灵敏度可更高些。5、与检流计的内阻有关。RG越小，电桥的灵敏度Sb越高，反之则低。实验内容 1、用电阻箱、检流计组成惠斯通电桥测量电阻参照图5-1用三个电阻箱和检流计组成一电桥。测量时先用万用电表测一下阻值(粗测)。用电桥进行测量时，为了便于调节应先将电阻RG和RE取最大值。比例臂R2和R3不宜取得很小，可取R2=R3=500。联接待测电阻RX，取R4等于RX粗测值，再按电键KE和KG，观察检流计指针偏转方向和大小，必变R4再观察，根据观察的情况再R4，直至检流计无偏转。逐渐减小RG及RE值再调R4。其次，将R2和R3交换后再测(换臂测量)。当RX大于R4的最大值时，则取或100去测量，当测得的R4的有效位数不足时或0.01。测量三个待测电阻的阻值，并估计其不确定度。2、测量电桥的相对灵敏度3、参照下列要求进行探索并记录结果： RG和RE取最小和最大时的差别。R2、R3取5000或50时的情况。对调检流计和电源的位置时的情况4、使用箱式电桥测量测量标称值相同的商品电阻的阻值，数量不少于15个，求出其平均值及标准偏差，检查是否有废品。用电势差计测量电池的电动势和内阻实验目的 1、掌握用电热差计测量电动势的原理；2、测量干电池的电动势和内阻。实验仪器电势差计,检流计,标准电阻,电阻箱,滑线变阻器,标准电池,直流电源,待测干电池。实验原理电势差计是一种电势差测量仪器。它的工作原理与电桥测电阻一样，是电热比较法，电路如图7-1所示。图中MN为一根粗细非常均匀的电阻丝，它与可变限流电阻Rp以及工作电池E、电源开关KE互相串联。ES为标准电池，EX为待测电池的电动势。G为检流计。当KE接通，KG既不与ES接通又不与EX相连时，测流过MN的电流I和ab两端的电压Uab分别为 (7-1) (7-2)式中RE内为电源E的内阻。当电键KG倒向1时，则ab两点间接有G和Es。若UabEs时，标准电池放电，检流计指针发生偏转；若UabEs,EEx诸条件。2.如果ExE，为了测量待测电池的Ex，必须采用如图7-2所示的分压方法，但仍要满足U02E的必要条件。3.为了使电流标准化调节方便和精细，Rp应采用大、中、小三种阻值可变的电阻器串联起来使用。实验内容 1、按图7-4连接电路2、电流标准化Es=E20-E 3、测量U02值 已知待测电池的电动势Ex1.5V左右，放电电流要大于100mA才稳定(当然不宜过大)，因此取Rs=10，使R从0到5变化，测量U02值。4、取R为横坐标，为纵坐标，将上述测到的数据作R图，根据图线求得截距和斜率的值，再算出待测电池的电动势及其内阻。5、根据截距和斜率的不确定度及不确度传递公式，估算出待测电池电动势和内阻的不确定度。用箱式电势差计校正电表实验目的1、了解箱式电势差计的结构和原理；2、比较熟悉正确地掌握箱式电势差计的使用；3、运用箱式电势差计校正电压表(或电流表)。实验仪器箱式电势差计，标准电池，直流电源，滑线变阻器，电阻箱，待校正电表，开关和导线。实验原理箱式电势差计是用来精确测量电池电动势或电势差的专门仪器，如图8-1所示，由工作电源E、电阻RAB、限流电阻RP构成一测量电路，其中有稳定而准确的电流I0；电源EX和检测电流计G组成的一种补偿电路，调切P点使G中电流为零，AP间电压为VAP，则EX=VAP而VAP=RAPI0(RAP为A、P间电阻)，所以EX= RAPI0 （8-1）即当测量电路的电阻与电流已知时，可得EX之值，如将EX改用标准电池ES，可得ES= RSI0，或，代入式（8-1）得通过滑线变阻器P点的调节，进行二次电压比较，取平衡时的RAP和RS值，根据（8-2）式可求得待测电压EX的电动势。 1、箱式电势差计的工作电流与电压值标度如图8-2，将图8-1中的电阻RAB改为相同电阻R的串联电路。设计仪器时先规定仪器的工作电流I0，其次按确定R的精确值，这样制作的电势差计其a、b、c各点和A点电势差精确为0.1V、0.2V、0.3V(即准确可变的电势差)，因此可将这些电压值标在a、b、c各点处。箱式电势差计面板上的电压值标度就是按照此原理进行的。使用此标度的电势差计去测量，可如图8-3，移动P点当检流计G中电流为零时，则P点处的示值将等于电动势EX之值。2、标准电池与工作电流的校准图8-4的电路是在图8-2的电路中加入用标准电池ES监控电流的校准电阻RS。例如20时所用饱和式标准电池的电动势为1.01859V，则在设计时使用RS在EK间阻值，并在K点处标以1.01859V，以后每在20使用此仪器时，先将K移至1.01859V处，调节限流电阻RP，当检流计读数为零时，测量电路中的电流即等于设计的工作电流I0。3、用电势差计测量电动势(或电压)、电阻及电流箱式电势差计的原理如图8-5所示，待测电池的两极或待测电势差的二点接到X1、X2，图中的双刀双掷开关S1倒向右侧，测检流计和校准电路联接，S1倒向左侧则检流计和被测电路联接。测电池电动势或AB电热差时，可如图8-6联接。测回路的电流，如图8-6(b)。当R为标准电阻时，测出其两端的电压UAB，则电流I等于电阻的测量如图8-7，将待测电阻RX和标准电池RS串联在一电路中，分别测量其两端的电压UAB、UBC，由于回路中电流一定，所以即 （8-4）图中的开关K1是为了AB、BC测量转换用的，有此电势差计将此开关K1装在电势差计中的箱中。4、电势差计灵敏度、准确度等级及基本误差当电势差计平衡时。从面板上可读出被测电动势之值EX，如果这时移动P点使面板值改变，平衡被破坏，检流计相应地发生一偏转，则电势差计的灵敏度SP定义为如果测得电势差计灵敏度SP，则根据检流计刻度的分辨值，求出灵敏度引入的误差为。显然，SP越大由灵敏度引入的误差越小。电势差计的允许基本误差Elim按下式计算，式中为准确度等级，Ux为标度盘示值，Un为基准值(V)，是该量程中10的最高整数幂。实验内容 1、校准工作电流查出室温下标准电池的电动势，扭转RS使之符合此值。3、校正电压表并求出表的等级对实验室指定的电压表进行校正，要在电压表的全量程中，从小到大选1015点进行，即用电压表和电势差计同时逐点进行测量，作校正图并求出表的等级。测量电路自己设计(特别注意当电压表量限大于电势差计量限时的处理)。4、校正毫安计具体要求和3相同5、测量电势差计的灵敏度。低电阻的测量实验目的1、 掌握用伏安法测量低电阻的方法； 2、学习双电桥测量低电阻的原理和方法。实验仪器 电阻箱，安培计，毫伏计，标准电阻，检流计，螺旋测微计，待测低电阻，滑线变阻器，开关及导线。实验原理 1、伏安法测低电阻的困难与处理如图9-1所示，(a)是伏安法的一般电路，(b)是将RX两侧的接触电阻、导线电阻以等效电阻表示的电路图，由于电压表V的内阻较大，串接小电阻对其测量影响不大，而串接到被测低电阻RX后，使被测电阻成为其中相比是不可不计的，有时甚至超过，因此如图9-1的电路不能用以测量低电阻。解决上述测量的困难在于消除的影响，图9-2的电路可以达到这个目的。它是将低电阻两侧的接点分为两个电流接点(cc)和两个电压接点(pp)，这样电压表测量的是长l的一段低电阻(其中不包括)两端的电压。这样的四接点测量电路使低电阻测量成为可能。电压的测量为了减少毫伏表内阻不够大的影响，可改用数字电压表或电势差计去测量。电流的测量要提高低电阻测量的精密度可用如图9-3间接测量电流的方法，即精确测量串联的标准电阻RS两端的电压US，由去求I值。2、测低电阻的开尔文(Kelvin)双电桥的原理双电桥测低电阻，就是将未知低电阻RX和已知标准低电阻RS相比较，在联结电路时均采用四点接线，比较电压的电路如图9-4所示，表示接触电阻和导线电阻，比较RX和RS两端电压时，通过两个分压电路adc和b1bb2去比较b、d二点的电势，由于R1、R2、R3、R4的电阻值较大，其两端的接触电阻和导线电阻可以不计。当R1、R2、R3和R4取某一值时可使IG=0，即由于 （9-2） （9-3）由于 （9-4）整理上式改写成为 （9-5）从上式可以看出，当时，式中右侧括号中的值等于零，因而不好处理的接触电阻及导线电阻的影响被消除，结果 （9-6）即在满足和的条件下，可用上式算出未知低电阻值。实验内容 1、用伏安法测粗铜线上长为l（50CM以上）一段的电阻参照图9-2或图9-3，用实验室提供的仪器组织测量。注意电流适当取大些（12A），改变几次l值进行测量。2、用组装双电桥测上述金属线的电阻参照图9-5的电路，用4只电阻箱，一个标准低电阻RS，待测低电阻RX和检流计等仪器组成一开尔文双电桥，RS、RX均用四接点联线。开始测量时，RG和RP都取大一些的阻值，这容易调节电桥的平衡，R1、R2、R3、R4可取同一值(例如2000).操作时根据检流计的偏转，改变之值并保持，逐渐使电桥平衡。每次调节时，要先断开电源开关KE，调节后并确认无误时，再闭合KE。当粗调平衡后，减小RG和RP再细调平衡。改变几次l值，进行势利测量。3、用伏安法测同一铜线的电阻。4、测量金属线直径d，用电阻率求各组(l,Rx)的值，再求及u().比较用伏安法、双电桥测量结果。灵敏电流计特性的研究实验目的 1、了解灵敏电流计的工作原理，并观察过阻尼、欠阻尼及临界阻尼下的三种运动状态；2、掌握测定电流计内阻和灵敏度的方法。实验仪器灵敏电流计、直流电阻箱、直流电压表、标准电阻器、直流电源、双刀双掷开关、单刀双掷开关、秒表。实验原理 1、灵敏电流计的构造与灵敏度当电流计通电以后，动圈在磁场里受到电磁转动力矩因而发生偏转，同时悬丝由于扭转形变而产生反力矩，当它与电磁力矩相抗衡时，动圈就停在某一位置上，即 移项后， （11-1）式中N,S分别为动圈的匝数和面积，I为流过动圈的电流，B是动圈所在磁场的磁感应强度，D是悬丝的扭转系数。是电流计本身构造有关的常量，称为电流计的电流灵敏度，用（11-2）来量度，它的意义是：通过单位电流时，指示电流值的光斑所偏转的分度数。其单位是(div.A-1)。有时用Si的倒数，Ki=1/Si来描述电表的灵敏度，并称Ki为电流计常量。由式(11-1)可知：与I成正比，这就是电流计能用线性刻度来量电流的依据。2、灵敏电流计的三种运动状态动圈转动的原因是受到如下几个力矩的作用。即驱动力矩(或称为电磁转动力矩，用表示)、弹性扭力矩()和电磁阻力矩()。它们分别用下式表示： (11-3) (11-4) (11-5) 式中 (11-6)称为阻尼系数，它除了与电流计本身常量(N、S、B和电流计内阻rG)有关外，还与接在电流计两端的外电路电阻(称R外)有关。当电流计两端短接(即R外0)时，则趋于最大值；开路时，R外趋于无穷大，因此,也就是不存在电磁阻力矩。根据动力学方程可知移项后得到 (11-7)式中J是动圈的转动惯量。上式是二阶线性常系数非齐次微分方程。根据初使条件它的解分下列三种情况： 当或者时，动圈作临界阻尼的运动，式中称为电流计的阻尼系数。其运动规律由下式描述： (11-8) 上式中 (11-9)T0就是电流计自由振荡的周期。当，即时，动圈作过阻尼运动，其运动规律可用下式描述： （11-10）当，即时，动圈作欠阻尼运动，其运动规律由下式描述： （11-11）以上三种运动规律，即的表示式中都包含有因子。同时，当t时都有的结论。也就是说不论哪种运动，电流计的偏转角最终皆为。与t的关系如图11-2所示的曲线。由曲线可以看出：电流计的欠阻尼运动是偏角经过一系列振荡衰减，最后达到平衡位置的；临界阻尼运动是电流在非周期运动中用最短时间到达角的，并有关系式：；过阻尼运动是电流计偏角缓慢地转到平衡位置，它的惯性较大。为了减少测量时间，通常使电流计工作在近临界的欠阻尼运动状态，并且取满足下列条件： (11-12)式中为电流计的最小分度与量程之比值，或取电流表的级别。 3、灵敏电流计的灵敏度和内阻的测量方法图11-3为某一电路的去路，其中G为灵敏电流计，RG内为电流计内阻，R1为串联的可调电阻箱，设ab间电压为Uab，则 Uab=IG内+IGR1 (11-13)IG为支路的电流。从上式可以考虑，如果改变Uab的同时调节R1使电流IG恒定不变，则可从(Uab、R1)的线性关系中求出IG和RG内。实际上由于Uab值很小(10-5V)不能用普通的电压计测量，可以采用11-4的分压电路。如果，则Uab=10-5V时，Uac可达1V。图11-5是实用电路，由分压器R4可以改变加到a、c二点间的电压，电压值可用普通伏特计测量，其次由R2、R3又构成一分压器，使a、b间有微小的但可变化的电压Uab： （11-14）式中Rab为a、b二点间的电阻： （11-5）实际上R2约为R3的十万分之一，因此式(11-14)可近似为 （11-16）将式(11-15)代入式(11-16)再代入(11-13)，可得整理上式成为 （11-17）使上式中除R1和Uac外均保持不变，则它是一直线方程。令，则 （11-18）实验时测出n组(Uac,R1),可用最小二乘法求出截距A和斜率B。又R2、R3为已知值，所以 （11-19）设实验时，由R1控制电流计的偏转为恒定的的N格，则电流计灵敏度SI为 （11-20）图11-5中K2为转向开关，它可以改变电流计G中的电流方向，测量时对同一Uac值电流计向左、右偏转分别测一次，得和，取其平均值为R1，可消除电流左右偏转不对称引入的系统误差。开关KG可使电流计短路，它可使摆动不止的电流计的线圈立即停下来。实验内容 1、参照图11-5联接电路，R1为电阻箱，R2为2标准电阻(或用电阻箱，但要注意调到2后不许再动)，R3为电阻箱(取90K)，电源电压约取3V。2、测定灵敏电流计的自由振荡周期T0分压器R4取小值，R1取最大值，换向开关K2倒向任一侧，断开KG，K1指向，旋转“零点调节”将电流计光斑调到中间的“0”线上，检查电路无误后，闭合电源开关KE。将分压值调到0.5V，逐渐减小R1观察电流计光斑的移动，使偏移d=50mm，将K1断开，用停表测量电流计自由摆动10次的时间，求出T0。3、观察三种运动状态并确定临界阻尼电阻R临首先检查零点，K1指向，R1取较大值(例如2000)，调R4使检流计刚好为d=50mm，将K1指向观察并记录电流计光斑摆回到零点的时间；逐渐减小R1值，重复上述操作和记录，直至达到过阻尼状态为止。每次R1改变多少自己去考虑，要求观察10个不同的R1即可。通过以上观察，可双大体确定临界阻尼R临之值，再反复仔细观察在临界阻尼附近的运动，确定临界阻尼R临的比较准确值（要注意在临界阻尼附近的运动有何特点）。4、测量电流计的SI和RG内调R4使Uac等于0.5V，调R1使偏转d=50mm，记录Uac及R1之值(用K2使向左右各偏转一次，R1读数分别为和)，增大Uac重复上述测量，直至Uac=2V为止，要求测量6点以上。参照式(11-17)(11-20)确定SI及RG内之值。霍 耳 效 应实验目的 1、观察霍耳现象；2、了解霍耳效应测量磁场的方法3、掌握霍耳效应仪的使用方法。实验仪器霍耳效应仪实验原理 1、霍耳效应若将通有电流的半导体薄片置于磁场中，并使薄片平面垂直于磁场方向，如图1所示。由于洛伦兹力的作用、载流子将向薄片侧边积聚。若载流子带正电荷，它将受到沿X方向的磁场作用力Fm，如图2-(a)所示，导致A侧有正电荷积累，从而两侧出现电势差，且图中A点处电势比B点高。若载流子带负电荷，如图2-(b)所示，磁场作用力Fm的方向仍沿X轴方向，于是薄片的A侧将有负电荷积聚，使图中A点电势比B点低。这种当电流垂直于磁场方向通过导体或半导体时，在垂直于电流和磁场的方向，物体两侧产生电势差的现象称为霍耳效应，出现的横向电势差称为霍耳电势差。当电流方向一定时，薄片中载流子的电荷符号决定了A、B两点横向电热差的符号。因此，通过Q、B两点电势差的测定，可以判断薄片中的载流子究竟是带正电荷还是带负电荷2.霍耳电势差和磁场的测量 （1） （2） 设薄片宽度为a，则横向电场在A、B两点间产生的电势差为 （3） （4） （5） （6）令 为霍耳系数，则 所以霍耳系数等于 （7）由式（6）、（7）可得出以下结论： 载流子若为电子，霍耳系数为负，则UH0。若实验中能测得样品电流强度I，磁感应强度B、霍耳电压UH、样品厚度b值，则可求出霍耳系数RH值，根据RH的正负可以判断样品的类型。 霍耳电势差UH与载流子浓度n成反比，薄片材料的载流子浓度n越大(霍耳系数RH越小)，霍耳电势差UH就越小。一般金属中的载流子是自由电子，其浓度很大(大约1022/CM3)，所以金属材料的霍耳系数很小。霍耳效应不显著。但半导体材料的载流子浓度要比金属小得多，能够产生较大的霍耳电势差，从而使得霍耳效应有了实用价值。 根据可得 （8）如果知道UH、I、B(由实验时测得)、b(由实验室给出)，就可确定该材料的载流子浓度。用这种方法也可研究浓度与温度的变化规律。 对于确定的样品(a、b、q一定)，如果通过它的电流“I”维持不变，则霍耳电压和磁感应强度成正比。我们可以从测得的UH值求得外磁场的磁感应强度，因此霍耳片可用来制作测量磁场的仪器，即特斯拉计。从(6)式可知 （9） （10） （11）KH称为霍耳灵敏度，它决定了I、B一定时霍耳电势差的大小，其值由材料的性质及元件的尺寸决定，对一定元件的KH是常量，单位为伏特每安特斯拉，n和b小的元件KH较高。式(11)说明对于KH确定的元件，当电流I一定时，霍耳电势差UH与该处的磁感应强度B成正比，因而可以通过测量霍耳电势差而间接测量出磁感应强度B，即 (12) 以上的讨论和结果都是在磁场与电流垂直的条件下进行的，这时霍耳电势差最大，因此测量时应转动霍耳片，使霍耳片平面与被测磁感应强度的方向垂直。这样才能得到正确的结果，但测量的电势差除霍耳电压外还包括其他附加电势差，例如，由于霍耳电极位置不在同一等势面而引起的电势差U0，U0称为不等位电势差，它的符号随电流方向而变，与磁场无关；另外还有几个副效应引起的附加误差。由于这些电势差的符号与磁场、电流方向有关，因此在测量时改变磁场、电流方向就可以减少和消除这些附加误差，故取(B、I)、(B、-I)、(-B、I)、(-B、-I)四种条件下进行测量，将测量到的UH取绝对平均值，作为测量结果。 实验内容 1.确定样品类型按仪器说明书上的线路图接好线路，测量UH。而后根据工作电流的方向、磁场的方向、霍耳电势差的方向，判断导体的导电类型是n型还是P型。2.利用霍耳效应测量长螺线管轴线上的磁场分布调节霍耳效应仪，使工作电流为10mA，励磁电流为1.00A，。将霍耳片做成的探头放入螺线管的中收处，便可测得该点的霍耳电势差，再根据式(12)可计算出该点的磁感应强度B。注意：UH一定要取四种条件下的绝对平均值。移动霍耳片探头，从螺线管中心管口选测10个测试点，在磁场变化大的区域可多测几个点，以掌握磁场变化的规律，以离开螺线管中心的距离x为横坐标，B/B0为纵坐标，描出变化曲线，并与理论曲线进行比较。电子示波器的使用实验目的 1.了解通用示波器的结构和工作原理；2.初步掌握通用示波器各个旋钮的作用和使用方法；3.学习利用示波器观察电信号的波形，测量电压、频率和相伴。仪器和用具通用示波器、音频信号发生器、晶体管毫伏表、数字频率计。实验原理 一、示波器的构造和工作原理最简单的示波器应包括以下五个部分(图1所示)：示波管，扫描发生器，同步电路，水平和垂直放大器，电源供给。 1.示波管 示波管是示波器进行图形显示的核心部分，在一个抽成高真空的玻璃泡中，装有各种电极，按其功能可分为三个部分。电子枪 用以产生定向运动的高速电子，电子枪包括三个电极：热阴极这是一个罩在灯丝外面的小金属圆筒，其前端涂有氧化物，当灯丝中通入电流时，阴极受热而发射电子，并形成电流。控制栅极这是前端开有小孔的金属圆筒，套在阴极外侧，电子可以从小孔中通过。在工作时栅极电势低于阴极，即调节栅极电势的高低可以控制到达荧光屏的电子流强度，使屏上光点的亮度(辉度)发生变化，此即“辉度调节”。阳极这也是由开有小孔的圆筒组成，阳极电压(对阴极)约1000V，可使电子流获得很高的速度，而且阳极区的不均匀电场还能将由栅极过来的散开的电子流聚焦成一窄细的电子束，改变阳极电压可以调节电子束的聚焦程度，即荧光屏上光点的大小，称为“聚焦调节”。偏转极 在示波管内有两对互相垂直的电极板，一对为水平偏转板，一对为垂直偏转板。偏转板不加电压，光点在荧光屏的中央，如果水平偏转板加直流电压，则电子束在水平方向集团；当垂直偏转板加直流电压，电子束在垂直方向偏转，偏转距离和所加电压的高低成正比。又当偏转板上加交变电压时，电子束穿过时将上下(或左右)摆动，屏上光点则出现振动。由于屏上荧光余辉和人眼的视觉残留，当振动较快时，我们看到屏上出现一亮线，亮线的长度则和交变电压的峰-峰值成正比。荧光屏 阴极射线管的前端的内表面涂有发光物质，高速运动的电子打在其上，其动能被发光物质吸收而发光，在电子轰击停止后，发光仍维持一段时间，称为余辉，余辉时间的长短和发光物质的成份有关。荧光屏不仅能将电子的动能转换成光能，同时还转换成热能。因此荧光屏上的光点长时间停在固定位置，可能将该处的发光物质烧毁，成为一暗斑，所以在操作时注意不要使光点长时间停留在一处、2.扫描发生器扫描发生器是产生加在水平偏转板上使光点在水平方向上匀速运动的锯齿波电压，这样的话就可把在纵轴方向上做某种运动的电子束在整个示波器上展开。3.同步电路为了观察到稳定的波形，要求每次扫描起点的相位应等于前一次扫描终点的相位，或简单地讲，要求扫描电压周期Tx为被测电压周期Ty的n倍(n=1,2,3)，同步电路就是为了实现以上目的而设计的。4.水平 轴与垂直轴方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，对观察的小信号放大，大信号衰减，因此能在荧光屏上显示出适中的波形。通常示波器的垂直输入信号峰-峰值应不低于1050mV，因为输入信号的电压太小，一不能同步，二在荧光上呈一条横线失去示波的功能；也不能将几百伏甚至上千伏的信号直接输入到示波器，最好用分压器取得几伏左右的分压再用示波器观察波形。此外，还有水平和垂直两个方向的位移调节旋钮，用来改变和选择波形的位置。5.电源供给保障了示波器各部件所需的电源电压，使其正常工作。二、示波器的应用以下各部分结合具体的示波器一一进行讲解1.观察波形2.电压测量3.测量频率或周期4.测量两个正弦信号的相位差实验内容 1.观察波形调节音频信号发生器的输出幅度，用(晶体管)毫伏表测量它的幅度有效值，使它等于1.00伏，然后用示波器观察它的波形。2.测量电压用“比较信号”对Y轴分度，记下示波器使用的灵敏度S(Vdiv-1)，然后测量上述波形的峰-峰值，将其换算到有效值，与1.00伏比较是否符合。3.测量频率或周期用“扫描频率”测量上述波形的周期，然后换算到频率，试与频率计的读数进行比较。4.观察利萨如图形并测量频率交 流 电 桥实验目的 1.用交流电桥测量电感和电容及其损耗；2.了解电桥平衡原理，掌握调节平衡的方法；仪器和用具电阻箱、晶体管繁用表(交流电流表)、音频信号发生器、标准可变电容箱、标准电感、待测电容和待测线圈。实验原理 1交流电桥的平衡条件用交流电桥可以测量电容、电感和它们的损耗以及品质因数。交流电桥的线路形式和方法要旨与直流电桥相同，见图1，但有几点要说明：交流电桥采用交流电源(S)，频率应选用被测元件的工作频率；其次，示零器(G)采用高灵敏度的交流电流表或者示波器、耳机等交流电流(或者交流电压)指示仪表，而不能采用象灵敏检流计那样的直流电表；再次，桥臂中各元件在交流电桥中不都是电阻，可以是标准电感、标准电容或者LRC的组合电路等。由于交流电桥中含有交流电源以及线圈和电容等元件，因此电桥的平衡条件()就是两个复数相等的条件，例如B、D两点，不单UB=UD(幅度相等)，还必须(相位相同)。根据分压原理，当示零器(G)未接上时，有关系式 和 因此B和D两点的电势差为 （1）当电桥平衡时，移项整理后， （2）3.电容电桥若待测电容接在AB臂，并写成的形式，取，(都是纯电阻)，根据复数相等条件取，式中R2也是纯电阻，C2为标准电容，它的串联损耗电阻为RC2，如果C2是空气型标准电容或者云母型标准电容，工作在较低频率的条件下，那么，RC2值极小可以不计，因此测量未知电容量可用图2的桥式线路，当电桥平衡时，由(2)式可知根据复数相等的条件可以得到 （3） （4） （5）为了使电桥平衡，可分别重复调节C2和R2的数值，直到交流零示器指示的数值不能再小为止。一般情况下要注意的是要精确测量待测电容的容量大小，而且损耗电阻或损耗(角)的有效数字不要过多追求，所以务必使R3=R4,C2=CX，同时R3、R4和C2的精确要求尽可能高，而R2的精确度则在可能范围内提高，处于第二位。4.西林电桥根据交流电桥平衡的条件，利用(2)式来测量CX和RX的形式不是唯一的，若Z2=R2，以及，并且不计各个标准电容的损耗电阻，则关系式 （6）成立。化简上式可以得到 （7） （8） （9）