aspgec大学物理实验ii指导书

生活需要游戏，但不能游戏人生；生活需要歌舞，但不 需醉生梦死；生活需要艺术，但不能投机取巧；生活需要勇 气，但不能鲁莽蛮干；生活需要重复，但不能重蹈覆辙。 -无名 大学物理实验 II 实验指导书 目 录 实验 1、空气比热容比的测定 1 实验 2、导热体热导率的测定 3 实验 3、示波器测超声波声速 5 实验 4、光速测量实验 6 实验 5、光电效应法测普朗克常量 8 实验 6、夫兰克赫兹实验 10 实验 7、电子束聚焦和偏转研究 12 实验 8、霍尔元件基本参量及磁场的测量 14 实验 9、迈克尔逊干涉仪的调整与使用 15 实验 10、棱镜摄谱实验 16 实验 11、光栅测量 17 实验 12、硅光电池特性研究实验 18 - -1 实验 13、磁场的测量实验 19 2 实验 1、空气比热容比的测定 【实验仪器】 直流电源（6V） 、空气比热容比测定仪、空气比热容比实验仪、电阻箱（ 5 k）和三根导线 【实验内容】测定空气的比热容比值。 【注意事项】 1.实验过程中若要移动实验装置，请小心移动，不要拉扯接线； 2.本实验电路已经接好，请不要改动线路；实验完成后请不要拆线；电阻 箱的阻值固定为 5 k，请同学们自行检查此值是否正确，在以后实验过 程中不要改动； 3.温度传感器 AD590 的正负极不要接错； 【实验步骤】 1.理解实验原理，观察实验仪器和控制仪，了解仪器各部件名称、作用方 式和功能，以及测定仪面板上各按键的功能； 2.开启空气比热容比测定仪的电源开关，在测压强窗口，用调零电位器调 节零点；开启直流电源开关，电压设置为 6V，并检查电阻箱阻值（ 5 k） ，此时，温度窗口显示值约在 1400 1700 之间；打开放气阀 C2， 使瓶内气体与外界气体充分流通，时间约为几分钟； 3.关闭放气阀 C2，打开充气阀 C1；用打气球把空气稳定地打进储气瓶内， 充气时仪器压强显示值为 150 左右即可；关闭充气阀 C1；等待到达稳定 状态（第 I 状态（P 1，V 1，T 0） ）后，记录瓶内压强均匀时的压强 P1 和 温度 T0 值（P 0、T 0 值用电压 mV 表示） ； 4.迅速打开放气阀 C2，放出气体；当储气瓶内的空气压强低到环境大气压 时（放气声消失） ，及时关闭放气阀 C2（动作要快，不能超过 1 s 的时 间） 。这两步一定要做好，否则测量结果误差较大，此时为第 II 状态 （P 0，V 2，T 1） ； 5.当储气瓶内空气温度上升至室温 T0，气压稳定，即第 III 状态 （P 2，V 2，T 0）时，记下储气瓶内气体的压强 P2； - -3 6.记录完毕后，打开放气阀 C2 放气，当压强显示为“0”时，关闭放气阀 C2； 7.重复步骤 2 6，反复测量 6 次； 8.用表格形式（自行设计）列出所有原始数据，注意：物理量、有效数字 和单位； 9.测试以上显示的压强值 P与实际的压强值 P 的关系为 P = P0 + P 105/2000，其中 P0 为大气压，由实验室给出； 10. 测试仪上显示的温度值并不是实际温度值，但由于数据处理公式中没 有涉及到温度，因此，不需要进行转换，就将其显示值作为实际温 度值，表格中用 T表示；由于仪器间的差别，每台仪器显示出的室 温并不完全相同，因此每组间不要相互比较，将各自的显示值作为 室温； 11. 实验完毕后，将仪器、桌面收拾整理干净，关闭电源，然后进行数 据处理。若发现仪器缺失或损坏，要追究学生责任。 【实验报告要求】 1.将测量数据整理后依次列表于实验报告中数据处理处，常温下大气压强 P0 = 0.9570105 Pa，注意：单位、物理量和有效数字的位数； 2.将空气比热容比 计算出并求出其不确定度，注意：单位、有效数字 和列出所用公式； 3.分析可能的误差及其来源。 4 实验 2、导热体热导率的测定 【实验仪器】 导热系数实验仪（含散热盘） 、XD-TC 导热系数测定仪、待测样品、测温仪、 热电偶及其连线、水准仪（从老师处取）和游标卡尺（从老师处取） 【实验内容】 本实验要求测量一个不良导热体的热导率，此不良导热体为黄色圆柱形橡 胶材料制成的样品。实验时，此物作为被测试件放置在加热盘和散热盘之 间。 【注意事项】 1. 散热盘的背面有一个较浅的圆槽，安放时，三个螺丝尖部应置于槽内； 2. 取、放散热盘时应注意轻拿轻放，避免将散热盘掉在地上摔坏； 3. 加热盘在实验过程中温度较高，移动、触摸时应注意安全； 4. 在移动加热盘时，应先切断加热电压后再移动加热盘（”加热电压” 按钮 为红色，灯灭表示停止加热，加热盘断电） ； 5. 安插热电偶时，应将热电偶插入到底，切勿弯折导线； 6. 若散热盘已经被加热但实验失败，需要重做时，须将取下，放在仪器底 板上（不是放在桌子上） ，几分钟后，散热盘的热量被底板吸收后方可重 做试验。 【实验步骤】 1. 理解实验原理，观察实验仪器和控制仪，了解仪器各部件名称、作用方 式和功能，以及测定仪控制面板上各按键的功能； 2. 先用水准仪（可向老师借取）通过三个调平螺丝调整底板和散热盘的水 平（水泡居中） ；调平螺丝上设有锁紧螺母，调平后应锁紧定位； 3. 将被测试件放置在散热盘的上面，将加热盘自由落放在被测试件上，保 证被测试件与散热盘和加热盘的良好接触； 4. 调节控制仪器面板上“电压”设置加热电压值为交流 80 伏，按下红色按 键“电压输出” ，红灯亮，此时电压输出为 80 伏； - -5 5. “稳恒态”的确认：加热约 5 分钟后，开始测试并记录被测试件上、下 表面的温度（通过控制面板上“选择”按键进行上、下表面温度测量的 切换；测温仪使用摄氏温度，精度为 0.10C） ，填入相应表中，并计算出 上、下表面的温差T，随后，每隔 2 分钟测试记录一次，加热时间超过 一小时后，若连续三次测量的温差T 值保持不变，则认为被测试件处于 稳恒态； 6. “散热速率”的测量：在测量完被测试件的上、下表面温差T 后，切断 加热电压，停止加热，升起加热盘，取下被测试件，将加热盘下降至散 热盘上，对散热盘进行加热，等待散热盘温度上升 35 0C；移开加热盘， 每隔 10 秒钟记录一次散热盘的温度，直到散热盘温度低于平衡点（稳恒 态中的任一温度）温度 23 0C 时测量结束，将记录值填入表中。取平衡 点前、后各 10 组数据计算散热速率，注意单位。 7. 实验完毕后，将仪器、桌面收拾整理干净，电源关掉，然后进行数据处 理，若发现仪器缺失，要追究学生责任。 【实验报告要求】 1. 将测量数据整理后列表于实验报告中数据处理处（共 2 个表格） ，注意：单位、物 理量和待测样品质量 m = 250.0g； 2. 将稳恒态温度、散热速率T/t 和热导率 计算出，列出所用公式，注意：单位、 有效数字。 时 时钟设置 加热电压 指示电表 电源 开关 电压测温 切换 测温度 上温度 下温度 电压输出 指示灯 时 分 分 秒 秒 清零 6 实验 3、示波器测超声波声速 【实验目的】 了解换能器工作原理；学会用驻波法和相位比较法测量声速。 【实验器材】 示波器，信号发生器，超声波声速测定装置和温度计等。 【实验内容】 1. 测定换能器的谐振频率 f0； 2. 用驻波法测量 li，l i+5 共十组数据， 用逐差法处理并计算声速； 3. 用相位比较法测量 li，l i+5 共十组数据，用逐差法处理并计算声速； 4. 计算理想气体的声速。 【注意事项】 切勿使信号源输入端短路；禁止无目的地乱拧仪器旋钮。 - -7 实验 4 光速测量实验 一、 实验步骤及内容 1. 回忆和熟悉示波器面板上各按键和旋钮的作用，以及它们的操作方法； 2. 调整光路，使光路处于正确的工作状态，使示波器屏幕上显示的波形清晰； 3. 连接测频计，用测频计正确把调制波频率读出； 4. 调节示波器，使示波器屏幕上显示的波形个数尽量在 1 个一下，甚至在半个左 右，然后完成定标工作（即确定示波器上一小格代表的位相值） ； 5. 等距离测 法（自行设计表格）：移动棱镜小车，在导轨上取 10 个等间隔点 （见图 6.4.10） ，它们的坐标分别为 x0 = 10cm， x1 = x0 +5， x10= x9 + 5， x1 x0 = D1， x10 x0 = D10，由示波器依次读取与距离 D1， D2， D10相 对应的相移量 1， 2， 10。 Di与 i间有： ，求得 的平均值后，利用 得到光2ii if 速 c; 注意：操作时移动棱镜小车要快、准，如果两次 x0位置时的相位读数值 差 以上，需重测;1.0 6. 等相位测 法（自行设计表格）：在示波器的 方向上从左到右每隔 2 个小格 取一个相位点，共取 9 个相位点，分别为 1， 2， 9。在导轨上取 x0 = 10cm 作为起始点，并在示波器上找出信号相位波形上一特征点作为相位差 位，拉动棱镜至第一个相位点时停，迅速读取此时的距离值作为 x1，依次读0 取与相移量 1， 2， 9相对应的距离 D1， D2， D9，由 ，2i 求得 （求平均值）后，利用 得到光速 ; 注意：操作时移动棱镜小车fc 要快、准，如果两次相位差 位时的距离读数值误差超过 以上，需重测；0m1 7. 处理数据，将测量得到的光速值与理论值之间求相对误差。 二、 实验报告的要求 8 1. 实验目的： 2. 实验仪器：要求给出所用仪器的型号； 3. 实验原理：要求写出相位法测 法的原理部分，包括所对应的原理图； 4. 实验步骤：归纳整理出实验步骤； 5. 数据处理：原始数据要求以表格形式记录在原始数据记录表中，数据计算要求 给出公式，写出计算过程。从原始数据读数到实验结果的表示，注意有效数字 的正确使用。等距离测 法和等相位测 法的实验结果应分别表示。不要求计 算不确定度。 6. 学习体会、误差分析或实验设计： 1） 通过实验观察，你认为波长测量的主要误差来源是什么？为提高测量精度 需做哪些改进？ 2） 如何将光速仪改成测距仪？ 三、 实验注意事项 本学期使用的示波器与示波器的调整和使用实验中所用仪器的型号不同，在使 用和操作上也略有不同。 1. 电子仪器都有一个温飘问题，光速仪和频率计需预热半小时再进行测量。 2. 调制波是用温补晶体振荡器产生的，频率稳定度很容易达到 ，所以在预热610 后正式测量前测一次就可以了。 - -9 实验 5、光电效应法测普朗克常量 【实验目的】 1 学习爱因斯坦光电效应方程，加深对光量子理论的理解； 2 掌握获取单色光的方法，学习一种测量普朗克常量的方法； 3 通过测量光电效应基本特性曲线，了解光电管的工作特性； 4 进一步掌握作图法、最小二乘法。 【实验内容】 1 测定不同频率单色光对应的反向截止电压，求“红限”频率和普朗克 常量； 2 用不同频率的单色光测定光电管的伏安特性曲线。 【实验步骤与方法】 1 准备：用光窗盖分别盖住光电暗盒的进光窗口和光源的出光窗口，接 通光源的电源开关预热 20 分钟； 2 连线：将普朗克常量测量仪与光电管暗盒之间的导线连接好，调整光 源与光电管距离为 30 厘米； 3 测量光电管暗电流：不打开光窗盖，普朗克常量测量仪的电流档位取 10-1310-12A，光电管电压由2 伏起升至 10 伏，每次增加 0.5 伏，记录对应的 电流值，此即暗电流。 4 用“补偿法”测量光电效应的截止电压：打开光窗盖，普朗克常量测 量仪的电流档位取 10-13A，光阑 8 毫米，选取 365 纳米谱线的单色光，光电 管上加反向电压，大约由2 伏起，缓慢调节电压，仔细观察，找到使光电流 为零的电压，此即截止电压。再依次选取其它谱线的单色光，测出五组数据； (附：用补偿法测量截止电压的操作方法。1、在有光照条件下，找到使 光电流为零的电压，记下此电压值；2、保持上一步记下的电压值不变， 遮挡光路用光窗盖盖住光电暗盒的 10 光窗口，记下此时电流值；3、恢复光照，调节电压，使电流示数跟上一 步记下的电流值相等，此时的电压值就是补偿了暗电流影响的截止电压 UAK。) 5 测量光电管的伏安特性曲线：普朗克常量测量仪的电流档位取 10-1010-11A，光阑 4 毫米，测试距离 40 厘米，变换 5 种不同波长的滤光片， 每条谱线分别从截止电压开始，在升高电压的过程中，测量电压与电流的对 应值，对光电流变化较快的区间，实验点选取应密集些，即电压增量调节要 细小，实验数据要用第三步测得的暗电流进行修正，根据修正后的数据作伏 安曲线选灵敏度较高的 23 条曲线。 - -11 实验 6、夫兰克赫兹实验 【实验目的】 通过测定氩原子的第一激发电位，证明原子能级的存在。 【实验内容】 1、利用仪器自动测试功能，观察 F-H 实验的谱峰曲线，并寻找最佳实验 条件； 2、应用仪器手动测试功能，精确测定 F-H 实验的谱峰曲线，计算氩原子 的第一激发电位的平均值。 【实验步骤】 1、开机预热，电流表量程宜选 100A 或者 1mA 档； 2、仔细阅读实验教材中有关仪器介绍内容，掌握仪器操作使用方法； 3、按照仪器建议工作状态范围，设定自动测试过程，观察 F-H 实验谱峰 曲线的形态。此一步骤要反复多次，每次分别改变灯丝电压、 VG1K、V G2A 三个参数中的一个，并配合示波器灵敏度调节和扫描时间调 整，分析曲线形状，如峰宽、峰位、峰值起伏大小、本底电流等现象， 寻找最佳实验条件，直至观察到满意的 F-H 谱峰曲线；(此过程中注意观 察和思考实验报告要求回答的问题) 4、根据上一步确定的最佳实验条件，设定仪器为手动工作状态，从谱线 第一峰开始至 VG2K80V 止，V G2K 每变化 0.5V，记录一次电流值。数据 记录要采用表格，从中找出每一电流峰顶(或峰谷)所对应的 VG2K 值，按 每一电流峰顶(或峰谷) 出现的顺序，整理出第二个数据表，并在此表中计 算出各相邻电流峰顶(或峰谷)之间 VG2K 的差值，再计算氩原子的第一激 12 发电位的平均值 UAr。 【实验报告要求】 1、按第一个数据表在坐标纸上绘制充氩四极管 F-H 实验的谱峰曲线； 2、按第二个数据表报告实验原始数据； 3、写出氩原子的第一激发电位能级电压的计算过程； 4、回答下列问题 对 IA 影响最大的是哪一个电压? 第一个峰顶出现时 VG2K 电压大约是多少? V G2K 在 7080V 之间时，实验会有什么现象? V G2A 的改变对实验有什么影响 ? 充氩四极管的工作温度对实验结果有无影响，表现如何? 实验结果表明，充氩四极管 F-H 实验的谱峰曲线各峰顶（或峰谷） 之间 VG2K 的差值并不相等，这是为什么 ? - -13 实验 7、电子束聚焦和偏转研究 【实验目的】 1研究电子在横向电场中的运动规律。 2研究电子在横向磁场中的运动规律。 3了解示波管的基本结构和工作原理，尝试完成示波器的组装。 【实验仪器】 电子束实验仪，稳压电源，信号源，电流表，万用表 【实验内容】 一、电致偏转 1线路连接：将 Vx 偏转电压输出孔与 X 偏转板插孔相连，Vy 偏转电压输 出孔与 Y 偏转板插孔相连，X 调零电压输出孔与 X偏转板插孔相连， Y 调零电压输出孔与 Y偏转板插孔相连。将功能转换开关弹出（电子 束偏转实验位置） 。 2经指导老师检查认可后，接通仪器电源开关。 3将高压电表的两表笔分别接入 Vk（阴极）和 VG（栅极）两点，调 VG 电 压的调节旋钮，使两点间的电压为 30V 左右。 4把测低压的万用表一端接地，另一端分别接入 Vx、Vy 两点，将 Vx、Vy 偏转电压分别调为零伏。再用 X 调零和 Y 调零旋钮把光点移到屏中心。 5把高压表笔分别接入 VG 和 V2 两点，调节 VG 电位器使光点亮度适中，再 调聚集电压的旋钮 V1 和 V2 使光点聚集良好，再调 Vk 电位观察高压表的 变化范围。在此范围内取相差 100V 以上的两值之一为第一次测量的加速 电压 V2。保持以上各旋钮位置不变，把高压表显示的 V2 值记入数据表格 14 V2（V）栏中。 6用调偏转电压 Vx 的旋钮把光点向左调到头，作为 D 的零点，测出其偏转 电压 V x（0） ；然后用 Vx 调节旋钮把光点向右每调一格即记录一次偏转 电压 V x（i） ，直至 D 到 10 格（DIV） 。 （测偏转电压用低电表，两表笔 一端接地，另一端接到 Vx 点，若电表指针反转则需调换两表笔） 7调节 Vk 电位，把加速电压 V2 调至和前加速电压相差 100V 以上的另一值。 8用调 Vx 的旋钮再把光点向左调到 D 为 0 的起点，重复步骤 6，测另一组 数据 V x（i） 。 二、磁致偏转 1重复电致偏转 1-5 步骤，把光点调到屏中心，将 V2 调为相差 100V 的两值 中的一个，测出 V2 填入数据表。 2接好磁场线圈的供电电路，经检查无误后，把稳压电源的电流调节钮向 右旋转到可旋转范围的 2/3 后，电压调节钮向左旋到头。接通电源开关。 3记录光点在 O 点（中心）的励磁电流（Is）0.0mA，然后把稳压电源的电 压调节旋钮逐渐向右旋转。当光点向上（或向下）每移动一格，记录下 其励磁电流 Is 到 D 为 4.0（或-4.0）为止（见下表） 。迅速把励磁电流调 为零。 4用仪器上的电流换向开关使 Is 反向，再逐渐增大励电流 Is 使光点反向移 动，每移动一格（DIV）记录一个 Is 值，直到 D 为 4.0（或-4.0）为止。 迅速把电流 Is 调为零。D 和 Is 的方向由实验者确定，一般以光点向上移 动为正，Is 亦为正；光点向下为负，Is 亦为负。 5改变 V2 加速电压，为上次测量值相差 100V 的另一值，再重复测量一次， 获得另外一组实验数据。关闭仪器的电源开关。 - -15 三、示波器的组装（选做内容，由指导老师安排具体实验内容） 。 16 实验 8、霍尔元件基本参量及磁场的测量 【实验仪器】 实验仪器由两部分组成，实验仪和测试仪。实验仪包括一个用来产生匀强 磁场的电磁铁，一个置于电磁铁缝隙中的霍尔传感器，其位置可调节，左右两 个开关分别控制霍尔传感器工作电流和电磁铁线圈激励电流的方向，中间开关 向前合上用以测量霍尔传感器输出的霍尔电压 VH，仪器上标有该霍尔传感器 的灵敏度，注意要将单位 mV/(mA*KGS)换算成国际单位制。测试仪是实验电 源和测量仪表，两个恒流源分别输出霍尔传感器工作电流 IS 和电磁铁线圈激励 电流 IM，实现实验条件的控制和改变，两者共用一个电流表读数，注意测量霍 尔传感器工作电流时读数单位是（1.999）毫安，测量电磁铁线圈激励电流时读 数单位是（1.999）安培，左边电压表用来测量霍尔电压，读数单位是毫伏。 【实验内容、方法、实验报告要求】 由于产生霍尔效应的同时还伴随着多种副效应，使得测量过程包含着系 统误差，为减小或消除系统误差，采用对称测量法，然后求各次测量的平均 值，要正确应用公式，需正确定义 IS、I M 的方向。 1、 测量电磁铁断面磁感应强度分布：目测，观察霍尔元件沿水平方向移动 范围，确定实验区间，调整电磁铁线圈工作电流为 0.6A，霍尔传感器工作电 流为 1.0mA，改变霍尔元件水平位置，按要求测量 10 个点并计算各点磁感应 强度 B，记下各点位置的标尺读数，注意确定电磁铁边界位置，作图时将其 定义为坐标原点； 2 、测 VHIS 关系曲线：分别调 IM 为 0.6A 和 0.9A，按要求调 IS 工作电流， 记录 VH，根据测量数据在同一坐标图中绘制出两条 VHIS 关系曲线； 3、 测 VHIM 关系曲线：分别调 IS 为 0.5mA 和 1.0mA，按要求调 IM 工作电 流，增加 0.8A 和 1.0A 两个测量点，记录 VH，根据测量数据在同一坐标图中 绘制出两条 VHIM 关系曲线； 4、实验报告要求分析三个坐标图的物理意义，并给出文字说明和实验结论。 - -17 实验 9、迈克尔逊干涉仪的调整与使用 【实验目的】 了解和掌握迈克尔逊干涉仪的原理、结构及调整方法，利用迈克尔逊干涉仪 测量激光波长，观察白光干涉条纹。 【实验器材】 迈克尔逊干涉仪、半导体激光器、白光反射板、护目镜。 【实验内容】 1. 迈克尔逊干涉仪的调整：粗调、细调； 2. 观察、分析干涉条纹，熟悉调整方法； 3. 测量激光波长； 4. 根据白光的特点，调出白光干涉条纹，观察白光干涉现象。 【实验报告要求】 1 计算激光波长； 2 描述所观察的白光干涉条纹。 【注意事项】 1 保护光学器件的光学表面； 2 注意“空程差”问题； 3 实验完毕关电源、整理好仪器。 18 实验 10、棱镜摄谱仪实验 本实验的原理部分和仪器介绍请看实验教程第四章，综合性、设计性实验中第 4.9 节“棱镜摄谱实验” 。 实验的要求和仪器调节以及具体操作步骤请看“棱镜摄谱实验补充讲义” ，补充 讲义可以从实验室网站下载。 【实验内容】 1. 实验要求测量指定谱线的波长。即，测量钠谱线左边近邻的 5 条亮谱线的波长， 每条谱线测量 3 次，取平均值。 2. 要求在课堂上计算出所测谱线的波长，并且在实验报告纸上绘出所观察到的 光谱的谱图，在谱图上标出 5条亮谱线的位置及波长。 【安全操作】 在调节仪器时，调节光源部分应注意安全操作，因为激光电源与激光管的连 接处，是用明线连接，连接处有1千伏左右的高电压，实验中不能用身体接触， 应特别注意。 - -19 实验 11 光栅测量 【实验目的】 1.了解光栅的主要特性； 2. 观察光栅衍射现象，验证衍射级次和衍射角的关系； 3.进一步掌握分光计的调整和应用； 4.了解光栅特点、测量光栅常数； 5. 学习选用实验仪器，设计实验数据记录表格。 【实验内容】 掌握用光栅测定光栅衍射角，衍射级次和衍射角的关系，计算光栅常数 (或光波波 长)。 【注意事项】 1 分光计是较精密的光学仪器，要加倍爱护，不应在制动螺丝锁紧时强行转动 望远镜，也不要随意拧动狭缝。 2 光栅是精密光学器件，严禁用手触摸刻痕，注意轻拿轻放，以免弄脏或损坏。 3 在测量数据前务须检查分光计的几个制动螺丝是否锁紧，若未锁紧，取得的 数据会不可靠。 4 测量中应正确使用望远镜转动的微调螺丝，以便提高工作效率和测量准确度。 在游标读数过程中，由于望远镜可能位于任何方位，故应注意望远镜转动过 程中是否过了刻度的零点。 【思考题】 a. 用光栅方程 d = sin k =k k= 0, 1, 2,进行测量的条件。 b. 复色光经过光栅衍射后形成光谱的特点。 c. 若平面镜两面的绿十字像，一个偏高，在水平线上方距离为；另一个偏下，与水 平线距离为 5a，应如何调节？ d. 利用本实验装置怎样测量光栅常数？ e. 当用钠光（5893）垂直入射到每毫米有 500 条刻痕的光栅上时，最多可见几级光 谱？请说明理由。 f. 如果光线不是垂直入射光栅面，对测量结果有什么影响？为什么有时在望远镜中观 察到的谱线是斜的？ g. 在载物台上放置光栅后，为什么要把从光栅表面反射到远镜中的十字调到望远镜视 场