实验一 制流电路与分压电路.ppt

实验一制流电路与分压电路 天水师范学院物理与信息科学学院 实验简介 电路可以千变万化 但一个电路通常可以由电源 控制电路 测量电路三部分构成 测量电路一般先根据实验要求而确定好 控制电路是控制负载的电流和电压 使其数值和范围达到预定的要求 实验中常用的控制电路有制流电路和分压电路 其控制的元件主要是变阻器和变阻箱 实验目的 1 熟悉电磁学实验的基本操作规程和用电安全知识 2 掌握电磁学实验各种仪器的基本性能及使用方法 3 研究制流与分压两种电路的连接方法 性能和特点 实验仪器 滑线变阻器 直流电压表 直流电流表 万用电表 直流稳压电源 电阻箱 开关 导线 制流电路如图4 1 1所示 图中e为直流电源 为滑线变阻器 a为电流表 为负载 k为电源开关 制流电路的原理是将滑动变阻器的滑动头c和任一固定端 如a端 串联在电路中 作为一个可变电阻 移动滑动头c的位置可以连续改变ac之间的电阻 从而改变整个电路的电流i 其中 实验原理 为电源电动势 4 1 1 当滑动头c滑至变阻器a端时 有 当滑动头c滑至变阻器b端时 有 这样该电路的电压调节范围为 与此对应的电流变化为 当滑动头c滑至任意位置时 通过负载的电流i为 式中取 以x为横轴 为纵轴建立坐标 作不同p值的制流特性曲线 如图4 1 2所示 从曲线可以清楚地看到制流电路有以下几个特点 p越大电流调节范围越小 时调节的线性较好 较小时 即 时 x接近0时电流变化很大 细调程度较差 不论大小如何 负载上通过的电流都不可能为零 制流电路的电流是靠变阻器滑动端位置移动来改变的 最少位移是一圈 因此一圈的大小就决定了电流的最小改变量 因为 上式对微分有所以 4 1 3 式n中为变阻器总圈数 从上式可见 当电路中的确定后 与成正比 故电流越大 则细调越困难 假如负载的电流在最大时能满足细调要求 而小电流时也能满足要求 这就要使变小 而不能太小 否则会影响电流的调节范围 所以只能使n变大 由于n大而使变阻器体积变得很大 故n又不能增得太多 因此经常再串联一个变阻器 采用二级制流 如图4 1 3所示 其中阻值大 作为粗调 阻值小作为细调 一般取 但 的额定电流必须大于电路中的最大电流 二 分压电路分压电路如图4 1 4所示 电源与滑动变阻器两个固定端 相接 负载接在变阻器滑动端和固定端 或 上 当滑动头由端滑至端 负载上电压由0变到 调节的范围与变阻器的阻值无关 当滑动头在任一位置时 两端的分压值为 4 1 5压特性曲线式中 以x为横轴 为纵轴建立坐标 作不同值的分压特性曲线 如图4 1 5所示 从曲线可以清楚看出分压电路有以下特点 不论的大小 负载的电压调节范围均可以从0变化到 p越小电压调节越不均匀 p越大电压调节越均匀 因此要电压u在0到整个范围内均匀变化 则取比较合适 实际那条曲线可近似作为直线 故取可认为电压调节已达到一般均匀的要求了 三 制流电路与分压电路的差别与选择 调节范围 分压电路的电压调节范围大 可以从0 而制流电路电压调节范围较小 只能从 细调程度 当时 在整个调节范围内调节基本均匀 但制流电路可调范围小 负载上的电压值小 能调得较精细 而电压值大时调节变得很粗 功率损耗 使用同一变阻器 分压电路比制流电路消耗的功率大 基于以上的差别 当负载电阻较大 调节范围较宽时选分压电路 反之 当负载电阻较小 功耗较大 调节范围不太大的情况下则选用制流电路 若一级电路不能达到细调的要求 则可采用二级制流 或二段分压 的方法以满足细调要求 实验内容 一 了解各种仪器的性能并掌握使用方法 1 观察 认识仪器 记录其主要规格和等级 2 了解各仪器的的结构 掌握它们的使用和读数方法 二 按照电路图正确连接电路 三 制流电路特性的研究四 分压电路特性研究 注意事项 1 注意电流表和电压表的接法 不要超过电表的量程 2 注意滑动变阻器连入电路的接线方法 3 为保护电源和电表 在制流电路中先将滑动变阻器调到阻值最大位置 在分压电路中先将滑动变阻器调到阻值最小位置 思考题 1 如何从制流与分压特性曲线求出电流值 或电压值 呈线性变化时滑动变阻器的阻值 2 有人说制流电路的接法是用来控制电路中的电流 分压电路是用来控制电路中的电压 这种说法对吗 实验二伏安法测电阻 天水师范学院物理与信息科学学院 实验简介 导体对电流的阻碍作用称为导体的电阻 resistor 通常用 r 表示 电阻是电子电路中使用最多的元件 其主要物理特征是变电能为热能 也可以说它是一个耗能元件 电阻在电路中通常起限流 分流 降压 分压的作用 每个电阻都有一定的阻值 它与导体的材料 尺寸 温度有关 电阻的单位是欧姆 用符号 表示 其定义为在在一个电阻的两端加上1伏特电压时 如果在这个电阻中有1安培的电流通过 则这个电阻的阻值为1欧姆 在实验中我们通常利用欧姆定律 测出电阻两端的电压和电流 根据公式计算出电阻值 实验目的 1 学习并掌握伏安法测电阻的原理和方法 2 了解并学会修正电表的接入误差 3 根据误差要求学会合理选择实验仪器 4 进一步学习选择变阻器来控制电路中的电压与电流 实验仪器 电压可调直流电源 直流电流表 直流电压表 滑动变阻器 待测电阻 开关 导线等 一 伏安法用电压表测出待测电阻两端的电压u 用电流表测出通过该电阻的电流i 根据公式可算出待测电阻的阻值r 这种方法称为伏安法 或者测出多组不同的电压值以及所对应的电流值 以电压值为横坐标 电流值为纵坐标作图 所得曲线称为电阻的伏安特性曲线 由欧姆定律可以看出线性电阻两端的电压与流经它的电流成正比 因此一般电阻的伏安特性曲线是一条直线 实验原理 二 电表的连接方法1 内接法 如图4 2 1 2 外接法 如图4 2 2 三 滑动变阻器的限流式接法与分压式接法的选择 1 制流电路 2 分压电路 实验内容 一 了解各种仪器的性能并掌握使用方法 二 根据待测电阻的大致阻值及滑线变阻器的阻值 判断测量时滑线变阻器的接法 三 根据滑线变阻器及待测电阻的额定功率值 确定电源的最大工作电压 四 根据待测电阻的大致阻值及额定功率 选择电表的合适量程 五 根据电路图接好线路 六 分别利用所测的测量数据画出大 小两个电阻的伏安特性曲线 七 将测量结果进行分析 得出结论 思考题 1 什么叫外接法 什么叫内接法 画图说明 2 内接法和外接法的使用条件是什么 3 调压与变流的作用是什么 什么是分压器 什么是限流器 5 怎样正确运用分压器和限流器 思考题 1 如何从制流与分压特性曲线求出电流值 或电压值 呈线性变化时滑动变阻器的阻值 2 有人说制流电路的接法是用来控制电路中的电流 分压电路是用来控制电路中的电压 这种说法对吗 实验四静电场的描绘 天水师范学院物理与信息科学学院 实验简介 静止的带电物体周围存在静电场 电场的分布是由电荷的分布决定的 如果带电物体的大小 形状 位置和所带的电量确定之后 那么电场的分布 即空间各点的电场强度和电位就完全确定了 除极简单的情况可以从理论上计算之外 大多数情况下求不出电场分布的解析解 因此只能靠数值解法求出或用实验方法测出电场分布 模拟法本质上就是利用几何形状和物理规律在形式上相似的原理 把不便于直接测量的物理量在相似条件下间接地实现 实验目的 1 学习用模拟法测绘静电场的原理和方法 2 加深对电场强度和电位概念的理解 实验仪器 直流稳压电源 电压表 导电质 水 电极 米尺和游标尺 静电场描绘仪 直流稳压电源 10v 1a 一 用稳恒电流场模拟静电场模拟法本质上是用一种易于实现 便于测量的物理状态或过程模拟不易实现 不便测量的物理状态或过程 它要求这两种状态或过程有一一对应的两组物理量 而且这些物理量在两种状态或过程中满足数学形式基本相同的方程及边界条件 通常用便于测量的稳恒电流场来模拟不便测量的静电场 这是因为这两种场可以用两组对应的物理量来描述 并且这两组物理量在一定条件下遵循着数学形式相同的物理规律 二 用长直同轴圆柱形电极间的电流场模拟长直同轴圆柱形电极间的静电场 实验原理 图4 4 1所示是长直同轴圆柱形电极的横截面图 两极间电场中距离轴心为处的电位可表示为 4 4 5 又根据高斯定理得 两极间电场中距离轴心为处的电场强度为 式中k由圆柱体上线电荷密度决定 将式 4 4 6 代入 4 4 5 得 4 4 7 因为 当时有 所以 4 4 8 如果取 将式 4 4 8 代入 4 4 7 式 得到 4 4 9 式 4 4 9 表明 两圆柱面间的等位面是同轴的圆柱面 图4 4 2就是同轴柱形电极间的模拟静电场 即恒定电流场 的实验装置示意图 当场强分布确定后 场中各点的电位可根据 4 4 14 计算出来 式中积分常数c由电极的形状即边界条件来确定 将圆柱形电极间场强分布的关系式 4 4 13 代入 4 4 14 式 再根据边界条件和 可以推得电极间离中心轴距离为处的电位表示式 4 4 15 由于式 4 4 9 和 4 4 15 完全相同 从而再次从理论上证明了可以用稳恒电流场来模拟静电场 三 描绘二维电场的电位分布的方法 利用上述原理可描绘多种二维电场的电位分布图 如由二根无限长直同轴圆柱体建立的电场 如果取一个与直导线垂直的平面 则此平面就含有两根导线的圆截面 等位线在它们周围分布着 实验时用导电质代替垂直平面 金属圆电极一端与导电质良好接触 另一端与稳压电源输出相连 若和与电池 或稳压电源 的正极和负极相连 测量电位的电压表的负表棒与外极板连接 正表棒在和两极板间的导电质上边滑动边测量 当滑到板时 电压表指示0伏 滑到时 指示值 即 例如在极板间的导电质上寻找的都是3 0伏的等电位点并记录下来 如果将它们连接起来就得到3 0伏的等位线了 依次可以描绘出其他电位的等位线 实验内容及要求 一 描绘长直同轴圆柱形电极间等位线分布和电场线分布曲线1 往电极水槽中倒入适量的水 然后 把它放在双层静电场测绘仪的下层 2 按图4 4 3接好电路 电压表及探针联合使用 二 寻找实验得到的等位线的圆心 计算等位线的半径 并和理论值进行比较 三 验证圆柱形电容器中的关系式 并判断本实验的准确程度 注意事项 测量时 探针每次应该从外向里或者从里向外沿一个方向移动 测量一个点时不要来回移动测量 因为探针能够小幅转动 向前或向后测量同一点会导致偏差 思考题 1 用电流场模拟静电场的条件是什么 2 如果电源电压增加一倍 等位线和电力线的形状是否发生变化 电场强度和电位分布是否发生变化 为什么 3 测量电场时会产生畸变 试分析其原因 4 怎样求等位线的平均半径值 实验五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 了解直流电桥的灵敏度及影响它的因素 平衡电桥测量电阻的误差来源 4 了解提高电桥灵敏度的几种方法 实验仪器 万用电表 滑线变阻器 电阻箱 检流计 直流电源 待测电阻 箱式电桥 开关和导线 实验原理 惠斯通电桥属于直流电桥 主要用于测量中等数值的电阻 1 106 对于太小的电阻 10 6 1 量级 要考虑接触电阻 导线电阻 可考虑使用双臂电桥 对于大电阻 107 级 要考虑使用冲击检流计等方法 惠斯通电桥使用检流计作为指零仪表 而实验室所用检流计属于表 电桥的灵敏度要受检流计的限制 一 惠斯通电桥测量原理 图4 5 1是惠斯通电桥的原理图 四个电阻 连成四边形 称为电桥图4 5 1惠斯通电桥原理图 的四个桥臂 四边形的一个对角线连有检流计 称为 桥 四边形的另一对角线接上电源 称为电桥的 电源对角线 电源接通时 电路中各支路均有电流通过 当 两点之间的电位不相等时 桥路中的电流 检流计的指针发生偏转 当 两点之间的电位相等时 桥路中的电流 检流计指针指零 检流计的零点在刻度盘的中间 这时我们称电桥处于平衡状态 因此电桥处于平衡状态时有 4 5 1 4 5 2 平衡时 即 化简得 4 5 3 此式说明 当电桥达到平衡时 所测阻值的准确度仅由 决定 因 可使用准确度较高的标准电阻箱提供 故只要选用灵敏度较高的检流计或数字电压表来判定电桥的平衡 所测得值将比用伏安法测量要精确的多 二 电桥的灵敏度1 检流计的灵敏度检流计的灵敏度定义为当通过检流计的电流变化量时 引起检流计指针偏转格数与的比值 4 5 4 1 检流计的灵敏度 检流计的灵敏度定义为当通过检流计的电流变化量时 引起检流计指针偏转格数与的比值 4 5 4 2 电桥灵敏度 电桥灵敏度是反映电桥灵敏程度的物理量 定义为当电桥处于平衡状态时 比较臂电阻作一个微小的相对改变量 所引起检流计指针所偏转的格数与的比值 即 4 5 5 由上式可以看出 电桥灵敏度越大 对电桥衡的判断就越容易 测量结果也越准确 三 电桥的测量误差 为减少误差传递 可采用如下测量方法 1 交换法在测定之后 保持比例臂 不变 将比较臂与测量臂的位置对换 再调节使电桥平衡 设此时变为 则有 4 5 8 由 4 5 3 4 5 8 两式可得 4 5 9 从 4 5 8 式可知 已与比例臂 无关 它仅决定于比较臂的准确度 2 替代法 用箱式电桥测电阻时 各臂位置固定无法交换 此时可用替代法测量 先将待测电阻接入测量臂 调节电桥达到平衡之后 用一标准电阻替代 在保持其它各臂不变条件下调节 使电桥重新平衡 此时的阻值即为的测量值 实验内容及要求 一 用自组电桥测电阻二 用qj23型箱式电桥测电阻及电桥灵敏度三 选做内容试设计一个实验 用直流电桥测定电表的内阻 注意电表所能允许通过的最大电流 提示 根据电桥平衡的特点 将桥路中的检流计去掉 而利用待测电表来判别电桥的平衡 注意事项 1 在使用电阻箱前 应先旋转一下各个转盘 使盘内弹簧触点的接触性能稳定可靠 2 在调节电桥平衡的过程中 应遵循 先粗调 后细调 的原则 3 使用检流计时应采用 碰触法 随时准备在电流过大时松开检流计按钮 思考题 1 能否用如下器材测定一阻值约为几千欧的电阻 要求测量结果有4位有效数字 方法如何 器材 电阻箱1个 待测电阻 滑线变阻器2个 检流计 保护电阻 电池 开关 导线等 2 电桥的灵敏度与哪些因素有关 在实验中有哪些事实可以作证 实验十用冲击电流计测量电容及高电阻 天水师范学院物理与信息科学学院 实验简介 冲击电流计的结构与灵敏电流计相似 都属于磁电式检流计 它与一般灵敏电流计的区别在于它的线圈扁而宽或带一圆盘形重物 从而使线圈的转动惯量较大 自由振荡周期较长 式中为线圈悬丝的扭转系数 普通磁电式检流计的约为 且动圈在偏转的过程中可以认为受到的外力矩是恒定不变的 冲击电流计的约为 当时间间隔很短 的脉冲电流通过线圈时 动圈是在受到脉冲电流的冲量矩作用之后才开始偏转 两者虽然都是由电流驱动 但前者属稳定型电流计 但后者属于脉冲型电流计 因而它们的用途各不相同 所以冲击电流计可用来测量短时间内脉冲电流所迁移的电量 以及与此有关的其它物理量 如磁感应强度 高阻 电容等等 实验目的 1 了解冲击电流计的结构特点 工作原理 学习使用冲击电流计 2 观察冲击电流计的三种运动状态 3 测定冲击电流计常数 用比较法测电容的电容量 实验仪器 冲击电流计 标准电容箱 电压表 直流电源 滑线变阻器 待测电容 电阻箱 开关 导线 两种颜色 等 实验原理 一 冲击电流计的三种不同运动状态图4 10 1为墙式冲击电流计的结构简图 二 冲击电流计常数 的测定 如图4 10 2所示 冲击电流计常数为 如果要测量待测电容器所带的电量q 只要记下通过冲击电流计放电时第一次最大偏转距离 利用式 4 10 14 即可得到 4 10 14 三 运用冲击电流计用比较法测电容比较法测电容的电路如图4 10 3所示 4 10 17 四 冲击法测量高电阻高电阻一般指以上的电阻 测量电路如图4 10 4所示 高阻的值 4 10 21 五 dq 3型数字冲击电流计简介 dq 3型数字冲击电流计是在原有冲击电流计的基础上 根据要求进一步改进研制而成的 使用大规模cmos集成电路和高性能运算放大器及优质电子元器件组成的数字式测量仪表 性能上有了提高 冲击电流计主要用于测量短时间脉冲所迁移的电量 故可用测量与相关的物理量 如电容器的电容量 电感器和直流磁场的磁感应强度等 该仪器用3位半led数码管显示测量结果 读数清晰 数据自动保持 直至被下一次的测量数据自动取代 因而消除了人为的读数误差 实验十一霍尔效应 天水师范学院物理与信息科学学院 实验简介 霍尔效应是磁电效应的一种 这一现象是霍尔 edwimherberthall 德国物理学家 于1879年和他的导师罗兰在研究金属的导电机制时发现的 此外还发现半导体 导电流体等也有这种效应 而半导体的霍尔效应比金属的霍尔效应强得多 利用这一现象制成的各种霍尔元件 广泛地应用于科学实验和工程技术中 由于霍尔元件的面积可以做得很小 所以可用它来测量某点或缝隙中的磁场 此外 还可以利用霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数 以及判断材料的导电类型 是研究半导体材料的重要手段 还可以用霍尔效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制 放大 用霍尔效应制作的传感器广泛用于磁场 位置 位移 转速的测量 实验目的 1 了解霍尔效应的基本原理 2 认识霍