综合设计性物理实验.pdf

综合设计性物理实验 项目简介 青岛科技大学物理实验室 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 1 目录 实验 一 RLC 电路特性的研究 3 实验 二 传感器系列实验 4 实验 三 温度传感器特性研究 5 实验 四 夫兰克 赫兹实验中弱电流的测量 实验 五 非平衡电桥与应用 实验六 光栅特性的研究 实验七 硅光电池特性的研究 实验八 迈克尔逊干涉仪的调整与应用 实验九 磁性材料基本特性的研究 实验十 PN 结物理特性的测量 实验十一 密立根油滴实验 实验十二 多缝衍射相对光强分布的测量 实验十三 用非线性电路研究混沌现象 实验十四 核磁共振实验 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 2 综合设计性物理实验 物理实验是对高等学校学生进行科学实验基本训练的一门 独立的必修基础课程 是学生进入大学后受到系统实验方法和实 验技能训练的开端 是工科类专业对学生进行科学实验训练的重 要基础 以 加强基础 重视应用 开拓思维 培养能力 提 高素质 为指导思想 通过物理实验课程的学习 使学生直接观 察和分析重要的物理现象 学习掌握物理量的测量和基本的物理 实验方法 加深对物理原理的理解 使学生受到从事科学实验以 及进行科学研究的基本训练 着力培养和提高学生的实践能力和 创造能力 使学生成长为适应二十一世纪所需要的 具备基础扎 实 知识面宽 能力强 素质高的人才 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 3 实验 一 RLC 电路特性的研究 电阻 电容及电感是电路中的基本元件 由 RC RL RLC 构成的串联电路 在 RLC 串联电路的不同过程中具有不同的特性 包括暂态特性 稳态特性 谐 振特性 它在实际应用中都起着重要的作用 1 通过研究 RC RL 串联电路的暂态过程 加深对电容充 放电规律 电感的电磁感应特性及震荡回路特点的认识 2 通过研究 RLC 串联电路的暂态过程 加深对电磁阻尼运动规律的理 解 3 掌握 RC RL 串联电路的幅频特性和相频特性的测量方法 4 研究 RLC 串联电路中各参量之间的关系 观察串联谐振电路的特征 并掌握 RLC 谐振电路的幅频 相频的关系 5 用实验的方法找出电路的谐振频率 利用幅频曲线求出电路的品质因 数 Q 值 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 4 实验 二 传感器系列实验 传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器 件或装置 通常由敏感元件和转换元件组成 其中 敏感元件是指传感器中能直 接感受或响应被测量的部分 转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的 被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 传感器是获取信息的重要手段 传感器按其变换原理和工作机理可分为物理传感器 化学传感器和生物传感 器 物理传感器是利用某些变换元件的物理性质以及某些功能材料的特殊物理性 能制成的传感器 如利用金属或半导体材料在被测量作用下引起的电阻值变化的 电阻式传感器 利用磁阻随被测量变化的电感和差动变压器式传感器 利用压电 晶体在被测力作用下产生的压电效应而制成的压电式传感器 利用半导体材料的 压阻效应 光电效应 霍尔效应制成的压敏 光敏和磁敏传感器 本系列实验将分别研究光纤位移传感器 电容式传感器 霍尔式传感器和电 涡流传感器的特性 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 5 实验 三 温度传感器特性研究 温度传感器是检测温度的器件 被广泛用于工农业生产 科学研究和生活等 领域 其种类多 发展快 温度传感器一般分为接触式和非接触式两大类 所谓 接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量 这是温度测量的基本形 式 而非接触式是测量物体热辐射而发出的红外线从而测量物体的温度 可进行 遥测 这是接触方式所做不到的 接触式温度传感器有热电偶 热敏电阻以及铂电阻等 利用其产生的热电动 势或电阻随温度变化的特性来测量物体的温度 被广泛用于家用电器 汽车 船 舶 控制设备 工业测量 通信设备等 另外 还有一些新开发研制的传感器 例如 有利用半导体 PN 结电流 电压特性随温度变化的半导体集成传感器 有利 用光纤传播特性随温度变化或半导体透光随温度变化的光纤传感器 有利用弹性 表面波及振子的振荡频率随温度变化的传感器 有利用核四重共振的振荡频率随 温度变化的 NQR 传感器 有利用在居里温度附近磁性急剧变化的磁性温度传感 器以及利用液晶或涂料颜色随温度变化的传感器等 非接触方式是通过检测光传感器中红外线来测量物体的温度 有利用半导体 吸收光而使电子迁移的量子型与吸收光而引起温度变化的热型传感器 非接触传 感器广泛用于接触温度传感器 辐射温度计 报警装置 来客告知器 火灾报警 器 自动门 气体分析仪 分光光度计 资源探测等 本实验将通过测量几种常用的接触式温度传感器的特征物理量随温度的变 化 来了解这些温度传感器的工作原理 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 6 实验四 夫兰克 赫兹实验中弱电流的测量 弗兰克 赫兹实验中达到板极的电流极弱 约为 10 8 10 7 A 对电流计的灵 敏度要求较高 若采用电流计 则它的内阻较大 102 103 对原电路有影 响 故本实验采用运算放大电路对弗兰克 赫兹实验中的板极电流进行测量 集成运算放大器是一种能够检测和放大直流与交流信号的固体器件 它具有 输入阻抗高 开环增益高以及输出阻抗小等特点 目前广泛应用于计算机 自动 控制 无线电技术和各种非电量的电测线路中 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 7 实验五 非平衡电桥与应用 非平衡电桥往往和一些传感元件配合使用 某些传感元件受外界环境 压力 温度 光强等 变化引起其内阻的变化 通过非平衡电桥可将阻值转化为电流输 出 从而达到观察 测量和控制环境变化的目的 本实验所用到的传感元件有 铜电阻 热敏电阻 Pt 电阻和光敏电阻等 它 们的阻值会随着温度或光强的变化而变化 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 8 实验六 光栅特性的研究 光的反射定律和折射定律定量描述了光线在传播过程中发生偏折时角度间 的相互关系 同时 光在传播过程中的衍射 散射等物理现象也都与角度有关 一些光学量如折射率 光波波长 衍射极大和极小位置等都可通过直接测量角度 去确定 故在光学技术中 精确测量光线偏折的角度 具有十分重要的意义 光学测角仪 又称分光计 是一种能精确测量角度的典型光学仪器 常用来 测量折射率 光波波长 色散率和观测光谱等 由于该装置比较精密 操纵控制 部件较多而复杂 故使用时必须按一定的规则严格调整 方能获得较高精度的测 量结果 对于初学者来说 往往会感到一些困难 但只要在调整 实验过程中 明确调整要求 注意观察现象 并努力运用已有的理论知识去分析 指导操作 一般也是能够掌握的 光学测角仪的调整思想 方法与技巧 在光学仪器中有一定的代表性 学会 对它的调节和使用 有助于掌握操作更为复杂的光学仪器 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 9 实验七 硅光电池特性的研究 光电池是一种很重要的光电探测元件 它不需要外加电源而能直接把光能转 换成电能 光电池的种类很多 常见的有硒 锗 硅 砷化镓等 其中最受重视 的是硅光电池 因为它有一系列优点 性能稳定 光谱范围宽 频率特性好 转 换效率高 能耐高温辐射等 同时 硅光电池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为 接近 所以很多分析仪器和测量仪器常用到它 本实验仅对硅光电池的基本特性 和简单应用作初步的了解和研究 参考资料 1 滤色片技术参数 下载 2 发光二极管相对发光光强 Origin 数据 New 3 硅光电池伏安特性曲线模版 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 10 实验八 迈克尔逊干涉仪的调整与应用 光的干涉现象是光的波动性的一种表现 当一束光被分成两束 经过不同 路径再相遇时 如果光程差小于该束光的相干长度 将出现会干涉现象 迈克尔 逊干涉仪是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器 自 1881 年 问世以来 迈克尔逊曾用它完成了三个著名的实验 否定 以太 的迈克尔逊 莫 雷实验 光谱精细结构和利用光波波长标定长度单位 迈克尔逊干涉仪结构简单 光路直观 精度高 其调整和使用具有典型性 根据迈克尔逊干涉仪的基本原理 发展的各种精密仪器已广泛应用于生产和科研领域 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 11 实验九 磁性材料基本特性的研究 磁性材料在电力 通讯 电子仪器 汽车 计算机和信息存储等领域有着十 分广泛的应用 磁滞回线和居里温度是表征磁性材料的两个基本特性 磁滞回线 反映磁性材料在外磁场中的磁化特性 而居里温度则是磁性材料由铁磁性转变为 顺磁性的相变温度 1 通过本实验进一步了解磁性材料的磁滞回线和磁化曲线概念 加深对铁磁 材料的主要物理量 矫顽磁力 剩磁 磁导率的理解 2 对软磁铁氧体材料居里温度及动态磁滞回线的测量 加深对这一磁性材料 基本特性的理解 3 通过本实验进一步掌握利用示波器观察并测量磁化曲线与磁滞回线的方 法 4 通过所选定的实验方法 确定并研究实验结果的精度 误差因素及解释有 关的实验现象 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 12 实验十 PN 结物理特性的测量 伏安特性是 PN 结的基本特性 测量 PN 结的扩散电流与 PN 结电压之间的关 系 可以验证它们遵守波尔兹曼分布 并进而求出波尔兹曼常数的值 PN 结的 扩散电流很小 为 10 6 10 8 A 数量级 所以在测量 PN 结扩散电流的过程中 运用了弱电流测量技术 即用运算放大器对电流进行电流 电压变换 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 13 实验十一 密立根油滴实验 密立根 Robert Andrews Millikan 是著名的实验物理学家 1907 年开始 他在总结前人实验的基础上 着手电子电荷量的测量研究 之后改为以微小的油 滴作为带电体 进行基本电荷量的测量 并于 1911 年宣布了实验的结果 证实 了电荷的量子化 此后 密立根又继续改进实验 精益求精 提高测量结果的精 度 在前后十余年的时间里 做了几千次实验 取得了可靠的结果 最早完成了 基本电荷量的测量工作 1917 年精确测定出 e 值为 4 807 10 10 静电单位电量 误差 0 005 10 10 范围静电单位电量 关密立根油滴实验的物理学史介绍可查阅文档 密立根油滴实验物理史 在物理学史上 确定电子的荷质比 进而测定电子的绝对电荷值 是一件极 有意义的工作 年 斯通尼 最早提出 电子 一词表 示基本电荷的载体 汤姆孙 勒纳 和 威耳逊 等人曾以阴极射线管 气体云室证实 电子的存在 并测定了电子的荷质比 但此时一部分物理学家和哲学家都持怀疑 态度 像 门捷列夫 这样伟大的科学家 直到临终时还否 认电子的存在 年 密立根以闻名的油滴实验再次证实电子的存在 并 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 14 在绝对意义下测定了电子的电荷值 电子的普遍存在从此得到令人信服的证明 密立根的实验设备简单而有效 构思和方法巧妙而简洁 他采用了宏观的力学模 式来研究微观世界的量子特性 所得数据精确且结果稳定 无论在实验的构思还 是在实验的技巧上都堪称是第一流的 是一个著名的有启发性的实验 因而被誉 为实验物理的典范 由于密立根在测量电子电荷量以及在研究光电效应等方面的 杰出成就而荣获 1923 年诺贝尔物理学奖 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 15 实验十二 多缝衍射相对光强分布的测量 光的衍射现象是光的波动性的一种表现 它说明了光的直线传播规律只是衍 射现象不显著时的近似结果 衍射现象的存在 深刻地反映了光子 或电子等其 他微观粒子 的运动是受测不准关系制约的 因此研究光的衍射 不仅有助于加 深对光的本性的理解 也是近代光学技术 如光谱分析 晶体分析 全息技术 光学信息处理等 的实验基础 衍射导致了光强在空间的重新分布 利用光电传 感元件探测光强的相对变化 是近代技术中常用的光强测量方法之一 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 16 实验十三 用非线性电路研究混沌现象 现代科学技术研究发现 非线性是真实世界的普遍特性 非线性问题大量出 现在自然科学 社会科学和工程科学中 并起着重要的作用 混沌的研究是 20 世 纪物理学的重大事件 自从美国麻省理工学院的 Lorenz 教授在 m 年代进行了 开创性研究以来 已有更多的学者深入探索 逐步揭示了混沌运动的基本特征 即确定性中包含的非周期性和不可预测性 对初值的敏感性等等 混沌 一词译自英语中 chaos 原意是混乱 无秩序 在现代非线性理论中 混沌则是泛指在确定体系中出现的貌似无规的 类随机的运动 简单地说 混沌 理论所研究的是非线性动力学混沌 目的是要揭示貌似随机的现象背后所隐藏的 规律 混饨的研究表明 一个完全确定的系统 即使非常简单 由于自身的非线 性作用 同样具有内在的随机性 绝大多数非线性动力学系统 既有周期运动 又有混沌运动 而混沌既不是具有周期性和对称性的有序 又不是绝对的无序 而是可用奇怪吸引子来描述的复杂的有序 混沌是非周期的有序性 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 17 图二 混沌图片 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software For evaluation only 18 实验十四 核磁共振实验 核