决赛实验试题定.pdf

首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 江西省首届大学生物理创新竞赛实验试题一 光学黑盒 实验目的 在一片玻璃上制作了一种位相型光学元件 是由一些微小的重复单 元组成 人眼不能分辨其细节 请你根据所提供的仪器用具 不一定全用 设 计合适的光学实验方法 准确测出这种光学元件重复单元的分布情况及其间距常 数 仪器用具 实验室常用单色光源 氦氖激光器 钠光灯 读数显微镜 分光 仪 白屏 游标卡尺 米尺以及干板架等 实验要求 1 扼要写出实验步骤 2 描述所得实验现象或绘制所得实验的图样 3 记录实验数据或自行设计表格记录数据 4 得出实验结果或结论分析 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 江西省首届大学生物理创新竞赛实验试题二 多用表的改装与校准 实验目的 已有一个微安计 但不知其内阻 需要将其改装成一个多用表 该 多用表含满偏为 10mA 的电流表和满偏为 2V 的电压表功能 通过单刀双掷开关 在电路中实现电流表和电压表的功能切换 仪器用具 电阻箱 3 个 可调节稳压电源 1 台 微安计 1 个 数字电流表 1 台 作为标准表进行校正 数字电压表 1 台 作为标准表进行校正 单刀双掷 开关 1 个 导线若干 实验要求 1 设计一个电路测量微安计内阻 画出电路图 写出主要步骤 记录实验数据或自行设计表格记录数据 测量出微安计内阻 2 画出多用表的电路图 如果单独设计电流表或电压表而没有将两个表设计在 一个电路并由一个开关实现功能转换 3 写出主要步骤 搭建具体实验电路 标注出实验电路中各电阻值 4 对多用表中的电流和电压进行满偏校正 5 实验完成后不能拆除实验电路 供检查评分用 若拆除视为未完成电路图 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 江西省首届大学生物理创新竞赛实验试题三 利用磁阻传感器研究螺线管的磁场与通电电流的关系 实验目的 现有一磁阻传感器 需要利用磁传感器来测量螺线管产生的磁场 仪器用具 各向异性磁阻传感器实验仪 直流稳压电源 滑线变阻器 开关 水准泡 待测螺线管以及导线若干 实验要求 1 对磁阻传感器进行校准 消除地磁场和环境对磁阻传感器造成 的影响 记录补偿电流 2 磁阻传感器放大倍数确定 调节亥姆霍兹线圈的电流 可以得到相应的磁阻 输出电压 根据 2 式可以计算亥姆霍兹线圈产生的磁场大小 据此确定磁阻 传感器的放大倍数 记录一下数据 计算放大倍数 线圈电流正负可由 电流换 向 按钮进行切换 线圈电流 mA 300 200 100 0 100 200 300 磁感应强度计算值 Gs 输出电压 V 3 给螺线管通直流电流 利用磁阻传感器测量螺线管外某处产生的磁场 自行 设计表格记录实验数据 得出螺线管的电流和产生的磁场大小的关系 注意事项 1 磁阻传感器的校准和放大倍数确定见 相关阅读材料 2 螺线管的通电电流最大不宜超过 1A 其电流大小可以直接从直流稳压电源上 读出 3 磁阻传感器的初始状态即是磁阻传感器的磁敏感方向和亥姆霍兹线圈轴线一 致 磁阻传感器的初始状态即是磁阻传感器的磁敏感方向和亥姆霍兹线圈轴线一 致 4 螺线管轴线上产生的磁场大小随螺线管的距离变大而变小 因此 最好将螺 线管放置在磁阻传感器上进行测量 因此实验中需要将磁阻传感器进行旋转 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 相关阅读材料 一 各向异性磁阻传感器 各向异性磁阻传感器 AMR Anisotropic Magneto Resistive sensors 由沉积在硅片上的 坡莫合金 Ni80 Fe20 薄膜形成电阻 沉积时外加磁场 形成易磁化轴方向 铁磁材料的电 阻与电流与磁化方向的夹角有关 电流与磁化方向平行时电阻最大 电流与磁化方向垂直时 电阻最小 在磁阻传感器中 为了消除温度等外界因素对输出 的影响 由 4 个相同的磁阻元件构成惠斯通电桥 结构 如图所示 无外加磁场或外加磁场方向与易磁化轴方向 平行时 电桥的 4 个桥臂电阻阻值相同 输出为零 当 在磁敏感方向施加磁场时 合成磁化方向将在易磁化方 向的基础上逆时针旋转 结果使左上和右下桥臂电流与 磁化方向的夹角增大 电阻减小 右上与左下桥臂电流 与磁化方向的夹角减小 电阻增大 通过对电桥的分析 可知 AMR 磁阻传感器输出电压与磁场强度成正比 可利用磁阻传感器测量磁场 商品磁阻传感器已制成集成电路 除电源输入端和 信号输出端外 还有复位 反向置位端和补偿端两对功能 性输入端口 以确保磁阻传感器的正常工作 复位 反向置位的机理可参见图 AMR 置于超过其线性工作范围的磁场中时 磁干扰可 能导致磁畴排列紊乱 改变传感器的输出特 性 此时可在复位端输入脉冲电流 通过内部 电路沿易磁化轴方向产生强磁场 使磁畴重新 整齐排列 恢复传感器的使用特性 若脉冲电 流方向相反 则磁畴排列方向反转 传感器的 输出极性也将相反 二 磁阻传感器补偿和放大倍数 由于桥臂电阻不严格相等或外界干扰磁 场都会产生磁场测量的偏离 因此 需要对这 些影响加以补偿修正 从补偿端输入补偿电 流 通过内部电路将在磁敏感方向产生磁场 可用来补偿传感器的偏离 不管要补偿哪种偏 离 都可调节补偿电流 补偿校准的方法 将磁阻传感器位置调节 至亥姆霍兹线圈中心 传感器磁敏感方向与亥姆霍兹线圈轴线一致 调节亥姆霍兹线圈电流 为零 按复位键 调节补偿电流 OFFSET 电流调节旋钮 大小 使传感器输出电压为零 磁阻传感器的输出信号通常须经放大电路放大后 再接显示电路 故由显示电压计算磁 场强度时还需考虑放大器的放大倍数 磁阻传感器与待测磁场存在如下关系 B k V 1 k 为放大倍数 单位为 Gs V 因此 在利用磁阻传感器测量磁场时需要标定其放大倍数方可进行测量 三 磁阻传感器的磁敏感方向和易磁化方向 由于磁阻传感器的结构 其存在磁敏感方向和易磁化方向 当外加磁场方向与易磁化轴 方向平行时 输出电压为零 当在磁敏感方向施加外加磁场时 输出电压最大 在磁阻传感 器的校准和磁场测量时 都需要调节磁阻传感器使磁场方向和磁敏感方向一致都需要调节磁阻传感器使磁场方向和磁敏感方向一致 四 亥姆霍兹线圈 a 磁干扰使磁畴排列紊乱 b 复位脉冲使磁畴沿易磁化轴整齐排列 c 反向置位脉冲使磁畴排列方向反转 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 首届江西省大学生物理创新竞赛决赛 亥姆霍兹线圈公共轴线中点的磁感应强度为 r NI B 0 0 716 0 2 式中 N 为线圈匝数 I 为流经线圈的电流强度 r 为赫姆霍兹线圈的