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温差电动势的测量实验所用部分仪器与课本上不同，实验原理的电位差计部分和仪器介绍部分可不看，预习时参考以下内容。一、实验目的1、 学会使用数字电压表或万用表测量热电偶的温差电动势。2、 了解热电偶的测温原理和方法。二、实验仪器热电偶、万用表、温度计、带温度显示的水浴锅、保温杯三、仪器介绍1、 热电偶 用两种不同金属组成回路，若两触点处于不同温度，触点间会产生电动势。2、 万用表用于直接测量电压、电流以及电阻的常用仪器，本实验中使用的万用表，测量时应使用量程最小档，其最大可测量电压为200mV。注意：对比万用表与数字电压表，测量档次不同，灵敏度则不同，实验数据有效数字的选择也不同。万用表测量结果取1位小数；数字式电压表取2位小数。3、 水浴锅常见的温度控制仪器，可在0100区间内精确控温。水浴锅通过电热丝通电发热为热源。而因为水的比热容较大，且方便易得，所以以水作为控温介质。大型的水浴锅控温效果较好。本实验中使用的水浴锅可测量当前水的温度，并可对目标温度进行设定，水浴锅自动加热至目标温度恒温。实验时注意：1 水浴锅中加水不要过多，否则导致降温缓慢。2 万用电表使用完毕后，关闭电源，并置于交流电压最大量程。四实验步骤1、 将万用表与热电偶上的红黑接线柱相连.2、 万用表测试前不需调零,万用表应置于直流电压档的200mV，读数时读出单位与此档一致，数值不要乘以200。200mV仅仅表示此档的最大量程。3、 将热电偶一端置于水浴锅中，另一端置于冷水瓶中，开始测量。注意：热电偶触点必须置于水下，且不能与锅壁与锅底相接触。4、 用温度计测量冷水瓶中水温，即热电偶冷端温度。5、 测量升温过程中不同温度差下的电动势。从67开始，每隔4测量一次，至95为止。将水浴锅掷于“设定”，旋转温度旋钮至所需温度（高于95），水浴锅开始加热。然后将水浴锅掷于“测温”，显示温度为当前水温。水温到达设定温度时，水浴锅状态转为“保温”。6、 测量降温过程中不同温度差下的电动势。从95开始，每隔4测量一次，至67为止。将水浴锅掷于“设定”，旋转温度旋钮至所需温度（低于67），此时可将水浴锅盖子打开，使水自然降温。然后将水浴锅掷于“测温”，显示温度为当前水温。7、 使热端处于任意一个温度（表格中没有的温度，如60或80），测出当前温度tx真，以及此温度下相应的电动势。测量数据热电偶冷端温度t0 热端温度t/6771757983879195升温电动势t/mV降温电动势t/mVt平均值五数据处理要求1、 坐标纸作图，t平均值为纵坐标，温差t为横坐标。2、 图解法求温差系数C。要求写出所取的数据点和计算过程。注意温差系数C有单位。3、 最小二乘法求温差系数C。计算出温差系数C和相关系数；也可以利用计算机作图或编程进行拟合。注意思考、应分别是什么？4、 由t图，根据x求出热水温度tx，以温度计所测值tx真为其真值，计算百分比误差。六、相关原理热电偶是一种常见的热电传感器，它广泛用来测量-2001300范围内的温度。它具有结构简单，价格便宜，准确度高，测温范围广等特点。温差电动势与热电偶的大小、长短、金属丝的直径无关，可以把结点做得很小，因此能够测量出极小区域内的温度，如小生物体温的变化，这一点是一般水银温度计不能做到的。由于热电偶将温度转化成电量进行检测，使温度的测量、控制，以及对温度信号的放大、变换都很方便，适用于远距离测量和自动控制。热电偶工作原理接触电动势:由于两种不同导体的自由电子密度不同，而在接触处形成的电动势。导体内部的电子密度是不同的，当两种电子密度不同的导体A与B接触时，接触面上就会发生电子扩散，电子从电子密度高的导体流向密度低的导体。电子扩散的速率与两导体的电子密度有关并和接触区的温度成正比。设导体A和B的自由电子密度为NA和NB，且NANB，电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电，导体B则获得电子而带负电，在接触面形成电场。这个电场阻碍了电子的扩散，达到动态平衡时，在接触区形成一个稳定的电位差，即接触电动势，其大小为式中，k玻耳兹曼常数，k=1.3810-23J/K；e电子电荷量，e1.610-19 C；T接触处的温度，K； NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。导体A和B组成的热电偶闭合电路在两个接点处有两个接触电势eAB(T)与eAB(T0)，闭合回路总热电动势EAB(T,T0)应为接触电动势的代数和，即：对于已选定的热电偶，当冷端温度恒定时，总热电动势就变成测量端温度T的单值函数，即EAB(T,T0)=f(T)。这就是热电偶测量温度的基本原理。在实际测温时，必须在热电偶闭合回路中引入连接导线和电压表。霍耳效应一、预习思考题（要在实验前写在预习报告中）：回答Is、IM、UH、Us分别表示什么含义？Is、IM的作用分别是什么？二、实验中需要注意的地方1、到达实验室后，先不要对仪器通电，按书本要求连线。（思考：连线是接中间的还是下面的接线柱？）连线完毕后邻位互相检查连线，确认无误后才能通电，否则损坏仪器需赔偿。2、仪器开机前应将、调节旋钮逆时针方向旋到底，使其输出电流趋于最小状态，然后再开机。关机前，应将“调节”和“调节”旋钮逆时针旋到底，使其输出电流趋于零，然后才可切断电源。3、预热后对测试仪调零调零方法：将“Is调节”和“IM调节”旋至最小，这时如果UH不为零，用螺丝刀在左边的“调零”旋钮上调零。实验调零后，各操作可不需重复调零。4、“IM调节”左方有一红色按钮。将其按入，上方显示板显示IM的示数；按出，显示板显示Is的示数。5、调节IM时，显示板显示的示数省略了小数点前的零位，必须注意小数点在第一位。即：IM0.6A应调节为【600】（注意！）6、测量Us时，注意铡刀必须打至下方Us档三、完成实验报告需要注意的地方1、测量中磁场强度B的计算磁场由励磁电流通过线圈产生，线圈上标有电流和磁场的换算关系C，设B=C*IM，则CX（常数）KGS/A 其中K103；GS磁场单位高斯（非国际单位）；1GS104T（特斯拉） 从线圈上抄下励磁常数，再乘以IM。即：BXIM10310-40.1XIM (T)2、用坐标纸绘出UHIs直线以及UHIM直线，注意写在前面的为纵坐标，即UH为纵坐标。3、求RH，因或从坐标纸绘出的UHIs直线上，可由图解法得UHIs直线斜率,代入；从UHIM直线上，得UHIM直线斜率，代入，求出RH1和RH2，并取平均作为RH。4、RH，n，s，m 的计算必须使用国际单位，并且计算公式、过程、单位应在实验报告中给出。（提醒：此步骤经常有同学由于未将mA、mV全部转换为A、V，而出现RH，n，s，m全部算错的情况。）四相关原理 1）霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用，产生偏转而引起材料表面电势不同。用左手定则判断载流子所受洛伦兹力的方向。 AlC d e b BIs V E- - - - - - - - - - FBA C 对于图中所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is，在z方向上加以磁场B，则在Y方向即试样AA电极两侧开始聚积异号电荷，产生相应的附加电场。电场指向取决于试样的导电类型。显然，该电场阻止载流子继续向侧面偏移。 当载流子受横向电场力eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到平衡，故有： 其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。2）、霍尔效应的副效应在磁场中的霍尔元件上述推导是从理想情况出发的，实际情况要复杂得多，在产生霍尔电压的同时，还伴生有四种副效应，副效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差。为便于说明，画一简图如右图所示。（1）厄廷豪森（Eting hausen）效应引起的电势差。由于电子实际上并非以同一速度v沿X轴运动，速度大的电子回转半径大，能较快地到达接点3的侧面，从而导致3侧面较4侧面集中较多能量高的电子，结果3、4侧面出现温差，产生温差电动势。可以证明。容易理解的正负与I和B的方向有关。（2）能斯特（Nernst）效应引起的电势差。焊点1、2间接触电阻可能不同，通电发热程度不同，故1、2两点间温度可能不同，于是引起热扩散电流。与霍尔效应类似，该热流也会在3、4点间形成电势差。若只考虑接触电阻的差异，则的方向仅与B的方向有关。（3）里纪勒杜克（RighiLeduc）效应产生的电势差。在能斯特效应的热扩散电流的载流子由于速度不同，一样具有厄廷豪森效应，又会在3、4点间形成温差电动势。的正负仅与B的方向有关，而与I的方向无关。（4）不等电势效应引起的电势差。由于制造工艺上的困难及材料的不均匀性，3、4两点实际上不可能在同一条等势线上。因此，即使未加磁场，当I流过时，3、4两点也会出现电势差。的正负只与电流方向I有关，而与B的方向无关。3）副效应引起的系统误差的消除综上所述，在确定的磁场B和电流I下，实际测出的电压是、和这5种电压的代数和。应根据副效应的性质，改变实验条件，尽量消减它们的影响。上述5种电势差与B和I方向的关系列表如下： 表1 电势差与B和I方向的关系IBIBIBIBIB有关有关有关有关无关有关无关有关有关无关根据以上分析，这些副效应引起的附加电压的正负与电流或磁场的方向有关，我们可以通过改变电流和磁场的方向，来消除、，具体做法如下： 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 给样品加（B、I）时，测得3、4两端横向电压为 由以上四式可得 通常比小得多，可以略去不计，因此霍尔电压为若要消除的影响，可将霍尔片置于恒温槽中，也可将工作电流改为交流电。因为的建立需要一定的时间，而交变电流来回换向，使始终来不及建立。非平衡电桥的应用说明：本实验为设计性实验，可以参看实验36 万用表和惠斯登电桥的使用。要求学生按照实验目的；实验原理；实验仪器；实验步骤；记录数据的表格；结果处理和作图；实验总结，完成完整的实验报告。实验前的预习报告可空出实验步骤部分，做完实验后在实验室补充。预习思考题：实验要求根据测量得到的（T，），用最小二乘法拟合计算热敏电阻的特性参数、。对进行变量变换，表达成形式。实验目的：1. 设计并组装采用非平衡电桥原理测量的热敏电阻温度计，给出定标曲线并用它测量未知水温。 2. 设计用非平衡电桥研究热敏电阻特性的实验方法，并求出具体热敏电阻的特性参数。实验提示：1 实验所用的加热器为数显控温水浴锅，其用法如下：将水浴锅掷于“设定”，旋转“温度设定”旋钮至所需温度，如果用户设置的温度高于水浴锅中水的目前温度，水浴锅则开始加热，水温到达设定温度时，水浴锅状态转为“保温”。在此过程中可将水浴锅掷于“测温”，显示温度为当前水温。2 实验的基本思路如下：当热敏电阻的阻值随温度发生改变时，也发生变化，利用数字万用表记录不同温度下对应的，可得到热敏电阻的定标曲线 t；再反过来利用已记录的，把热敏电阻换成电阻箱，通过调节电阻箱的阻值，使数字万用表显示相应的，从而测出对应的，得到t 曲线，并根据数据组（，T），利用最小二乘法拟合得到具体热敏电阻的特性参数、。实验步骤提示（请做实验时自己加以总结和修改）：1）、热敏温度计定标1 如图连接线路（接线时不要打开电源），其中为热敏电阻，为实验中给出的总阻值为1750的滑动变阻器，R4为实验中给出的总阻值为250的滑动变阻器。将置于水浴锅中，注意不能接触水浴锅的壁和底。2 调节R1为1000，R2为100，R3大约处于1500的位置，打开直流稳压电源，调节电源电压为2V，数字万用表置于2mA档。（先不要打开水浴锅电源）3 从0时开始测量。思考在未对水浴锅加热的条件下，应如何使万用表显示为零？调节0后，先将水浴锅掷于“测温”，再打开水浴锅电源，马上记录下此时温度显示值 t 。4 将水浴锅掷于“设定”，旋转“温度设定”旋钮至，水浴锅开始对热敏电阻加热。记录10组不同温度t 下的，每隔5测一次。2）、热敏电阻特性测量 将热敏电阻换成电阻箱R5，根据前面的实验思路，记录R5值，从而测出不同对应的，即不同温度t 下对应的。数据记录参考表格： 项目次数/T/ K/mA/102345678910注意：1.开始实验前要用万用表检查每一条导线，确定没有断线，检查热敏电阻是完好的。2.将热敏电阻放于浴锅中连接线路，并进行最初的电流表调零。3.电路接好后，通过调节滑线变阻器的阻值可以使得桥上电流出现正值、0、负值的情况才能确定电路连接正确，否则要检查电路。数据处理和作图：1 在坐标纸上绘制热敏电阻的定标曲线t图（注意定标曲线中t应为纵坐标）；绘制热敏电阻阻值与温度关系t 曲线（此时为纵坐标）。2 根据预习思考题的变换，用拟合法列表计算热敏电阻特性参数、值，并给出热敏电阻阻值与温度的函数关系式。总结：调节电阻箱R5的过程中，有何技巧可以比较迅速地找到对应的阻值？实验中还发现了什么现象？相关原理 电桥可分为平衡平桥和非平衡电桥，非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥。以往在教学中往往只做平衡电桥实验。近年来，非平衡电桥在教学中受到了较多的重视，因为通过它可以测量一些变化的非电量，这就把电桥的应用范围扩展到很多领域，实际上在工程测量中非平衡电桥已经得到了广泛的应用。非平衡电桥的原理图见图1。图 1非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似，但测量方法上有很大差别。平衡电桥是调节R3使I0=0，从而得到 ，非平衡电桥则是使R1、R2、R3保持不变，RX变化时则U0变化。再根据U0与RX的函数关系，通过检测U0的变化从而测得RX，由于可以检测连续变化的U0，所以可以检测连续变化的RX，进而检测连续变化的非电量。密立根油滴实验平衡法测量原理：当油滴喷入两极板之后，在极板间加一适当电压U（即实验中的平衡电压），使得油滴所受的重力和电场力，大小相等，方向相反，此时油滴在板间静止，有；若撤掉极板间电压时（K2由“平衡”档拨向“0V”档）油滴只受重力作用加速下降，由于受阻力作用，油滴下降一段距离后，阻力与重力平衡，最终匀速下降，此时由斯托克斯公式有。可得，可得操作步骤提示：（1） K1置于“”位置，K2置于“平衡”位置，若有联动开关，则置于“联动”位置，平衡电压调为200300V，显微镜筒前端和底座前端对齐。（2） 一手持喷雾器喷雾出口，一手捏气囊，距油滴仪喷雾口圆孔外12mm即可，不必伸入油雾杯中喷油。（注意：先调整档片，打开落油孔。）（3） 稍微调节显微镜焦距，选择几颗缓慢运动，较为清晰明亮的油滴，利用K2的“提升”和“0V”看油滴是否会上升和下降。（4） 油滴平衡调节。用将油滴移至第一或第二条刻度线上，仔细调节平衡电压。反复操作几次，经过一段时间观察，油滴确实不再移动才可认为油滴平衡了。（5） 试测。采用平衡法测量。将目前的刻度线作为 “起跑”线，若此时计时器在计时，先按一下“计时/停”按钮停止计时，然后将由“平衡”拨向“0V”。在油滴开始匀速下降的同时，计时器开始计时。当油滴到“终点”刻度线时（课本计算公式中给出的油滴匀速下降距离，则需要油滴下降标准分化板的6个格），迅速将拨向“平衡”，油滴立即停止运动，计时也立即停止。观察平衡电压U为200300V时，是否在820s范围内。记录平衡电压U和时间。 （6） 将K2拨向“提升”，使油滴回到“起跑”线，重复测量3次。（测量过程中可微调显微镜焦距使油滴始终保持清晰。）（7） 再次喷油，选择油滴。共测量5颗油滴，每次测量3次。（注意：5颗油滴的平衡电压U和时间两者不能同时相同。）（8） 关闭仪器（先关监视器再关油滴仪），整理仪器，擦干油渍。记录温度计所示温度。数据处理方法一（需要事先知道电子电荷量的公认值）：（1） 对于每一颗油滴，利用每一次测量所得的U和，计算出3个q值，取平均值作为这一颗油滴的q值。（2） 设实验得到的5个油滴的带电量分别为，用倒过来验证的方法，即用各个去除标准电子电荷并取整数，即，得到，（都取整数）。由于电荷的量子化特性，应有，此为一直线方程，为自变量（），为因变量（），e为斜率。利用以前所学的求斜率的几种方法，任选一种，计算斜率e（鼓励用计算机进行拟合并打印图形和结果）。（3） 将e的实验值与公认值比较，求相对误差。（公认值C）夫兰克赫兹实验实验步骤提示：（1） 参考参数：灯丝温度162C左右，加热时检查接线。加热完成后，设置UF大约为1.3V， UKG1大约为2.2V， UG2P大约为1.5V。微电流放大器量程为，极性置于“”。（2） 选择合适的灯丝电压。扫描上限调节为最小（逆时针旋到底），选择“快扫”，片刻后，从电流表上观察到峰谷信号（扫描过程中若出现电流表大幅度过载，处理方法参看注意事项1）。观察第10个峰时， IP是否在4045左右。若IP在第十个峰到来时超过量程，可减小灯丝电压UF，反之，可适当增加灯丝电压UF（改变灯丝电压时，参看注意事项2）。（3） 选择合适的控制栅电压。选择“手动”测量，改变电压值，寻找到第一个峰后，调节控制栅电压UKG1使到IP值最大，这时的控制栅电压为合适电压。（4） 选择“手动”测量，缓慢调节手动调节电位器，增大加速电压，并注意观察微电流放大器指示。记录每次出现峰、谷时的UKG2和IP值（IP估读一位）。在峰、谷两侧也要各测几个点，便于绘制曲线。注意：一定要缓慢调节电位器，有时稍微调一下电位器，电流就会有较大变化，并且不稳定，记录时要等待电流表指针稳定后再读数。记录10个峰、谷的数据。（自己预先设计好表格）（5） 改变灯丝电压UF，重复步骤（4）。(三项选做中选一)（6） 改变减速电压UG2P，重复步骤（4）。(三项选做中选一)（7） 改变加热炉温度，重复步骤（4）。(三项选做中选一)（8） 若用计算机采集数据，可将数据存盘，回去用Matlab处理。（9） 关闭电源前先把扫描方式拨到“手动”，将上限调节和手动调节逆时针调至最小值。数据处理：（1） 逐差法计算要间隔相减。（2） 最小二乘法计算斜率时，要求将接触电位差a值也计算出来。（FH管阴极K与栅极G2采用不同的金属材料制成，产生接触电位差，使真正加在电子上的加速电压并等于UKG2，而是UKG2与接触电位差的代数和，使得整个IPUKG2曲线平移。）（3） 坐标纸作图。将步骤提示（4）中的曲线与选做内容的曲线画在同一幅图中。可用不同颜色的笔描线。声光效应声光偏转和声光调制：在布喇格衍射条件下，将功率信号源的功率旋钮置于中间值附近并固定，旋转频率旋钮而改变信号频率，0级光与1级光之间的衍射角随信号频率的变化而变化，这是声光偏转。在布喇格衍射条件下，固定频率旋钮为声光器件中心频率，旋转功率旋钮而改变信号的强度，0级光与1级光的强度分布也随之改变，这是声光调制。操作步骤提示：（1） 检查接线后（光强仪背面板“信号”接至示波器“CH 2”通道，“同步”接至示波器外触发输入端“TRIG IN”，触发方式选“EXT” ），开启除功率信号源之外的各部分电源（注意光强仪和激光器背面也有电源开关）。（2） 调节光路，使示波器上出现无毛刺的单峰波形。（使半导体激光器射出的光束准确地由声光器件外塑料盒的小孔射入，穿过声光介质，由另一端的小孔射出，照射到CCD采集窗口上。应仔细调节半导体激光器的功率以及左右、上下位置；声光器件的高度、光束入射角度；CCD光强仪的高度、左右位置等。可先拿纸挡住，以确定激光束是否射入小孔，是否射入CCD采集窗。）（3） 打开功率信号源的电源，注意等幅/调幅开关应打在“等幅”位置，功率置于中间值附近，频率调节为90100MHz附近。LS（4） 微调转角平台旋钮，改变激光束射入声光器件的入射角，获得布喇格衍射。示波器上表现为原单峰波形的旁边出现一强度较小的峰。当改变功率信号源的频率时，两峰之间的水平距离随之改变。（5） 声光偏转的观察和测量。固定功率信号源的功率为中间值附近，固定L，在75110MHz范围内改变频率，测量衍射光相对于入射光的偏转角介。（示波器上读出的0级光与1级光之间的偏转距离为S（mm），L（x104.5）mm，则空气中的偏转角空空S/L。由n=sin空/sin介，得n空/ 介，可得介空/ n。）（6） 声光调制的观察和测量. 由低到高附加波调节超声波的功率P，记录0级光与1级光的强度变化。面板上的毫安表读数值10约等于功率毫瓦数。I0与I1可用电压值记录。方法为将CH 2的VOLT/DIV的微调旋钮关闭后，读出0级光和1级光在垂直方向所占的小格。假设VOLT/DIV档位为2V/DIV，1级光在垂直方向所占的小格为6.5小格，则其强度为（2V5）6.5。次数超声波功率/WI0/VI1/V12345（7） 实验完毕关闭各部件电源，尤其注意激光器与光强仪的电源。数据处理：（1） 在坐标纸上作出关系直线（？为纵坐标）；I0 、I1P关系曲线，要求I0 、I1要作到同一幅图中（？为纵坐标）。（2） 计算声速。由式子 ，利用以前学过的求斜率的方法，计算斜率K （鼓励用计算机拟合并打印图形和结果），并求出。（650nm）（3） 计算声速测量值与课本给出的标准值的相对误差。（3632m/s）声速的测定示波器状态提示：示波器各个旋钮状态提示：AC/GND/DC：AC； SOURCE：INT； MODE：AUTO； INT TRIG：VERT MODE； LEVEL：狭缝处于中间位置； 3个POSITION：狭缝处于中间位置；3个微调旋钮VAR：顺时针旋到底，即处于校准位置。最佳频率工作点的测定方法：（1） 声速测试仪信号源输出合适的电压2VP-P，否则易出现饱和波形。（2） MODE选