大学物理实验讲义(部分).doc

大学物理实验讲义(太阳能科学与工程系光伏工程教研室2010年3月)目录写在前面2一、物理实验的地位和作用2二、 物理实验课的教学目的2三、 物理实验课的基本程序3实验一 扭摆法测定刚体转动惯量5【实验目的】5【实验原理】5实验二 悬丝耦合弯曲共振法测定金属材料杨氏模量10【实验目的】10【实验原理】11实验三 电表改装与校准18【实验目的】18【实验原理】18实验四 示波器原理及使用25【实验目的】25【实验原理】25实验五 霍尔效应实验组合仪的使用29【实验目的】29【实验原理】29实验六 迈克尔逊干涉实验仪的使用37【实验目的】37【实验原理】38写在前面一、 物理实验的地位和作用科学的理论来源于科学的实验,并受到科学实验的检验,物理学的理论,就是通过观察、实验、抽象、假说等研究方法，并通过实验的检验而建立起来的。观察和实验是物理学中的重要研究方法。观察就是对自然界中发生的某种现象，在不改变自然条件的情况下，按照原来的样子加以观察研究。而实验则是人们按照一定的研究目的，借助按规定的仪器设备，人为地控制或模拟自然现象，使自然现象以比较纯粹或典型的形式表现出来，进而对其进行反复地观察和测试，探索其内部规律的一种方法。物理学从本质上说是一门实验科学，无论是物理规律的发现，还是物理理论的验证，都有待迂实验。物理实验不仅在物理学的发展中占有重要的地位，而且在推动其它自然科学、工程技术的发展中也起着重要作用。特别在不少交叉学科中，物理试验的构思、方法和技术与化学、生物学、天文学等学科的相互结合已取得丰硕的成果。此外，物理实验还是众多高技术发展的源泉、原子能、半导体、激光、超导和空间技术等最新科技成果，都是与物理实验密切相关的。二、 物理实验课的教学目的根据高等学校工程专科物理实验课程教学的基本要求，结合我校的实际，对各专业不同的需要选取一定数量和实用内容的实验项目。物理实验是物理学的重要内容，是学生进行科学实验基本训练的一门必修的基础课程，是学生进入大学后，受到系统的实验方法和实验技能训练的开端，也是学生学习相关后继课程的实验和进行工程实验的基础。物理实验课的任务是：一、 通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习并掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能，并加深对物理学原理的理解。二、 使学生学会常用物理仪器的调整及正确的使用方法。三、 使学生初步具备处理数据、分析结果、撰写实验报告的能力。四、 培养学生科学系统的思维方式、一丝不苟的严谨态度、实事求是的工作作风和团结协作的精神。三、 物理实验课的基本程序物理实验课通常分下列三个阶段进行：1、 实验前的预习为了在规定的时间内保质保量地完成实验内容，学生在实验前必须做好预习工作。实验讲义是实验的指导参考，它对每一个实验目的、要求、实验原理都作了明确的阐述，因此，在上实验课前必须认真的阅读。还需查阅有关参考资料、实验中涉及的仪器、有许多是从未见过的，在预习时就需认真阅读讲义中的仪器介绍，弄清仪器的原理、构造、操作规程和注意事项等，特别是注意事项，不仅要看，还要牢记，否则会造成仪器损坏，甚至人身事故。对仪器的构造，应尽可能地去理解、去想像，必要时还需要去实验室观察实物。在预习的基础上，写好预习报告，其内容包括实验名称、实验目的、实验原理和数据记录表格。此外，根据实验内容，准备好实验中所需的绘图工具和计算器等。2、实验操作实验时应严格遵守实验室的规章制度。在实验正式进行前，首先结合仪器实物，对照实验讲义或仪器说明书，认识和熟悉仪器的结构和使用方法；其次要全面考虑实验的操作程序，怎样做更为合理，不要急于动手。因为对于操作程序中某些关键步骤而言，哪怕是有很小的错误，都有可能使实验前功尽弃。仪器的安装和调整是决定实验成败的关键一环、使用仪器进行测量时，必需满足仪器的正常工作条件。实验测量应遵循“先定性、后定量”的原则。即先定性地观察实验全过程，确认整个实验装置工作是否正常，对所测内容要做到心中有数。在可能的情况下，对数据的数量级和趋势作出估计后，再定量地读取和记录测量数据、测量时，观测者应集中精力、细心操作、仔细观察，并积极发挥主观能动性，以获得所用仪器可能达到的最佳效果。原始数据是宝贵的第一手资料，是以后计算和分析问题的依据，有按有效数字的规则正确记录。实验记录的内容应包括：日期、时间、地点、合作者、指导教师、仪器的名称和编号、原始数据及有关现象。实验数据是否合理，学生应首先自查，然后交给指导老师审查。对不合理的和错误的实验结果，应分析原因，及时补测或重做，离开实验室前，应听从实验管理员和指导老师的指挥，自觉整理好仪器，并做好清洁工作。3、实验报告的书写书写实验报告的目的是为了培养学生以书面形式总结工作和报告科学成果的能力。实验报告要求文字通顺，字迹端正、数据完整、图表规范、结果正确。一份完整的实验报告应包括：实验名称、实验目的、实验原理、原始数据、数据处理和讨论等主要内容。对于实验原理应在理解教材内容的基础上用自己的语言来阐述，做到简明扼要、实验步骤只要写出关键性的仪器调整方法和测量技巧、一般不要完全照抄讲义中的内容。原始测量数据一般要求以列表形式出现。数据处理要写出数据计算的主要过程、图表的最后结果的误差分析、对实验过程的结果的讨论要具体深入、有分析、有见解，不要泛泛而谈，其内容一般不受限制，可以是对观察到的实验现象进行分析，对结论和误差原因进行分析，也可以对实验方案提出改进意见。实验一 扭摆法测定刚体转动惯量【实验目的】1、 用扭摆测定几种不同形状刚体的转动惯量和弹簧的扭转常数，并与理论值进行比较。2、 验证转动惯量平行轴定理。【实验原理】扭摆的构造如图1所示，在垂直轴1上装有一根薄片状的螺旋弹簧2，用以产生恢复力矩。在轴的上方可以装上各种待测物体。垂直轴与支座间装有轴承，以降低磨擦力矩。3、为水平仪，用来调节整个系统平衡。 将物体在水平面内转过一角度后，在弹簧的恢复力矩作用下物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。根据虎克定律，弹簧受扭转而产生的恢复力矩M与所转过的角度成正比，即 (1)(1) 式中， K为弹簧扭转常数，根据转动定律 （2）(2) 式中，为角加速度，J为物体绕转轴的转动惯量，若令2=K/J，忽略轴承的磨擦阻力矩，由（1）、（2）式得: （3）上述方程（3）表示扭摆运动具有角简谐振动的特性，角加速度与角相移成正比，且方向相反。此方程的解为：=Acos(t+)，式中，A为谐振动的角振幅，为初相位角，为角速度，此谐振动的周期为 (4)由（4）式可知，只要实验测得物体扭摆的摆动周期，并在J和K 中任何一个量已知时即可计算出另一个量。本实验用一个几何形状规则的物体，它的转动惯量可以根据它的质量和几何尺寸用理论公式直接计算得到。若两个刚体绕同一个转轴的转动惯量分别为J1和J2，当它们被同轴固定在一起时，则总的转动惯量变为： （5）（5）式称为转动惯量的叠加原理。在本实验中，知道了转动物体的转动惯量，就可算出本仪器弹簧的K值。反之，若知道了弹簧的K值，要测定其它形状物体的转动惯量，只需将待测物体安放在本仪器顶部的各种夹具上，测定其摆动周期，由公式（4）即可算出该物体绕转动轴的转动惯量。理论分析证明，若质量为m的物体绕通过质心轴的转动惯量为J0时，当转轴平行移动距离为X时，则此物体对新轴线的转动惯量变为 (6)(6)式称为转动惯量的平行轴定理。具体测量方法1、测量载物盘的摆动周期，它的转动惯量2、塑料圆柱体放在载物盘上测出摆动周期，总转动惯量3、塑料圆柱体的转动惯量（理论算）.由此式可以算出弹簧系数K。即可得到。再将代入，则载物盘的转动惯量为【实验仪器】1、扭摆及几种待测转动惯量的物体：空心金属圆筒、实心塑料圆柱体、实心球、验证转动惯量平行轴定理用的细金属杆，杆上有两块可以自由移动的金属滑块。2、转动惯量测试仪由主机和光电传感器两部分组成。主机采用新型的单片机作控制系统，用于测量物体转动和摆动的周期，以及旋转体的转速，能自动记录、存贮多组实验数据。光电传感器主要由红外发射管和红外接收管组成，将光信号转换为脉冲电信号，送入主机工作。因人眼无法直接观察仪器工作是否正常，但可用遮光物体往返遮挡光电探头发射光束通路，检查计时器是否开始计数和到预定周期数时，是否停止计数。为防止过强光线对光探头的影响，光电探头不能置放在强光下，实验时采用窗帘遮光，确保计时的准确。【使用方法】1、调节光电传感器在固定支架上的高度，使被测物体上的挡光杆能自由往返地通过光电门，再将光电传感器的信号输入线插入主机输入端。2、开启主机电源，“次数”显示为10，“毫秒”显示为0，按“增”或“减”键，可增加或减少设定的测量次数，(通常推荐为5次左右为宜)。3、次数设定好之后，若按下“开始”键，即可进行周期及次数的测量、（但受外力作用的那个周期即第1个周期不被计入）。此时“毫秒”显示数为周期的时间，“次数”显示数为周期的次数。4、测量次数至设定数后，“次数”停止于设定数，“毫秒”显示数为零。按下“查询”键后再按“增”键或“减”键，可查询各次测量到的数据。若在实验中途按下“停止”键则实验停止，可用同样方法查询，获得已经测量到的数据。5、每次设定次数和开始测量之前，均要按“复位”键，使仪器处于初始状态。6、若接有两个光电传感器，则在“通用”状态下，可测量遮光物体通过它们之间距离的时间。【实验内容】1、熟悉扭摆的构造，及使用方法，以及转动惯量测试仪的使用方法。2、测定扭摆弹簧的扭转常数K。3、测定塑料圆柱、金属圆筒、实心球与金属细长杆的转动惯量。并与理论值比较，求百分误差。4、改变滑块在金属细杆上的位置，验证转动惯量平行轴定理。【实验步骤】1、 调整扭摆基座底角螺丝，使水平仪的气泡位于中心。2、 测出金属载物盘的质量和几何尺寸多次测量，算出其理论上的转动惯量J0，再把金属载物盘装在转轴支架上，并调整光电探头的位置使载物盘上的挡光杆处于其缺口中央且能遮住发射、接收红外光线的小孔。用以测定摆动周期T0。3、 测出塑料圆柱体的外径、金属圆筒的内、外径、实心球直径、金属细长杆长度及各物体质量（各测量3次）。4、 旋转金属载物盘，使弹簧卷500 -900 范围内 ,然后释放，用仪器测量的测周期功能，测定摆动周期T0。5、分别将塑料圆柱体、金属圆筒垂直固定在载物盘上，测定摆动周期T1和T2。计算系统总的转动惯量。（在计算塑料圆柱体和金属圆筒的转动惯量时，要在系统总的转动惯量中扣除原载物盘的转动惯量。）5、取下载物金属盘、装上实心球，测定摆动周期T3。并根据公式（3）和已知的弹簧的扭转常数K，计算实心球的转动惯量。（在计算实心球的转动惯量时，应扣除支架的转动惯量）。7、取实心球，装上金属细杆（金属细杆中心必须与转轴重合）。测定摆动周期T4。（在计算金属细杆的转动惯量时，应扣除支架的转动惯量）。 8、将滑块对称放置在细杆两边的凹槽内（见图2）此时滑块质心离转轴的距离分别为5.00，10.00，15.00，20.00，25.00厘米，测定摆动周期T。验证转动惯量平行轴定理。（在计算转动惯量时，应扣除支架的转动惯量。【数据处理表格】表一 测量规则刚体沿转轴和转动惯量物体名称质量（Kg）几何尺寸（10-2m）周期（S）转动惯量理论值（10-nKgm2）实验值（10-nKgm2）金属载物盘+支架轴 =塑料圆柱D1T1J1=mD12/8J1=（KT12/42）-J0D1T1金属圆柱D外T2J2=m(D外2+D内2)/8J2=（KT22/42）-J0D外D内T2D内实心球D直T3J0=mD2直/10J3=（K T23/42）-J支座D直T3金属细杆LJ4=mL2/12J4=（KT24/42）-J夹具LT4（附录）木球支座转动惯量实验值参考数值：夹具转动惯量：表二 验证刚体的平行轴定理X(10-2m)5.0010.0015.0020.0025.00摆动周期T（S）T（S）实验值（10-4Kgm2）J=K T2/42理论值（10-4Kgm2）J=J4+2mx2+J5百分差为金属细杆的转动惯量；滑块的总转动惯量为 【注意事项】1、由于弹簧的扭转常数K值不是固定常数，它与摆动角度略有关系，摆角在90度左右基本相同，在小角度时变小。2、为了降低实验时由于摆动角度变化过大带来的系统误差，在测定各种物体的摆动周期时，摆角不宜过小，摆幅也不宜变化过大。3、光电探头宜放置在挡光杆平衡位置处，挡光杆不能和它相接触，以免增大摩擦力矩。4、机座应保持水平状态。5、在安装待测物体时，其支架必须全部套入扭摆主轴，并将止动螺丝旋紧，否则扭摆不能正常工作。6、在称金属细杆与木球的质量时，必须将支架取下，否则会带来极大误差。实验二 悬丝耦合弯曲共振法测定金属材料杨氏模量杨氏模量是工程材料的一个重要物理参数，它标志着材料抵抗弹性形变的能力。过去物理实验中所用的测量方法是“静态拉伸法”。采用这种方法由于拉伸时载荷大，加载速度慢，存有驰豫过程，它不能真实地反映材料内部结构的变化；对脆性材料无法用这种方法测量；也不能测量在不同温度时的杨氏模量。而弯曲共振法因其适用范围广（不同的材料和不同的温度），实验结果稳定、误差小而成为世界各国广泛采用的测量方法。【实验目的】1、 用悬丝耦合弯曲共振法测定金属材料杨氏模量。2、培养学生综合应用物理仪器的能力。3、设计性扩展实验，培养学生研究探索的科学精神。【实验原理】用悬丝耦合弯曲共振法测定金属材料杨氏模量的基本方法是：将一根截面均匀的试样（圆棒或矩形棒）用两跟细丝悬挂在两只传感器（即换能器，一只激振，一只拾振）下面，在试样两端自由的条件下，由激振信号通过激振传感器做自由振动，并由拾振传感器检测出试样共振时的共振频率，再测出试样的几何尺寸，密度等参数，即可求得试样材料的杨氏模量。根据理论推导得 (圆形截面棒) (矩形截面棒)式中：为棒长，为圆形棒的直径，和分别矩形棒的宽度和高度，为棒的质量，为试样共振频率。如果在实验中测定了试样在不同温度时的固有频率，即可计算出试样在不同温度时的杨氏模量 。 y 图 一在国际单位制中杨氏模量的单位为牛顿米-2。值得注意的是，在推导以上两个公式时是根据最低级次（基频）的对称性振动的波形推导出的。从图一可见，试样在基频振动时，存在两个节点，分别在 和 处。显然节点是不振动的，实验时悬丝不能吊挂在节点上。【实验装置】本实验的基本问题是测量试样的共振频率。为了测出该频率，实验时可采用如图二所示装置。信 号发生器 示波器放大器频率计换能器 I II 测试棒 图 二由信号发生器输出的等幅正弦波信号，加在传感器I（激振）上，通过传感器I把电信号转变成机械振动，再由悬线把机械振动传给传感器II（拾振），这时机械振动又转变成电信号。该信号放大后送到示波器中显示。当信号发生器的输出频率不等于试样的共振频率时，试样不发生共振，示波器上几乎没有信号波形或波形很小。当频率相等时，试样发生共振，示波器上波形突然增大，读出此时的频率，该频率就是试样的共振频率，根据公式即可计算出试样的杨氏模量。【实验内容】1、 测定试样的长度，直径和质量。2、在室温下铜的杨氏模量为牛顿米-2，先估算出共振频率，以便寻找共振点。因试样共振状态的建立需要有一个过程，且共振峰十分尖锐，因此在共振点附近调节信号频率时须十分缓慢地进行。【问题】1、用什么规格的仪器测量试样的长度，直径，质量和共振频率。2、估算实验误差。可从以下几个方面考虑：仪器误差。悬挂点偏离节点引进的误差。【设计性扩展实验】1、根据李萨如图型法判定试样的共振频率。2、根据实验原理，要使试样自由振动就应把悬丝吊扎在试样的节点上，但这样做不能激发和拾取试样的振动。因此实际的吊扎位置要偏离扎点。请你用“处延测量法”准确测定悬线吊扎在试样节点上时的共振频率，并修正你的实验结果。【问题探讨】1、关于试样的几何尺寸在推导计算公式的过程中，没有考虑试样任一截面两侧的剪切作用和试样在振动过程中的回转作用。显然这只有在试样的直径和长度之比（径长比）趋于零时才能满足。精确测量时应对试样不同的径长比作出修正。令 式中 为未经修正的杨氏模量， 为修正后的杨氏模量， 为修正系数。值如下表1径长0.020.030.040.050.06修正系数1.0011.0021.0051.0081.0141.019实验时一般可取径长比为0.04 的试样，径长比过小，会因试样易于变形而使实验结果误差变大。对同一材料不同径长比的试样，经修正后可以获得稳定的实验结果。2、关于悬丝的材料和直径用标准中推荐的几种悬丝做实验，对某一试样在相同温度时测得的结果为表2悬丝材料 棉 线0.07铜丝0.06镍铬丝共振频率(Hz) 899.0 899.1899.3可见对不同材料的悬丝，共振频率差值不大（0.03%）。但悬丝越硬，共振频率越大。3、用同种材料不同直径的悬丝做实验，对同一试样在相同温度时测得的结果为表3铜丝直径(mm)0.070.120.240.46共振频率(Hz)899.1899.1899.3899.5可见悬丝的直径越粗，共振频率越大。这与上述的悬丝越硬，共振频率越大是一致的。因此，如果实验时的温度不太高，悬丝的刚度能承受时，悬丝尽量用得细些、软些。至于悬丝和试样安装时的倾斜度，经多次实验，未见明显影响。4、关于悬丝吊扎点的位置在原理部分，已简单述及了试样作基频对称型振动时，存在两个节点，节点是不振动的，实验时悬丝不能吊扎在节点上，必须偏离节点。在原理中，同时又要求在试样两端自由的条件下，检测出共振频率。显然这两条要求是矛盾的。悬挂点偏离节点越远，可以检测到的共振信号越强，但试样受外力的作用也越大，由此产生的系统误差越大。为了消除误差，可采用内插测量法测出如果悬丝吊扎在试样节点上时，试样的共振频率。具体的测量方法可以逐步改变悬丝吊扎点的位置，逐点测出试样的共振频率 。设试样端面至吊扎点的距离为，以作横坐标，共振频率为纵坐标作图，如图三所示 901 900 899 898 图 三 8970 0.10 0.20 0.30从图内插求出吊扎点在试样节点（=0.224处）时的共振频率（图标=897.2）。实验数据如下：（mm）7.515.022.530.037.545.052.50.050.100.150.200.250.300.35901.4899.4898.0897.3897.4898.5900.0激振电压*（V）0.20.30.4230.40.35、关于真假共振峰的判别 在实际测量中往往会出现几个共振峰，致使真假难分。尤其在高温测量时，因试样的机械品质因素下降，真假共振峰更难区别。下面提供几种判别方法，供参考。共振频率预估法实验前先用理论公式估算出共振频率的大致范围，然后进行细致的测量。对于分辨真假共振峰十分有效。峰宽判别法 真正的共振峰的峰宽十分尖锐，尤其在室温时，只要改变激振信号频率0.1，即可判断出试样是否处于最佳共振状态。虚假共振峰的峰宽就宽多了。撤耦判别法 如果将试样用手托起，撤去激振信号通过试样耦合给拾振传感的通道。如果是干扰信号，尤其是当激振信号过强时，直接通过空气或测振台传递给拾振传感器，则示波器上显示的波形不变。如果波形没有了，则有可能就是真的共振峰。其它尚有衰减判别法（突然去掉激振信号，共振峰应有一个衰减过程，而干扰信号没有）、倍频检查法、跟踪测量法（变温测量时）等。实验者可运用你已有的物理学知识和实验技能，设法进行判别。6、关于作为教学实验的特点 将本实验作为教学实验开出，首先是符合了国家标准，跟上了时代步伐。同时本实验自身又具有丰富的物理思想和基本技能训练的教学内容，体现在实验时需要用到游标卡尺，螺旋测微计、天平、信号发生器、示波器等一系列物理实验仪器。因此这是一个使用传感器进行非电量电测的综合性物理实验。在以上“关于悬丝吊扎点的位置”讨论中，讨论了为了消除系统误差，可采用内插法测出如果悬丝吊扎在试样节点上时的共振频率。该内容可在不增加任何仪器设备的条件下，作为设计性扩展实验安排。图二所示，是根据共振峰的幅值大小来判定试样的共振。也可用李萨如图形法来判定试样的共振。如何用李萨如图形法来判定试样的共振频率，这又是一个虽较简单，但却是一个很好的设计性扩展实验。实验过程中，区分真假共振峰的判别，对发挥学生聪明才智，培养创造性思维和创新能力，很有帮助。旋测微计、天平、示波器等。因此本实验完成的是一个培养学生综合运用物理实验仪器的综合性实验。【实验仪器】HLD-YM-II型动态杨氏模量测试台中换能器（耳机）膜片已经过调整封固，勿需再调。HLD-YM-II型信号发生器的前面板如图四、图五所示 3 4 5 6 共振指示 扫描南京恒立达光电仪器厂 南京慧硕科教仪器有限公司 电压调节 频率粗调 频率细调 1 2 环 图 四 7 8 9 10 共振指示 扫描南京恒立达光电仪器厂 南京慧硕科教仪器有限公司 电压调节 频率粗调 频率细调 环 图 五1、Norm:仪器工作在手动状态 2、激振电压显示 3、激振频率显示 4、拾振电压显示5、共振指示灯共振时指示灯闪烁6、扫描按键按下此按钮仪器在Norm和Scan两种工作状态下转换7、激振电压调节调节此旋钮使在（0 8V）间变换8 频率粗调激振频率最小调整单位为109、频率细调激振频率最小调整单位为0.110、Scan:仪器工作在扫描状态 HLD-YM-II型信号发生器的后面板如图六所示 1 2 3 4 5 6电源开关 电源插座 激振输出 拾振输入 拾振输出 激振输出图 六1、电源开关 2、电源插座 3、激振输出 4、拾振输入 5、拾振输出 6、激振输出前面板图中的表头部分电压是液晶显示，由旋钮7调节，其电压调节范围为08V；频率显示也为液晶显示，分别为旋钮8和9进行配合调节，其频率调节范围为201500。从以上频率选择可见，本信号发生器频率范围较窄，因为一般信号发生器频率范围较宽，但细调不够，略一调节，频率就变化2-3个赫兹。本仪器中频率细调达0.1，对于共振峰十分尖锐的本实验是最适用的。【实验步骤】1、 接通电源，连接示波器。2、 调节激振电压调节旋钮，使为8.0V，将频率细调旋钮逆时针旋为最小状态（此时频率显示的最后两位应该为0）。3、 调整频率粗调旋钮，使频率显示为参考频率值。（如600）4、 按下扫描按钮（此时状态由Norm变为Scan）等待扫描结果。5、 当波形出现最大值时，记下此时的频率值。按下扫描按钮（此时状态由Scan变为Norm），在所记下的频率值附近调节频率细调，找到最佳波形。6、 记下此时的频率值，即共振点的频率值。注：当谐振电压大于3V时，共振指示动作。实验三 电表改装与校准电表在电测量中得到广泛的应用，因此如何了解电表和使用电表就显得十分重要。电流计是用来测量微小电流的，它是非数字式测量仪器的一个基本组成部分，我们用它来改装毫安表、伏特表和欧姆计。【实验目的】1、 按照实验原理设计测量线路。2、 了解电流计的量程Ig和内阻Rg在实验中所起的作用，掌握测量他们的方法。3、 掌握毫安计、伏特计和欧姆计的改装、校准和使用。了解电表面板上符号的含义。【实验原理】电流计图1是常见的磁电式电流计的构造，它的主要部分是放在永久磁场中的由细漆包线绕制成的可以转动的线圈、用来产生机械反力矩的游丝、指示用的指针和永久磁铁所组成。当电流通过线圈时，载流线圈在磁场中就产生一磁力矩M碰，使线圈转动，由于线圈的转动就扭转与线圈转动轴连接的上下游丝，使游丝发生形变产生机械反力矩M机，线圈满刻度偏转过程中的磁力矩M磁只与电流强度有关与偏转角度无关，而游丝因形变产生机械反力矩M机与偏转角度成正比。因此当接通电流后线圈在M磁作用下偏转角逐渐增大，同时反力矩M机也逐渐增大，直到M磁M机时线圈就很快的停下来。线圈偏转角的大小与通过的电流大小成正比（也与加在电流计两端的电势差成正比），由于线圈偏转的角度，通过指针的偏转是可以直接指示出来。电流计允许通过的最大电流称为电流计的量程，用Ig表示，电流计的线圈有一定内阻，用Rg表示，Ig与Rg是两个表示电流计特性的重要参数。电流计可以改装成毫安计，电流计G只能测量很小的电流，为了扩大电流计的量程，可以选择一个合适的分流电阻Rp与电流计并联，允许比电流计量程Ig大的电流通过由电流计和与电流计并联的分流电阻所组成的毫安计，这时电表面板上的读数就要按预定要求设计的满刻度值I，即毫安计量程I的要求来读数。 （1） （2）若测出电流计G的Ig与Rg，则根据图2就可以算出将此电流计改装成量程为I的毫安计所需的分流电阻Rp：电流计可以改装成伏特计：由于电流计Ig很小，Rg也不大，所以只允许加很小的电位差，为了扩大其测量电位差的量程可与一高阻Rs串连，这时两端的电位差V大部分分配在Rs上，而电流计中所示的数目与所加电位差成正比。只需选择合适的高电阻Rg与电流计串连作为分压电阻，允许比原来IgRg大的电压加到由电流计和与电流计串连的分压电阻组成的伏特计上，这时电表面板上的读数就要按预定要求设计的满刻度值V，即伏特计量程V的要求来读数。 （3） （4）如果改装后的伏特计量程为V，则Rs的选择由图2可见 Ig Ig G Rs G I-IgN S n I Rp V 图1 电流计结构示意图 图2 电流计量程改装原理 【实验仪器】实验仪面板结构图如图一所示，仪器主要集成了标准数字电流表，标准数字电压表，用于对改装后的电流表和电压表进行校准用，改装表用内阻大约为100，100等分，精度等级为1.0级的大面板模拟表头，读数方便。另外提供一个470可调电阻，学生可以将它与被改装表头串连以人为改变表头内阻。750电阻与上述470可调电阻一起用于把电流表头改装为串接式和并接式欧姆计。仪器另外提供可调直流稳压源输出从01.5可调，三位半数字显示，读数方便，量程09999.9可变电阻箱供测量表头内阻等实验所需。【实验内容】1、 测定电流计G的量程Ig和内阻Rg，设计测量电路并测定内阻Rg测量，可以采用替代法和中值法等多种方法。替代法：如图3所示，当被测电流计接在电路中时，用十进位电阻箱替代它，而且改变电阻值，当电路中的电压不变时，则电路中的电流亦保持不变，则电阻箱的电阻值为被测改装电流计内阻。中值法:当被测电流计接在电路中时,使电流计满偏,再用十进位电阻箱与电流计并联作为分流电阻改变电阻值即改变分流程度,当电流计指针指示到中间值且总电流强度保持不变时,显然这时分电阻值就等于电流计内阻.S G 校准表R 50 2V 图3替换法测量电表内阻2.改装电流计为5mA或10mA量程的毫安计改装电流计为5mA或10mA量程毫安计，按图4用0.5级标准数字毫安计,校图4 改装毫安表的校准正被改装毫安计,从0到满量程,以电流计面板读数为横坐标,以标准表读数为纵坐标用毫米方格纸作校准曲线。 3.改装电流计为1V量程的伏特计改装电流计为1V量程的伏特计,按图5用0.5级标准数字伏特计,校正被改装伏特计,从0到满量程,以电流计面板读数为横坐标,以标准表读数为纵坐标用毫米方格纸作校准曲线。 50 Rs 校准表 2V G 图5 改装伏特表的校准4.定出改装毫安计和伏特计的级别参考电磁学实验预备知识,但改装表的级别不能高于用来校正的所谓标准表的级别，计算结果的值,向低的级别靠,来确定改装时的电表级别.5.改装电流计为欧姆计串接式欧姆计的原理图如图6所示,E为电源,表头内阻为Rg,满刻度电流为Ig,R和RW为限流电阻,RX为待测电阻.由欧姆定律可知,电路中的电流由下式决定： （5） G Rw Rg Ig R Rx E 图6 串接式欧姆计改装原理对于给定的欧姆计(RgRRWE已给定)IX与RX之间有一一对应的关系.在表头刻度上,将IX表示成RX,即成欧姆计.由图6和式5可知,当RX为无穷大时,IX=0;当RX=0时，回路中电流最大，IX=Ig，由此可知：（1） 当RX=Rg+R+RW时，IX=1/2Ig，指针正好位于满刻度的一半，即欧姆计标尺的中心电阻值，它等于欧姆计的总内阻。这就是欧姆中心的意义，可将式5改写成式6： （6）（2） 改变中心电阻R中的值，即可改变电阻挡的量程。如R中=100，测量范围为20至500；R中=1000，测量范围为200至5000，如此类推（注：对于大阻值测量应响应提高电源E的电压），（3） Ig与R中+RX，是非线性关系。当RxR中时，有IX0，此时测量误差也大。所以，在实际测量时，只在1/5R中RXR时（7）式可以改写为： （8）对于给定的欧姆计（Rg、R、Rw、E已给定），Ix仅由Rx决定，即Ix与Rx之间有一一对应的关系。在表头刻度上，将Ix表示成Rx，即成欧姆计。由图7和式8可知，当Rx为无穷大时，IxIg；当Rx0时，Ix0。由此可知：（1） 当RxRg时，Ix1/2Ig，指针正好位于满刻度的一半，即欧姆计标尺的中心电阻值，它等于表头内阻。这就是并接式欧姆计中心的意义。（2） Ix与Rx，是非线性关系。当RxRg时，有IxIg，此时测量误差也大。所以，在实际测量时，只在1/5RgRx5Rg的范围，测量才比较准确。（3） 由于在实际过程中电表多采用干电池，电源电压在使用过程会变化，因此用Rw来调零。实验中E1.0V，R750，Rw为470可调电位器，分别把电流计改装为串接式欧姆计和并接式欧姆计，用变阻箱作为可变外接电阻，作出Ix对Rx的电流电阻曲线。【思考题】1、 校正电流表时发现改装表的读数相对于标准表的读数偏高，试问要达到标准表的数值，改装表的分流电阻应调大还是调小？2、 校正电压表时发现改装表的读数相对于标准表的读数偏低，试问要达到标准表的数值，改装表的分压电阻应调大还是调小？试说明用欧姆表测电阻，如果表头的指针正好指在满刻度的一半处，则从标尺读出的电阻值就是该欧姆表的内阻值？【注意事项】1、 注意接入改装表电信号的极性与量程大小，以免指针反偏或过量程时出现“打针”现象。2、 实验仪提供的标准电流表和标准电压表仅作标准时的标准。实验四 示波器原理及使用【实验目的】1、 了解示波器的结构和工作原理2、 掌握示波器的基本操作方法3、 利用示波器测量信号波的电压、频率、时间和相位差。【实验原理】 示波器是用途广泛的电磁测量的电子仪器，主要用于观察波形，测量电压、频率和相位差，而凡是能转换成电讯号的物理量，均可在示波器上直接观测 一、示波器的结构 示波器的种类很多，但结构原理基本相同，它主要由示波管、控制电路和电源电路组成 1 1示波管：它是示波器的核心部件，由一个抽成高度真空的玻璃壳，内部有电子枪及荧光屏(S)等组成，图5-1为其基本结构示意图 (1)电子枪：用以产生定向高速电子流由灯丝(H)、阴极、栅极、第一阳极(A1)、第二阳极A2组成 灯丝通过电流，加热阴极，并在阴极表面逸出大量电子电子受到第一阳极电场力的作用，穿过栅极的中心小孔，形成电子束，栅极电位对阴极电位为负值因此，调节栅极对阴极电压大小，就可控制阴极发射电子束的强度，直到使电子发射截止，所以栅极又叫控制极，仪器面板上的辉度(*)调节旋钮，就是调节栅压的，同时栅压和第一阳极电压产生的电位空间分布，使电子在栅极图51 示波管的基本结构附近形成一个最小截面，即聚焦点，并在第一阳极作用下电子被加速，并又发散，调节聚焦电位器，使电子束再次会聚，并在第二阳极作用下，电子继续被加速，其速度可达10米/秒数量级，达到并轰击荧光屏，形成个亮斑 在示波管内，对称于轴线设置了两对相互垂直的偏转板：一对为垂直偏转板(YY)，或称Y轴；另一对为水平偏转板(XX)，或称X轴如果在偏转板上加电压，通过偏转板中心轴线的电子束，将发生偏转，在荧光屏平面上光点将发生位移位移的距离与加在偏转板上的电压成正比，如果只在水平偏转板上加电压，电子束线将发生水平方向的偏转，光点将发生水平位移，如果只在垂直偏转上加电压，电子束线将发生垂直方向的偏转，光点发生垂直位移，若偏转板上不加电压(或等电位)，电子束线将不发生偏转，光点居荧光屏中央，若被测信号加在垂直偏转板上，同时在水平偏转板加一锯齿波变化的扫描电压，荧光屏上将会不失真的地显示出被测信号的波形 (2)荧光屏在示波管大头端内壁，涂有一层荧光物质，形成荧光屏，它受到电子轰击而产生发光亮点，光点颜色视荧光物不同而异 2控制电路组成及其作用 示波器内部电路主要有扫描电路，同步、水平、垂直轴放大器，电源电路，其电路主要框图如图5-2所示 图52 示波器方框图 (1)X轴输入放大、衰减电路，Y轴放大、衰减电路，其作用是将输入的小信号放大，大信号衰减，以便在荧光屏上观测 (2)扫描与整步(同步)电路 扫描电路是一个锯齿波发生器，它产生一个周期性的线性变化电压，即锯齿波电压，用以扫描Y轴输入信号，显示出Y轴输入信号的真实波形，整步(同步)控制电路，是为了观察到稳定的波形，要求每次扫描起点的相位，应等于前次扫描终点的相位，或者说，要求扫描电压的周期Tx为被测电压周期Ty的n倍(n=1、2、3) (3)电源电路 包括低压电源电路和高压电源电路，低压电源供给示波器各工作电路电压，高压电源电路供给示波管各极电压 (4)标准信号电路 是指水平时基扫描系统电路在通过水平放大器放大并校准后的扫描电压作为时基信号馈加于示波管的X偏转板，使加于垂直偏转板间的被测信号按时基变化的波形图象，在屏上显示出来，便于进行观察 二、示波原理(扫描原理) 示波器能真实地显示Y轴输入信号随时间变化规律的波形，是因为机内有锯齿波发生器，即扫描电压作用于X轴偏转板扫描分线性扫描电压，即锯齿波扫描电压，和非线性扫描电压，当Y轴加入正弦信号后，与X轴偏转板电压(线性)合成不失真的Y轴正弦波形可以用运动参数方程说明之。如果X、Y分别输入的信号分别是 （5-1）其中，是常数，是锯齿波的一部分，消去（5-1）的，有 （5-2）这样，用示波器可以直接观察到Y轴输入的函数图象，这是线性扫描。如果X、Y分别输入的信号分别是 （5-3）则有（5-4）这时出现的是圆和椭圆图形（频率低时可以看到光斑的运动轨迹是圆和椭