09 物理实验——补充材料(H)

09 物理实验 补充材料 H 1 实验实验 2 2 示波器的原理与应用示波器的原理与应用 参考课本参考课本 P36 37 页页 TFG1005 DDS 函数信号发生器的函数信号发生器的使用使用 波形的选取 按按键 shift 正弦波 按按键 shift 方波 按按键 shift 三角波 输出 10KHZ 频率 频率 1 0 KHZ 输出 10V 电压 幅度 1 0 V 频率 39 82KHz 40KHz 的调节 频率 4 0 KHZ 使 40000 00HZ 的数字末尾的光标 向左移位到十位数的上方 再调节右上方的 微调手轮 即可测出 声速换能器 的实际谐振谐振 频率频率 显示 A 通道输出信号 A 主通道 显示 B 通道输出信号 B 副通道 复位信号或重开电源的输出重开电源的输出 默认 信号为信号为 A 通道 1KHz 1Vpp 正弦波 实验实验 6 声速测量声速测量 声速测量实验中 将函数信号发生器的函数信号发生器的输出信号 正弦波约约 40KHz 10Vpp 输入到 SW3 型声速测定仪 左侧的 发射 端接口 而将声速测定仪右侧 的 接收 端接口接入到示波器的 CH2 输入通道 或 CH1 输入通道 由于声速测定仪左侧上接口 发射发射 端端与下接口 发射波形发射波形 端端之间有衰减器 在相位比较法的测量时 发射波形发射波形 端接口端接口只能只能接示波器 CH1 输入通道 或 CH2 输入通道 实验分析讨论 实验分析讨论 分析实验结果的误差来源 分析实验结果的误差来源 实验思考要点 实验思考要点 1 超声波发射器产生超声波是应用压电换能器的 逆压电 效应 接收器接收超声波是应用压电换 能器的 正压电 效应 2 如何选择超声波的最佳测量频率 使两压电换能器有谐振状态 P59 页 3 本实验选择在超声波范围内测量 有什么好处 P59 页 4 两压电换能器的端面为什么要平行 5 为避免压坏超声波发射器和接收器 开始操作时 应注意如何调节它们的距离 提示 开始 调节接收器调节接收器与发射器靠近时 发射器和接收器绝对不能相碰 6 如何防止读数鼓轮的回程误差 7 读数鼓轮如何读数 分度值是多少 最小有效数位在哪一位 8 测量超声波的波长和声速时 应用 振幅极大值振幅极大值 相位比较法相位比较法 两种实验方法 9 驻波共振 即振幅极大值 时 超声波发射器和接收器两端面距离的改变与声波波长的关系式 2 nln 10 在同一时刻 发射面与接收面两处声压振动的相位差 2 l 发射面与接收面两处 声压振动的相位是同相位 n 时 超声波发射器和接收器改变的距离与声波波长的关系式 ln n n 1 2 3 11 驻波共振法驻波共振法测量中 当示波器显示的波形幅度极大时 移动接收器使再连续显示 20 次波形幅 度极大 则接收器移动的距离是波长的 10 倍 12 相位比较法相位比较法测量中 当示波器显示向右直线时 移动接收器使再连续显示 6 次同向直线 相 位改变 12 则接收器移动的距离是波长的 6 倍 13 振幅极值法测量时 在示波器上可明显地观察到声压振幅随距离的增长而衰减 为了提高测 量灵敏度 当声压振幅不够大时 应如何调节示波器 提示 为了提高测量灵敏度 使接收 波形的垂直幅度适当大 应把示波器的偏转因数适当调大还是调小 09 物理实验 补充材料 H 2 14 把干燥空气看作理想气体时 声速的理论值计算式为 0 0 1 T t VV 数据处理数据处理数据处理数据处理 参考格式参考格式参考格式参考格式 1 振幅极大值法测量声速 振幅极大值法测量声速 谐振频率谐振频率 fo kHz 测量前 后的平均值 测量前 后的平均值 f 0 10k Hz 表表 17 1 振幅极大值位置测定法测量声速的测量数据振幅极大值位置测定法测量声速的测量数据 读数鼓轮 读数鼓轮 l mm即分度即分度值值 序号序号123456 li mm 序号序号789101112 li mm li li 6 li mm i mm 备注 备注 li为峰值时接收器位置 为峰值时接收器位置 li 6 li为为 6 个个半波长半波长的距离 故的距离 故 iii ll 6 6 2 用逐差法计算声速测量值用逐差法计算声速测量值 以下必做数据计算 以下必做数据计算 代入数据的计算式代入数据的计算式 mm 其它 其它 li同理计算记录于上表 同理计算记录于上表 17 1 1 2 6 lll 代入数据的计算式代入数据的计算式 mm 其它 其它 i 同理计算记录于上表 同理计算记录于上表 11 6 2 l 代入数据的计算式代入数据的计算式 mm 6 6 1i i 计算声速测量结果计算声速测量结果 代入数据的计算式代入数据的计算式 m s fv 计算测量不确定度计算测量不确定度 mm 16 6 6 1 2 i i A Su 6 2 6iiBB lluu mm l 3 108 201 0 33 2 33 2 仪 mm 而而 22 BAC uuu 012 0 3 02 0 3 kHzfuu f Bf 相对不确定度相对不确定度E 100 uu f u v u f v 22 则则 m s v u vu v v 所以 声速测量结果表示为所以 声速测量结果表示为 v m s P 68 2 相位法测量声速 相位法测量声速 谐振频率谐振频率 fo kHz f 0 10k Hz 表表 17 2 相位法测量声速的测量数据表相位法测量声速的测量数据表 读数鼓轮 读数鼓轮 l m m 每隔 每隔 2测一次 测一次 09 物理实验 补充材料 H 3 序号序号123456 li mm 序号序号789101112 li mm li li 6 li mm i l i 6 li 6 mm 备注 备注 l i为峰值时接收器位置 则为峰值时接收器位置 则 li 6 li 为为 6 个个波长波长的距离 的距离 mm 6 6 1i i 声速测量值为声速测量值为 m s fv 声速理论值声速理论值 在标准状态下 在标准状态下 0 干燥空气中声速为干燥空气中声速为 v0 331 45m s 实验室温度实验室温度t 查表 空气中声速为 查表 空气中声速为 v理 理 m s 声速的测量值与理论值的比较 计算百分误差声速的测量值与理论值的比较 计算百分误差 100 理 测理 v vv v E 计算测量不确定度计算测量不确定度 选做数据处理 选做数据处理 选做数据处理 选做数据处理 mm 16 6 6 1 2 i i A Su 2 6 1 6 1 2 6iBiiBB lulluu 仪 mmlu liB 3 104 101 0 36 2 36 2 6 2 mm 22 BA uuu 而而 012 0 3 02 0 3 kHzfuu f Bf 相对不确定度相对不确定度 E 100 22 u f u v u f v 则则 m s v u vu v v 声速测量结果表示为声速测量结果表示为 v m s P 68 例如 例如 v 338 6 1 3 m s P 68 3 相对不确定度 相对不确定度 E 1 3 338 6 0 39 09 物理实验 补充材料 H 4 实实验验 12 霍尔效应霍尔效应 实验内容实验内容 1 1 测定霍尔元件的灵敏度测定霍尔元件的灵敏度 KH和判断霍尔元件的类型和判断霍尔元件的类型 表 1 测定霍尔元件的灵敏度 KH的测量数据记录表 霍尔片所在的位置 x mm y mm 励磁系数 p KGS A IM 0 600A 磁感应强度 B KGS U1 mV U 2 mV U 3 mV U 4 mV Is mA B IS B IS B IS B IS 6 00 画出判断霍尔元件的类型的示意图 列式子计算霍尔元件的灵敏度 KH mV mA KGS 2 测绘霍尔元件的 测绘霍尔元件的 UH IS曲线曲线 参考表格 参考表格 霍尔片所在的位置 x mm y mm 霍尔元件灵敏度 KH mV mA KGS IM 0 800 A U1 mV U 2 mV U 3 mV U 4 mV Is mA B IS B IS B IS B IS 1 00 2 00 3 00 4 00 5 00 6 00 7 00 8 00 以 IS为横坐标 绘出 UH IS图 验证 IS与 UH的线性关系 列式计算直线斜率 a 由直线斜率与磁场的关 系 a KHB 及其已知的 KH 列式计算磁感应强度 B 3 测绘霍尔元件的 测绘霍尔元件的 UH B 曲线和电磁铁的曲线和电磁铁的 B IM曲线曲线 参考表格 参考表格 霍尔片所在的位置 x mm y mm 霍尔元件灵敏度 KH mV mA KGS Is 8 00 mA U1 mV U 2 mV U 3 mV U 4 mV IM A B IS B IS B IS B IS KGS SH H IK U B 0 300 0 400 0 500 0 600 0 700 0 800 绘制霍尔工作电流为 8 00mA 时的 UH B 图 另绘制电磁铁的 B IM图 列式计算 B IM图的直线斜率 P 4 测量 测量霍尔系数霍尔系数 RH和和电导率电导率 自拟表格 自拟表格 mV 4 4321 H UUUU U mV 4 4321 H UUUU U mV 4 4321 H UUUU U 09 物理实验 补充材料 H 5 实验实验 14 非平衡电流电桥原理与应用非平衡电流电桥原理与应用 教材上的电源电压 4 5V 太大 在室温 30 时 流过 Pt100 的电流约为 4 5 2 117 19mA 室温 30 时 Cu50 的电流约为 4 5 2 57 39 5mA 超过热电阻的额定电流 容易烧坏 流过电阻箱 100 欧姆档电流过大容易烧坏 1000 或 10000 更容易 烧坏 注意事项注意事项 1 在图 2 电路中 电源电压电源电压 US改为 1 000V 或 或 0 500V 连接好电路后 先选择电压表 2000 0mV 量程量程 将接线板上的转换开关打向左侧转换开关打向左侧 US 准 确调节电源电压 US为 1 000V 或 0 500V 再将接线板上的转换开关打向右侧转换开关打向右侧 U0 适当选 择电压表的量程量程 测量电桥输出电压 U0 若电流大 传感器自身会发热 影响测量效果 2 由于标准温度探头和待测传感器不是在加热板的同一位置上 尽量恒温测量 减小两个 传感器的温差随即误差 实验内容实验内容 1 根测量电路原理图 搭接非平衡电桥测量电路 其中 R1 R2 R3用电阻箱设置 Rx 为铂电 阻 Pt100 或铜电阻 Cu50 已装在加温筒内 要求 10 分钟内搭接完 2 记录当时室温温度 t0 用数字万用表测量 或应用公式 计 算 室温下室温下的 Pt100 或 Cu50 热电阻的电阻值热电阻的电阻值 Rx0值 1 0 tRRx 作为下一步预调平衡时调节 R1的参考值 3 室温状态下 预调电桥平衡 把 R1调置为上一步骤的热电阻室温阻值热电阻室温阻值 Rx0 看电桥是否处于平衡 不平衡时 调节 R1使之处于平衡 并记下 电桥平衡时的 R1即 Rx0值 4 对热电阻加温 打开加温控制器 先设置加温最高的温度 然后把加温开关打向合适 档位开始对 Pt100 或 Cu50 热电阻加温 在加温过程中视温度变化快慢可随时改变加温档位 从 温度 30 开始 每升高 5 记录相应的电压表显示的 U0值 记录表参考如下表一所示 实验数据记录及数据处理实验数据记录及数据处理 卧式非平衡电桥测量 Pt100 电阻 或铜电阻 Cu50 的温度特性 室温 t0 R1 Rx0 R2 R3 300 0 U 1 000V 温度 t t030 03 040 045 050 055 060 065 070 0 U0 V Rx Rx Rx0 Rx 根据测出的 U0值 计算 Rx和 Rx值填入上面的数据记录表 要求写出有关的计算式 用坐标纸作图描出 Rx t 图线 并图解计算出铂电阻 Pt100 或铜电阻 Cu50 的温度系数 测 与理论值 Pt100 3 908 10 3 厂家提供的 Pt100 3 850 10 10 3 或 Cu50 10 10 3 比较 计算百分相对误差 直流电桥电路原理图直流电桥电路原理图 R1 Rx R2R3 B D A C US K V 09 物理实验 补充材料 H 6 实验实验 1 1 基本测量 基本测量 数据处理数据处理 参考课本参考课本 P31 页 页 实验实验 4 光杠杆法测量杨氏模量光杠杆法测量杨氏模量 误差的来源和减小的方法误差的来源和减小的方法 1 钢丝假伸长带来的误差 钢丝假伸长带来的误差 钢丝本身有钢丝本身有弯曲 未拉紧弯曲 未拉紧而出现受力后假伸长 不是弹性伸长 而出现受力后假伸长 不是弹性伸长 为避免假伸长带来的误差 为避免假伸长带来的误差 在测量前可先在测量前可先 挂一定量的砝码作为底码 目的是将钢丝拉直 拉紧挂一定量的砝码作为底码 目的是将钢丝拉直 拉紧 2 钢丝伸长滞后效应带来的误差 钢丝伸长滞后效应带来的误差 由于由于钢丝在加外力钢丝在加外力 F 作用后 要经过一段时间才能达到稳定伸长量作用后 要经过一段时间才能达到稳定伸长量 这种现象称为钢丝伸长 这种现象称为钢丝伸长滞后效应滞后效应 这 这 段时间叫做段时间叫做驰豫时间驰豫时间 因此 因此 每次加砝码后 需经较长的时间才能得到每次加砝码后 需经较长的时间才能得到 F 与与 r 的对应值的对应值 否则将带来误差 否则将带来误差 采用加 减载测量再取平均值的测量方法采用加 减载测量再取平均值的测量方法 消除系统误差的抵消测量法 加载测量 由于滞后效应会使测量 消除系统误差的抵消测量法 加载测量 由于滞后效应会使测量 值小于准确值 因为还未到驰豫时间就读数 值小于准确值 因为还未到驰豫时间就读数 而减载测量 则会使测量值大于准确值 故 而减载测量 则会使测量值大于准确值 故取两者的平均值 可取两者的平均值 可 有效地消减滞后效应带来的误差有效地消减滞后效应带来的误差 3 杨氏模量仪以及光杠杆放大系统调整不当引起的误差 杨氏模量仪以及光杠杆放大系统调整不当引起的误差 如如望远镜偏离水平位置严重望远镜偏离水平位置严重 致使反射镜的初始倾角很大 以致破坏 致使反射镜的初始倾角很大 以致破坏 tg2 2 tg2 2 的条件的条件 又如 又如砝码放置不砝码放置不 平衡 使圆柱夹具与水平台圆孔不同轴而发生摩擦阻碍等平衡 使圆柱夹具与水平台圆孔不同轴而发生摩擦阻碍等等 因此 测量前应对系统进行认真调整 尽量减少等 因此 测量前应对系统进行认真调整 尽量减少 由此引起的误差 由此引起的误差 4 钢丝锈蚀或金属疲劳引起的误差 钢丝锈蚀或金属疲劳引起的误差 钢丝锈蚀或钢丝锈蚀或长期受力长期受力产生所谓产生所谓金属疲劳金属疲劳 将导致应力集中或非弹性形变 从而影响测量结果 所以应更换 将导致应力集中或非弹性形变 从而影响测量结果 所以应更换 钢丝 钢丝 5 砝码不准引起的误差 砝码不准引起的误差 6 其他其他测量量的误差估计测量量的误差估计 1 L R D 只作一次测量 由于实验条件限制 它们的不确定度不能简单地只由量具的仪器误差来决只作一次测量 由于实验条件限制 它们的不确定度不能简单地只由量具的仪器误差来决 定 应根据情况估算 定 应根据情况估算 L 上下夹头间钢丝长度 用上下夹头间钢丝长度 用钢卷尺测量钢卷尺测量时 钢卷尺刻度无法与两端对齐并可能产生弯曲 其误差限可时 钢卷尺刻度无法与两端对齐并可能产生弯曲 其误差限可 达达 2 3mm R 镜尺间的距离 用镜尺间的距离 用钢卷尺测量钢卷尺测量时 由于装置的原因 很难保证钢卷尺拉成水平和两端与钢卷尺刻度时 由于装置的原因 很难保证钢卷尺拉成水平和两端与钢卷尺刻度 对齐 若该距离为对齐 若该距离为 1 2m 左右 则误差限可达左右 则误差限可达 2 4mm D 光杠杆前后足间的垂直距离 光杠杆常数 腿长 光杠杆前后足间的垂直距离 光杠杆常数 腿长 用 用游标卡尺或钢尺测量 游标卡尺或钢尺测量 测量方法是将前后三足测量方法是将前后三足 印在硬纸板上 作等腰三角形 从后足尖至前两足尖连线的垂直距离即为印在硬纸板上 作等腰三角形 从后足尖至前两足尖连线的垂直距离即为 D 由于压印 作图连线宽度可达 由于压印 作图连线宽度可达 0 2 0 3mm 故其误差限估算为 故其误差限估算为 0 5mm 2 钢丝直径 钢丝直径 d 用千分尺用千分尺在钢丝上中下三个测试点的前后 左右方向各测量一次 共测量在钢丝上中下三个测试点的前后 左右方向各测量一次 共测量 6 次取平均 次取平均 千分尺本身的误差限为千分尺本身的误差限为 0 004mm 实验数据记录及数据处理实验数据记录及数据处理 参考课本参考课本 P52 页页 必做内容必做内容 要求 必需写出的计算数据式子 要求 必需写出的计算数据式子 1 逐差法处理数据 求杨氏模量 逐差法处理数据 求杨氏模量 E 参照课本 参照课本 P52 2 作图法求杨氏模量 作图法求杨氏模量 E 函数关系为函数关系为 x kmg b 以 以 mg 为自变量 横坐标 为自变量 横坐标 x 为变量 纵坐标 为变量 纵坐标 作出 作出 光杠杆法测金属丝的光杠杆法测金属丝的 杨氏模量的杨氏模量的 x mg 图图 注意 在图线上测量范围内 取相隔较远的两点 不取原数据点 注意 在图线上测量范围内 取相隔较远的两点 不取原数据点 注意 在图线上测量范围内 取相隔较远的两点 不取原数据点 注意 在图线上测量范围内 取相隔较远的两点 不取原数据点 在图中标明选在图中标明选 取点的坐标取点的坐标 A m1 x1 B m2 x2 和 和位置位置 并求出拟合直线的斜率 并求出拟合直线的斜率 k 和金属丝的杨氏模量和金属丝的杨氏模量 E 代入数据的代入数据的计计算式算式 10 10 10 3 3 3 m Nm Nm N 代入数据的代入数据的计计算式算式 N m gmm xx k 12 12 Hkd LR E 2 8 2 按按作图法求斜率选点的规则作图法求斜率选点的规则 在测量范围内 在直线上 相距较远的 在测量范围内 在直线上 相距较远的 不能取不能取原始测量数据的两原始测量数据的两 个点个点 而且必需而且必需在图线上用在图线上用 符号标出的所选两点的位置和坐标值 符号标出的所选两点的位置和坐标值 见课本 见课本 P19 页 页 实验结果实验结果 1 逐差法 杨氏模量 逐差法 杨氏模量 E 1011 1111 N mN mN m 2 2 2 2 作图法 杨氏模量 作图法 杨氏模量 E 1011 1111 N mN mN m 2 2 2 讨论 讨论 1 1 光杠杆有什么优点 怎样提高光杠杆测量的灵敏度光杠杆有什么优点 怎样提高光杠杆测量的灵敏度 09 物理实验 补充材料 H 7 答 光杠杆的优点是 可以测量微小长度变化量 因为答 光杠杆的优点是 可以测量微小长度变化量 因为光杠杆的放大倍数为光杠杆的放大倍数为 2R H 要提高放大倍数即适 要提高放大倍数即适 当地增大光杠杆到标尺的距离当地增大光杠杆到标尺的距离 R 或适当地减小光杠杆前后脚的垂直距离或适当地减小光杠杆前后脚的垂直距离 H 可以提高灵敏度 可以提高灵敏度 2 2 定量分析各被测量中哪一个量的不确定度对结果影响最大 定量分析各被测量中哪一个量的不确定度对结果影响最大 2 2 2 2 2 22 X Xu H Hu d du R Ru L Lu X Xu H Hu d du R Ru L Lu EEu 分别计算 由于 从上面各被测量量的相对不确定度可见 从上面各被测量量的相对不确定度可见 量的相对不确定度对结果影响最大 量的相对不确定度对结果影响最大 3 3 实验中要求在正式读数前先加砝码把金属丝拉直 这样做会不会影响测量结果 为什么 实验中要求在正式读数前先加砝码把金属丝拉直 这样做会不会影响测量结果 为什么 提示 钢丝本身有提示 钢丝本身有弯曲 未拉紧弯曲 未拉紧而出现受力后的假伸长 不是弹性伸长 而出现受力后的假伸长 不是弹性伸长 在测量前可先挂一定量的砝码作为底码 目的是将钢丝拉直 拉紧 在测量前可先挂一定量的砝码作为底码 目的是将钢丝拉直 拉紧 可以避免假伸长带来的误差 可以避免假伸长带来的误差 因为 因为采采 用了用了逐差法 作图法处理数据 逐差法 作图法处理数据 不会影响测量的结果 不会影响测量的结果 实验实验 5 5 刚体的转动惯量的测定刚体的转动惯量的测定 实验要求实验要求 1 1 载物台的转轴垂直 引线要水平 即与大地的平行 载物台的转轴垂直 引线要水平 即与大地的平行 2 2 忽略小滑轮质量 并且砝码质量 忽略小滑轮质量 并且砝码质量 m 不能太大 使不能太大 使 a g T mg 忽略空气阻力 而且刚体系统 忽略空气阻力 而且刚体系统 的转动摩擦力矩的转动摩擦力矩 M 应保持基本恒定 转动中 摩擦力矩不变 转动才能视为匀变速转动 应保持基本恒定 转动中 摩擦力矩不变 转动才能视为匀变速转动 3 3 光滑引线要够长度 取圆盘适当转数 光滑引线要够长度 取圆盘适当转数 Ni i 能满足砝码 能满足砝码 m 自由下落的条件 自由下落的条件 注意事项注意事项 必须调节刚体转轴竖直 必须调节刚体转轴竖直 遮光器不要碰光电门 遮光器不要碰光电门 塔轮转动要灵活 刚体系统阻力矩尽量要恒定 塔轮转动要灵活 刚体系统阻力矩尽量要恒定 升降滑轮高度 必须保持引线与转轴垂直 并与塔轮半径相切升降滑轮高度 必须保持引线与转轴垂直 并与塔轮半径相切 正确理解圆盘转数正确理解圆盘转数 Ni相同与相同与 m 自由下落的高度的关系 与遮光器的初始位置有关 自由下落的高度的关系 与遮光器的初始位置有关 N1 N2 不一定取相邻的两个数 但差值不宜太大 不一定取相邻的两个数 但差值不宜太大 以消除因两个遮光片或光电门不是精确成以消除因两个遮光片或光电门不是精确成 180180 度对称分布造成的实验误差 度对称分布造成的实验误差 实验讨论实验讨论 分析实验结果的误差来源和减小的方法 分析实验结果的误差来源和减小的方法 思考问题思考问题 1 验证刚体转动定律的 验证刚体转动定律的实验要满足什么的实验条件 实验要满足什么的实验条件 2 本实验是如何消除摩擦影响的 能否完全消除 为什么 本实验是如何消除摩擦影响的 能否完全消除 为什么 3 如何验证平行轴定理 如何验证平行轴定理 4 如何测量圆盘转动惯量 如何测量圆盘转动惯量 I盘 盘 提示提示 调节实验装置 载物台水平 转轴垂直底座 定滑轮滑槽与塔轮半径垂直 调整塔轮和定滑轮之间拉线 调节实验装置 载物台水平 转轴垂直底座 定滑轮滑槽与塔轮半径垂直 调整塔轮和定滑轮之间拉线 成水平状态 成水平状态 测量本底转动惯量 空载时 改变力矩测量本底转动惯量 空载时 改变力矩 MT 即改变砝码质量 即改变砝码质量 m 或改变塔轮半径或改变塔轮半径 测出相应的角加速度 测出相应的角加速度 作出 作出 M 图线 如果是一条直线 就验证了转动定律 并可由直线斜率和截距求出本底转动惯量图线 如果是一条直线 就验证了转动定律 并可由直线斜率和截距求出本底转动惯量 I0 转动惯量转动惯量 I 和摩擦力矩和摩擦力矩 M gR mmMM I TT 12 12 12 12 0 测量圆盘的转动惯量 将被测的圆盘放在载物架上 重复上述实验过程 作出测量圆盘的转动惯量 将被测的圆盘放在载物架上 重复上述实验过程 作出 M 图线 求出本底加图线 求出本底加 圆盘的总转动惯量圆盘的总转动惯量 则 则圆盘的转动惯量圆盘的转动惯量 gR mmMM I TT 2 12 12 12 0 III 圆盘 09 物理实验 补充材料 H 8 数据处理参考格式数据处理参考格式数据处理参考格式数据处理参考格式 要求 必需写出的计算数据式子 要求 必需写出的计算数据式子 1 验证刚体转动定律 测量本底转动惯量 验证刚体转动定律 测量本底转动惯量 I0 塔轮半径塔轮半径 R mm g 9 788 m s2 i 砝码砝码 m 10 3Kg m 自由下落自由下落刚体转刚体转 N1 2 的时间的时间 tN1 ms m 自由下落自由下落刚体转刚体转 N2 4 的时间的时间tN2 ms i rad s2 M mgR 10 3 N m 1 2 3 4 5 写出计算过程 写出计算过程 计算计算 M 和和 作出 作出 M 图线 并计算 斜率 本底转动惯量图线 并计算 斜率 本底转动惯量 I0 10 3 kg m2 1 2 1 1 2 2 12 1 1 2 2 2 22 NN NN NN NN tt t N t N tt t N t N gR mmMM I 12 12 12 12 0 2 测量圆盘转动惯量 测量圆盘转动惯量 圆盘质量圆盘质量 m盘 盘 g 圆盘直径 圆盘直径 D盘 盘 2R盘盘 mm 塔轮半径 塔轮半径 R mm i 砝码砝码 m 10 3Kg m 自由下落自由下落刚体转刚体转 N1 2 的时间的时间 tN1 ms m 自由下落自由下落刚体转刚体转 N2 4 的时间的时间tN2 ms i rad s2 M mgR 10 3 N m 1 2 3 4 5 写出计算过程 写出计算过程 计算计算 M 和和 作出 作出 M 图线 计算 斜率 刚体转动惯量图线 计算 斜率 刚体转动惯量 I 10 3 kg m2 求出圆盘转动惯 求出圆盘转动惯 量量 并并与理论计算值与理论计算值比较 求相对误差比较 求相对误差 EI 盘 盘 0 III 圆盘 2 2 1 盘理论盘 mRI 3 观察刚体的质量分布对转动惯量的影响 验证平行轴定理 观察刚体的质量分布对转动惯量的影响 验证平行轴定理 2 个小圆柱总质量个小圆柱总质量 2m柱 柱 g 小圆柱的直径 小圆柱的直径 d拄 拄 2R柱柱 mm 塔轮半径 塔轮半径 R mm i d i mm 砝码砝码 m g 刚体转刚体转 N1 2 时间时间 tN1 ms 刚体转刚体转 N2 4 时间时间 tN2 ms i rad s2 M mgR 10 3 N m 总体转动惯量总体转动惯量 Ii 10 3 kg m2 150 2100 写出写出 I i的计算过程 验证的计算过程 验证是否成立 求相对误差 写出结论 是否成立 求相对误差 写出结论 ddmII 2 1 2 212 2 柱 实验结果与结论 实验结果与结论 1 刚体空载时 从刚体转动 刚体空载时 从刚体转动 M 图中 可得到一条图中 可得到一条 关系的直线 测得转动刚体的本底转动惯关系的直线 测得转动刚体的本底转动惯 量量 g m2 阻力矩 阻力矩 m 请请判断是否能判断是否能验证刚验证刚体体转动转动定律成立 定律成立 2 2 圆盘放在圆盘放在载物台上 从刚体转动载物台上 从刚体转动 M 图中 可得到一条图中 可得到一条 关系的直线 测得圆盘转动惯量关系的直线 测得圆盘转动惯量 I I盘 盘 10 10 3 3Kg Kg m m2 2 理论计算值是 理论计算值是 百分误差为 百分误差为 3 塔轮半径 不变塔轮半径 不变时 引线下砝码时 引线下砝码 mg 越小越小 刚体受到的 刚体受到的力矩 力矩 M mgR 越 越 刚体的转动角加速度 刚体的转动角加速度 越越 4 4 观测刚体质量分布对转动惯量有影响 刚体质量 观测刚体质量分布对转动惯量有影响 刚体质量 m 不变不变时 刚体质量分布距离时 刚体质量分布距离 d 越大越大 刚体的转动角加速 刚体的转动角加速 09 物理实验 补充材料 H 9 度度 越越 转动惯量 转动惯量 I 越越 实验值 实验值I I2 2 I I1 1 10 10 3 3Kg Kg m m2 2 理论计算值是 理论计算值是 10 10 3 3Kg Kg m m2 2 其百分误差为其百分误差为 请请判断是否能判断是否能验证验证平行平行轴轴定理成立 定理成立 09 物理实验 补充材料 H 10 实验实验 N 液体粘滞系数的测定液体粘滞系数的测定 概述 各种液体具有不同程度的粘滞性 当液体流动时 平行于流动方向的各层流体速度都不相同 即存在着相 对滑动 于是在各层之间就有摩擦力产生 这一摩擦力称为粘滞力 它的方向平行于接触面 其大小与速度梯 度及接触面积成正比 比例系数 称为粘滞系数 它是表征液体粘滞性强弱的重要参数 液体的粘滞性的测量 是非常重要的 例如 现代医学发现 许多心血管疾病都与血液粘滞的变化有关 血液粘滞系数的增大会使流 入人体器官和组织的血流量减少 血液流速减缓 使人体处于供血和供氧不足的状态 这可能引起多种心脑血 管疾病和其他许多身体不适症状 因此 测量血粘滞系数的大小是检查人体血液健康的重要标志之一 又如 石油在封闭管道中长距离输送时 其输运特性与粘滞性密切相关 因而在设计管道前 必须测量被输石油的粘 滞 测量液体粘滞系数有多种方法 本实验所采用的落球法是一种绝对法测量液体的粘滞系数 如果一小球在 液体中铅直下落 由于附着于球面的液层与周围其他液层之间存在着相对运动 因此小球受到粘滞阻力 它的 大小与小球下落的速度有关 当小球作匀速运动时 测出小球下落的速度 就可以计算出液体的粘滞系数 实验原理 1 当金属小球在粘性液体中下落时 它受到三个铅直方向的力 小球的重力 mg m 为小球质量 液体作 用于小球的浮力 g V V 是小球体积 是液体密度 和粘滞阻力 F 其方向与小球运动方向相反 如果 液体无限深广 在小球下落速度 v 较小情况下有 1 vrF 6 上式称为斯托克斯公式 其中 r 是小球的半径 称为液体的粘滞 其 单位是 Pa s 小球开始下落时 由于速度尚小 所以阻力也不大 但随着下落速 度的增大 阻力也随之增大 最后 三个力达到平衡 即 vrgVmg 6 于是 小球作匀速直线运动 由上式可得 vr gVm 6 令小球的直径为 d 并用 代入上式得 3 6 dm t L v 2 d r 2 L 18 2t gd 式中 为小球材料的密度 L 为小球匀速下落的距离 t 为小球下落 L 距离所用的时间 2 实验时 待测液体必须盛于容器中 如图 1 所示 故不能满足无限深广的条件 实验证明 若小球沿筒的中心轴线下降 式 2 须做如下改动方能符合实际情况 3 H d D d L tgd 6 114 2118 2 其中 D 为容器内径 H 为液柱高度 3 实验时小球下落速度若较大 例如气温及油温较高 钢珠从油中下落时 可能出现湍流情况 使公式 1 不再成立 此时要作另一个修正 详见附录一 实验装置 FN10 型智能粘滞系数测定仪 见图 2 小钢球 蓖麻油 千分尺 游标卡尺 电子天平 自备 激光 光电计时仪 温度计等 若实验室给出钢球材料密度 可不必用电子天平 09 物理实验 补充材料 H 11 实验内容 1 调整粘滞系数测定仪及实验准备 调整粘滞系数测定仪及实验准备 1 调整底盘水平 在仪器横梁中间部位放重锤部件 调节底盘旋纽 使重锤对准底盘的中心圆点 2 将实验架上的上 下两个激光器接通电源 可看见其发出红色激光束 调节上 下两个激光器 使其红色 激光束平行地对准铅锤线 3 收回重锤部件 将盛有被测液体的量筒放置到实验架底盘中央 在实验中保持位置不变 4 在实验架上装上电磁铁 小球用乙醚 酒精混合液清洗干净 并用滤纸吸干备用 5 先将 1 个测试小球投入试样容器 容器内的底部设计成斜坡状 小球下落后会自动移动到靠近筒壁的最低 点 便于用拾球器将小球隔着筒壁吸住 沿管壁引导到电磁铁下端吸住 6 静止一会儿 轻按电磁铁上方的按钮开关 看小球下落过程中能否阻挡光线 若不能 则仔细调整激光光 电门的位置 直到小球下落过程中能使光电门正常工作 2 本实验使用配套的 计时 仪 测量量程 可切换 如果测量时间不超过 9 9s 可通过面板上的 量程 按钮 把量程置于 9 9999s 使时间的分辨率为 0 1ms 3 测量前用温度计测量出油的温度 在实验步骤完成后再测量一次油温 取平均值作为实际油温 4 用电子分析天平测量 20 颗小钢球的质量 m 用千分尺测量小球直径 计算小钢球的密度 用液体密度计 测量蓖麻油的密度 用游标卡尺测量测试圆筒的内径 D 5 用激光光电门 关于光电门 请参阅产品说明书 与电子计时仪器测量下落小球的匀速运动速度 收尾速度 注意 激光束必须通过玻璃圆筒中心轴 6 从立柱刻度尺上读取上 下二个激光束的位置 计算它们之间的距离 L 7 测量小球下落的时间 重复测量 6 次以上 记录到表格中 8 计算蓖麻油的粘滞系数 将测量结果与相同温度下的理论值进行比较 计算相对误差 说明 由于液体粘滞系数与温度密切相关 温度测量不准 测量结果会有较大误差 思考题 1 如何判断小球在作匀速运动 2 如果遇到待测液体的值较小 而钢珠直径较大 这时为何须用 5 式计算 3 用激光光电开关测量小球下落时间的方法测量液体粘滞系数有何优点 09 物理实验 补充材料 H 12 附录一 为了判断是否出现湍流 可利用流体力学中一个重要参数雷诺数来判断 当 Re 不很小时 应对 dv Re 式 1 予以修正 但在实际应用落球法时 小球的运动不会处于高雷诺数状态 一般 Re 值小于 10 故粘滞阻 力 F 可近似用下式表示 4 Re 1080 19 Re 16 3 1 6 2 vrF 式中 表示考虑到此种修正后的粘滞 因此 在各力平衡时 并顾及液体边界影响 可得 1 2 2 2 1080 Re19 16 Re3 1 Re 1080 19 Re 16 3 1 1 2 3 31 4 21 1 18 H d D d l tgd 式中 即为式 3 求得的值 上式又可写为 5 1 2 2 1 1 AA 式中 式 5 的实际算法如下 先将式 3 算出的 值作为方括弧中第二 三项的 代入 于是dvA 16 3 求出答案为 1 再将 1代入上述第二 三项中 求得 2 因为此两项为修正项 所以用这种方法逐步 逼近可得到最后结果 如果使用具有贮存代据的大小来分析 如 即 Re 很小 就不再求 如 A 5 0 A 可 10 5 0 A 附录二 表 1 不同温度条件时蓖麻油的粘滞系数 温度 t 010 0015 0020 0025 0030 0035 0040 00 Pa s 5 3002 4181 5140 9500 6210 4510 3120 231 注 根据表中的数据作图 画出光滑曲线图 蓖麻油粘滞与温度关系曲线如图 3 所示 t 附录三 实验数据范例实验数据范例 仅供参考 不作为仪器验收标准仅供参考 不作为仪器验收标准 实验实验 2 数据记录表格数据记录表格 已知 温度 C13T 序号12345678平均 09 物理实验 补充材料 H 13 t s 4 16824 13104 15504 15084 09734 09204 06084 06734 1153 小钢球的密度 蓖麻油的密度 m kg 7800 3 m kg 955 3 0 小钢球的直径 测试圆筒的内径 m 100 5d 3 m 100 6D 2 上 下光电门间距 L 0 180 m 修正系数 K 2 4 计算蓖麻油的粘滞系数 7738 1 06 0 100 5 4 21 180 0 18 1153 4 100 5 793 9 9557800 4 21 18 3 23 2 01 sPa D d L t gd 理论值 0 25350 7046130 0347 7046 0 0347 0 log t s 1 793 Pa10 0 2535 0 相对误差 0 1 100 7927 1 7927 1 7738 1 100E 0 01 1 实验实验 3 数据记录表格数据记录表格 序号12345678平均 t s 6 08326 05466 03576 02966 01505 97355 87035 87805 9925 已知 温度 C 7 13T 小钢球的密度 蓖麻油的密度 m kg 7800 3 m kg 955 3 0 小钢球的直径 测试圆筒的内径 m 100 4d 3 m 100 6D 2 上 下光电门间距 L 0 180 m 修正系数 K 2 4 计算蓖麻油的粘滞系数 7101 1 06 0 100 4 4 21 180 0 18 1153 4 100 5 793 9 9557800 4 21 18 3 23 2 02 sPa D d L t gd 理论值 0 22920 704613 70 0347 7046 0 0347 0 log t s 1 6951 Pa10 0 2292 0 相对误差 88 0 100 6951 1 6951 1 7101 1 100E 0 01 2 FN10 型智能液体粘滞系数测定仪说明书型智能液体粘滞系数测定仪说明书 一 概一 概 述述 液体粘滞系数 是液体的重要性质之一 在工程技术 医学领域等方面都有重要的应用 落球法测量液体 粘滞系数 物理现象明显 概念清晰 实验操作和训练内容较多 是非常适合大学一 二年级实验教学的实验 内容 但以往由于受手工按秒表 视差及小球下落偏离中心等因素影响 测量下落速度准确度不高 由佛山科 学技术学院研制的 FN10 型智能液体粘滞系数测定仪具有以下优点 1 用激光光电传感器结合单片机计时 克服秒表计时的视差和反应误差 测量小球下落速度的准确度高 使 09 物理实验 补充材料 H 14 学生掌握一种新型的计时 测速的方法 2 由于小球下落前是吸在电磁铁下