实验补充讲义

大学物理实验补充讲义天津理工大学理学院物理实验中心二零一零年七月目录 页数实验一 空气热机实验 1-6实验二 燃料电池的综合特性实验 6-13 实验三 数字存储示波器的原理及使用 13-16实验四 声速的测量 17-21实验一 空气热机实验热机是将热能转换为机械能的机器。历史上对热机循环过程及热机效率的研究，曾为热力学第2定律的确立起了奠基性的作用。斯特林1816年发明的空气热机，以空气作为工作介质，是最古老的热机之一。虽然现在已发展了内燃机，燃气轮机等新型热机，但空气热机结构简单，便于帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容，是很好的热学实验教学仪器。实验目的1. 理解热机原理及循环过程；2. 测量不同冷热端温度时的热功转换值，验证卡诺定理；3. 测量热机输出功率随负载及转速的变化关系，计算热机实际效率。实验仪器空气热机实验仪空气热机测试仪电加热器电源双踪示波器实验原理空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由高温区，低温区，工作活塞及汽缸，位移活塞及汽缸，飞轮，连杆，热源等部分组成。热机中部为飞轮与连杆机构，工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸，飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸，工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区，可用电热方式或酒精灯加热，位移汽缸左边有散热片，构成低温区。工作活塞使汽缸内气体封闭，并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞，其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换，气体可通过位移活塞与位移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的，当某一活塞处于位置极值时，它本身的速度最小，而另一个活塞的速度最大。图1 空气热机工作原理当工作活塞处于最底端时，位移活塞迅速左移，使汽缸内气体向高温区流动，如图1 a所示；进入高温区的气体温度升高，使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动，如图1 b 所示， 在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能；工作活塞在最顶端时，位移活塞迅速右移，使汽缸内气体向低温区流动，如图1 c 所示；进入低温区的气体温度降低，使汽缸内压强减小，同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动，完成循环，如图1 d 所示。在一次循环过程中气体对外所作净功等于图所围的面积。根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理， 对于循环过程可逆的理想热机，热功转换效率：式中为每一循环中热机做的功，Q1为热机每一循环从热源吸收的热量，Q2为热机每一循环向冷源放出的热量，T1为热源的绝对温度，T2为冷源的绝对温度。实际的热机都不可能是理想热机，由热力学第2定律可以证明，循环过程不可逆的实际热机，其效率不可能高于理想热机，此时热机效率：卡诺定理指出了提高热机效率的途径，就过程而言，应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机。就温度而言，应尽量的提高冷热源的温度差。热机每一循环从热源吸收的热量Q1正比于，为热机转速，正比于。、及均可测量，测量不同冷热端温度时的，观察它与的关系，可验证卡诺定理。当热机带负载时，热机向负载输出的功率可由力矩计测量计算而得，且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下，可测量计算出不同负载大小时的热机实际效率。仪器介绍仪器主要包括空气热机实验仪、电加热器电源和空气热机测试仪三部分。1. 电加热型热机实验仪图2电加热型热机实验装置图 空气热机实验仪如图2所示，飞轮下部装有双光电门，上边的一个用以定位工作活塞的最低位置，下边一个用以测量飞轮转动角度。热机测试仪以光电门信号为采样触发信号。汽缸的体积随工作活塞的位移而变化，而工作活塞的位移与飞轮的位置有对应关系，在飞轮边缘均匀排列45个挡光片，采用光电门信号上下沿均触发方式，飞轮每转4度给出一个触发信号，由光电门信号可确定飞轮位置，进而计算汽缸体积。压力传感器通过管道在工作汽缸底部与汽缸连通，测量汽缸内的压力。在高温和低温区都装有温度传感器，测量高低温区的温度。底座上的三个插座分别输出转速/转角信号、压力信号和高低端温度信号，使用专门的线和实验测试仪相连，传送实时的测量信号。电加热器上的输入电压接线柱分别使用黄、黑两种线连接到电加热器电源的电压输出正负极上。热机实验仪采集光电门信号，压力信号和温度信号，经微处理器处理后，在仪器显示窗口显示热机转速和高低温区的温度。在仪器前面板上提供压力和体积的模拟信号，供连接示波器显示图。加热器电源为加热电阻提供能量，输出电压从24V36V连续可调，可以根据实验的实际需要调节加热电压。力矩计悬挂在飞轮轴上，调节螺钉可调节力矩计与轮轴之间的摩擦力，由力矩计可读出摩擦力矩，并进而算出摩擦力和热机克服摩擦力所做的功。经简单推导可得热机输出功率，式中为热机每秒的转速，即输出功率为单位时间内的角位移与力矩的乘积。2. 电加热器电源加热器电源前面板简介（见图3）电流输出指示灯：当显示表显示电流输出时，该指示灯亮；电压输出指示灯：当显示表显示电压输出时，该指示灯亮；电流电压输出显示表：可以按切换方式显示加热器的电流或电压；电压输出旋钮：可以根据加热需要调节电源的输出电压，调节范围为“24V36V”，共分做11档；电压输出“”接线柱：加热器的加热电压的负端接口；电压输出“”接线柱：加热器的加热电压的正端接口；电流电压切换按键：按下显示表显示电流，弹出显示表显示电压；图4空气热机测试仪前面板示意图电源开关按键：打开和关闭仪器。12345 6 7 8 图3 加热器电源前面板示意图3. 空气热机测试仪测试仪前面板简介（见图4）指示灯：该灯亮表示当前的显示数值为热源端绝对温度； 指示灯：该灯亮表示当前显示数值为热源端和冷源端绝对温度差；转速显示：显示热机的实时转速，单位为“转/每秒（）”； 显示：可以根据需要显示热源端绝对温度或冷热两端绝对温度差，单位“开尔文（）”；显示：显示冷源端的绝对温度值，单位“开尔文（）”；显示切换按键：按键通常为弹出状态，表示4中显示的数值为热源端绝对温度，同时指示灯亮。当按键按下后显示为冷热端绝对温度差，同时指示灯亮；示波器压力接口：通过Q9线和示波器通道连接，可以观测压力信号波形；示波器体积接口：通过Q9线和示波器通道连接，可以观测体积信号波形；压力信号输入口（四芯）：用四芯连接线和热机相应的接口相连，输入压力信号；输入口（五芯）：用五芯连接线和热机相应的接口相连，输入温度信号；转速/转角信号输入口（六芯）：用六芯连接线和热机相应的接口相连，输入转速/转角信号； 4. 各部分仪器的连接方法将各部分仪器安装摆放好后，根据实验仪上的标识使用配套的连接线将各部分仪器装置连接起来。其连接方法为：用适当的连接线将测试仪的“压力信号输入”、“T1/T2输入”和“转速/转角信号输入”三个接口与热机底座上对应的三个接口连接起来；用一根Q9线将主机测试仪的压力信号和双踪示波器的Y通道连接，再用另一根Q9线将主机测试仪的体积信号和双踪示波器的X通道连接；用两芯的连接线将主机测试仪后面板上的“转速限制接口”和电加热器电源后面板上的“转速限制接口”连接起来；用鱼叉线将电加热器电源的输出接线柱和电加热器的“输入电压接线柱”连接起来，黑色线对黑色接线柱，黄色线对红色接线柱，而在电加热器上的两个接线柱不需要区分颜色，可以任意连接。实验内容及步骤一、用手顺时针拨动飞轮，结合图1仔细观察热机循环过程中工作活塞与位移活塞的运动情况，切实理解空气热机的工作原理。二、验证卡诺定理1. 根据测试仪面板上的标识和仪器介绍中的说明，将各部分仪器连接起来，开始实验。取下力矩计，将加热电压加到第档（36伏左右）。等待约610分钟，加热电阻丝已发红后，用手顺时针拨动飞轮，热机即可运转（若运转不起来，可看看热机测试仪显示的温度，冷热端温度差在100度以上时易于起动）。2. 减小加热电压至第1档（24V左右），调节示波器，观察压力和容积信号，以及压力和容积信号之间的相位关系等，并把P-V图调节到最适合观察的位置。等待约10分钟，温度和转速平衡后，记录当前加热电压，并从热机测试仪上读取温度和转速，从双踪示波器显示的P-V图估算P-V图面积，记入表1中。3. 逐步加大加热功率，等待约10分钟，温度和转速平衡后，重复以上测量4次以上，将数据记入表1。4. 以T/T1为横坐标，nA/T为纵坐标，在坐标纸上作nA/T-T/T1的关系图，验证卡诺定理。表1 测量不同冷热端温度时的热功转换值加热电压V热端温度T温度差TT/T1A (P-V图面积)热机转速nnA/T三、计算热机实际效率1. 在最大加热功率下，用手轻触飞轮让热机停止运转，然后将力矩计装在飞轮轴上，拨动飞轮，让热机继续运转；2. 调节力矩计的摩擦力（不要停机），待输出力矩，转速，温度稳定后，读取并纪录各项参数于表2中；3. 保持输入功率不变，逐步增大输出力矩，重复以上测量5次以上；表2 测量热机输出功率随负载及转速的变化关系 输入功率P=VI热端温度T1温度差T输出力矩M热机转速n输出功率P = 2nM输出效率0/I =P0/Pi4. 以为横坐标，P0为纵坐标，在坐标纸上作P0-n的关系图，表示同一输入功率下，输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。注意：示波器P-V图面积的估算方法如下。将X通道的调幅旋钮旋到“0.1V”档，将Y通道的调幅旋钮旋到“0.2V”档，然后将两个通道都打到交流档位，并在“X-Y”档观测P-V图，再调节左右和上下移动旋钮，可以观测到比较理想的P-V上的刻度，在坐标纸上描绘出P-V图，如图7所示。以图中椭圆所围部分每个小格为单位，采用割补法、近似法（如近似三角形、近似梯形、近似平行四边形等）等方法估算出每小格的面积，再将所有小格的面积加起来，得到P-V图的近似面积，单位为“V2”。根据容积，压强与输出电压的关系，可以换算为焦耳。容积（X通道）：1V=1.33310-5m3压力（Y通道）：1V=2.16410-4Pa注意事项1. 加热端在工作时温度很高，而且在停止加热后1小时内仍然会有很高温度，请小心操作，否则会被烫伤；2. 热机在没有运转状态下，严禁长时间大功率加热，若热机运转过程中因各种原因停转动，必须用手拨动飞轮帮助其重新运转或立即关闭电源，否则会损坏仪器；热机汽缸等部位为玻璃制造，容易损坏，请谨慎操作。飞轮在运转时，应谨慎操作，避免被飞轮边沿割伤；3. 记录测量数据前须保证已基本达到热平衡，避免出现较大误差。等待热机稳定读数的时间一般在10分钟左右。在读力矩的时候，力矩计可能会摇摆。这时可以用手轻托力矩计底部，缓慢放手后可以稳定力矩计。如还有轻微摇摆，读取中间值。思考题为什么P-V图的面积即等于热机在一次循环过程中将热能转换为机械能？实验二 燃料电池综合特性实验燃料电池是一种直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、无污染地转化为电能的发电装置。由于电池的能量转化过程不受“卡诺循环”限制，转化效率高，所以燃料电池技术被认为是继火电、水电和核电之后的第四代发电技术。它具有清洁、高效、适用性强、能连续工作以及对环境无污染等特点。质子交换膜型燃料电池是继碱性燃料电池、磷酸燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池和固体氧化物燃料电池后开发的第五代燃料电池，与以往的燃料电池相比，质子交换膜型燃料电池具有室温快速启动、密封性能好（无漏液）、低腐蚀性、高比能量和高比功率、较简化的系统设计等优点。本实验将以质子交换膜燃料电池为例，借以了解该类燃料电池原理和特性。实验包含太阳能电池发电（光能电能转换），电解水制取氢气（电能氢能转换），燃料电池发电（氢能电能转换）几个环节，形成了完整的能量转换，储存，使用的链条。实验内含物理内容丰富，实验内容紧密结合科技发展热点与实际应用，实验过程环保清洁，这不仅有助于培养学生的实验能力和严谨的科学精神，而且有助于培养学生的绿色环保意识。实验目的1. 了解燃料电池的工作原理；2. 观察仪器的能量转换过程：光能太阳能电池电能电解池氢能(能量储存)燃料电池电能；3. 测量燃料电池输出特性，作出所测燃料电池的伏安特性（极化）曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。计算燃料电池的最大输出功率及效率；4. 测量质子交换膜电解池的特性，验证法拉第电解定律；5. 测量太阳能电池的特性，作出所测太阳能电池的伏安特性曲线，电池输出功率随输出电压的变化曲线。获取太阳能电池的开路电压，短路电流，最大输出功率，填充因子等特性参数。实验仪器ZKY-RLDC燃料电池综合试验仪 秒表实验原理1. 质子交换膜燃料电池的工作原理质子交换膜燃料电池在工作时相当于一直流电源，其阳极即电源负极，阴极为电源正极。基本结构如图1所示，其主要由质子交换膜、催化层、阴极、阳极和流场板等组成。质子交换膜作为电解质，是质子交换膜燃料电池的核心组成部分，直接决定着燃料电池的性能，它在质子交换膜燃料电池中作为种隔膜材料除了能够隔绝燃料（H2）与氧化剂（O2）的接触，还要完成质子的传递。目前，广泛采用的全氟璜酸质子交换膜为固体聚合物薄膜，厚度0.050.1mm，它提供氢离子（质子）从阳极到达阴极的通道，而电子或气体不能通过。催化层是将纳米量级的的铂粒子用化学或物理的方法附着在质子交换膜表面，厚度约0.03mm，对阳极氢的氧化和阴极氧的还原起催化作用。膜两边的阳极和阴极由石墨化的碳纸或碳布做成，厚度0.20.5mm，导电性能良好，其上的微孔提供气体进入催化层的通道，又称为扩散层。商品燃料电池为了提供足够的输出电压和功率，需通过流场板将若干单体电池串连或并联在一起，流场板一般由导电良好的石墨或金属做成，与单体电池的阳极和阴极形成良好的电接触，称为双极板，其上加工有供气体流通的通道。教学用燃料电池为直观起见，采用有机玻璃做流场板。如图1所示，阳极的氢气通过电极上的扩散层到达质子交换膜。氢分子在阳极催化剂的作用下解离为2个氢离子，即质子，并释放出2个电子，阳极反应为：H2 = 2H+2e （1）氢离子以水合质子H+（nH2O）的形式，在质子交换膜中从一个璜酸基转移到另一个璜酸基，最后到达阴极，实现质子导电，质子的这种转移导致阳极带负电。在电池的另一端，氧气或空气通过阴极扩散层到达阴极催化层，在阴极催化层的作用下，氧与氢离子和电子反应生成水，阴极反应为：O2+4H+4e = 2H2O （2）阴极反应使阴极缺少电子而带正电，结果在阴阳极间产生电压，在阴阳极间接通外电路，就可以向负载输出电能。总的化学反应如下：2H2O2 = 2H2O （3）（阴极与阳极：在电化学中，失去电子的反应叫氧化，得到电子的反应叫还原。产生氧化反应的电极是阳极，产生还原反应的电极是阴极。对电池而言，阴极是电的正极，阳极是电的负极。）2. 水的电解原理水电解产生氢气和氧气，与燃料电池中氢气和氧气反应生成水互为逆过程。水电解装置同样因电解质的不同而各异，碱性溶液和质子交换膜是最好的电解质。若以质子交换膜为电解质，可在图1右边电极接电源正极形成电解的阳极，在其上产生氧化反应2H2O = O2+4H+4e。左边电极接电源负极形成电解的阴极，阳极产生的氢离子通过质子交换膜到达阴极后，产生还原反应2H+2e = H2。即在右边电极析出氧，左边电极析出氢。作燃料电池或作电解器的电极在制造上通常有些差别，燃料电池的电极应利于气体吸纳，而电解器需要尽快排出气体。燃料电池阴极产生的水应随时排出，以免阻塞气体通道，而电解器的阳极必须被水淹没。3. 太阳能电池的工作原理太阳能电池利用半导体P-N结受光照射时的光伏效应发电，太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P-N结，图2为P-N结示意图。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。当光电池受光照射时，部分电子被激发而产生电子空穴对，在结区激发的电子和空穴分别被势垒电场推向N区和P区，使N区有过量的电子而带负电，P区有过量的空穴而带正电，P-N结两端形成电压，这就是光伏效应，若将P-N结两端接入外电路，就可向负载输出电能。仪器介绍仪器的构成如图3所示，主要由测试仪、可变负载、燃料电池、电解电池、太阳能电池、风扇和气水塔等几部分组成。该燃料电池工作时，质子交换膜必需含有足够的水分，才能保证质子的传导。但水含量又不能过高，否则电极被水淹没，水阻塞气体通道，燃料不能传导到质子交换膜参与反应。为保持水平衡，我们的电池正常工作时排水口打开，在电解电流不变时，燃料供应量是恒定的。若负载选择不当，电池输出电流太小，未参加反应的气体从排水口泄漏，燃料利用率及效率都低。在适当选择负载时，燃料利用率约为90。气水塔为电解池提供纯水（2次蒸馏水），可分别储存电解池产生的氢气和氧气，为燃料电池提供燃料气体。每个气水塔都是上下两层结构，上下层之间通过插入下层的连通管连接，下层顶部有一输气管连接到燃料电池。初始时，下层近似充满水，电解池工作时，产生的气体会汇聚在下层顶部，通过输气管输出。若关闭输气管开关，气体产生的压力会使水从下层进入上层，而将气体储存在下层的顶部，通过管壁上的刻度可知储存气体的体积。两个气水塔之间还有一个水连通管，加水时打开使两塔水位平衡，实验时切记关闭该连通管。风扇作为定性观察时的负载，可变负载作为定量测量时的负载。测试仪面板如图4所示。测试仪可测量电流，电压。若不用太阳能电池作电解池的电源，可从测试仪供电输出端口向电解池供电。实验前需预热15分钟。如图4所示为燃料电池实验仪系统的测试仪前面板图。区域1电流表部分：做为一个独立的电流表使用。其中：两个档位：2A档和200mA档，可通过电流档位切换开关选择合适的电流档位测量电流。两个测量通道：电流测量和电流测量。通过电流测量切换键可以同时测量两条通道的电流。区域2电压表部分：做为一个独立的电压表使用。共有两个档位：20V档和2V档，可通过电压档位切换开关选择合适的电压档位测量电压。区域3恒流源部分：为燃料电池的电解池部分提供一个从0350mA的可变恒流源。实验内容1. 质子交换膜电解池的特性测量理论分析表明，若不考虑电解器的能量损失，在电解器上加1.48伏电压就可使水分解为氢气和氧气，实际由于各种损失，输入电压高于1.6伏电解器才开始工作。电解器的效率为： （4）输入电压较低时虽然能量利用率较高，但电流小，电解的速率低，通常使电解器输入电气水塔电解池可变负载风扇测试仪太阳能电池燃料电池图3 燃料电池综合实验仪区域1区域2区域3图4 燃料电池测试仪前面板示意图压在2伏左右。根据法拉第电解定律，电解生成物的量与输入电量成正比。在标准状态下（温度为零 C，电解器产生的氢气保持在1个大气压），设电解电流为I，经过时间t生产的氢气体积（氧气体积为氢气体积的一半）的理论值为： （5）式中F = e N = 9.65104 库仑/摩尔为法拉第常数，e = 1.60210-19库仑为电子电量，N = 6.0221023为阿伏伽德罗常数，It/2F为产生的氢分子的摩尔（克分子）数，22.4升为标准状态下气体的摩尔体积。若实验时的摄氏温度为T，所在地区气压为P，根据理想气体状态方程，可对（5）式作修正： （6）式中P0为标准大气压。自然环境中，大气压受各种因素的影响，如温度和海拔高度等，其中海拔对大气压的影响最为明显.由国家标准GB4797.2-2005可查到，海拔每升高1000米，大气压下降约10。由于水的分子量为18，且每克水的体积为1cm3，故电解池消耗的水的体积为：cm3 cm3 （7）应当指出，（6），（7）式的计算对燃料电池同样适用，只是其中的I代表燃料电池输出电流，V氢气代表燃料消耗量，V水代表电池中水的生成量。2. 燃料电池输出特性的测量在一定的温度与气体压力下，改变负载电阻的大小，测量燃料电池的输出电压与输出电流之间的关系，如图5所示。电化学家将其称为极化特性曲线，习惯用电压作纵坐标，电流作横坐标。理论分析表明，如果燃料的所有能量都被转换成电能，则理想电动势为1.48伏。实际燃料的能量不可能全部转换成电能，例如总有一部分能量转换成热能，少量的燃料分子或电子穿过质子交换膜形成内部短路电流等，故燃料电池的开路电压低于理想电动势。随着电流从零增大，输出电压有一段下降较快，主要是因为电极表面的反应速度有限，有电流输出时，电极表面的带电状态改变，驱动电子输出阳极或输入阴极时，产生的部分电压会被损耗掉，这一段被称为电化学极化区。输出电压的线性下降区的电压降，主要是电子通过电极材料及各种连接部件，离子通过电解质的阻力引起的，这种电压降与电流成比例，所以被称为欧姆极化区。输出电流过大时，燃料供应不足，电极表面的反应物浓度下降，使输出电压迅速降低，而输出电流基本不再增加，这一段被称为浓差极化区。综合考虑燃料的利用率（恒流供应燃料时可表示为燃料电池电流与电解电流之比）及输出电压与理想电动势的差异，燃料电池的效率为： （8）某一输出电流时燃料电池的输出功率相当于图5中虚线围出的矩形区，在使用燃料电池时，应根据伏安特性曲线，选择适当的负载匹配，使效率与输出功率达到最大。3. 太阳能电池的特性测量在一定的光照条件下，改变太阳能电池负载电阻的大小，测量输出电压与输出电流之间的关系，如图6所示。Uoc代表开路电压，Isc代表短路电流，图4中虚线围出的面积为太阳能电池的最大输出功率Pm。与最大功率对应的电压称为最大工作电压Um，对应的电流称为最大工作电流Im。表征太阳能电池特性的基本参数还包括光谱响应特性，光电转换效率，填充因子等。填充因子FF定义为： （9）它是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋近于矩形，电池的光电转换效率越高。实验步骤1. 确认气水塔水位在水位上限与下限之间。若水塔水位不在上限和下限之间，我们可以向水塔中加入纯水（2次蒸馏水），以确保水塔水位处于上下限之间；2. 把燃料电池综合试验仪面板上的恒流源调到零电流输出状态，即逆时针旋到底，关闭两水塔之间连通管的止水夹。打开燃料电池测试仪预热15分钟；3. 将测试仪的恒流源输出端串连电流表后接入电解池，将电压表并联到电解池两端。将气水塔输气管止水夹关闭，调节恒流源输出到最大（旋钮顺时针旋转到底），让电解池迅速的产生气体。当气水塔下层的气体低于最低刻度线的时候，打开气水塔输气管止水夹，排出气水塔下层的空气。如此反复23次后，气水塔下层的空气基本排尽，剩下的就是纯净的氢气和氧气了。根据表1中的电解池输入电流（电解电流）大小，调节恒流源的输出电流，待电解池输出气体稳定后（约1分钟），关闭气水塔输气管。测量输入电流，电压及产生一定体积的气体的时间（用秒表记录时间），记入表1中。由（6）式计算氢气产生量的理论值。与氢气产生量的测量值比较。若不管输入电压与电流大小，氢气产生量只与电量成正比，且测量值与理论值接近，即验证了法拉第定律；表1 电解池的特性测量 输入电流I（A）输入电压（V）时间t（秒）电量It（库仑）氢气产生量测量值（升）氢气产生量理论值0100200304. 电解池输入电流（电解电流）保持在300mA，关闭风扇。将电压测量端口接到燃料电池输出端。打开燃料电池与气水塔之间的氢气、氧气连接开关，等待约10分钟，让电池中的燃料浓度达到平衡值，电压稳定后记录开路电压值。将电流量程按钮切换到200mA。可变负载调至最大，电流测量端口与可变负载串联后接入燃料电池输出端，逐渐改变负载电阻的大小，使输出电压值如表2所示（输出电压值可能无法精确到表中所示数值，只需相近即可），稳定后记录电压电流值。负载电阻猛然调得很低时，电流会猛然升到很高，甚至超过电解电流值，这种情况是不稳定的，重新恢复稳定需较长时间。为避免出现这种情况，输出电流高于210mA后，每次调节减小电阻0.5，输出电流高于240mA后，每次调节减小电阻0.2，每测量一点的平衡时间稍长一些（约需5分钟）。稳定后记录电压电流值。作出所测燃料电池的极化曲线和该电池输出功率随输出电压的变化曲线。并求出该燃料电池最大输出功率和最大输出功率时对应的效率；表2 燃料电池输出特性的测量 电解电流300mA输出电压U（V）0.900.850.800.750.70输出电流I（mA）0功率P=UI（mW）05. 切断电解池输入电源，把太阳能电池的电压输出端，连入电解池。断开可变电阻负载，打开风扇作为负载，并打开太阳能电池上的光源，观察仪器的能量转换过程：光能太阳能电池电能电解池氢能(能量储存)燃料电池电能。观察完毕，关闭风扇和燃料电池与气水塔之间的氢气氧气连接开关，并将测试仪电压源输出端口旋钮逆时针旋到底；6. 将电流测量端口与可变负载串联后接入太阳能电池的输出端，将电压表并联到太阳能电池两端。首先，断开回路测量开路电压Uoc，调节光源高度，使得Uoc=3.10V；然后把可变负载调至最大再连接好回路，逐渐改变负载电阻的大小，测量输出电压电流值，并计算输出功率，记入表3中。作出所测太阳能电池的伏安特性曲线和功率随输出电压的变化曲线，且求出该太阳能电池短路电流Isc、最大输出功率Pm、最大工作电压Um和最大工作电流Im填充因子FF；表3 太阳能电池输出特性的测量 Uoc=3.10V输出电压U（V）输出电流I（mA）功率P=UI（mW）7. 实验完毕，切断测试仪开关和太阳能电池的光源开关，拆除导线，规整好实验仪器。注意事项1. 使用前应首先详细阅读说明书；2. 该实验系统必须使用去离子水或二次蒸馏水，容器必须清洁干净，否则将损坏系统；3. PEM电解池的最高工作电压为6V，最大输入电流为1000mA，否则将极大地伤害PEM电解池；4. PEM电解池所加的电源极性必须正确，否则将毁坏电解池并有起火燃烧的可能；5. 绝不允许将任何电源加于PEM燃料电池输出端，否则将损坏燃料电池；6. 气水塔中所加入的水面高度必须在上水位线与下水位线之间，以保证PEM燃料电池正常工作；7. 该系统主体系有机玻璃制成，使用中需小心，以免打坏和损伤； 8. 太阳能电池板和配套光源在工作时温度很高，切不可用手触摸，以免被烫伤；9. 绝不允许用水打湿太阳能电池板和配套光源，以免触电和损坏该部件； 10. 配套“可变负载”所能承受的最大功率是1W，只能使用于该实验系统中；11. 电流表的输入电流不得超过2A，否则将烧毁电流表； 12. 电压表的最高输入电压不得超过25V，否则将烧毁电压表；13. 实验时必须关闭两个气水塔之间的连通管。思考题1. 什么是质子交换膜？质子交换膜在质子交换膜燃料电池工作时发挥什么作用？2. 在进行质子交换膜燃料电池输出特性测量时，我们必须做好哪些准备工作？为什么要做这些准备工作？3. 在进行太阳能电池输出特性的测量时，在我们的实验条件下，如何保证光照条件不变？实验三 数字存储示波器的原理及使用示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象，便于人们研究各种电现象的变化过程。目前大量使用的示波器有两种：模拟示波器和数字示波器。模拟示波器发展较早，技术也非常成熟，其优点主要是带宽宽、成本低。但是随着数字技术的飞速发展，数字示波器拥有了许多模拟示波器不具备的优点：不仅具有可存储波形、体积小、功耗低，使用方便等优点，而且还具有强大的信号实时处理分析功能；具有输入输出功能，可以与计算机或其他外设相连实现更复杂的数据运算或分析。随着相关技术的进一步发展，数字示波器的频率范围也越来越高了，其使用范围将更为广泛因此，学习数字示波器的使用具有重要的意义。实验目的1. 了解数字示波器的工作原理；2. 掌握数字示波器的使用方法；3. 会用数字示波器测量未知信号的参数。实验原理数字存储示波器与模拟示波器不同在于信号进入示波器后立刻通过高速A/D转换器将模拟信号前端快速采样，存储其数字化信号。并利用数字信号处理技术对所存储的数据进行实时快速处理，得到信号的波形及其参数，并由示波器显示，从而实现模拟示波器功能。而且测量精度高，还可以存储和调用显示特定时刻信号。一个典型的数字存储示波器原理框图如图1所示，模拟输入信号先适当地放大或衰减，然后再进行数字化处理。数字化包括“取样”和“量化”两个过程，取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是使每个取样的离散值经A/D转换成二进制数字，最后，数字化的信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM（存储器）中，CPU从存储器中依次把数字信号读出并在显示屏上显示相应的信号波形。GPIB为通用接口总线系统，通过它可以程控数字存储示波器的工作状态，并且使内部存储器和外部存储器交换数据成为可能。由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。1. 波形的取样和存储由于数字系统只能处理离散信号，所以必须对模拟连续波形先进行抽样，再进行A/D转换。根据Nyquist定理，只有抽样频率大于要处理信号频率的两倍时，才能在显示端理想地复现该信号。由此可见，数字示波器必须要完成波形的取样、存储和波形的显示，另外为了满足一般应用的需求，几乎所有微机化的数字示波器都提供了波形的测量与处理功能。连续信号离散化通过如图2所示的取样方法完成，把模拟波形送到加有反偏的取样门的点，在点加入等间隔的取样脉冲，则对应时间tn(n=1,2,3,)，取样脉冲打开取样门的一瞬间，在点就得到相应的模拟量an(n=1,2,3,)，这个模拟量就是离散化了的模拟量，把每一个模拟量进行A/D转换，就可以得到相应的数字量，如a1A/D01H；a2A/D02H；a3A/D03H。如果把这些数字量按序存放在存储器中就相当于把一幅模拟波形以数字量存储起来。CPU控制地址输入放大与衰减显示存储器取样与A/D转换外触发GPIB逻辑控制电路触发电路图1典型数字存储示波器原理框图图2 连续模拟波形的离散化 图3双踪显示的存储方式2.波形的显示数字存储示波器必须把上面存储器中的波形显示出来以便用户进行观察、处理和测量。存储器中每个单元存储了一个抽样点的信息，在显示屏上显示为一个点，该点Y方向的坐标值决定于数字信号值的大小、示波器Y方向电压灵敏度设定值、Y方向整体偏移量，X方向的坐标值决定于数字信号值在存储器中的位置（即地址）、示波器X方向电压灵敏度的设定值、X方向的整体偏移量。为了适应对不同波形的观测、智能化的数字存储器有多种灵活的显示方式：存储显示、双踪显示、插值显示、流动显示等。存储显示是示波器最基本的显示方式。它显示的波形是由一次触发捕捉到的信号片断，即制下稳定地显示在CRT上。存储显示还有；连续捕捉显示和单次捕捉显示之分，在连续捕捉显示方式下,每满足一次触发条件，屏幕上原来的波形就被新存储的波形更新，而单次捕捉显示只保存并显示一次触发形成的波形。如果需要显示两个电压波形并保持两个波形在时间上的原有对应关系，可采用交替存储技术以达到双踪显示。这种交替存储技术利用存储器写地址的最低位A0来控制通道开关，使取样和A/D转换轮流对两通道输入信号进行取样和转换，其存储方式如图3所示，当A0为1时，对通道1的信号Y1进行采样和转换，并写入技术存储器单元中，读出时，先读偶数地址，再读奇数地址，Y1和Y2信号便在CRT上交替显示。示波器屏幕显示的波形由一些密集的点构成，当被观察的信号在一周期内采样点数较少时会引起视觉上的混淆现象，如图4左图所示的正弦波形就很难辨认，一般认为当采样频率低于被测信号频率的2.5倍时，点显示就会造成视觉混淆，为了有效地克服视觉的混淆现象，同时又不降低带宽指标，数字滤波器往往采用插值显示，即在波形上两个测试点数据间进行估值。估值方式通常有矢量插值法和正弦插值法两种，矢量插值法是用斜率不同的直线段来连接相邻的点，当被测信号频率为采样频率的1/10以下时，采用矢量插值可以得到满意的效果；正弦插值法是以正弦规律用曲线连接各数据点的显示方式，它能显示频率为采样频率的1/2.5以下的被测波形，其能力已接近奈奎斯特极限频率。图4 波形的插值显示3. 信号的触发为了实时稳定地显示信号波形，示波器必须重复地从存储器中读取数据并显示。为使每次显示的曲线和前一次重合，必须采用触发技术。信号的触发也叫整部或同步，一般的触发方式为：输入信号经衰减放大后分送至A/D转换器的同时也分送至触发电路，触发电路根据一定的触发条件（如信号电压达到某值并处于上升沿）产生触发信号，控制电路一旦接收到来自触发电路的触发信号，就启动一次数据采集与RAM写入循环。触发决定了示波器何时开始采集数据和显示波形，一旦触发被正确设定，它可以把不稳定的显示或黑屏转换成有意义的波形。示波器在开始收集数据时，先收集足够的数据用来在触发点的左方画出波形。示波器在等待触发条件发生的同时连续地采集数据。当检测到触发后， 示波器连续地采集足够的数据以在触发点的右方画出波形。触发可以从多种信源得到，如输入通道、市电、外部触发等。常见的触发类型有边沿触发和视频触发；常见的触发方式有自动触发、正常触发和单次触发。实验内容1. 熟悉数字存储示波器及多功能函数信号发生器各旋钮、各按键的功能；2. 观察多功能函数信号发生器输出的锯齿波、正弦波、方波信号，在显示屏上显示一个正弦波并读出其频率和幅值；利用李萨如图形测频率3. 在menu菜单中设置X-Y模式，将DG1022型函数发生器一路主信号输出（MAIN）的正弦波频率调整到约1kHz，作为已知的fx输入到CH1通道；将其另一路信号作为未知的fy信号输入到CH2通道。分别利用nx/ny=1 ，2 ，3 ，3/2的李萨如图形，测量计算频率fy 值；4. 验证fy/fx=nx/ny关系式的成立，并求出相对误差E(r)；5. 测定相位差，并与理论值对比。提示：若将简谐交变电压加在电阻、电容串联电路AB两端，则AB两端的总电压与电流之间存在相位差。与电容C 、电阻R及信号源的频率的关系为 = -arctan (1/ CR ) ，式中负号表示电流超前于电压， = 2 ，为信号源的交变频率。附注：示波器利用李萨如图形测频率原理：如果将X轴的锯齿波扫描电压去掉，换接入正弦电压，那么在X、Y两个都是简谐振动的共同作用下，电子束运动所形成的亮点轨迹就是李萨如图形。李萨如图形与Y轴方向和X轴方向的切点数目与f y和fx有如下简单的关系：所以通过数出李萨如图上的nx、ny，若fx已知便可求得fy，反之亦然。fy/fx=nx/ny=2/1李萨如图形形成原理图 实验四 声速的测量声波是一种在弹性媒质中传播的机械波。声速是描述声波在媒质中传播特性的一个重要物理量。它的测量方法可分为两类：第一类方法是根据关系式，测出传播距离和所需的时间后，即可算出声速；第二类方法是利用关系式，测量出声波的频率和波长，即可算出声速。本实验采用的时差法，属于第一类方法；驻波法（共振干涉法）、相位比较法属于第二类方法。实验目的1. 了解压电换能器的功能，加深对驻波及振动合成等理论知识的理解；2. 熟悉示波器及信号源的功能和使用方法；3. 用驻波法、相位法、时差法测量声波在空气中传播的速度。实验仪器声速测定实验仪、双踪示波器实验原理在同一媒质中，声速基本与频率无关，例如在空气中，频率从20赫兹变化到8万赫兹，声速变化不到万分之二。本实验的信号源采用超声波信号。超声波是一种频率大于2万赫兹的机械波。由于超声波具有波长短，易于定向发射等优点，我们通过测量超声波的速度来测定声速。超声波在医学诊断、无损检测、测距等方面都有广泛的应用。1. 压电陶瓷换能器压电陶瓷换能器由压电陶瓷环片和轻重不同的两种金属块组成，压电陶瓷环片是一种多晶体（钛酸钡，锆钛酸铅等）结构的压电材料制成。在压电陶瓷片的前后表面粘贴上两块金属组成的夹心型振子，就构成了换能器。在压电陶瓷环片的两底面上加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向长度伸缩，并向空气中发出超声波。每个换能器都有其固有的谐振频率，换能器只有在其谐振频率时才能有效的发射（或接收）。实验时用一个换能器作为发射器，另一个作为接收器，两换能器的表面相互平行，且谐振频率匹配。2. 驻波法测声速平面波以某一频率在介质中沿一直线传播，若遇到表面与波面严格平行的障碍物，在其界面以相同的频率、振幅、振动方向、沿同一直线反射回去，这样反射波与入射波就在相遇空间产生干涉，形成驻波。驻波某些点的振动始终加强，其振幅最大的点称为波腹；振幅最小的点称为波节。相邻两波节或波腹之间的距离等于半波长。 波在发生反射的界面处是形成波节还是波腹，与两种介质的密度有关。如果波的反射是从较密的介质反射到较疏的介质，则在反射处形成波节，反之形成波腹。在压电陶瓷换能器的反射端将电信号转换为声信号，是声波的波源；接收端根据压电效应，它把接收到的声波转化为电信号，且在接受声波的同时反射部分声波。发射端、接收端的端面相向且严格平行，改变发射与接收端之间的距离，当其为半波长的整数倍时，介质中出现稳定的驻波现象。设某时刻两端面之间的距离=（），发射端所发出的声波向接收端传播，且在接收端的端面发生反射，于是声波在两端面形成驻波，反射面处是驻波的波节，声压最大；若端面间的距离，则不能形成驻波，未形成驻波时，接收处的端面声压较小。故从接收面处声压的变化来判断驻波是否形成。设当两端面之间的距离为时，有 （1）此时两端面形成驻波，反射端面处是波节，声压最大。改变两端面之间的距离，反射端面的声压减小，直到两端面间的距离改变到L2时，有 （2）反射端处的声压又达到最大，从（1）、（2）式可得 （3）再从声速测定仪上读出声波的频率，利用即可算出声速。声速在弹性介质中传播的速度不仅由介质的物理性质决定，而且还与温度有密切的关系。声波在理想气体中的传播速度为 （4）式中为摩尔气体常数（JmolK）；为相对分子质量；是气体摩尔定压热容与定容热容之比；是热力学温度。显然有 （5） 式中m/s，它是在0C时，声波在空气中传播的速度；是摄氏温度。由(5)式即可算出任意温度时，声波在空气中传播的速度。3. 相位比较法测声速 如图1所示，当声波沿OX轴传播时，X轴上各点的相位均落后于声源O。