大学物理实验指导 课件 吴芳榕 实验7-12 示波器原理及其应用-新能源系统综合特性实验

示波器原理及其应用《大学物理实验》实验七目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究看不见的电信号，如何被“看见”？01实验导入受试者通过脑机接口操控赛车游戏神经元放电形成的电信号通常只有微伏至毫伏量级，持续时间短、易受噪声干扰。要分析这些瞬态信号，必须同时观察电压幅值与时间变化。脑机接口需要实时捕获微弱、快速、易受干扰的动态信号数字存储示波器是观察动态电信号的“眼睛”微伏级神经信号毫秒级瞬态变化复杂电磁噪声示波器把电压随时间的变化转换为清晰波形，并可测量幅值、周期、频率与相位。合理设置触发、时基和采样参数，是获得稳定、真实波形的关键。受试者通过脑机接口操控赛车游戏1897年卡尔·费迪南德·布劳恩(KarlFerdinandBraun)德国物理学家发明阴极射线管，使电信号能够以光点偏转的方式显示，为模拟示波器的发展奠定基础。阴极射线管示波器发展与数字化测量02实验背景把随时间变化的电压信号转换为可观察、可存储、可测量的二维波形，是电子测量中最重要的基础仪器之一。示波器20世纪末数字存储示波器(DigitalStorageOscilloscope)现代电子测量仪器随着高速模数转换器、数字信号处理器和大容量存储技术发展，示波器实现高速采样、波形存储、自动测量、数学运算、频谱分析与数据通信。数字采样与存储示波器实验的学习地图02实验背景核心原理横轴表示时间、纵轴表示电压；采样、存储与数字处理共同重建波形。关键指标采样率、存储深度、模拟带宽与垂直分辨率共同决定显示质量。应用领域广泛用于电路调试、通信测试、自动控制、医疗电子与科学研究。实验内容测峰-峰值、周期、频率，并用李萨如图形测未知频率与相位。实验方法结合手动读格、自动测量和X-Y模式，比较结果并分析误差来源。示波器实验目标03实验目的理解数字存储示波器的结构、采样与波形重建过程。原理认知目标01熟悉示波器与函数发生器面板、接口及规范操作。仪器操作技能02准确测量峰-峰值、周期、频率等核心参量。定量测量任务03观察李萨如图形，测未知频率并判断相位关系。综合探究任务04数字存储示波器：从模拟信号到数字波形04实验原理图7-3数字存储示波器原理框图采样率越高，快速变化的细节越清晰存储深度越大，可记录的时间范围越长信号采集链路被测信号依次经过输入衰减、垂直放大、触发控制与ADC采样，数据写入存储器，再由DSP处理并重建波形显示。影响波形真实性的四个关键环节1.模拟带宽决定可准确测量的最高频率。2.采样率决定单位时间内获取的数据点数量。3.存储深度决定高采样率下可记录的时间长度。4.垂直分辨率决定电压量化的精细程度。5.触发系统让每次扫描从相同特征点开始，形成稳定波形。6.实时采样适合单次信号；等效采样只适合稳定重复信号。图7-3数字存储示波器原理框图信号采集链路图7-3数字存储示波器原理框图输入衰减→垂直放大→ADC采样→存储→DSP处理→波形显示影响波形真实性的关键环节①模拟带宽：决定可准确测量的最高信号频率。

②采样率：决定单位时间内获取的数据点数量。

③存储深度：决定高采样率下可记录的时间长度。

④垂直分辨率：决定电压量化的精细程度。

⑤采样方式：实时采样可测单次信号；等效采样只适用于稳定重复信号。稳定触发让每次扫描从信号的同一特征点开始，是周期波形稳定显示的前提。波形形成、参数读取与李萨如测量04实验原理示波器把电压—时间关系映射到屏幕：垂直方向反映输入电压，水平方向由时基展开。稳定触发使周期信号每次从相同位置开始扫描。波形形成峰-峰值与周期峰-峰值：Upp=Nᵧ·Kᵥ·A。其中Nᵧ为垂直格数，Kᵥ为V/DIV，A为探头倍率。周期：T=Nₓ·Kₜ；频率：f=1/T。其中Nₓ为一个周期的水平格数，Kₜ为s/DIV。X-Y模式下，两个正弦信号分别控制水平和垂直偏转。稳定闭合图形对应稳定的频率比，可由交点数求未知频率。

自动测量适合快速读数；手动读格能帮助理解量程、分度与误差来源。两种方法应相互校验。李萨如测频：fᵧ/fₓ=Nₓ/Nᵧ。同频时，0°/180°为直线，90°且等幅为圆，其余相位差通常为椭圆。峰-峰值=垂直格数×V/DIV×探头倍率。

先让波形充分展开，再读取格数与量程。数字存储示波器函数/任意波形发生器示波器原理及其应用实验仪05实验仪器实验系统由数字存储示波器、函数/任意波形发生器及BNC同轴电缆组成。信号源提供标准波形，示波器完成采集、显示和测量。图7-10示波器原理及其应用实验仪1—数字存储示波器2—函数/任意波形发生器图7-11数字存储示波器前面板AUTO可快速捕获波形；VOLTS/DIV、SEC/DIV与LEVEL分别控制垂直量程、时基和触发电平；MEASURE用于自动测量。提供正弦波、方波、三角波等标准信号，可独立设置CH1/CH2的波形、频率、幅值、相位与输出状态。图7-10示波器原理及其应用实验仪实验准备06内容与步骤按示波器AUTO键快速获得稳定波形；必要时微调VOLTS/DIV、SEC/DIV、LEVEL与POSITION。用两根BNC同轴电缆将信号发生器CH1、CH2分别连接至示波器CH1、CH2输入端。0304信号发生器选择正弦波，设置实验要求的频率和峰-峰值，直流偏置为0V，并开启CH1输出。接通函数发生器和数字存储示波器电源，预热约2～3min。0102实验准备4321调节VOLTS/DIV，使波形在垂直方向充分展开且完整显示。计算Upp=Nᵧ·Kᵥ·A，记录测量值，并与信号源设定值比较。调节垂直POSITION，使波形位于屏幕中央，便于读取正峰和负峰。读取峰—峰之间的垂直格数Nᵧ，并确认当前V/DIV与探头倍率A。手动读格交流信号峰-峰值测量06内容与步骤在波形稳定显示后，用“格数×每格量程×探头倍率”得到峰-峰值。注意：探头倍率必须与示波器通道设置一致；BNC直连时A=1。2读取一个完整周期的水平格数Nₓ与当前时基Kₜ（s/DIV）。1切换正弦波、方波和三角波，保持相同设定频率，并分别稳定显示。3计算T=Nₓ·Kₜ，再由f=1/T得到频率，记录到表7-2。564读取三种波形的自动测量结果，记录到表7-3。按MEASURE键，添加Period与Frequency自动测量项。比较手动测量、自动测量与信号发生器设定值，分析误差。周期/频率信号周期与频率：手动测量和自动测量06内容与步骤观察李萨如图形并测量未知频率06内容与步骤将信号发生器CH1、CH2分别接入示波器CH1、CH2，两路均设为正弦波且幅值接近。示波器切换至X-Y模式：CH1作为X轴输入，CH2作为Y轴输入。调节两通道VOLTS/DIV和POSITION，使图形完整、稳定、居中显示。依次设置频率比1∶1、2∶1、3∶1、3∶2，观察并绘制典型图形。在图形上取避开交叉点的水平线与竖直线，统计最大交点数Nₓ、Nᵧ。123456由fᵧ/fₓ=Nₓ/Nᵧ计算未知频率，并与信号源设定值比较。实验注意事项07注意事项02开机后先预热，熟悉面板与接口；旋钮调节轻柔，禁止用力硬扳。04合理设置波形、网格亮度，避免过亮影响观察与读数。06波形应显示1～3个完整周期，并尽量占据较大屏幕范围。01先调垂直量程与位置，再调时基，最后设置触发获得稳定波形。03实验结束先关闭信号源，再关闭示波器；断电后拆线，严禁带电插拔。05探头倍率须与通道设置一致，接地端必须正确连接，避免误差和短路风险。08实验记录表7-1交流信号峰-峰值测量表7-2信号周期和频率测量（手动测量）注：直接使用BNC电缆连接时探头倍率A=1；手动读格应尽量让波形充分展开。被测信号V/DIV格数/DIVUpp/V理论值/V误差/%第1次第2次测量项目正弦波三角波矩形波扫描因素/(s/DIV)周期格数/DIV周期T/s频率f/Hz信号源f₀/Hz08实验记录表7-3信号周期和频率测量（自动测量）表7-4李萨如图形观测与未知频率测量测量项目正弦波三角波矩形波周期T/s频率f/Hz信号源f₀/Hz相对误差/%频率比fᵧ∶fₓ1∶12∶13∶13∶2李萨如图形NₓNᵧfₓ（已知）/Hzfᵧ（计算）/Hz信号源fᵧ₀/Hz相对误差/%示波器实验数据分析09数据分析峰-峰值误差计算峰-峰值测量结果相对信号源设定值的误差。1手动测频误差比较f与f₀，分析读格、时基分辨率和触发稳定性带来的误差。2自动与手动对比计算自动测量误差，并与手动结果比较，解释差异。3李萨如测频与相位计算未知频率误差；固定频率比并改变相位，归纳图形变化规律。4数字采样与波形重建的物理机制10思考与探究波形能否真实还原，取决于采样率与带宽波形重建采样率足够高离散采样点能够描述快速变化细节模拟带宽与存储深度共同限制可测频率和记录时长12采样率不足会引起混叠，使显示频率与真实频率不一致；带宽不足会压低幅值、钝化边沿；存储深度不足则难以同时兼顾长时间记录和高时间分辨率。选择测量参数时，应让采样率、带宽和记录长度与被测信号的最高频率和持续时间相匹配稳定触发触发电平应落在波形幅度范围内，触发沿应与信号特征匹配；否则波形会滚动、跳动或无法稳定显示。稳定触发与李萨如图形：从现象追问原因10思考与探究思考：若两路信号频率发生漂移，李萨如图形为什么会不断旋转或变形？频率比稳定，图形才会闭合并保持不变；相位差决定同频图形的倾斜和形状。为什么按AUTO后有时仍需手动调节？AUTO只能给出通用设置；当信号幅度小、噪声大或频率复杂时，需要重新选择通道、耦合方式、时基和触发条件。AUTO之后仍不稳定？调节顺序建议：确认输入与探头倍率→调垂直量程→调水平时基→选择触发源与触发沿→调触发电平。谢谢观看《大学物理实验》霍尔效应实验《大学物理实验》实验八

目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究01实验导入

手机内部集成霍尔传感器，配件中嵌入永磁体。配件靠近时，传感器实时检测磁场变化并转换为电信号，实现接入检测与状态识别。判断配件是否连接、位置是否正确，如果识别不准会导致功能切换错误或连接异常。非接触式测量与控制全球磁传感器市场在2024年的规模已达到23.3亿美元，仅一家头部公司（AKM）的霍尔元件累计出货量就超过500亿颗。轮速传感器扩展电池磁吸摄影手柄汽车工业：安全与智能的“神经末梢”。保障行车安全：防抱死制动系统（ABS）和牵引力控制系统（TCS）；提升驾乘体验：从座椅位置记忆、天窗/尾门开合，到车窗防夹手功能；助力新能源车：在电动汽车的电池管理系统（BMS）中，霍尔传感器能实现±0.5%精度的电流测量。消费电子：日常便利的“隐形管家”。智能交互：智能手机和平板电脑用它实现翻盖亮屏、自动休眠。医疗与尖端科研：生命与未来的“探索者”。医疗设备：在呼吸机等生命支持系统中，霍尔传感器用于精确控制阀门，确保设备稳定可靠。新能源与电力：绿色能源的“监控者”。光伏与储能：在光伏电站和储能系统中，霍尔电流传感器负责精准监控电流，保障能量转换和存储的效率与安全1879霍尔发现霍尔效应研究金属导电时发现：载流导体置于垂直磁场中，两侧产生附加电势差（霍尔电压）。随后洛伦兹提出洛伦兹力理论解释了运动电荷在磁场中受力偏转的微观本质。20世纪中半导体霍尔传感器半导体载流子浓度远低于金属，霍尔效应显著，成为高灵敏度传感器的材料基础。1985量子霍尔效应获诺贝尔奖冯·克利钦因此获奖。2013/2019量子反常霍尔效应薛其坤团队首次实验观测；2019年获国家自然科学奖一等奖。埃德温·赫伯特·霍尔霍尔效应理论背景02实验背景当载流导体置于与电流方向垂直的磁场中时，导体两侧会产生附加电势差，这种现象后来被命名为霍尔效应，产生的电势差称为霍尔电压。霍尔效应霍尔效应理论背景02实验背景核心原理运动载流子在磁场中受洛伦兹力偏转。基本规律线性关系与载流子判别。UU与工作电流I和磁感应强度B均成正比。应用领域非接触式“磁电翻译官”。汽车电子、工业控制、消费电子、新能源与医疗。实验内容动手验证与参数标定。仪器调零。测绘电压电流曲线。计算霍尔系数RH、载流子浓度n及迁移率，并绘制相应特性曲线。实验方法对称交换测量法（异号消除法）。霍尔效应实验目标03实验目的学习霍尔效应的基本原理，理解半导体材料中载流子在洛伦兹力作用下偏转产生霍尔电压的微观物理机制。实验原理认知目标01掌握使用对称交换测量法消除各种伴生热电磁副效应误差的实验操作技能。实验操作技能要求02探究霍尔电压与工作电流、磁感应强度之间的关系，并利用实验数据计算霍尔元件的霍尔灵敏度。实验数据处理任务03应用已知特性的霍尔元件作为磁场探测器，测量电磁铁气隙中磁感应强度的空间分布，并绘制沿X方向的磁感应强度分布曲线。。霍尔特性探究内容04霍尔效应04实验原理实验原理图当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在半导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差也被称为霍尔电压。。霍尔效应遵循的基本规律①通电加磁。沿Z轴的正向加以磁场B，与Z轴垂直的半导体薄片上沿X轴正向通以电流IS（称为工作电流），假设载流子为电子（如N型半导体材料，见图a），它沿着与电流IS相反的X轴负向运动。②洛伦兹力偏转。由于洛伦兹力Fm的作用，电子即向图中的D侧偏转，并使D侧形成电子积累，而相对的C侧形成正电荷积累。③动态平衡。与此同时，运动的电子还受到由于两侧积累的异种电荷形成的反向电场力Fe的作用。随着电荷的积累，Fe逐渐增大。当两力大小相等，方向相反时，电荷积累便达到动态平衡。这时在C、D两端面之间建立的电场称为霍尔电场EH，相应的电势差称为霍尔电压UH。规定霍尔电场EH沿着Y轴正方向为正。B洛伦兹力（8-1）Fm=e·v·B电场力（8-2）Fe=e·EH=e·UH/W平衡条件（8-3）e·v·B=e·UH/W→UH=v·B·W工作电流（8-4）IS=n·e·v·W·d式中：e为电子电量,v为漂移平均速率,W、d为元件宽度与厚度,n为载流子浓度。霍尔电压公式的推导04实验原理洛伦兹力（8-1）Fm=e·v·B电场力（8-2）Fe=e·EH=e·UH/W平衡条件（8-3）e·v·B=e·UH/W→UH=v·B·W工作电流（8-4）IS=n·e·v·W·d式中：e为电子电量,v为漂移平均速率,W、d为元件宽度与厚度,n为载流子浓度。联立（8-3）（8-4）得霍尔电压通用表达式（8-5）UH=(1/n·e·d)·IS·BUH=KH·IS·B霍尔系数RH=1/(n·e)灵敏度KH=RH/d=1/(n·e·d)结论：UH∝IS·B，且与厚度W成反比——这正是本实验“测UH即可反推B”的依据。符号判别：电子（N型）UH为负，空穴（P型）UH为正——由UH符号可判定导电类型。霍尔电压公式的推导04实验原理测不准的元凶：四种副效应带来的系统误差实际测出的电压是UH、U0、UE、UN、UR五种电势差的代数和。各副效应与电流、磁场方向的关系决定了它们能否被消除：副效应成因与IS关系与B关系可否消除不等位电势U0霍尔电极焊接不对称/电阻率不均匀，C、D不在同一等位面有关（随IS反号）无关可爱廷豪森效应UE载流子速率统计分布→两侧温差→温差电动势有关有关不可消除（可忽略）伦斯脱效应UN两电流电极接触电阻不同→温差热电流IQ在磁场中偏转无关有关（随B反号）可里吉-勒迪克效应UR温度梯度引起载流子扩散形成热电流→类似温差效应无关有关（随B反号）可关键规律（表8-1）：UH、UE同时随IS和B反号；U0只随IS反号；UN、UR只随B反号。这三种“反号规律”的差异，正是下一页“对称交换测量法”能够消除它们的数学基础。04实验原理霍尔系数、灵敏度与元件设计的工程考虑项目N型半导体（电子导电）P型半导体（空穴导电）金属载流子电子（负）空穴（正）电子（浓度极高）UH符号负正—RH符号负正极小作霍尔元件常用常用不适宜三个工程要点为什么用半导体？金属电子浓度n很高→RH、KH都很小。半导体载流子浓度低，霍尔效应显著，是高灵敏度霍尔元件的首选材料。为什么做得很薄？KH=1/(n·e·d)，厚度d越薄灵敏度越高——制作时常用减薄元件的办法提高KH。为什么要调方位？若B与元件平面法线成角θ，有效磁场仅为B·cosθ，UH随之减小。使用时应调整元件方位使UH最大（θ=0）。04实验原理对称交换测量法：用四态换向“算掉”系统误差分别改变励磁电流IM与工作电流IS的方向，测四次：①+IM，+ISU1=UH+U0+UE+UN+UR②−IM，+ISU2=−UH+U0−UE−UN−UR③−IM，−ISU3=UH−U0+UE−UN−UR④+IM，−ISU4=−UH−U0−UE+UN+UR作运算（8-10）：U1−U2+U3−U4(U1−U2+U3−U4)/4=UH+UE结论（8-11）UH≈(U1−U2+U3−U4)/4除爱廷豪森效应UE外，其余副效应全部消除；非大电流、非强磁场下UH≫UE，可忽略不计。04实验原理巨磁阻（GMR）：从霍尔效应到自旋电子学图8-6多层膜GMR结构及其磁阻特性图8-7自旋阀（SV-GMR）结构两电流模型：电子具有自旋，自旋与磁化方向平行者散射概率小、反平行者大；总电流为两类自旋电流之和。多层膜GMR：无外磁场时两铁磁层反平行耦合→高电阻；强磁场使其平行→低电阻。磁阻变化率可达百分之十几。自旋阀SV-GMR：由钉扎层固定被钉扎层磁化方向，软磁自由层随弱外场偏转——微弱磁场即可引起电阻明显变化，灵敏度极高。典型应用：现代硬盘磁头、高精度磁编码器、磁存储器；本实验用它做角位移与无接触电流测量。04实验原理霍尔效应实验仪器05实验仪器图8-8积木式霍尔效应实验仪实物图实验电源A组：励磁电流IM（恒流）；B组：工作电流IS/传感器供电（恒压）多功能物理测试仪电压/数据采集与显示，经8芯线连接各适配器霍尔效应实验装置C型电磁铁＋二维移动尺＋底座横向霍尔传感器固定于二维移动尺，伸入电磁铁气隙双刀双掷开关盒两组独立换向开关，控制IS、IM的通断与方向霍尔传感特性研究适配器内置放大电路，输入:输出=1:10电流/角位移测量模块配合GMR磁传感器、梯度传感器做拓展实验霍尔效应实验仪器05实验仪器核心装置：C型电磁铁与气隙磁场图8-9霍尔效应实验装置（C型电磁铁＋二维移动尺）结构参数·气隙：长40mm×宽8mm；中心最大磁感应强度>220mT·电磁铁系数C：单位励磁电流在气隙中心产生的B（mT/A），实验范围内为常数·极性规定：电流“红进黑出”为正向，气隙中B的方向标注在磁铁上由励磁电流求磁感应强度B=C×IM安全警示长时间使用励磁电流≤0.8A；1.0A大电流持续通电不得超过3min。测量间隙请将开关拨至“断开”，防止线圈过热并避免温度改变气隙磁场分布。霍尔效应实验仪器05实验仪器换向与放大：双刀双掷开关盒·传感特性适配器图8-10双刀双掷开关盒两组独立换向开关（三态）·拨至下方：正向接通（红进黑出）·中间位置：电路断开·拨至上方：反向接通分别控制IS与IM的通断及换向，是实现对称交换测量法的关键操作部件。图8-11霍尔传感特性研究适配器电压放大电路（1:10）·放大霍尔传感器输出的微弱电压信号，提高读数精度·连接：电源B组输出→霍尔传感器→测试仪·接线注意极性，避免正负极接反霍尔效应实验仪器05实验仪器五个测量任务总览#任务关键条件记录0实验准备游标初始化15mm；传感器入气隙；接线后预热≥10min—1UH–B关系IS=4.00mA；IM=100～1000mA，间隔100mA；四态测量表8-12UH–IS关系IM=400mA；IS=1.00～10.00mA，间隔1.00mA；四态测量表8-23气隙磁场分布IM=600mA，IS=5.00mA；x隙=−30～30mm，间隔5mm表8-34GMR测角位移梯度传感器，Uin=4V；每转3°记录一次（15齿→周期24°）表8-45GMR测电流磁传感器，Uin=2V；偏置25/100mV；I=±1000～0mA双向表8-5共同要求：任务1–3每个测量点均须在(+IM,+IS)、(−IM,+IS)、(−IM,−IS)、(+IM,−IS)四种条件下各测一次，按对称交换测量法取值。实验准备06内容与步骤图8-21横向霍尔传感器安装示意图（PCB板平行铁芯端面）1初始化移动尺二维移动尺x、y方向游标0刻度线均对齐主尺15mm（见图8-20）。2安装传感器霍尔传感器穿过安装孔伸入气隙：霍尔元件面朝实验者，PCB板与铁芯端面平行，元件中心与右侧端面对齐，拧紧锁紧螺钉。3连接测试链路传感器→适配器→（8芯线）→多功能物理测试仪。4连接电源回路电源A组→（鱼叉线、经开关盒）→电磁铁；电源B组→（4mm接头、经开关盒）→适配器。注意极性。5预热接通电源，预热不少于10min，待系统热平衡后再开始测量。图8-20二维移动尺初始化位置示意图任务1&2：测绘UH–B与UH–IS关系任务1UH–B关系（表8-1）·移动尺对准气隙中心：x=35mm，y=15mm·固定IS=4.00mA·IM=100,200,…,1000mA（间隔100mA）·每个IM下完成四态测量并记录IM/mA100…1000UH/mV

B=C×IM，逐点计算B；UH由四态数据按式（8-11）求出。任务2UH–IS关系（表8-2）·霍尔元件置于气隙中心·固定IM=400mA·IS=1.00,2.00,…,10.00mA（间隔1.00mA）·每个IS下完成四态测量并记录IS/mA1.00…10.00UH/mV

两次实验共同验证：UH与IS、B均成线性关系（UH=KH·IS·B）。06内容与步骤实验测量实验测量06内容与步骤任务3：电磁铁气隙磁场分布测量1设置条件IM=600mA，IS=5.00mA。2定义坐标以x=35mm为气隙坐标零位（x隙=0），分度值与主尺一致。3逐点扫描x隙=−30～+30mm，间隔5mm；每点四态测量求UH。4换算磁场B=UH/(KH·IS)，KH用任务1拟合结果。5绘制曲线作B–x隙曲线，描述气隙内x方向磁场分布。B–x隙分布示意曲线（IM=600mA）实验测量06内容与步骤任务4&5：GMR拓展——角位移与无接触电流测量图8-15GMR梯度传感器测量齿轮转动任务4齿轮角位移测量（表8-4）·扩展板接电源B组（恒压4V），输出经电压测量适配器接入测试仪·传感器竖直安装于磁铁与齿轮之间，芯片背向磁铁·微调探头找“测试零点”（输出绝对值<2mV）·齿轮每转3°记录一次电压；15齿→一个波形周期=24°图8-26GMR磁传感器正交置于载流导线正下方任务5无接触电流测量（表8-5）·扩展板接电源B组（恒压2V）；电流模块接A组（恒流1000mA）·电流调零后旋转偏置磁铁，使输出约25mV（再重复一次100mV）·电流−1000→+1000mA单调递增记录；再单调递减记录·原理：B=μ_0·I/(2πr)，输出电压与电流呈线性→可反算未知电流实验注意事项07注意事项01预热≥10min开机接线后必须充分预热。霍尔元件与GMR芯片对温度高度敏感，热平衡可显著降低零点漂移对微伏级测量的干扰。02防止电磁铁过热1.0A大电流持续通电≤3min；测量间隙将开关拨至中间“断开”位，防止线圈损坏及磁场漂移。03定位锁紧、防振动对准中心坐标（x=35,y=15mm）后锁紧全部旋钮；实验全程严禁倚靠实验桌，避免振动引起读数突变。04换向果断、读稳再记双刀双掷开关拨动干脆利落以减少电火花；换向后等待数值完全稳定再记录，切勿操之过急。05保持“磁净空”寻找GMR梯度传感器零点时探头须“点动”微移；提前摘除机械表、磁性手环等物品，排除杂散磁场干扰。06偏置设定后禁触碰偏置磁铁调至25/100mV是将传感器推入线性工作区；设定后再触碰磁铁将破坏线性基准，数据全部失效。08实验记录表8-1UH–B关系工作电流IS=4.00mA；电磁铁系数C=____mT/AIM/mAB/mTU++/mVU−+/mVU−−/mVU+−/mVUH/mV100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

B=C×IM逐点计算填入。表8-2UH–IS关系励磁电流IM=400mA；电磁铁系数C=____mT/AIS/mAU++/mVU−+/mVU−−/mVU+−/mVUH/mV1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

10.00

UH按式（8-11）由四态数据计算。四态测量：U++（+IM，+IS）、U−+（−IM，+IS）、U−−（−IM，−IS）、U+−（+IM，−IS）；每个数据点均须完整记录四个电压值，缺一不可。08实验记录表8-3气隙磁场分布IM=600mA；IS=5.00mA；以x=35mm为x隙=0x隙/mmU++/mVU−+/mVU−−/mVU+−/mVUH/mVB/mT-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

B=UH/(KH·IS)，KH用表8-1拟合结果。表8-4齿轮角位移测量（每转3°记录一次，周期24°）转角/°03691215182124电压/mV

转过多个周期时，按周期分段继续记录。表8-5GMR无接触测量电流（Uin=____V）电流I/mA25mV偏置增25mV偏置减100mV偏置增100mV偏置减-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

先单调递增、再单调递减分别记录（间隔200mA）。08数据分析五张曲线，一条主线：UH=KH·IS·B数据表绘制曲线处理方法得到的结果表8-1UH–B关系曲线B=C·IM逐点算B；线性拟合斜率k=KH·IS→霍尔灵敏度KH=k/IS表8-2UH–IS关系曲线观察线性度验证UH与IS成正比表8-3B–x隙分布曲线B=UH/(KH·IS)气隙x方向磁场分布（含边缘效应）表8-4角位移–电压曲线以实际转角为横轴一个周期24°，可测转速/转角表8-5I–Uout曲线双向（增/减电流）作图理解用GMR传感器反算未知电流（注意磁滞）报告要求：原始数据（四态完整）＋数据表＋曲线图＋拟合结果＋误差分析，缺一不可。08数据分析最小二乘法（直线拟合）：作图法：作图法求直线斜率由最小二乘法计算直线斜率要求的最小值常规方法不足之处：作图法求直线斜率根据经验，结果不准确数据处理方法08数据分析Is/mAU1(+B,+Is)/mVU2(+B,-Is)/mVU3(-B,-Is)/mVU4(-B,+Is)/mVUH/mV1.01.691.681.281.281.481.52.542.541.931.922.232.03.393.382.572.562.982.54.224.223.203.203.713.05.085.073.853.844.463.55.935.924.484.475.204.06.786.765.125.116.264.57.637.625.775.756.69内容2：保持励磁电流Im=500mA，调节工作电流每次变化0.5mA,记录数据，使用常规作图和originpro直线拟合和最小二乘法计算IS-UH关系Im/mAU1(+B,+Is)/mVU2(+B,-Is)/mVU3(-B,-Is)/mVU4(-B,+Is)/mVUH/mVB=UH·(KHIS)-1/10-2T501.821.800.290.311.061.931002.552.530.450.441.492.711503.303.281.181.172.234.062004.024.011.931.912.975.402504.784.772.652.663.726.763005.815.793.713.704.758.643506.256.244.164.145.209.464006.996.974.904.905.9410.84507.747.735.665.646.6912.25008.488.466.406.387.4313.5Im-B关系内容3：保持工作电流Is=5.00mA，调节励磁电流Im每次变化50mA，记录数据，并作图和计算B的大小08数据分析内容4：保持此时工作电流Im=500mA，霍尔灵敏度KH=11.0mV(mA·T)-1（曲线拟合，注意严禁出现蛇形图、折线图，图像精确度应与实验数据一致）位置x/mmU1(+B,+Is)/mVU2(+B,-Is)/mVU3(B,-Is)/mVU4(-B,+Is)/mVUH/mVB=UH·(KHIS)-1/10-2T0.0-3.43.4-3.83.83.63.15.0-3.94.0-4.44.44.23.610.0-5.25.2-5.65.75.44.715.0-9.59.5-9.99.99.78.420.0-14.514.5-14.915.014.712.825.0-14.814.8-15.315.315.113.130.0-14.814.8-15.315.315.113.135.0-14.814.8-15.315.315.113.140.0-14.814.8-15.315.315.113.145.0-14.814.8-15.315.315.113.1x-B图像保持霍尔元件工作电流不变，测试铁芯缝隙不同位置磁场变化规律。霍尔元件离铁芯越远，磁场越小；霍尔元件离铁芯缝隙越近，磁场越大；缝隙中为匀强磁场。08数据分析08数据分析霍尔电压磁场=0.138T霍尔元件灵敏度=

11.0mV·(mA·T)-1载流子浓度

=2.84×1023个·m-3q=1.60×10﹣19Cd=2.0×10﹣6m出厂参数KH=11mV(mA·T)-1原理图一10思考与探究思考题1若磁感应强度B的方向与霍尔元件平面不垂直，测得的霍尔电压比实际值大还是小？提示：元件感受到的是有效磁场分量——想想B·cosθ与UH的关系。思考题2如何减小爱廷豪森效应对测量结果的影响？提示：UE的符号规律与UH完全相同，换向取平均无法消除；可从工作条件（电流、磁场大小）入手。探究延伸①为什么必须“四态”而不是单次测量或简单正反两次平均？——各副效应极性响应的非对称性决定了只有四态代数平均才能同时剥离它们。②气隙边缘的非均匀磁场是“缺陷”还是“资源”？——从ABS轮速传感器、磁编码器等工程案例中找答案。谢谢观看《大学物理实验》RLC电路综合特性实验《大学物理实验》实验

九目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究核心洞察：大规模新能源并网不仅是能源结构的绿色升级，更是对电力系统动态稳定性与控制技术的严峻考验，深入解析暂态过程机理是保障能源动脉安全的关键。01引言：新时代的能源动脉与潜藏的挑战

里程碑时刻2026年4月25日，新疆华电天山北麓基地（610万千瓦）正式投运，标志着“疆电入渝”特高压工程配套电源全面到位，开启了我国“沙戈荒”新能源大规模外送的新纪元。

一体化创新模式创新采用“风光火热储一体化”设计，将波动性的风电、光伏与稳定性的光热发电、储能系统深度耦合，有效平抑出力波动，实现新能源的高比例、高质量安全外送。

亟待破解的挑战远距离输电网络本质是复杂的RLC网络，系统扰动会引发暂态能量交换。若阻尼不足，极易诱发低频振荡或暂态过电压，这成为威胁电网安全稳定运行的关键隐患。新时代的能源动脉与潜藏的挑战01实验导入采用±800千伏特高压直流技术，具备大容量、远距离、低损耗的显著优势。“疆电入渝”特高压工程01实验导入图9-1新疆华电天山北麓基地610万千瓦新能源项目风机集群02工程案例：“疆电入渝”特高压工程“疆电入渝”工程是国家“十四五”规划重点项目，也是我国首批“沙戈荒”大型风电光伏基地电力外送的标志性工程，实现了清洁能源的跨区域高效输送。工程规模宏大线路全长约2290公里，横跨五省区市，构建起横贯东西的能源大动脉。绿色清洁低碳新能源装机占比超70%，总装机达1420万千瓦，名副其实的“绿电高速”。技术领先高效采用±800千伏特高压直流技术，具备大容量、远距离、低损耗的显著优势。输电能力强劲设计容量800万千瓦，年输送清洁电力超360亿度，点亮山城万家灯火。关键支撑：新疆华电天山北麓基地作为这条超级通道的核心电源支撑点，为其提供稳定可靠的清洁电力保障。稳态与暂态特性02实验背景

01稳态特性在正弦电压持续作用下，电路中电阻、电感、电容的阻抗随频率变化，电压与电流呈现出周期性的稳定响应，各元件的相位关系也随之改变，构成电路稳定工作的基础。02暂态特性当阶跃电压作用于RLC电路时，电路从原有平衡态向新平衡态过渡的动态过程。此阶段常伴随指数衰减或阻尼振荡现象，是电路动态行为与能量转换的关键体现。

理论溯源：1853年的突破

威廉·汤姆孙(WilliamThomson)这位英国物理学家首次建立了莱顿瓶（早期电容器）的放电数学模型。通过严谨的微分方程分析，他系统地揭示了LC与RLC电路的暂态响应规律，证实了电路中衰减振荡现象的存在。这一发现不仅为电磁振荡理论奠定了坚实的数学与物理基础，更成为现代电路暂态分析的理论源头，连接了理论数学与电路实践的桥梁。图9-2威廉·汤姆孙工程价值与实验方法02实验背景理论奠基1893年理论突破：查尔斯·斯泰因梅茨建立复数相量分析方法，为现代交流电路分析奠定了坚实的理论基石，实现了从复杂微分方程到简洁代数运算的跨越。工程价值广泛的工程应用：从通信系统的选频滤波、信号处理，到电力系统的暂态保护与电能质量控制，RLC电路理论是现代电子与电力工程的核心基础。理实挑战理想模型的局限性：实际元件存在寄生电阻、分布电容等非理想参数，导致纯理论计算结果与真实电路响应存在偏差，难以满足高精度工程需求。实验内容1、RC串联电路的稳态特性的测试；2.RL串联电路的稳态特性的测试；3.RLC串联电路的稳态特性的测试。实验验证实验测定的必要性：通过实验直接测定电路的频率响应、阻抗特性及暂态过程，能够修正理论模型，确保工程设计的准确性与可靠性。RLC电路综合特性实验目标03实验目的理解RC、RL及RLC电路的稳态特性，探究在不同激励信号下的频率响应规律，观察RLC电路的串联与并联谐振现象。实验原理认知目标01掌握交流电路频率特性的测试方法，学会分析电路参数和信号频率对电压幅值、相位及谐振特性的影响。实验原理认知目标02掌握RLC电路实验仪与数字示波器的规范操作，通过自主搭建电路，提升自主搭建实验电路与分析复杂电信号的工程实践技能。实验仪器规范操作03RC串联电路的稳态特性04实验原理图9-4RC串联电路的相频特性图9-3实验电路图

RC串联电路的特性

①②RC串联电路的稳态特性04实验原理图9-5实验电路图

RC低通滤波电路

RC串联电路的稳态特性04实验原理图9-6实验电路图

RC高通滤波电路

RL串联电路的稳态特性04实验原理图9-8RL串联电路的相频特性图9-7实验电路图

RL串联电路的特性

①②RLC串联电路的稳态特性04实验原理图9-10RLC串联电路的阻抗特性图9-9实验电路图

RLC串联电路的频率特性

①②图9-11RLC串联电路的相频特性图9-12RLC串联电路的幅频特性RLC串联电路的稳态特性04实验原理

RLC串联电路的品质因数实验准备06内容与步骤仪器的使用和存放应注意清洁干净避免腐蚀和阳光暴晒。对RC、RL、RLC电路的稳态特性观测采用正弦波信号，使用数字示波器进行观测。0304仪器采用开放式设计，使用时要正确接线，不要短路功率信号源，以防损坏。使用完毕后应关闭电源。仪器使用前应预热10~15分钟，并避免周围有强磁场源或磁性物质。0102实验准备RLC电路实验仪主机RLC电路实验仪05实验仪器RLC电路实验仪主要由频率表、功率信号源、电阻元件、电感元件、电容元件和整流滤波元件等组成，如下图所示。主要技术参数1）供电：单相220V，50Hz。2）工作范围：温度为5～35℃，相对湿度为25%～85%。3）信号源：①正弦波分为50~1kHz、1k~10kHz、10k~100kHz三个波段；②方波波段为50~1kHz，信号幅值在0~10V范围内连续可调；③直流电压输出范围为2～15V，连续可调。4）频率表：0~99.999kHz，5位数显，分辨率为1Hz。5）十进式电阻箱：提供四组十进位调节盘，步阶分别为×10kΩ、×1kΩ、×100Ω、×10Ω，精度为0.5%6）十进式电感箱：提供两组十进位调节盘，步阶分别为×10mH、×1mH，精度为2%。7）十进式电容箱：提供四组十进位调节盘，步阶分别为×0.1μF、×0.01μF、×0.001μF、×0.0001μF，精度为1%。8）仪器尺寸：长、宽、高分别为400mm×250mm×120mm。图9-13RLC电路实验仪RC串联电路的稳态特性06内容与步骤

12RL串联电路的稳态特性06内容与步骤

12RLC串联电路的稳态特性06内容与步骤

12

实验注意事项07注意事项01仪器开机后务必保证10～15min的设备预热时间，同时确保实验台周边无强磁场源或磁性物质干扰，以保证功率信号源输出稳定。02严防信号源输出端发生短路。RLC电路实验仪采用开放式设计，并涉及功率信号输出。在搭接测试电路时，应反复核对连线，确认无误后方可通电。严禁因接线错误导致信号源输出端短路，以防瞬间过载烧毁内部模块。03

08实验记录表9-1RC串联电路的稳态特性频率/kHzUi(p-p)/VUC(p-p)/VUR(p-p)/VΔt/µs

08实验记录表9-2RL串联电路的稳态特性频率/kHzUi(p-p)/VUL(p-p)/VUR(p-p)/VΔt/µs

08实验记录表9-3RLC串联电路的稳态特性频率/kHzUi(p-p)/VUL(p-p)/VUR(p-p)/VUC(p-p)/VUL-C(p-p)/V

RLC电路综合特性实验数据分析09数据分析RC电路的幅频和相频特性分析表9-1中的数据，根据测量结果作出RC串联电路的幅频特性图和相频特性图1RL电路的幅频和相频特性分析表9-2中的数据，根据测量结果作出RL串联电路的幅频特性图和相频特性图。2RC电路的的应用分析RC低通滤波电路和RC高通滤波电路的频率特性。3RLC电路的幅频和相频特性分析表9-3的数据，根据测量结果分别作出RLC串联电路的幅频特性图和相频特性图4RLC电路综合特性的应用10思考与探究RLC电路综合特性RC低通滤波特性与车载传感器信号抗干扰机制RLC串联谐振的品质因数效应与过电压物理机制12

在典型的高速领航或城区导航等复杂场景中，光电探测元件正是利用光电转换的极速“瞬时性”，配合纳秒级计时电路，精确计算微弱激光脉冲的回波飞行时间，从而实现对障碍物的精准空间测距;同时，系统通过读取正比于光强的饱和光电流幅值，能够敏锐分辨车辆金属、道路标线或行人衣物等不同目标材质的反射率特征。

在RLC串联稳态实验中，系统达到谐振频率时，电感或电容两端的电压往往数倍于总电压，其比值即为品质因数Q。这种“电压放大”的本质是巨大的电场能与磁场能在储能元件间剧烈往复交换，外部电源仅需补充微小的电阻热损耗。该特性在工程实践中是一把双刃剑：在射频通信接收端，常刻意利用高Q值谐振来提取并放大微弱的有用信号；但在高压电力系统或大功率逆变网络中，非预期的寄生串联谐振会引发极端的过电压，直接击穿电缆绝缘层造成灾难性短路。因此，在复杂的电气网络设计中，必须精准评估系统的频响特性，严密兼顾信号提取效能与绝缘安全裕度。稳态谐振现象探究RLC电路综合特性实验10思考与探究①RLC二阶电路三种阻尼响应由什么参数决定？增大电阻R，电路的阻尼会如何变化，振荡现象会发生怎样改变？②电感线圈实际存在内阻，该内阻会对RLC暂态波形带来什么影响？对比理论曲线，分析实测波形出现偏差的原因。影响谐振频率的因素①RLC串联电路发生串联谐振时，电路总阻抗、回路电流具备什么特点？为什么会出现分电压大于总输入电压的现象？②改变信号源频率，观察幅频、相频特性，谐振频率的理论计算公式是什么？实测谐振频率与理论值不相等，试分析误差来源。工程联系思考①新能源远距离输电网络等效为大规模RLC网络，当系统发生扰动，若系统欠阻尼程度大，会带来哪些电网风险？②在工程上，可以采取哪些手段增大系统阻尼，抑制暂态振荡、抑制暂态过电压？构网型储能装置是如何发挥作用的？谢谢观看《大学物理实验》实验十直流电桥实验惠斯通电桥与开尔文电桥的精密测量技术物理实验课程实验导入应用背景2025年，国产大型客机C919批量化生产和商业化运营步伐加快航空制造企业对关键材料性能检测提出更高要求铝合金、钛合金、铜合金等导电材料大量应用于飞机结构核心问题•材料电阻受尺寸、温度、接触电阻影响•普通测量方法难以获得精确结果•需要精密测量技术惠斯通电桥→中值电阻测量开尔文电桥→低值电阻测量实验背景1833克里斯蒂发明电桥电路1843惠斯通改进推广，命名为惠斯通电桥1861汤姆森发明开尔文双臂电桥，测量低值电阻电阻是表征导体阻碍电流通过能力的重要物理量，电桥测量技术是现代传感检测技术的重要基础实验目的1了解惠斯通电桥与开尔文电桥的基本工作原理，区分它们在精密测量不同量级电阻时的物理机制与适用范围2掌握自组惠斯通电桥的实验操作技能，学会根据待测电阻的估值合理选择比例臂3探究电桥灵敏度的测定与计算方法，分析电源电压、检流计灵敏度等参量对测量精度的影响4应用交换法消除系统误差，结合不确定度评定理论，计算待测电阻的最终结果表达式惠斯通电桥原理基本原理•直流单臂电桥，用比较法测量电阻•适用于1~10⁶Ω的中值电阻测量•四个桥臂电阻：R₁、R₂、RS、Rx•当B、D两点电势相等时，电桥平衡电桥平衡方程R₁/R₂=Rx/RSRx=(R₁/R₂)·RS电桥结构•R₁、R₂：比例臂•RS：比较臂•Rx：测量臂•G：检流计•E：电源•A、C与电源相连•B、D间跨接检流计电桥灵敏度定义式：S=Δn/(ΔRS/RS)影响灵敏度的因素•检流计的电流灵敏度•比例臂R₁/R₂的选择•电源电压E的大小•检流计内阻Rg提高灵敏度的方法•选择R₁/R₂=1的比例臂•适当增大电源电压•选择灵敏度较高的检流计•注意元件额定功率限制开尔文电桥原理惠斯通电桥的局限•测量1Ω以下低值电阻时误差大•接触电阻约10⁻²Ω量级•待测电阻<10⁻¹Ω时影响不可忽略开尔文电桥解决方案•四端连接方式•电流接头与电压接头分开•双臂结构消除接触电阻影响平衡条件当R₁/R₂=R₃/R₄时：Rx=(R₁/R₂)·R实验仪器自组电桥实验仪稳压电源、电压表、检流计、电流表、温度表电阻箱测量范围0~99999.9Ω，分辨力0.1Ω比例运算放大器放大倍率×10和×100两档四端电阻器φ3mm铝棒和黄铜棒各一根主要模块•稳压输出：0~10V•直流电压表：±1.9999V•检流计：±50μA•直流电流表：0~1.999A•温度表：0~199.9℃•恒温井：0~100℃•应变测力传感器实验内容一实验准备—检查仪器、比例运算放大器调零二测量电桥灵敏度—不同比例臂下的灵敏度测定三测量中值电阻—利用惠斯通电桥测量未知电阻四测量电阻率—开尔文电桥测量黄铜棒电阻率惠斯通电桥测量步骤1断开电源，按电路图连接线路2根据待测电阻估值选择比例臂R₁/R₂3将电阻箱调至与待测电阻同数量级4粗测档观察检流计偏转，调节RS5细测档精细调节至电桥平衡6记录平衡时RS值，计算待测电阻注意：采用交换法消除系统误差，互换Rx和RS位置，取两次测量结果的几何平均值开尔文电桥测量电阻率测量方法•以已知电阻率的纯铝棒作为参比电阻•利用金属棒长度改变量进行精密测算•通过比例运算放大器放大输出信号计算公式当R₁=R₂且横截面积相同时：ρₓ=ρ·(ΔL/ΔLₓ)已知参数•纯铝棒电阻率：ρ铝=2.83×10⁻⁸Ω·m（室温）•金属棒规格：φ3mm•桥臂电阻：R₁=R₂=R₃=R₄=100Ω（精度1‰）注意事项•仪器采用AC220V供电，严禁非专业人员私自打开机盖•遵循"接线→检查→通电→测量"的操作顺序•比例运算放大器必须先接线再通电•检流计调节平衡时，先用粗测档，再用细测档•插拔导线时捏住端部插头，严禁拉扯软线数据处理要点电桥灵敏度•根据S=Δn/(ΔRS/RS)计算•分析不同倍率的影响中值电阻测量•根据Rx=√(RS·RS')计算•应用交换法消除误差电阻率测量•计算长度改变量ΔL•根据公式计算ρ铜关键公式汇总S=Δn/(ΔRS/RS)|Rx=√(RS·RS')|ρₓ=ρ·(ΔL/ΔLₓ)思考与探究一、电桥灵敏度与测量精度的优化机制•R₁=R₂时电桥灵敏度最高•高精度测量需在灵敏度、稳定性和安全性之间寻求平衡•应用于电子元器件检测、航空航天材料评估等领域二、非平衡电桥在智能传感检测中的应用•全桥差动结构灵敏度约为单臂电桥的四倍•可有效补偿环境温度变化的影响•广泛应用于电子秤、汽车称重、桥梁监测、航空结构载荷测试实验总结✓惠斯通电桥：中值电阻（1~10⁶Ω）精密测量✓开尔文电桥：低值电阻（<1Ω）精密测量✓交换法：消除系统误差的有效方法✓电桥技术：现代传感检测的重要基础电桥不仅是一种测量电阻的工具，更是现代传感与自动检测技术的重要基础光电效应实验《大学物理实验》实验十一

目01|实验导入02|实验背景03|实验目的04|实验原理05|实验仪器录06|内容与步骤07|注意事项08|实验记录09|数据分析10|思考与探究激光雷达应用现状01实验导入搭载3颗激光雷达的比亚迪仰望U8在高速领航辅助驾驶、城区导航辅助驾驶、自动泊车等典型场景中,激光雷达能够实时获取车辆周围环境的三维点云信息,实现对道路、车辆、行人及障碍物的精准识别,为智能驾驶系统提供可靠的环境感知数据,成为智能网联汽车的重要核心传感器。搭载激光雷达的高阶智能驾驶汽车进入规模化应用阶段光电探测器实现光电转换的物理基础正是光电效应高速领航辅助驾驶城区导航辅助驾驶自动泊车等为此,在工程实践和传感器标定中广泛应用基于光电效应的物理原理进行基础特性检测,通过测定光电管的伏安特性曲线以及不同频率波长下的截止电压等参数,能够有效验证并利用饱和光电流与入射光强度成正比的物理规律,进一步优化雷达接收端的纳秒级计时电路,从而评价并提升激光雷达的整体感知质量。1905年阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)物理学家将量子理论推广到光的传播过程,提出光量子假说,建立了光电效应方程,成功解释了光电效应实验规律,为量子理论的发展奠定了基础,并因此获得1921年诺贝尔物理学奖。光电效应方程光电效应理论背景02实验背景是光照射金属或半导体材料时引起电子逸出的物理现象,是现代量子物理学的重要基础,也是光电探测、光电转换和光电子技术的重要理论依据。光电效应1900年马克斯·卡尔·恩斯特·路德维希·普朗克(MaxKarlErnstLudwigPlanck)德国物理学家在研究黑体辐射问题时提出了革命性的能量子假说,假定能量由不连续的“能量子”构成,且能量子的能量大小与其频率成正比,这个核心的比例系数正是普朗克常量。普朗克常量反映了微观世界中能量量子化的基本特征,是连接经典物理与量子物理的重要桥梁,也是现代物理学中最基本的自然常数之一。能量子假说光电效应理论背景02实验背景核心原理入射光子能量大于材料逸出功时电子逸出形成光电子，验证了光的量子性，是光电探测器理论基础。基本规律光电子最大初动能仅由入射光频率决定，饱和光电流与入射光强成正比，可据此测定普朗克常量。应用领域已广泛应用于激光雷达、光纤通信、卫星遥感、机器视觉、医学影像、工业检测等领域。实验内容集成普朗克常量测定、截止电压测量、伏安特性分析，可验证规律，为后续相关学习奠定实验基础。实验方法采用光电管、单色光源和精密测量系统，测不同波长单色光的截止电压吉光电管伏安特性曲线及不同光强下的饱和光电流光电实验目标03实验目的理解光电效应原理与爱因斯坦光量子假说，加深对光能转电能规律及光量子性的认知。实验原理认知目标01掌握截止电压测定操作，理解零电流法对测量结果与系统误差的影响。实验操作技能要求02利用伏安特性曲线提取截止电压，结合线性拟合测算普朗克常量h并做误差评估。实验数据处理任务03探究不同频率、光强下光电管伏安特性曲线，分析饱和电流规律及光电管固有特性。光电特性探究内容04光电效应及其伏安特性规律04实验原理图11-4同一频率、不同光强时光电管的伏安特性曲线图11-5不同频率时光电管的伏安特性曲线图11-6截止电压U0与入射光频率D的关系实验原理图入射光照射到光电管阴极K上,产生的光电子在电场的作用下向阳极A迁移构成光电流,改变外加电压UAK,测量出光电流I的大小,即可得出光电管的伏安特性曲线。光电效应遵循的基本规律对应某一频率的光电效应I-UAK关系如图11-4所示。当UAK≤U0时电流为零，U0为截止电压。UAK≥U0时组件产生电流I，I先增后趋于饱和，饱和光电流IM与入射光强度P成正比（图11-4）。不同频率的光，光子能量不同，逸出电子动能不同，频率越高截止电压U0越高（图11-5）。U0与频率D成正比（图11-6）。入射光频率低于极限值D0（随金属而异）时，无光电流产生，D0为截止频率。光电效应是瞬时效应，频率大于D0时，光电子几乎立即逸出，耗时至多10-9s。说明：实际反向电流不为零，因极小（10-13~10-14数量级），图11-4、11-5中显示为零。爱因斯坦光量子方程与普朗克常量测定04实验原理光能并非如电磁波理论设想的分布在波阵面，而是集中于带频率（或波长）的光子上，频率为ν的光子能量E=hν（h为普朗克常量）。光子入射金属表面时，金属中的电子会一次性全部吸收其能量，无需积累；电子用部分能量克服金属表面吸引力，剩余能量成为其离开金属表面后的动能。光量子理论光电效应方程由式(11-1)可知，入射金属表面的光频率越高，逸出电子动能越大。故阳极电位低于阴极电位时仍有电子落入阳极形成光电流，直至阳极电位低于截止电压，光电流才为零，此时可得阳极电位高于截止电压后，随其升高，光电流上升；阳极电压升至一定程度，光电流饱和，饱和光电流与入射光强度成正比。式(11-3)表明,截止电压U0

是频率ν的线性函数,直线斜率k=h/e。只要用实验方法得出不同的频率对应的截止电压,求出直线斜率,就可算出普朗克常量h。

式中,e为电子基本电荷;U0

为截止电压。当光子的能量hv0<A时,电子不能脱离金属,因而没有光电流产生。产生光电效应的最低频率(截止频率)是ν0=A/h。将式(11-2)代入式(11-1),可得光电效应实验仪主机实验基准平台光电效应实验仪05实验仪器光电效应实验仪由主机和实验基准平台等组成（图11-7）融合传统微观物理量探测与现代微机自动测控技术，模拟光电传感器全流程链路。图11-7光电效应实验仪1—光电效应实验仪主机2—实验基准平台图11-8光电效应实验仪主机面板有手动和自动两种工作模式,具有数据自动采集、存储,实时显示数据,动态显示采集曲线及采集完成后查询数据的功能。其面板如图11-8所示。由汞灯及汞灯电源、滤色片、光阑、光电管等构成,如图11-9所示。实验准备06内容与步骤仪器充分预热后，按“清零”按键自动调零，可进入“截止电压测量—手动模式”确认归零，实验数据采集过程中不可再调零。用专用连接线将光电管暗盒电压端与实验仪主机背后的“截止电压”端连接,红黑线与机箱对应接口连接。0304将汞灯暗盒的光输出口对准光电管暗盒的光输入口,调整入射距离L(光电管与汞灯的距离)为约40cm并保持不变。将实验基准平台和汞灯电源接通,盖上汞灯暗盒遮光盖和光电管暗盒遮光盖,预热20min。0102实验准备4321选择“手动模式”,进入手动测量界面。依次换上404.7nm、435.8nm、546.1nm、577.0nm的滤色片,重复以上测量步骤。选择“Φ4”光阑和“365.0nm”滤色片安装到光电管暗盒上,打开汞灯暗盒遮光盖,开始实验。此时电压表显示UAK

的值,单位为V;电流表显示与UAK

对应的电流值I。可用“调节旋钮”或“▲”“▼”键调节UAK

的值。从低到高调电压，观察电流变化，找电流为零时的UAK，以此作为对应波长的U0，记录于表11-1；为快速找U0，可从高到低调节，先定最高位，再顺次调低位。手动测量测量截止电压(普朗克常量h)06内容与步骤在主界面选择“截止电压测量(普朗克常量)”,进入截止电压测量界面。注意:更换滤色片或光阑时,应先用遮光盖挡住汞灯,更换好滤色片或光阑后,再取下遮光盖进行下一步实验。2(将“