大學(xué)物理綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)(完整)

1、綜合設(shè)計(jì)性物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)黑龍江大學(xué)普通物理實(shí)驗(yàn)室5目 錄緒論實(shí)驗(yàn)1 幾何光學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)2 LED特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)3 超聲多普勒效應(yīng)的研究和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)4 熱輻射與紅外掃描成像實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)5 多方案測(cè)量食鹽密度實(shí)驗(yàn)6 多種方法測(cè)量液體表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)7 用Multisim軟件仿真電路實(shí)驗(yàn)8 霍爾效應(yīng)實(shí)驗(yàn)誤差來(lái)源的分析與消除實(shí)驗(yàn)9 自組惠斯通電橋單檢流計(jì)條件下自身內(nèi)阻測(cè)定實(shí)驗(yàn)10 用邁克爾遜干涉儀測(cè)透明介質(zhì)折射率實(shí)驗(yàn)11 光電效應(yīng)和普朗克常數(shù)的測(cè)定液體電導(dǎo)率測(cè)量實(shí)驗(yàn)12 光電池輸出特性研究實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)13 非接觸法測(cè)量液體電導(dǎo)率緒 論一綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過(guò)程完成一個(gè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)要經(jīng)過(guò)以下三個(gè)過(guò)程：1選題及

2、擬定實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)題目一般是由實(shí)驗(yàn)室提供，學(xué)生也可以自帶題目，學(xué)生可根據(jù)自己的興趣愛(ài)好自由選擇題目。選定實(shí)驗(yàn)題目之后，學(xué)生首先要了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、任?wù)及要求，查閱有關(guān)文獻(xiàn)資料（資料來(lái)源主要有教材、學(xué)術(shù)期刊等），查閱途徑有：到圖書(shū)館借閱、網(wǎng)絡(luò)查詢等。學(xué)生根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料，寫(xiě)出該題目的研究綜述，擬定實(shí)驗(yàn)方案。在這個(gè)階段，學(xué)生應(yīng)在實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量方法、測(cè)量手段等方面要有所創(chuàng)新；檢查實(shí)驗(yàn)方案中物理思想是否正確、方案是否合理、是否可行、同時(shí)要考慮實(shí)驗(yàn)室能否提供實(shí)驗(yàn)所需的儀器用具、同時(shí)還要考慮實(shí)驗(yàn)的安全性等，并與指導(dǎo)教師反復(fù)討論，使其完善。實(shí)驗(yàn)方案應(yīng)包括：實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)示意圖、實(shí)驗(yàn)所用的儀器材料、實(shí)驗(yàn)操作步驟等

3、。2實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)學(xué)生根據(jù)擬定的實(shí)驗(yàn)方案，選擇測(cè)量?jī)x器、確定測(cè)量步驟、選擇最佳的測(cè)量條件，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷地完善。在這個(gè)階段，學(xué)生要認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，積極解決困難，要于教師、同學(xué)進(jìn)行交流與討論。在這種學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生要學(xué)習(xí)用實(shí)驗(yàn)解決問(wèn)題的方法，并且學(xué)會(huì)合作與交流，對(duì)實(shí)驗(yàn)或科研的一般過(guò)程有一個(gè)新的認(rèn)識(shí)；其次要充分調(diào)動(dòng)主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，善于思考問(wèn)題，培養(yǎng)勤于創(chuàng)新的學(xué)習(xí)習(xí)慣，提高綜合運(yùn)用知識(shí)的能力。3分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、總結(jié)實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)束需要分析總結(jié)的內(nèi)容有：（1）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行討論，進(jìn)行誤差分析；（2）討論總結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決的辦法；（3）寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告（4）總結(jié)

4、實(shí)驗(yàn)成功與失敗的原因，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、心得體會(huì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的總結(jié)非常重要，是對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重新認(rèn)識(shí)過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中可以鍛煉學(xué)生分析問(wèn)題、歸納和總結(jié)問(wèn)題的能力，同時(shí)也提高了文字表達(dá)能力。在完成綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中處處滲透著學(xué)生是學(xué)習(xí)的主體，學(xué)生是積極主動(dòng)地探究問(wèn)題，這是一種利于提高學(xué)生解決問(wèn)題的能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)的教學(xué)過(guò)程。在綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中學(xué)生與教師是在平等的基礎(chǔ)上進(jìn)行探討、討論問(wèn)題，不要產(chǎn)生對(duì)教師的依賴。有些問(wèn)題對(duì)教師是已知的，但對(duì)學(xué)生是未知的，這時(shí)教師應(yīng)積極誘導(dǎo)學(xué)生找到解決問(wèn)題的方法、鼓勵(lì)學(xué)生克服困難，并在引導(dǎo)的過(guò)程中幫助學(xué)生建立科學(xué)的思維方式和研究問(wèn)題的方法。有些問(wèn)

5、題對(duì)教師也是一個(gè)未知的問(wèn)題，這時(shí)教師應(yīng)與學(xué)生共同思考共同解決問(wèn)題。二實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)寫(xiě)要求實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包括：1實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?實(shí)驗(yàn)儀器及用具；3實(shí)驗(yàn)原理；4實(shí)驗(yàn)步驟；5測(cè)量原始數(shù)據(jù)；6數(shù)據(jù)處理過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果；7分析、總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，討論總結(jié)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決的辦法，總結(jié)實(shí)驗(yàn)成功與失敗的原因，經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、心得體會(huì)。三實(shí)驗(yàn)成績(jī)?cè)u(píng)定辦法教師根據(jù)學(xué)生查閱文獻(xiàn)、實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、實(shí)際操作、實(shí)驗(yàn)記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告總結(jié)等方面綜合評(píng)定學(xué)生的成績(jī)。（1）查詢資料、擬定實(shí)驗(yàn)方案：占成績(jī)的20%。在這方面主要考察學(xué)生獨(dú)立查找資料，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)一個(gè)合理、可行的實(shí)驗(yàn)方案。（2）實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案、完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：占成績(jī)的30%?？疾鞂W(xué)生

6、獨(dú)立動(dòng)手能力，綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。（3）分析結(jié)果、總結(jié)報(bào)告：占成績(jī)的20%。主要考察學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)處理方面的知識(shí)運(yùn)用情況，分析問(wèn)題的能力，語(yǔ)言表達(dá)能力。（4）科學(xué)探究、創(chuàng)新意識(shí)方面：占成績(jī)的20%?？疾鞂W(xué)生是否具有創(chuàng)新意識(shí)，善于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并能解決問(wèn)題。（5）實(shí)驗(yàn)態(tài)度、合作精神：占成績(jī)的10%?？疾鞂W(xué)生是否積極主動(dòng)地做實(shí)驗(yàn)，是否具有科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)事求是的工作作風(fēng)，能否與小組同學(xué)團(tuán)結(jié)合作。四綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)上課要求1做每個(gè)實(shí)驗(yàn)前要做實(shí)驗(yàn)前的開(kāi)題報(bào)告，開(kāi)題報(bào)告應(yīng)包括：（1）實(shí)驗(yàn)的目的、意義、內(nèi)容；（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的認(rèn)識(shí)、擬定的測(cè)量方案等；（3）對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置工作原理、使用方法等方面的了解；（4）對(duì)實(shí)

7、驗(yàn)的原理、測(cè)量方法、儀器使用等方面存在的問(wèn)題、需進(jìn)一步研究的內(nèi)容等。2實(shí)驗(yàn)結(jié)束要求做實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告，總結(jié)報(bào)告應(yīng)包括：（1）闡述實(shí)驗(yàn)原理、測(cè)量方法；（2）介紹實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分析測(cè)量數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)測(cè)量結(jié)果；（3）實(shí)驗(yàn)的收獲、實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)意見(jiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作提出意見(jiàn)和建議等。實(shí)驗(yàn)1. 幾何光學(xué)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) 組裝顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡是常用的助視光學(xué)儀器。顯微鏡主要用來(lái)幫助人們觀察近處的微小物體，望遠(yuǎn)鏡則主要幫助人們觀察遠(yuǎn)處的目標(biāo)，它們?cè)谔煳膶W(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中都起著十分重要的作用。為適應(yīng)不同用途和性能的要求，有各種類型的顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡，構(gòu)造上也各有差異，但是它們的基本光學(xué)系統(tǒng)都是由一個(gè)

8、目鏡和物鏡組成。一實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）掌握透鏡成像規(guī)律；（1）組裝簡(jiǎn)單的顯微鏡與望遠(yuǎn)鏡，以熟悉它們的構(gòu)造及其放大原理，掌握其調(diào)節(jié)與使用方法；（2）用自己組裝的望遠(yuǎn)鏡測(cè)量凸透鏡和凹透鏡的焦距。二實(shí)驗(yàn)室可提供的器材1.2m光學(xué)導(dǎo)軌一個(gè)，焦距為4、8、20的凸透鏡各一個(gè)，待測(cè)凸透鏡、凹透鏡各一個(gè)，玻璃叉絲屏（分劃板）一個(gè)，物屏一個(gè)。三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1區(qū)分凸、凹透鏡，分辨不同凸透鏡的焦距長(zhǎng)短。2選擇較短焦距的凸透鏡做目鏡，與分劃板構(gòu)成目鏡系統(tǒng)，調(diào)整目鏡到透鏡之間的距離，使分劃板成像清晰。3利用透鏡成像法測(cè)量所有凸透鏡的焦距（用目鏡系統(tǒng)觀察成像）。4組裝顯微鏡要求：（1）畫(huà)出顯微鏡的光路圖；（2）選擇合適的凸透鏡做

9、物鏡，利用目鏡和分劃板組成的目鏡系統(tǒng)，組裝顯微鏡。（3）調(diào)整顯微鏡系統(tǒng)看清放大的像，觀察顯微鏡放大的現(xiàn)象。5組裝望遠(yuǎn)鏡要求：（1）畫(huà)出開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡的光路圖。（2）選擇一個(gè)焦距較長(zhǎng)的凸透鏡做物鏡，利用目鏡系統(tǒng)，組裝望遠(yuǎn)鏡。（3）用組裝的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，觀察遠(yuǎn)處物體成像的現(xiàn)象。4用上述組裝成的望遠(yuǎn)鏡測(cè)量待測(cè)凸透鏡的焦距要求：畫(huà)出測(cè)量光路圖，并敘述測(cè)量原理及過(guò)程。5用上述組裝成的望遠(yuǎn)鏡測(cè)量待測(cè)凹透鏡的焦距。要求：畫(huà)出測(cè)量光路圖，并敘述測(cè)量原理及過(guò)程。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1闡述實(shí)驗(yàn)的基本原理及測(cè)量方法內(nèi)容包括：透鏡成像原理，測(cè)量透鏡焦距的方法，顯微鏡望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)、組裝方法等2記錄實(shí)驗(yàn)步驟及各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，畫(huà)出光路

10、圖，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。3總結(jié)本次實(shí)驗(yàn)的收獲和體會(huì)。實(shí)驗(yàn)2 LED特性測(cè)量LED是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，具有體積小，耗電量低，易于控制，堅(jiān)固耐用，壽命長(zhǎng)，環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，其主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：照明、大屏幕顯示、液晶顯示的背光源、裝飾工程等。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)試各種LED特性，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而進(jìn)一步了解LED工作原理及相關(guān)應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.測(cè)量LED的伏安特性2.測(cè)量LED的電光轉(zhuǎn)換特性3.測(cè)量LED輸出光空間分布特性實(shí)驗(yàn)儀器及用具LED光發(fā)射器，照度檢測(cè)探頭，激勵(lì)電源，測(cè)試控制器，實(shí)驗(yàn)儀及LED組件。實(shí)驗(yàn)原理一LED工作原理發(fā)光二極管是由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管。P型半導(dǎo)體中有相當(dāng)

11、數(shù)量的空穴，幾乎沒(méi)有自由電子。N型半導(dǎo)體中有相當(dāng)數(shù)量的自由電子，幾乎沒(méi)有空穴。當(dāng)兩種半導(dǎo)體結(jié)合在一起形成P-N結(jié)時(shí)，N區(qū)的電子（帶負(fù)電）向P區(qū)擴(kuò)散， P區(qū)的空穴（帶正電）向N區(qū)擴(kuò)散，在P-N結(jié)附近形成空間電荷區(qū)與勢(shì)壘電場(chǎng)。勢(shì)壘電場(chǎng)會(huì)使載流子向擴(kuò)散的反方向作漂移運(yùn)動(dòng)，最終擴(kuò)散與漂移達(dá)到平衡，使流過(guò)P-N結(jié)的凈電流為零。在空間電荷區(qū)內(nèi)，P區(qū)的空穴被來(lái)自N區(qū)的電子復(fù)合，N區(qū)的電子被來(lái)自P區(qū)的空穴復(fù)合，使該區(qū)內(nèi)幾乎沒(méi)有能導(dǎo)電的載流子，又稱為結(jié)區(qū)或耗盡區(qū)。當(dāng)加上與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的正向偏壓時(shí)，結(jié)區(qū)變窄，在外電場(chǎng)作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，并以熱能

12、或光能的形式釋放能量。采用適當(dāng)?shù)牟牧?，使?fù)合能量以發(fā)射光子的形式釋放，就構(gòu)成發(fā)光二極管。發(fā)光二極管發(fā)射光譜的中心波長(zhǎng)，由組成P-N結(jié)的半導(dǎo)體材料的禁帶能量所決定，采用不同的材料及材料組分，可以獲得發(fā)射不同顏色的發(fā)光二極管。LED的光譜線寬度一般有幾十納米，可見(jiàn)光的光譜范圍是400700納米，白光LED一般采用三種方法形成。第一種是在藍(lán)光LED管芯上涂敷熒光粉，藍(lán)光與熒光粉產(chǎn)生的寬帶光譜合成白光。第二種是采用幾種發(fā)不同色光的管芯封裝在一個(gè)組件外殼內(nèi)，通過(guò)色光的混合構(gòu)成白光LED。第3種是紫外LED加3基色熒光粉，3基色熒光粉的光譜合成白光。二LED光電特性1.LED的伏安特性伏安特性反映了在LE

13、D兩端加電壓時(shí)，電流與電壓的關(guān)系，如圖2所示。在LED 兩端加正向電壓，當(dāng)電壓較小，不足以克服勢(shì)壘電場(chǎng)時(shí)，通過(guò)LED的電流很小。當(dāng)正向電壓超過(guò)死區(qū)電壓（圖2中的正向拐點(diǎn)）后，電流隨電壓迅速增長(zhǎng)。正向工作電流指LED正常發(fā)光時(shí)的正向電流值，根據(jù)不同管子的結(jié)構(gòu)和輸出功率的大小，其值在幾十毫安到1安之間。正常工作電壓指LED正常發(fā)光時(shí)加在二極管兩端的電壓。允許功耗指加于LED的正向電壓與電流乘積的最大值，超過(guò)此值，LED會(huì)因過(guò)熱而損壞。LED的伏安特性與一般二極管相似。在LED 兩端加反向電壓，只有微安極的反向電流。反向電壓超過(guò)擊穿電壓（一般為幾十伏）后，管子被擊穿損壞。為安全起見(jiàn)，激勵(lì)電源提供的最

14、大反向電壓低于擊穿電壓。2、測(cè)量LED的電光轉(zhuǎn)換特性圖3反映發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電流與與輸出照度的關(guān)系。發(fā)光二極管輸出照度值與驅(qū)動(dòng)電流近似呈線性關(guān)系。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電流與注入PN結(jié)的電荷數(shù)成正比，在復(fù)合發(fā)光的量子效率一定的情況下，輸出照度與注入電荷數(shù)成正比。（a）A型管（加裝透鏡） （b）B型管 圖4 兩種發(fā)光二極管的角度特性曲線圖3、LED輸出光空間分布特性發(fā)光二極管的芯片結(jié)構(gòu)及封裝方式不同，輸出光的空間分布也不一樣，圖4給出其中兩種的分布特性。圖4的發(fā)射強(qiáng)度是以最大值為基準(zhǔn)，此時(shí)方向角定義為零度，發(fā)射強(qiáng)度定義為100。當(dāng)方向角改變時(shí)，發(fā)射強(qiáng)度相應(yīng)改變。發(fā)射強(qiáng)度降為峰值的一半時(shí)，對(duì)應(yīng)的角度稱為方向

15、半值角。發(fā)光二極管出光窗口附有透鏡，可使其指向性更好，如圖4（a）的曲線所示，方向半值角大約為± 7°左右，可用于光電檢測(cè)，射燈等要求出射光束能量集中的應(yīng)用環(huán)境。圖4 (b)所示曲線為未加透鏡的發(fā)光二極管，方向半值角大約為± 50°，可用于普通照明及大屏幕顯示等要求視角寬廣的應(yīng)用環(huán)境。實(shí)驗(yàn)儀器介紹 LED實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。實(shí)驗(yàn)裝置由LED光發(fā)射器，照度檢測(cè)探頭，激勵(lì)電源，測(cè)試控制器，實(shí)驗(yàn)儀及LED組件盒組成。LED組件共提供紅色，綠色，藍(lán)色，白色4種高亮LED和紅色，綠色，藍(lán)色，白色4種功率LED。LED光發(fā)射器可以旋轉(zhuǎn)并由刻度盤(pán)指示旋轉(zhuǎn)角度，方便測(cè)量

16、LED輸出光空間分布特性。照度檢測(cè)由光電池將LED輸出的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，由照度表顯示。激勵(lì)電源有穩(wěn)壓與穩(wěn)流兩種輸出模式，本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容采用穩(wěn)壓模式。在穩(wěn)壓模式下，選擇036伏檔,控制器向LED輸出反向電壓。選擇04伏檔,控制器向LED輸出正向電壓。輸出調(diào)節(jié)旋紐可以調(diào)節(jié)輸出的電壓值。測(cè)試控制器提供電壓換向，過(guò)壓報(bào)警，輸入輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)接等功能。實(shí)驗(yàn)儀上有電壓，電流，照度3個(gè)表頭，是讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的窗口，每個(gè)表頭都帶有量程切換按鍵。各部分的連線儀器上都有標(biāo)示，按標(biāo)示連接即可。使用時(shí)應(yīng)注意，只有在電源輸出為0時(shí)（電源調(diào)節(jié)旋紐逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底），才可進(jìn)行：切換電源和實(shí)驗(yàn)儀的檔位、更換LED組件、開(kāi)啟、關(guān)閉

17、電源。否則易導(dǎo)致電源或儀器損壞。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與要求 1.測(cè)量伏安特性與電光轉(zhuǎn)換特性（1）測(cè)量反向特性將照度檢測(cè)探頭至LED的距離調(diào)節(jié)到20厘米。調(diào)節(jié)探頭的高度和角度，使其正對(duì)LED。輸出模式選擇穩(wěn)壓，電源輸出檔位選擇036V。此時(shí)控制器上的紅色指示燈熄滅，表明加在LED上的為反向電壓，測(cè)量反向特性。將輸出調(diào)節(jié)旋紐右旋至輸出20V，測(cè)量反向電流。逐漸減小反向電壓，觀察反向電流的變化，（2）測(cè)量正向特性反向電壓調(diào)節(jié)到0后，將電源檔位切換為04V。此時(shí)控制器上的紅色指示燈亮，表明加在LED上的為正向電壓，測(cè)量正向特性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫(huà)出4只高亮LED管的伏安特性及電光轉(zhuǎn)換特性曲線，并與圖2，圖3比較。

18、2.測(cè)量LED輸出光空間分布特性測(cè)試測(cè)量高亮LED、功率LED，驅(qū)動(dòng)電流保持在16mA。畫(huà)出高亮LED、功率LED輸出光空間分布特性曲線，并比較。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)只有在電源輸出為0時(shí)（電源調(diào)節(jié)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)到底），才可切換電源和實(shí)驗(yàn)儀的檔位，更換LED組件，開(kāi)啟、關(guān)閉電源，否則導(dǎo)致電源或儀器損壞。實(shí)驗(yàn)3 超聲多普勒效應(yīng)的研究和應(yīng)用如果波源或接收器或兩者相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，則發(fā)現(xiàn)接收器接收到的頻率和波源振動(dòng)的頻率不相同。這種接收器接收到的頻率有賴于波源或接收器運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在核物理、天文學(xué)、工程技術(shù)、交通管理、醫(yī)療診斷等方面有十分廣泛的應(yīng)用，如用于衛(wèi)星測(cè)速、光譜儀、多普勒雷達(dá)、多普勒

19、彩色超聲診斷儀等。本實(shí)驗(yàn)用超聲波來(lái)研究多普勒效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?. 驗(yàn)證超聲波的多普勒效應(yīng)；2. 利用多普勒效應(yīng)測(cè)量空氣中的聲速；3. 將超聲換能器作為速度傳感器，測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度，研究勻速直線運(yùn)動(dòng)，勻變速直線運(yùn)動(dòng)等；4. 利用超聲波測(cè)量物體的位置及移動(dòng)距離。實(shí)驗(yàn)用具：DH-DPL2型多普勒效應(yīng)及聲速綜合測(cè)試儀，智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，測(cè)試架，示波器等。實(shí)驗(yàn)原理：一聲波的多普勒效應(yīng)首先介紹波源S與接收器R的運(yùn)動(dòng)方向與波的傳播方向共線的情況。1.相對(duì)介質(zhì)波源靜止，接收器以速度運(yùn)動(dòng)若接收器向著靜止的波源運(yùn)動(dòng)，在單位時(shí)間內(nèi)接收器接收到的完整波的數(shù)目等于分布在距離內(nèi)波的數(shù)目，即接收器接收到的頻率為： 其中、

20、分別為波在介質(zhì)中傳播的速度、波長(zhǎng)及頻率。由于波源在介質(zhì)中靜止，所以波的頻率就等于波源的頻率,因此有 （1）當(dāng)接收器離開(kāi)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的頻率為： （2） 稱為多普勒頻移2.相對(duì)介質(zhì)接收器靜止，波源以速度運(yùn)動(dòng)當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所發(fā)出的相鄰的兩個(gè)同相振動(dòng)狀態(tài)是在不同地點(diǎn)發(fā)出的，相隔的距離為,為波源的周期。如果波源向著接收器運(yùn)動(dòng)，對(duì)接收器的有效波長(zhǎng)為接收器接收到的頻率為（3）如果波源遠(yuǎn)離接收器運(yùn)動(dòng)，接收器接收到的頻率為 （4） 3.相對(duì)介質(zhì)，波源和接收器分別以速度、運(yùn)動(dòng)波源的頻率為，接收器的頻率為 （5） 如果波的傳播方向、波源速度、接收器的速度三者不共線，運(yùn)動(dòng)情況如圖1所示，接收器的頻率為

21、圖1二多普勒效應(yīng)的應(yīng)用1. 用多普勒效應(yīng)測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)裝置的聲源是固定的，接收器可在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，因此本實(shí)驗(yàn)研究上述第1種情況，即相對(duì)介質(zhì)波源靜止，接收器以速度運(yùn)動(dòng)。根據(jù)（1）或（2）式，如果測(cè)得波源的頻率、接收器運(yùn)動(dòng)的速度及對(duì)應(yīng)的頻率，可以得到聲速。2.測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度時(shí)，可以把接收器作為速度傳感器與被測(cè)物連在一起，還是利用（1）或（2）式，測(cè)得波源的頻率、接收器的頻率、聲速，可得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。本實(shí)驗(yàn)裝置可以用多種方法測(cè)量聲速，共振干涉法、相位法測(cè)量原理可參考聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)，下面介紹時(shí)差法測(cè)量聲速原理。連續(xù)波經(jīng)脈沖調(diào)制后由發(fā)射換能器發(fā)射至被測(cè)介質(zhì)中，聲波在介質(zhì)中傳播，經(jīng)過(guò)t時(shí)

22、間后，到達(dá)L距離處的接收換能器。由運(yùn)動(dòng)定律可知，聲波在介質(zhì)中傳播的速度可由以下公式求出：圖2 發(fā)射波與接收波圖2 發(fā)射波與接收波通過(guò)測(cè)量二換能器發(fā)射接收平面之間距離L和時(shí)間t,就可以計(jì)算出當(dāng)前介質(zhì)下的聲波傳播速度?？衫脮r(shí)差法測(cè)量聲速的原理確定物體的位置及移動(dòng)的距離。三超聲波與壓電陶瓷換能器頻率20Hz-20kHz的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播形成聲波，高于20kHz稱為超聲波，超聲波的傳播速度就是聲波的傳播速度，而超聲波具有波長(zhǎng)短，易于定向發(fā)射等優(yōu)點(diǎn),可避免實(shí)驗(yàn)室內(nèi)各種聲音的干擾。壓電陶瓷超聲換能器是發(fā)生和接收超聲波的器件，根據(jù)它的工作方式，分為縱向（振動(dòng)）換能器、徑向（振動(dòng)）換能器及彎曲振動(dòng)換

23、能器。本實(shí)驗(yàn)裝置采用縱向換能器。圖3為縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。壓電陶瓷片是用多晶體結(jié)構(gòu)的壓電材料（如鈦酸鋇）制成，具有壓電效應(yīng)。能將正弦交流信號(hào)變成壓電材料縱向長(zhǎng)度的伸縮，使壓電陶瓷成為聲波的波源；反之，也可以使聲壓變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?，即用壓電陶瓷片作為聲頻信號(hào)的接收器。 圖3 縱向換能器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)實(shí)驗(yàn)裝置介紹實(shí)驗(yàn)裝置由綜合實(shí)驗(yàn)儀、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和測(cè)試架三個(gè)部份組成，實(shí)驗(yàn)裝置及線路連接示意圖如圖4。1. 綜合測(cè)試儀，由功率信號(hào)源、接收器、功率放大器、微處理器，液晶顯示器等組成。綜合測(cè)試儀面板如圖5。功率信號(hào)源可提供（1） 連續(xù)波，頻率范圍：20kHz50kHz，步進(jìn)值：10Hz，最大輸出電壓：

24、10Vp-p；（2） 脈沖波，脈沖波寬度：75s，周期：30ms；最大輸出電壓： 7Vp-p；綜合測(cè)試儀可完成下列測(cè)試功能：（1） 接收器通過(guò)光電門(mén)時(shí)的平均頻率及平均速度；（2） 波源發(fā)出脈沖信號(hào)到接收器接收的時(shí)間；（3） 實(shí)時(shí)跟蹤接收器接收的頻率變化，可控制采樣點(diǎn)數(shù)和采樣步距；（4） 數(shù)據(jù)存貯和查詢功能。14136測(cè)試架151617111098453127211.發(fā)射換能器，2.接收換能器，3、5.限位保護(hù)座，4.測(cè)速光電門(mén)，6.接收線支撐桿，7.小車，8.測(cè)速擋光片和行程撞塊，9.步進(jìn)電機(jī)，10.滾花帽，11.運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，12.底座，13.光電門(mén)I，14.光電門(mén)II ，15.限位，16.電機(jī)

25、控制 ，17.光電門(mén)I插座同步電機(jī)。圖4 實(shí)驗(yàn)裝置及線路連接示意圖圖5. 綜合測(cè)試儀面板2.智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)控制模塊，單片機(jī)系統(tǒng)組成，面板如圖6所示。智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制小車的啟、停及小車作勻速運(yùn)動(dòng)的速度。此外，內(nèi)建了七種變速運(yùn)動(dòng)模式：從零加速，后減速到零；再反向從零加速，后減速到零不停循環(huán)。為了防止小車運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生意外，設(shè)計(jì)有小車限位功能，該功能由光電門(mén)限位和行程開(kāi)關(guān)控制組成。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌兩側(cè)的限位光電門(mén)處時(shí)，根據(jù)不同的運(yùn)行方式，小車會(huì)自行停止運(yùn)行或反向運(yùn)行；當(dāng)因誤操作致使小車越過(guò)限位光電門(mén)后，會(huì)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)復(fù)位停車，這時(shí)可以關(guān)閉控制系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)，手動(dòng)把小車移動(dòng)

26、到兩限位光電門(mén)之內(nèi)后，重新啟動(dòng)電源。注意：為了保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)確性，開(kāi)啟電源時(shí)必須確保小車起始位置在兩限位光電門(mén)之間。圖6智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)3.測(cè)試架由底座、超聲發(fā)射換能器、導(dǎo)軌、載有超聲接收器的小車、步進(jìn)電機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、光電門(mén)等組成。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟1.調(diào)整實(shí)驗(yàn)裝置（1）按圖4接線。把測(cè)試架上收發(fā)換能器(固定的換能器為發(fā)射，運(yùn)動(dòng)的換能器為接收)及光電門(mén)I連在綜合測(cè)試儀上的相應(yīng)插座上, 測(cè)試儀上的“發(fā)射波形”及“接收波形”與示波器相接,將“發(fā)射強(qiáng)度”及“接收增益”調(diào)到最大；將測(cè)試架上的光電門(mén)II、限位及電機(jī)控制接口與智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)相應(yīng)接口相連；將智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)“電源輸入”接綜合測(cè)試儀的

27、“電源輸出”。（2）把載有接收換能器的小車移動(dòng)到導(dǎo)軌最右端（移動(dòng)時(shí)可以關(guān)閉智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電源或在通電時(shí)保證移動(dòng)區(qū)域在兩限位光電門(mén)之間，智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的使用請(qǐng)參看附錄儀器使用說(shuō)明）（3）進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”子菜單，切換到“設(shè)置源頻率”后，按“”“”鍵增減信號(hào)頻率，一次變化10Hz；用示波器觀察接收換能器波形的幅度是否達(dá)到最大值，該值對(duì)應(yīng)的超聲波頻率即為換能器的諧振頻率。（4）諧振頻率調(diào)好后，“動(dòng)態(tài)測(cè)量”，我們可以看到畫(huà)面中換能器的接收頻率（測(cè)量頻率）和發(fā)射源頻率是相等的，而且改變接收換能器的位置，該測(cè)量頻率和發(fā)射頻率始終是相等的，證明調(diào)諧成功。2.驗(yàn)證多普勒效應(yīng)（1）按照上述實(shí)驗(yàn)步驟1的內(nèi)

28、容，設(shè)置好波源頻率。（2）轉(zhuǎn)入“瞬時(shí)測(cè)量”，確保小車在兩限位光電門(mén)之間，開(kāi)啟智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電源，設(shè)置小車運(yùn)動(dòng)的速度，使小車正或反通過(guò)中間測(cè)速光電門(mén)。每次測(cè)量完畢后記下接收器頻率、波源頻率、及其差值f正和f反，智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)給出的小車速度。改變小車的運(yùn)動(dòng)速度，反復(fù)多次測(cè)量，作出關(guān)系曲線，并比較實(shí)驗(yàn)得到的斜率與理論值的關(guān)系。聲速理論值： 其中t為室溫，單位為。也可以用“動(dòng)態(tài)測(cè)量”，注意：動(dòng)態(tài)測(cè)量?jī)H限于小車運(yùn)動(dòng)速度較低時(shí)。動(dòng)態(tài)法可更直觀的驗(yàn)證多普勒效應(yīng)。3. 用多普勒效應(yīng)測(cè)聲速測(cè)量步驟和2相同，可轉(zhuǎn)入“動(dòng)態(tài)測(cè)量”或“瞬時(shí)測(cè)量”，小車運(yùn)動(dòng)速度由智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)確定，波源頻率和接收器頻率由綜合測(cè)試儀

29、確定,因而可由（1）或（2）式求出聲速。進(jìn)行多次測(cè)量后，求出聲速的平均值。波源頻率和接收器頻率，也可以用示波器測(cè)量。3.用時(shí)差法測(cè)空氣中的聲速綜合測(cè)試儀進(jìn)入“時(shí)差法測(cè)聲速”畫(huà)面，這時(shí)超聲發(fā)射換能器發(fā)出75s寬（填充3個(gè)脈沖），周期為30ms的脈沖波?？稍谥鄙涫胶头瓷涫絻煞N方式下進(jìn)行。（1）在直射方式下，接收換能器接收直達(dá)波，這時(shí)綜合測(cè)試儀顯示聲波從發(fā)射換能器到接收換能器傳播的時(shí)間t值：t1；用步進(jìn)電機(jī)或用手移動(dòng)小車（注意：手動(dòng)移動(dòng)小車時(shí)候，最好通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)上的滾花帽使小車緩慢移動(dòng)，以減小試驗(yàn)誤差）再得到一個(gè)t值：t2，從而算出聲速值,，其中x為小車移動(dòng)的距離（可以直接從標(biāo)尺上讀出或參考控制

30、器中顯示的距離）?？捎脭?shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量t，把發(fā)射、接收換能器的信號(hào)輸入到示波器的兩個(gè)通道中，發(fā)射信號(hào)到接收信號(hào)的第一個(gè)波峰之間的距離即為t，如圖2所示。（3）在反射方式下，接收換能器接收由反射面反射的反射波。反射法測(cè)聲速時(shí)，反射屏要遠(yuǎn)離兩換能器，調(diào)整兩換能器之間的距離、兩換能器與反射屏之間的夾角以及垂直距離，如圖7所示。使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器（雙蹤、由脈沖波觸發(fā)）接收到穩(wěn)定波形，用示波器觀察波形，調(diào)節(jié)示波器使接收器波形的某一波頭的波峰處在一個(gè)容易辨識(shí)的時(shí)間軸位置上，然后向前或向后移動(dòng)反射屏位置，使移動(dòng)，記下此時(shí)示波器中上述波頭在時(shí)間軸上移動(dòng)的時(shí)間，可得到聲速。還可以用駐波法和相位法測(cè)量聲速（測(cè)量

31、方法參見(jiàn)聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)）。用多種方法測(cè)得的聲速與理論值比較，分析各種測(cè)量方法的特點(diǎn)、測(cè)量誤差產(chǎn)生的原因。4.研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)將超聲換能器用作速度傳感器，可進(jìn)行勻速直線運(yùn)動(dòng)，勻加（減）直線運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)諧振動(dòng)等實(shí)驗(yàn)。這時(shí)綜合測(cè)試儀應(yīng)進(jìn)入“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”，設(shè)置好采樣點(diǎn)數(shù)，采樣步距后,“開(kāi)始測(cè)量”，測(cè)量完后顯示出結(jié)果。進(jìn)行運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，除了用智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)控制的小車外，還可換用手動(dòng)小車，這時(shí)注意應(yīng)該推動(dòng)小車系統(tǒng)的底部使小車運(yùn)動(dòng)，并且不能用力過(guò)大、過(guò)猛。5.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的未知速度。根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容2結(jié)果，結(jié)合智能運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一個(gè)用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的未知速度的實(shí)驗(yàn)方案，包括原理、步

32、驟和結(jié)果等。6.設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)：利用超聲波測(cè)量物體的位置及移動(dòng)距離。請(qǐng)實(shí)驗(yàn)者根據(jù)前面實(shí)驗(yàn)內(nèi)容3中關(guān)于時(shí)差法測(cè)聲速的原理，結(jié)合智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)及導(dǎo)軌標(biāo)尺，設(shè)計(jì)一個(gè)用超聲波測(cè)量物體的位置及移動(dòng)距離的實(shí)驗(yàn)方案，包括原理、步驟、系統(tǒng)誤差的處理和結(jié)果等。儀器使用注意事項(xiàng)1使用時(shí)，應(yīng)避免信號(hào)源的功率輸出端短路。2注意儀器部件的正確安裝、線路正確連接。3儀器的運(yùn)動(dòng)部分是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的精密系統(tǒng)，嚴(yán)禁運(yùn)行過(guò)程中人為阻礙小車的運(yùn)動(dòng)。4注意避免傳動(dòng)系統(tǒng)的同步帶受外力拉伸或人為損壞。5小車不允許在導(dǎo)軌兩側(cè)的限位位置外側(cè)運(yùn)行。附錄：儀器使用說(shuō)明1、綜合測(cè)試儀主畫(huà)面開(kāi)機(jī)時(shí)或按復(fù)位鍵時(shí)顯示：“歡迎使用多普勒效應(yīng)及聲速綜合實(shí)驗(yàn)

33、儀”。按“確認(rèn)”鍵（即中心鍵）后顯示主菜單：“時(shí)差法測(cè)聲速”“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”“數(shù)據(jù)查詢”按“”“”鍵選擇不同的任務(wù)，按“確認(rèn)”鍵進(jìn)入以下各任務(wù)：“時(shí)差法測(cè)聲速”：“時(shí)間差t: xxxs”“返回”，按 “確認(rèn)”鍵返回主菜單；“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”：“設(shè)置源頻率”：“”“”增減信號(hào)頻率，一次變化10Hz；“瞬時(shí)測(cè)量”：測(cè)過(guò)光電門(mén)時(shí)的平均頻率及平均速度；“動(dòng)態(tài)測(cè)量”：不用光電門(mén)測(cè)得的動(dòng)態(tài)頻率（頻率計(jì)）；“返回”，按 “確認(rèn)”鍵返回主菜單；“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”： “采樣點(diǎn)數(shù)”160，用“”“”增減，一次變化1； “采樣步距”65ms，用“”“”增減，一次變化1ms；“開(kāi)始測(cè)量”：進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)

34、，測(cè)量完后顯示結(jié)果“f-t”、“數(shù)據(jù)”、“存儲(chǔ)”、“返回”；按“”“”鍵進(jìn)入相關(guān)功能；若要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，先選擇該功能，按下“確認(rèn)”后將顯示“存儲(chǔ)組別：x”，用“”“”增減改變組別x，然后按下“確認(rèn)”后將顯示“已存儲(chǔ)到組x”，并自動(dòng)回到原操作界面；“返回” “數(shù)據(jù)查詢”： “變速運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)組別：x”用“”“”鍵增減改變要查詢的組別x，按下“確認(rèn)”后顯示相關(guān)信息“f-t”、“數(shù)據(jù)”、“存儲(chǔ)”、“返回”，按“”“”鍵切換到相關(guān)功能；2、智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)用于控制小車的啟、停及小車作勻速運(yùn)動(dòng)的速度。此外，內(nèi)建了七種變速運(yùn)動(dòng)模式：從零加速，后減速到零；再反向從零加速，后減速到零不停循環(huán)。為了防止小車運(yùn)動(dòng)時(shí)

35、發(fā)生意外，設(shè)計(jì)有小車限位功能，該功能由光電門(mén)限位和行程開(kāi)關(guān)控制組成。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)到導(dǎo)軌兩側(cè)的限位光電門(mén)處時(shí)，根據(jù)不同的運(yùn)行方式，小車會(huì)自行停止運(yùn)行或反向運(yùn)行；當(dāng)因誤操作致使小車越限光電門(mén)后，會(huì)觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，使系統(tǒng)復(fù)位停車，這時(shí)可以關(guān)閉控制系統(tǒng)電源開(kāi)關(guān)，手動(dòng)把小車移動(dòng)到兩限位光電門(mén)之內(nèi)后，重新啟動(dòng)電源。注意：為了保證電機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的準(zhǔn)確性，開(kāi)啟電源時(shí)必須確保小車起始位置在兩限位光電門(mén)之間。（1）在勻速運(yùn)動(dòng)模式下，即顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s（“-”表示方向?yàn)樨?fù)），單擊鍵，進(jìn)入速度設(shè)定模式，顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s，并且高位“0”處于閃爍狀態(tài)；這時(shí)再按鍵（

36、速度增加）或鍵（速度減?。﹣?lái)對(duì)速度的大小進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定好后再單擊鍵進(jìn)行確定即可。速度顯示誤差為：±0.002m/s。此速度可以當(dāng)成已經(jīng)確定的物理量，也可以用外部測(cè)速裝置來(lái)測(cè)量。（2）單擊啟動(dòng)/停止控制鍵，將使電機(jī)加速啟動(dòng)到設(shè)定速度或從設(shè)定速度減速到停止運(yùn)行（為了防止步進(jìn)電機(jī)的失步和過(guò)沖現(xiàn)象，需加速啟動(dòng)和減速停止）。此鍵在小車運(yùn)行時(shí)才有效。（3）在電機(jī)停止時(shí)單擊正/反轉(zhuǎn)控制鍵，速度顯示方向改變，電機(jī)下次的運(yùn)行方向?qū)?huì)改變。需要注意的是，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行到導(dǎo)軌兩側(cè)的限定位置而停止時(shí)，只有按此鍵改變電機(jī)運(yùn)行方向才可反向運(yùn)行。（4）在速度設(shè)定完畢，即顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s

37、時(shí)，單擊上鍵將顯示上次電機(jī)運(yùn)行的距離D，顯示為XXX.XXmm用于時(shí)差法測(cè)聲速，再次單擊此鍵將停止查看，恢復(fù)原來(lái)速度顯示數(shù)。在查看的過(guò)程中，其它鍵盤(pán)將失效。（5）在速度設(shè)定完畢，單擊下鍵將進(jìn)入最小步進(jìn)距離L設(shè)定,顯示L0.XXX mm，并且最低位開(kāi)始閃爍；此時(shí)按加鍵（加1）或減鍵（減1）來(lái)對(duì)該位的大小進(jìn)行設(shè)定；再次單擊下鍵，向左移位閃爍，再按加鍵（加1）或減鍵（減1）來(lái)對(duì)該閃爍位的大小進(jìn)行設(shè)定依次對(duì)各位進(jìn)行設(shè)定，繼續(xù)單擊下鍵，直到自動(dòng)顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時(shí)，表示設(shè)定完畢。最大步進(jìn)距離可設(shè)定到0.300mm，最小為0.050mm，初始設(shè)定值為0.102mm，具體設(shè)定方

38、法見(jiàn)速度設(shè)定說(shuō)明。（6）在速度設(shè)定完畢后，按下鍵不放，直到數(shù)碼管顯示ACCX或-ACCX時(shí)再釋放，即可進(jìn)入變速運(yùn)動(dòng)模式；再次按鍵不放直到顯示速度V為0.XXXm/s或-0.XXXm/s時(shí)將返回原來(lái)勻速運(yùn)動(dòng)模式。（7）在變速運(yùn)動(dòng)模式下，當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，單擊下鍵將改變速度曲線，總共有7條先加速再減速曲線（速度都是從0.000m/s加速到系統(tǒng)速度所能設(shè)定的最大值（0.475m/s）然后再減速停止），顯示ACCX或-ACCX，X為17。（8）速度曲線選擇好后，單擊啟動(dòng)/停止控制鍵將啟動(dòng)變速運(yùn)行曲線，運(yùn)行的過(guò)程中將顯示瞬時(shí)速度0.XXXm/s或-0.XXXm/s，反映瞬時(shí)速度的大小和方向變化。運(yùn)動(dòng)

39、過(guò)程中再次單擊啟動(dòng)/停止控制鍵將停止運(yùn)行變速曲線，顯示ACCX或-ACCX，X為17。（9）在變速運(yùn)動(dòng)模式下，當(dāng)電機(jī)不運(yùn)行時(shí)，單擊正/反轉(zhuǎn)控制鍵，變速運(yùn)動(dòng)速度顯示方向改變，電機(jī)下次的運(yùn)行方向?qū)?huì)改變。（10）當(dāng)變速運(yùn)動(dòng)停止時(shí)顯示ACCX或-ACCX，單擊鍵將顯示上次變速運(yùn)行的距離D，當(dāng)0mm<D<1000mm時(shí)顯示XXX.XX mm；當(dāng)1000mm<D<10000mm時(shí)顯示XXXX.X mm；10000mm<D<100000mm時(shí)顯示XXXXX mm。3、速度設(shè)定說(shuō)明：（1）啟動(dòng)電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，要先將固定接收換能器的小車置于導(dǎo)軌中間，即兩個(gè)限位光電門(mén)之間的位

40、置，然后按一下控制器后面的復(fù)位鍵即可做實(shí)驗(yàn)，若運(yùn)動(dòng)模式切換，需再重復(fù)上面操作，確保初始運(yùn)動(dòng)狀態(tài)正確。在勻速運(yùn)動(dòng)模式下，限位停車后，要按鍵改變電機(jī)運(yùn)行方向后方可再按鍵啟動(dòng)運(yùn)行；在變速運(yùn)動(dòng)模式下，到限位位置后，電機(jī)運(yùn)行方向?qū)⒆詣?dòng)改變且繼續(xù)運(yùn)行，按啟動(dòng)/停止鍵才可停止運(yùn)行。（2）7條加速曲線都是先從0加速到最大速度V，然后再減速到0；然后反向再?gòu)?加速到最大速度V，再減速到0變速運(yùn)行的距離可以查看。（3）通過(guò)外部測(cè)距來(lái)校對(duì)設(shè)定電機(jī)最小步進(jìn)距離L。先設(shè)定一個(gè)速度，使電機(jī)勻速運(yùn)行，運(yùn)行一段距離后停車，記下控制器中顯示的運(yùn)行距離D和小車實(shí)際運(yùn)行的距離S（從標(biāo)尺上讀出）。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行的步數(shù)一定，設(shè)原最小

41、步進(jìn)為L(zhǎng),需設(shè)定的最小步進(jìn)為L(zhǎng)S，則有D/L=S/LS。把計(jì)算出的LS值設(shè)入系統(tǒng)，那么下次運(yùn)行距離顯示值即為實(shí)際測(cè)量值。本系統(tǒng)已預(yù)置一個(gè)參考值L=0.102mm，可以通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)設(shè)定該值。實(shí)驗(yàn)4 熱輻射與紅外掃描成像實(shí)驗(yàn)熱輻射是19世紀(jì)發(fā)展起來(lái)的新學(xué)科，至19世紀(jì)末該領(lǐng)域的研究達(dá)到頂峰,黑體輻射實(shí)驗(yàn)是量子論得以建立的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)之一。物體由于具有溫度而向外輻射電磁波的現(xiàn)象成為熱輻射，熱輻射的光譜是連續(xù)譜，波長(zhǎng)覆蓋范圍理論上可從0到，而一般的熱輻射主要靠波長(zhǎng)較長(zhǎng)的可見(jiàn)光和紅外線。物體在向外輻射的同時(shí)，還將吸收從其他物體輻射的能量，且物體輻射或吸收的能量與它的溫度、表面積、黑度等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?

42、.研究物體的輻射面、輻射體溫度對(duì)物體輻射能力大小的影響，并分析原因;2.測(cè)量改變測(cè)試點(diǎn)與輻射體距離時(shí)，物體輻射強(qiáng)度P和距離S以及距離的平方S2的關(guān)系，并描繪P-S2曲線;3.依據(jù)維恩位移定律，測(cè)繪物體輻射能量與波長(zhǎng)的關(guān)系圖;4.測(cè)量不同物體的防輻射能力;5.了解紅外成像原理，根據(jù)熱輻射原理測(cè)量發(fā)熱物體的形貌。實(shí)驗(yàn)儀器用具DHRH-1測(cè)試儀、黑體輻射測(cè)試架、紅外成像測(cè)試架、紅外熱輻射傳感器、半自動(dòng)掃描平臺(tái)、光學(xué)導(dǎo)軌（60cm）、計(jì)算機(jī)軟件以及專用連接線等。實(shí)驗(yàn)原理為定量地表明物體熱輻射的規(guī)律，引入了光譜輻射出射度（頻率為的光譜輻射出射度是指單位時(shí)間內(nèi)從物體單位表面積發(fā)出的頻率在附近單位頻率區(qū)間的

43、電磁波能量,SI單位為）、光譜吸收比（在溫度為T(mén)時(shí)，物體表面吸收的頻率在到+d區(qū)間的輻射能量占全部入射的該區(qū)間的輻射能量的份額，稱作物體的光譜吸收比）和黑體（能完全吸收照射到它上面的各種頻率的光的物體稱作黑體）概念，實(shí)驗(yàn)表明，輻射能力越強(qiáng)的物體，其吸收能力也越強(qiáng)。理論上可以證明，盡管各種材料的和可以有很大的不同，但在同一溫度下二者的比卻與材料種類無(wú)關(guān)，而是一個(gè)定值。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為： （1）式中是一個(gè)與物質(zhì)無(wú)關(guān)的普適函數(shù)。對(duì)于黑體，它的光譜輻射出射度應(yīng)是各種材料中最大的，而且只與頻率和溫度有關(guān)。如果在腔壁上開(kāi)一個(gè)小洞（圖1），則射入小洞的光就很難有機(jī)會(huì)再?gòu)男《粗谐鰜?lái)。這樣一個(gè)小洞實(shí)際上就能完全吸

44、收各種波長(zhǎng)的入射電磁波而成了黑體。黑體輻射公式，即普朗克公式 （2）式中為能量子，為普朗克常量，。從普朗克公式可以導(dǎo)出兩個(gè)定律：一個(gè)是黑體的全部輻射出射度公式，即斯特藩-玻耳茲曼定律 （3）式中為斯特藩-玻耳茲曼常量，圖2輻射能量與波長(zhǎng)的關(guān)系另一個(gè)是維恩位移律，它說(shuō)明，在溫度為的黑體輻射中，光譜輻射出射度最大的電磁波的頻率或波長(zhǎng)由下式?jīng)Q定： 或 （4）式中、為常量，其值為，圖2顯示了黑體不同色溫的輻射能量隨波長(zhǎng)的變化曲線，峰值波長(zhǎng)與它的絕對(duì)溫度T成反比。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟一物體溫度以及物體表面對(duì)物體輻射能力的影響1將黑體熱輻射測(cè)試架、紅外傳感器安裝在光學(xué)導(dǎo)軌上，調(diào)整紅外熱輻射傳感器的高度，使其

45、正對(duì)模擬黑體（輻射體）中心，然后再調(diào)整黑體輻射測(cè)試架和紅外熱輻射傳感器的距離為一較合適的距離并通過(guò)光具座上的緊固螺絲鎖緊。2將黑體熱輻射測(cè)試架上的加熱電流輸入端口和控溫傳感器端口分別通過(guò)專用連接線和DHRH-1測(cè)試儀面板上的相應(yīng)端口相連；用專用連接線將紅外傳感器和DHRH-I面板上的專用接口相連；檢查連線是否無(wú)誤，確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)通電源，對(duì)輻射體進(jìn)行加熱，見(jiàn)圖3所示。圖33測(cè)量不同溫度時(shí)的黑體輻射強(qiáng)度，繪制溫度-輻射強(qiáng)度曲線圖。要求：（1）保持黑體輻射測(cè)試架離紅外熱輻射傳感器距離1cm左右；（2）把溫度控制器溫度設(shè)定在80給黑體加熱，用萬(wàn)用表或者數(shù)據(jù)采集分別測(cè)量四種黑體輻射面（黑面、粗糙面、光面

46、1、光面2（帶孔）輻射強(qiáng)度大?。妷簃V）隨黑體溫度變化之間的關(guān)系，采用動(dòng)態(tài)法測(cè)量；（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)，保證熱輻射傳感器與待測(cè)輻射面距離相同，便于分析和比較；（4）根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)分析物體溫度以及物體表面對(duì)物體輻射能力的影響；（5）光面2上有通光孔，比較光面1與光面2的測(cè)量數(shù)據(jù)分析光照對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。 4.黑體溫度與輻射強(qiáng)度微機(jī)測(cè)量：用計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)采集黑體溫度與輻射強(qiáng)度之間的關(guān)系時(shí)，先按照步驟2連好線，然后把黑體熱輻射測(cè)試架上的測(cè)溫傳感器PT100II連至測(cè)試儀面板上的“PT100傳感器II”，用USB電纜連接電腦與測(cè)試儀面板上的USB接口，見(jiàn)圖4所示。具體實(shí)驗(yàn)界面的操作以及實(shí)驗(yàn)案例詳見(jiàn)安裝軟件上的幫助文檔

47、。圖4一 探究黑體輻射和距離的關(guān)系1.按照實(shí)驗(yàn)一的步驟2把線連接好，連線圖同圖3。2.將黑體熱輻射測(cè)試架緊固在光學(xué)導(dǎo)軌左端某處，紅外傳感器探頭緊貼對(duì)準(zhǔn)輻射體中心，稍微調(diào)整輻射體和紅外傳感器的位置，直至紅外輻射傳感器底座上的刻線對(duì)準(zhǔn)光學(xué)導(dǎo)軌標(biāo)尺上的一整刻度，并以此刻度為兩者之間距離零點(diǎn)。3.將紅外傳感器移至導(dǎo)軌另一端，并將輻射體的黑面轉(zhuǎn)動(dòng)到正對(duì)紅外傳感器。4.將控溫表頭設(shè)置在80，待溫度控制穩(wěn)定后，移動(dòng)紅外傳感器的位置，每移動(dòng)一定的距離后，記錄測(cè)得的輻射強(qiáng)度，繪制輻射強(qiáng)度-距離圖以及輻射強(qiáng)度-距離的平方圖,即P-S和P-S2圖。5分析繪制的圖形，你能從中得出什么結(jié)論，黑體輻射是否具有類似光強(qiáng)和距

48、離的平方成反比的規(guī)律？注意：實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輻射體溫度較高，禁止觸摸，以免燙傷。三依據(jù)維恩位移定律，測(cè)繪物體輻射強(qiáng)度P與波長(zhǎng)的關(guān)系圖1.按實(shí)驗(yàn)一，測(cè)量不同溫度時(shí)，輻射體輻射強(qiáng)度和輻射體溫度的關(guān)系并記錄。2.根據(jù)公式（3），求出不同溫度時(shí)的。3.根據(jù)不同溫度下的輻射強(qiáng)度和對(duì)應(yīng)的，描繪P-曲線圖。4.分析所描繪圖形，并說(shuō)明原因。四測(cè)量不同物體的防輻射能力1分別測(cè)量在輻射體和紅外輻射傳感器之間放入物體板之前和之后，輻射強(qiáng)度的變化。2. 放入不同的物體板時(shí)，輻射體的輻射強(qiáng)度有何變化，分析原因，你能得出哪重物質(zhì)的防輻射能力較好，從中你可以得到什么啟發(fā)。五.紅外成像實(shí)驗(yàn)（使用計(jì)算機(jī)）1將紅外成像測(cè)試架放置在導(dǎo)

49、軌左邊，半自動(dòng)掃描平臺(tái)放置在導(dǎo)軌右邊，將紅外成像測(cè)試架上的加熱輸入端口和傳感器端口分別通過(guò)專用連線同測(cè)試儀面板上的相應(yīng)端口相連；將紅外傳感器安裝在半自動(dòng)掃描平臺(tái)上，并用專用連接線將紅外輻射傳感器和面板上的輸入接口相連，用USB連接線將測(cè)試儀與電腦連接起來(lái)，如圖4所示。2將一紅外成像體放置在紅外成像測(cè)試架上，設(shè)定溫度控制器控溫溫度為60或70度等，檢查連線是否無(wú)誤；確認(rèn)無(wú)誤后，開(kāi)通電源，對(duì)紅外成像體進(jìn)行加熱。3溫度控制穩(wěn)定后，將紅外成像測(cè)試架向半自動(dòng)掃描平臺(tái)移近，使成像物體盡可能接近熱輻射傳感器（不能緊貼，防止高溫燙壞傳感器測(cè)試面板）。4啟動(dòng)掃描電機(jī)，開(kāi)啟采集器，采集成像物體橫向輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；手

50、動(dòng)調(diào)節(jié)紅外成像測(cè)試架的縱向位置（每次向上移動(dòng)相同坐標(biāo)距離，調(diào)節(jié)桿上有刻度），再次開(kāi)啟電機(jī)，采集成像物體橫向輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)；電腦上將會(huì)顯示全部的采集數(shù)據(jù)點(diǎn)以及成像圖，軟件具體操作詳見(jiàn)軟件界面上的幫助文檔。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)輻射體溫度很高時(shí)，禁止觸摸輻射體，以免燙傷。2.測(cè)量不同輻射表面對(duì)輻射強(qiáng)度影響時(shí)，輻射溫度不要設(shè)置太高，轉(zhuǎn)動(dòng)輻射體時(shí)，應(yīng)帶手套。3.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，計(jì)算機(jī)在采集數(shù)據(jù)時(shí)不要觸摸測(cè)試架，以免造成對(duì)傳感器的干擾。4.輻射體的光面1光潔度較高，應(yīng)避免受損。實(shí)驗(yàn)5 多方案測(cè)量食鹽密度一實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x： 在日常生活中，食鹽是我們必備的生活用品。學(xué)習(xí)研究，利用學(xué)過(guò)的方法實(shí)現(xiàn)用多種方式測(cè)

51、量食鹽密度，并通過(guò)此實(shí)驗(yàn)加深對(duì)知識(shí)的應(yīng)用程度。二參考資料：1基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)。2化學(xué)實(shí)驗(yàn)用書(shū)。三實(shí)驗(yàn)前應(yīng)思考的問(wèn)題：1.利用學(xué)過(guò)的知識(shí)可以找到幾種測(cè)量食鹽密度的方法？2.如何確定食鹽的密度，需要給定哪些已知量？ 3.實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中應(yīng)該注意哪些問(wèn)題？四實(shí)驗(yàn)室可提供的主要器材： 食鹽，比重瓶，水，電子天平，游標(biāo)卡尺，螺旋測(cè)微器，燒杯，溫度計(jì)等。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用飽和溶液比重瓶法測(cè)量出食鹽密度。2.設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)（至少兩個(gè)），利用所學(xué)過(guò)的知識(shí)測(cè)量出食鹽密度。 3.比較用過(guò)的實(shí)驗(yàn)方法，選取最佳的實(shí)驗(yàn)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。六實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1闡明實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x。2簡(jiǎn)要介紹本實(shí)驗(yàn)涉及基本原理。3寫(xiě)出設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)

52、計(jì)思路、設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。4記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決方法。 5談?wù)劚緦?shí)驗(yàn)的收獲和改進(jìn)意見(jiàn)。實(shí)驗(yàn)6 多種方法測(cè)量液體表面張力系數(shù)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x1了解多種測(cè)量液體表面張力系數(shù)的原理、方法；2分別用毛細(xì)管法（或自擬一種方法）和拉脫法測(cè)量液體的表面張力系數(shù)，研究液體表面張力系數(shù)與溫度、濃度的關(guān)系。二實(shí)驗(yàn)涉及的一些問(wèn)題1.怎樣準(zhǔn)確測(cè)量毛細(xì)管內(nèi)徑？2.毛細(xì)管法測(cè)量液體表面張力系數(shù)中，液柱高度與哪些量有關(guān)？是否需考慮接觸角的影響？怎樣測(cè)量接觸角？3.兩種方法測(cè)量液體表面張力系數(shù)的系統(tǒng)誤差來(lái)源主要有哪些？如何盡量減小這些誤差？三實(shí)驗(yàn)室可提供的主要器材:讀數(shù)顯微鏡、毛細(xì)管、溫度計(jì)、支架、液體表面張力系

53、數(shù)測(cè)定儀、鑷子、砝碼。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1. 用不同毛細(xì)管測(cè)量室溫下水的表面張力系數(shù)，分析接觸角對(duì)測(cè)量的影響。2用毛細(xì)管法測(cè)量不同濃度食鹽水的表面張力系數(shù)，作圖，用最小二乘法計(jì)算擬合公式，分析結(jié)果。3. 用拉脫法法測(cè)量不同溫度下水的表面張力系數(shù)，作圖，用最小二乘法計(jì)算擬合公式，分析結(jié)果。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：1.簡(jiǎn)述測(cè)量液體表面張力系數(shù)的各種方法。2.闡明毛細(xì)管法和拉脫法測(cè)量表面張力系數(shù)實(shí)驗(yàn)的原理、方法。3.擬出實(shí)驗(yàn)步驟。4.記錄實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行分析討論；5.記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)結(jié)果分析討論；參考資料1.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)2.夏思淝等.用力敏傳感器測(cè)液體表面張力系數(shù)的誤差分析. 物理實(shí)驗(yàn).第23卷第7期.2002.7：39433.儀器說(shuō)明書(shū)。實(shí)驗(yàn)7 用Multisim軟件仿真電路一實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙饬x：Multisim 是加拿大一家公司推出的一種電子線路仿真軟件，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)模擬、數(shù)字和模擬數(shù)字混合電路進(jìn)行仿真。Multisim可以用虛擬的元件搭建各種電路，用虛擬的儀器進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)和性能指標(biāo)測(cè)試，為電子產(chǎn)品的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)研制提供了更快捷、更便利的條件，為此在工程設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用。二參考資料1Multisim 仿真軟件在電子電路分析中的應(yīng)用，科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)2009 年第19 卷第6 期，王立