大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義

1、物理實(shí)驗(yàn)講義 實(shí)驗(yàn)一用天平測量質(zhì)量1.橫梁 2.刀口 3.支柱 4.刀墊 5.游碼 6.游碼標(biāo)尺 7.指針 8.指針標(biāo)尺 9.平衡螺絲 10.水平儀 11.底盤 12.調(diào)節(jié)螺絲 13.秤盤 14.掛鉤 15托架 16.重心螺絲 17.止動旋鈕 實(shí)圖2-2本實(shí)驗(yàn)介紹測量固體和液體密度的兩種方法，流體靜力稱衡法和比重瓶法，通過實(shí)驗(yàn)除了要掌握這兩種方法外，還要熟練地掌握物理天平的調(diào)整和使用方法。實(shí)驗(yàn)儀器物理天平(附砝碼)、燒杯、溫度計(jì)、酒精、蒸餾水、待測物。儀器介紹物理天平的構(gòu)造如實(shí)圖2-2所示，在橫梁的中央和兩端各有一個刀口(圖中2)，中間的刀口安放在支柱頂端的刀墊上，刀墊用瑪瑙或硬質(zhì)合金鋼制造，

2、兩端的刀口用于懸掛稱盤，橫梁上裝有可以移動的游碼(圖中5)，用于稱量1克以下的質(zhì)量，(游碼從橫梁的左端移到右端相當(dāng)于在右盤中加了1克的砝碼)，橫梁等分為10大格，每大格又分為5小格，因此，游碼每移動一小格相當(dāng)于在右盤中加20毫克的砝碼，即這種天平的分度值為20毫克。常見物理于平的最大稱量為0.5千克(即500克)。橫梁中部還裝有豎直向下的指針(圖中7) ，與支柱上的指針標(biāo)尺(圖中8)相對應(yīng)，用以指示天平的平穩(wěn)位置及靈敏度，指針的中間有一重心螺絲，它的位置在出廠時已經(jīng)調(diào)整好了，不得任意去旋動它；橫梁兩側(cè)還有用來調(diào)整零點(diǎn)的螺桿、螺母(圖中9)，支柱后面裝有水平儀，可通過調(diào)節(jié)底座上的調(diào)節(jié)螺絲(圖中1

3、2)來調(diào)節(jié)天平底板水平、支柱鉛直，天平的底座上，在左側(cè)稱盤的上方還有一個可以放置物品的托架(圖中15)。標(biāo)志天平規(guī)格性能的除了“最大稱量”以外，還有游標(biāo)的分度值以及“感量”或“靈敏度”?！案辛俊笔侵?，使指針在指針標(biāo)尺上偏轉(zhuǎn)一格時在稱盤中所加的質(zhì)量值，感量的倒數(shù)叫“靈敏度”，即稱盤中每加1克(或0.1克)時，指針的偏轉(zhuǎn)格數(shù)，利用靈敏度可以很快判斷需要把游碼移動幾格就能使天平達(dá)到平衡，從而提高測量的效率。物理天平的操作步驟如下：1、調(diào)節(jié)底座螺絲，直到水平儀中的氣泡位于水平儀中間，則說明天平座位水平了、支柱鉛直和刀墊水平了。2、調(diào)節(jié)零點(diǎn)，把稱盤掛在橫梁兩側(cè)的刀口上，并把游碼放在零位，然后將止動旋鈕(

4、圖中16)順時針方向旋轉(zhuǎn)支起橫梁，用水平調(diào)節(jié)螺絲調(diào)好天平的平衡，調(diào)整后即把止動旋鈕逆時針轉(zhuǎn)動復(fù)位，放下橫梁。3、稱衡時，物體放在左盤，砝碼放在右盤，進(jìn)行稱衡，注意，砝碼應(yīng)用鑷子取放，不準(zhǔn)用手拿取砝碼！每次增加或減少砝碼，均需先放下橫梁，要判斷天平是否平衡的時候，才支起橫梁稱衡，平時的大部分時間都要放下橫梁！緊記！以保護(hù)好天平刀口不受磨損，保證天平有足夠的靈敏度。4、完成全部稱衡后，用止動旋鈕放下橫梁，并把稱盤摘離刀口，游碼復(fù)零，砝碼歸盒蓋好。實(shí)驗(yàn)原理設(shè)物體的質(zhì)量為m，體積為V，則其密度為=m/V (2-1)水吊絲天平被測物圖2-1從上式看出，要測量物體的密度，就要稱出其質(zhì)量和確定其體積。物體的

5、質(zhì)量可用天平稱衡，而對外形不規(guī)則的固體，其體積難以確定。下面介紹兩種可以在不需要確定體積的情況下測出固體和液體的密度。(1)流體靜力稱衡法固體密度的測定對于外形不規(guī)則且不溶于水的固體，采用液體靜力稱衡法。設(shè)用物理天平稱衡一外形不規(guī)則的固體，稱得其質(zhì)量為m，然后將此固體完全浸入水中稱衡，如圖2-1所示，稱得其質(zhì)量為m1，則固體在水中所受浮力F為F=(m-m1)g式中g(shù)為重力加速度，m1g稱為該固體浸入水中的視重。設(shè)固體的體積為V，水的密度為0，根據(jù)阿基米德原理，固體在水中所受浮力等于它所排開水的重量，即F=0Vg因此有:V=(m-m1)/0(2-2)將(2-2)式代入(2-1)式，即得:x1=m

6、0/(m-m1)(2-3)因水的密度與溫度在關(guān)，故應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)時的水溫，在附表中查出相應(yīng)的0值。液體密度的測定根據(jù)(2-3)式，若將該物體再浸入待測液體中進(jìn)行稱衡，設(shè)稱得其視重為m2g，則圖2-2(m-m2)g=x2Vg(4-4)由(2-2)式和(2-4)式可得:x2=0(m-m2)/(m-m1)(4-5)因此只要再測出m2，根據(jù)(4-5)式，即可求得該液體的密度x2(2)用比重瓶測液體的密度設(shè)空比重瓶的質(zhì)量為m1，充滿密度為x3待液體時的質(zhì)量為m2，充滿和該液體同溫度的蒸餾水時的質(zhì)量為m3，比重瓶在該溫度下容積為V，則x3=(m2-m1)/V，V=(m3-m1)/0x3=0(m2-m1)/(m

7、3-m1)(2-6)0可根據(jù)實(shí)驗(yàn)時的水溫從附表中查出，由上式即可求出待液體的密度x3。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：(1)熟悉物理天平的結(jié)構(gòu)原理及其使用方法和操作規(guī)程。調(diào)整天平的水平，并檢測其零點(diǎn)和靈敏度C。記錄天平的感量：1、由靜力稱衡法求固體銅的密度計(jì)算公式：銅=水m1/(m1m)式中：m1待測物在空氣中的質(zhì)量m待測物在水中稱衡的質(zhì)量水當(dāng)時水溫度下水的密度測得：m1(g)m1(g)m(g)m2(g)tt水(kg m-3)誤差：結(jié)果得銅的密度為：=2、用靜力稱衡法測液體密度待測物：酒精借用固體：銅圓柱計(jì)算公式：液=水(m1m3)/(m1m)式中：m1借用固體在空氣中的質(zhì)量m2借用固體在水中稱衡的質(zhì)量m3借

8、用固體在液體中稱衡的質(zhì)量水當(dāng)時水溫度下水的密度m1、m2可利用內(nèi)容1的結(jié)果 m1(g)m1(g)m(g)m2(g)m3(g)m3(g)tt水(kg m-3)計(jì)算：酒精=水(m1m3)/(m1m) 誤差： 結(jié)果酒精的密度為：酒精=3、用比重瓶法測量液體的密度。設(shè)空比重瓶的質(zhì)量為m1，充滿密度為液待液體時的質(zhì)量為m2，充滿和該液體同溫度的蒸餾水時的質(zhì)量為m3，比重瓶在該溫度下容積為V，則空瓶質(zhì)量m1(g)m1(g)充滿液體時的質(zhì)量為m2(g)m2(g)充滿蒸餾水時的質(zhì)量為m3(g)m3(g)計(jì)算：液=水(m2-m1)/(m3-m1)誤差： 結(jié)果為：液=實(shí)驗(yàn)二 惠斯通電橋測電阻實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解直流電

9、橋測電阻的基本原理及使用方法；2、學(xué)會組裝電橋，并用之測量電阻。3、學(xué)會使用箱式電橋測量電阻實(shí)驗(yàn)儀器AR2RxBCR0R3DREERG圖1直線電橋、直流電源、檢流計(jì)、電阻箱、QJ23a型直流單臂電橋、待測電阻、開關(guān)和導(dǎo)線等。實(shí)驗(yàn)原理電橋電路簡稱電橋，四個電阻R0、R1、R2、R3(稱為橋臂)接成一個閉合導(dǎo)體系統(tǒng)(如圖1)。這系統(tǒng)的兩個對角互相連接，且在一對對角之間接入檢流計(jì)G、限流電阻RG和開關(guān)KG，而在另一對角間接入電源、開關(guān)KE和限流電阻RE，就構(gòu)成了所謂的“橋路”。如果各電阻任意選定的，那么橋路b,d兩端的電壓 并不相等，檢流計(jì)中就會有電流流過，顯示橋路不平衡，只有在 R2/(R1+R2

10、)=R3/(R3+R0)(4.1)的情況下，b,d兩點(diǎn)的電位才相等，電橋達(dá)到平衡。如果其中R1=Rx是未知電阻，則利用分比定理簡化后可得R1=Rx=(R2/R3)R0(4.2)從上式可知，待測電阻Rx等于R2/R3與R0的乘積(或者R0/R3與R2的乘積)。也就是說在三個已知電阻中，實(shí)際上只要知道一電阻的數(shù)值 ACBR1(l1)R2(l2)KERERxR0DGRG圖2(必須是Rx鄰近的一個電阻)，而其它兩個電阻只需知道它們的比值就能求得未知的電阻了。通常稱R2、R3為比例臂，R0為比較臂(或R0、R3比例臂，相應(yīng)的R2為比較臂)。所以，電橋由四臂(測量臂，比較臂和比例臂)及檢流計(jì)，電源三部分組

11、成。與檢流計(jì)串聯(lián)的限流電阻RG和開關(guān)KG的作用是在調(diào)節(jié)電橋平衡時保護(hù)檢流計(jì)，不使其在長時間內(nèi)有較大的電流流過而遭損。隨著電橋的逐漸趨于平衡，RG的值可相應(yīng)減小，直至為零，此時KG可較長時間接通?；€式(又叫板式)惠斯登電橋的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其基本特征是采用一根均勻電阻絲AC作比率臂電阻R1和R2，而D點(diǎn)是可沿電阻絲AC滑動的。因?yàn)殡娮杞z處處均勻，所以比率臂的比率為：R1/ R2= l1/ l2,所以，、滑動觸頭D，使D點(diǎn)位置改變，當(dāng)電橋平衡時，Rx = l1 R0/ l2,由于l1+ l2= l為定長，故有Rx = l1 R0/ (l-l1)，實(shí)驗(yàn)時適當(dāng)選擇R0阻值，然后通過改變l1長度來測出

12、Rx。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：1、用滑線式惠斯登電橋測量電阻Rx按圖3接好電路，找老師檢查電路。把檢流計(jì)G的指針調(diào)零(要求把指針、零刻度線、指針在鏡子的像的三線重合)。讀出待測電阻的標(biāo)稱值，填到記錄表格左上角的格中，然后選取R0的大小與待測電阻的標(biāo)稱值成一定的比例(例如取1:1)。接通電源，將觸頭D由AC線的中點(diǎn)稍向右端(或左端)移動，并輕快地按一下D鍵(一觸即離)，同時注意觀察檢流計(jì)指偏轉(zhuǎn)方向，然后把觸頭D由AC中點(diǎn)稍向左端(或右端)移動，若按下觸頭D時，檢流計(jì)指針偏轉(zhuǎn)與上一不同，說明電路正常，可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。按住觸頭D，并在AC線滑動，使檢流計(jì)指針指零。 在米尺上讀出l1與l2，然后斷開電源。將R0

13、與Rx互換位置，重復(fù)上述步驟。改變電源極性，重復(fù)上述過程。求四次測量結(jié)果的平均值并計(jì)算誤差。拆除聯(lián)線，整理好儀器和導(dǎo)線。Rx的標(biāo)值為：電源正接電源反接換臂前換臂后換臂前換臂后R0 ()l 1(mm)l 2(mm)平均值Rx()()誤差R x()()計(jì)算公式：正反接換臂前Rx=(l1/ l 2)R0 正反接換臂后Rx=(l2/l1)R0，根據(jù)誤差公式(1-1)知Rx= Rx -，根據(jù)誤差公式(1-7)知：為四個的平均值。圖3反接換臂后l1R0RxKEl 2直線電橋 G正接換臂后R0RxKE直線電橋l1l 2 G正接換臂前RxR0KE直線電橋l1l 2 G反接換臂前l(fā)1RxR0KEl 2直線電橋

14、G結(jié)果表示為：RxRx =2、用箱式電橋測量8個電阻(先要看清儀器盒蓋內(nèi)外的說明再進(jìn)行測量) 記錄好待測電阻標(biāo)稱值的大小序數(shù)12345678平均值平均值標(biāo)準(zhǔn)差倍率示數(shù)測量盤示數(shù)待測電阻實(shí)測值注意：測量盤示數(shù)必須有四位數(shù)，即大于1000， 因此測量前要根據(jù)待測電阻稱值考慮好比例臂和倍率該選多大值，根據(jù)待測電阻標(biāo)稱值=測量盤示數(shù)倍率，把測量盤示數(shù)和倍率預(yù)置好才開始測量。思考題：1、用惠斯通電橋測電阻時，選擇恰當(dāng)?shù)谋嚷蔏的原則是 保證有4位有效數(shù)字 。比如，用本實(shí)驗(yàn)QJ23型直流電橋測約1102的電阻，應(yīng)該使比率K 0.1 。2、提高惠斯通電橋靈敏度的方法主要是選用靈敏度高的 檢流計(jì) ，其次是選擇合

15、適的 比率 ，適當(dāng)提高 電壓 。3、用惠斯通電橋測量中等阻值的電阻，當(dāng)電橋平衡時，Rx =( R2 / R3 )R0，下列因素中影響R0測量誤差的原因是 ：A電源電壓有微小變化； BR2 、R3和R0的阻值不準(zhǔn)確；C接觸電阻及接線電阻過大； D溫度變化的影響；E檢流計(jì)刻度不均勻； F檢流計(jì)零點(diǎn)未校準(zhǔn)；G檢流計(jì)靈敏度較低。4、用滑線式電橋測量電阻，它平衡的條件是什么？滑動觸頭在什么位置時，測量的精度最高？為什么？5、改變電源極性對測量結(jié)果有什么影響？實(shí)驗(yàn)三 單擺的設(shè)計(jì)與研究實(shí)驗(yàn)簡介mgsinmOO單擺實(shí)驗(yàn)是個經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，許多著名的物理學(xué)家都對單擺實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過細(xì)致的研究。本實(shí)驗(yàn)的目的是學(xué)習(xí)進(jìn)行簡單設(shè)計(jì)

16、性實(shí)驗(yàn)的基本方法，根據(jù)已知條件和測量精度的要求，學(xué)會應(yīng)用誤差均分原則選用適當(dāng)?shù)膬x器和測量方法，學(xué)習(xí)累積放大法的原理和應(yīng)用，分析基本誤差的來源及進(jìn)行修正的方法。實(shí)驗(yàn)原理 式中T為單擺的擺動周期，l為懸點(diǎn)到小球質(zhì)心的距離，g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 用誤差均分原理設(shè)計(jì)一單擺裝置，測量重力加速度，測量精度要求 1%2. 對重力加速度g的測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和數(shù)據(jù)處理，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。3. 自擬實(shí)驗(yàn)步驟研究單擺周期與擺長、擺角、懸線和質(zhì)量和彈性系、空氣阻力等因素的關(guān)系，試分析各項(xiàng)誤差的大小。4. 自擬實(shí)驗(yàn)步驟用單擺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)根據(jù)測量精度的要求，用誤差均分原則

17、選用適當(dāng)?shù)膬x器和測量方法。參考實(shí)驗(yàn)步驟1、 重力加速度gx1 x2 d對擺長為的單擺，測量在的情況下，連續(xù)擺動n次的0.5%。提示：(1)擺長應(yīng)是擺線長加小球的半徑(如右圖)。l=( x2x1)(d /2)(2)球的振幅小于擺長的時，。(3)握停表的手和小球同步運(yùn)動，測量誤差可能小些。(4)當(dāng)擺錘過平衡位置時，按表計(jì)時，測量誤差可能小些。(5)為了防止數(shù)錯n值，應(yīng)在計(jì)時開始時數(shù)“零”，以后每過一個周期，數(shù)1，2，.，n。2、考查擺線質(zhì)量對測g的影響按單擺理論，單擺擺線的質(zhì)量應(yīng)甚小，這是指擺線質(zhì)量應(yīng)遠(yuǎn)小于錘的質(zhì)量。一般實(shí)驗(yàn)室的單擺擺線質(zhì)量小于錘的質(zhì)量的0.3%，這對測g 的影響很小，在此實(shí)驗(yàn)的條

18、件下是感受不到的。為了使擺線的影響能感受到，要用粗的擺線(如用保險絲類)，每米長擺線的質(zhì)量達(dá)到錘的質(zhì)量的1/30左右；參照上述“1”去測g。提示：用這樣粗的擺線去測g，其影響也不嚴(yán)重，還要細(xì)心去測才能感受到粗線的影響。3、考查空氣浮力對測g影響在單擺理論中未考慮空氣浮力的影響。實(shí)際上單擺的錘是鐵制的，它的密度遠(yuǎn)大于空氣密度，因此在上述測量中顯示不出浮力的效應(yīng)。為了顯示浮力的影響，就要選用平均密度很小的錘。在此用細(xì)線吊起一乒乓球作為單擺去測g，和上述“1”的結(jié)果相比。提示：除去空氣浮力的作用，還有空氣阻力使乒乓球的擺動衰減較快，另外空氣流動也可能有較大影響，因此測量應(yīng)很仔細(xì)。五 回 答 問 題1

19、、設(shè)單擺擺角接近時的周期為，任意擺角時周期T，二周期間的關(guān)系近似為若在條件下測得T值，將給g值引入多大的相對誤差？2、在室內(nèi)天棚上掛一單擺，擺長很長，你設(shè)法用簡單的工具測出擺長？但不許直接去測量擺長。六 測 量 舉 例用單擺測g(1)、用游標(biāo)卡尺(No.5413)測擺球的直徑dd(mm)22.0422.0622.1022.0222.00d= dUA(d)=22.040.02(mm)=22.04(10.08%)(mm)(2)、用米尺(No.02)測擺線長lx1= x1UB(x1)=20.00.5(mm) x2= x2UB(x2)=1032.00.5(mm)l= ( x2x1)(d /2)=100

20、0.98mm1001.0(mm)U(l) =x2+x1+(U(d)/2)=1mml = lUB(l)=10011(mm)=1001(10.1%)(mm)(3) 用秒表測周期n=50的時間t值t(s)100.41100.33100.38100.52100.32t= tUA(t )=100.390.04(s)=100.39(10.04%)(s)(4)計(jì)算g值g=42n2l/t2=(42502100110-3)100.392=9.80(ms-2)U(g)/g=(U(l)/ l ) +(2U(t) /t)=0.1%+20.04%=0.2%U(g)=g0.2%=0.001960.02(ms-2)g=gU

21、(g)=9.800.02(ms-2)=9.80(10.2%)(ms-2)(5)評價： g的理論值，肇慶位于北緯23，g0=9.79(ms-2)結(jié)果可取實(shí)驗(yàn)四 液體粘度的測定實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖褂孟侣湫∏虻姆椒y定液體的粘滯系數(shù)。實(shí)驗(yàn)儀器玻璃圓筒，溫度計(jì)，密度計(jì)，螺旋測微器，游標(biāo)卡尺，天平，米尺，秒表，鑷子，落球，蓖麻油等。實(shí)驗(yàn)原理由于液體具有粘滯性，固體在液體內(nèi)運(yùn)動時，附著在固體表面的一層液體和相鄰層液體間有內(nèi)摩擦阻力作用，這就是粘滯阻力的作用。對于半徑r的球形物體，在無限寬廣的液體中以速度v運(yùn)動，并無渦流產(chǎn)生時，小球所受到的粘滯阻力F為 （1）公式（1）稱為斯托克斯公式。其中為液體的粘滯系數(shù)，它與液體

22、性質(zhì)和溫度有關(guān)。Ffmg圖1如果讓質(zhì)量為m半徑為r的小球在無限寬廣的液體中豎直下落，它將受到三個力的作用，即重力mg、液體浮力f為、粘滯阻力，這三個力作用在同一直線上，方向如圖1所示。起初速度小，重力大于其余兩個力的合力，小球向下作加速運(yùn)動；隨著速度的增加，粘滯阻力也相應(yīng)的增大，合力相應(yīng)的減小。當(dāng)小球所受合力為零時，即 （2）小球以速度v0向下作勻速直線運(yùn)動，故v0稱收尾速度。由公式（2）可得 （3）當(dāng)小球達(dá)到收尾速度后，通過路程L所用時間為t，則v0L/t，將此公式代入公式（3）又得 （4）上式成立的條件是小球在無限寬廣的均勻液體中下落，但實(shí)驗(yàn)中小球是在內(nèi)半徑為R的玻璃圓筒中的液體里下落，筒

23、的直徑和液體深度都是有限的，故實(shí)驗(yàn)時作用在小球上的粘滯阻力將與斯托克斯公式給出的不同。當(dāng)圓筒直徑比小球直徑大很多、液體高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小球直徑時，其差異是微小的。為此在斯托克斯公式后面加一項(xiàng)修正值，就可描述實(shí)際上小球所受的粘滯阻力。加一項(xiàng)修正值公式（4）將變成 N1N2溫度計(jì)VL圖2 （5）式中R為玻璃圓筒的內(nèi)半徑，實(shí)驗(yàn)測出m、r、t、L和R，用公式（5）可求出液體的粘滯系數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1用天平測小鋼球的質(zhì)量：把30粒小鋼球裝入小盤中，秤其質(zhì)量為m1，再秤空盤的質(zhì)量為m2，則每一粒小鋼球的質(zhì)量為m=(m1-m2)30。只提供一臺分析天平希望各人輪開測量。只要求測量一次；2用螺旋測微計(jì)測出6個小球直徑

24、d，。取平均后求半徑，表格自己設(shè)計(jì)，注意令螺旋測微計(jì)的測砧水平放置，以免小球滾落下來。3將裝有蓖麻油的圓筒如圖2所示安裝，調(diào)整其中心軸鉛直。4用游標(biāo)卡尺測量圓筒內(nèi)徑，不同內(nèi)徑測三次取平均，求得半徑R。5在蓖麻油中部取一段，上下端各固定一標(biāo)線N1、N2，并通過測試或計(jì)算使小球勻速通過標(biāo)線N1，測出N1、N2之間的距離L。6用鑷子分別夾起每個小球，先在油中浸一下，然后放入圓形油面中心，讓其自由下落，用秒表測出每個小球勻速經(jīng)過路程L所用時間t1、t2、t6。測量6次。7測出蓖麻油的密度和實(shí)驗(yàn)前后油的溫度T。只提供一支溫度計(jì)和比重計(jì)，輪開到有溫度計(jì)和比重計(jì)瓶里觀察。數(shù)據(jù)處理1將所測數(shù)據(jù)填入自擬的表格內(nèi)

25、；2利用（5）式計(jì)算1、2、6，求 及其不確定度。思考題1斯托克斯公式的應(yīng)用條件是什么？本實(shí)驗(yàn)是怎樣去滿足這些條件的？又如何進(jìn)行修正的？2如何判斷小球已進(jìn)入勻速運(yùn)動階段？注意事項(xiàng)1待測液體應(yīng)加注至管子內(nèi)刻線A上一定位置，以保證小球在刻線A、B間勻速運(yùn)動。2小球要于管子軸線位置放入。3放入小球與測量其下落時間時，眼與手要配合一致。4管子內(nèi)的液體應(yīng)無氣泡，小球表面應(yīng)光滑無油污。5測量過程中液體的溫度應(yīng)保持不變，實(shí)驗(yàn)測量過程持續(xù)的時間間隔應(yīng)盡可能短。實(shí)驗(yàn)五 磁場的研究實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、研究載流圓線圈軸線上各點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，把測量的磁感應(yīng)強(qiáng)度與理論計(jì)算值比較， 加深對畢奧-薩伐爾定律的理解;2、在固定電流

26、下，分別測量單個線圈（線圈a和線圈b）在軸線上產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B（a）和B(b)，與亥姆霍茲線圈產(chǎn)生的磁場B(a+b）進(jìn)行比較，3、測量亥姆霍茲線圈在間距d=R2、 d=2R和d=2R, （R為線圈半徑），軸線上的磁場的分布，并進(jìn)行比較，進(jìn)一步證明磁場的疊加原理；4、描繪載流圓線圈及亥姆霍茲線圈的磁場分布。實(shí)驗(yàn)儀器：(1)圓線圈和亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)平臺，臺面上有等距離1.0cm間隔的網(wǎng)格線；(2)高靈敏度三位半數(shù)字式毫特斯拉計(jì)、三位半數(shù)字式電流表及直流穩(wěn)流電源組合儀一臺；(3)傳感器探頭是由2只配對的95A型集成霍爾傳感器(傳感器面積4mmx 3mmx 2mm)與探頭盒(與臺面接觸面積為20mm

27、x 20mm)組成。1毫特斯拉計(jì)2電流表3直流電流源4電流調(diào)節(jié)旋鈕5調(diào)零旋鈕6傳感器插頭7固定架8霍爾傳感器9大理石10線圈注：ABCD為接線柱圖1 亥姆霍茲線圈實(shí)驗(yàn)儀器簡圖實(shí)驗(yàn)原理：（1)根據(jù)畢奧一薩伐爾定律，載流線圈在軸線(通過圓心并與線圈平面垂直的直線)上某點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：(4-1)式中0為真空磁導(dǎo)率，R為線圈的平均半徑，x為圓心到該點(diǎn)的距離，N為線圈匝數(shù)，I為通過線圈的電流強(qiáng)度。因此，圓心處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0 為： （4-2）軸線外的磁場分布計(jì)算公式較為復(fù)雜，這里簡略。 (2)亥姆霍茲線圈是一對彼此平行且連通的共軸圓形線圈，兩線圈內(nèi)的電流方向一致，大小相同，線圈之間的距離d正好等于圓形

28、線圈的半徑R。這種線圈的特點(diǎn)是能在其公共軸線中點(diǎn)附近產(chǎn)生較廣的均勻磁場區(qū)，所以在生產(chǎn)和科研中有較大的使用價值，也常用于弱磁場的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)：z為亥姆霍茲線圈中軸線上某點(diǎn)離中心點(diǎn)O處的距離，則亥姆霍茲線圈軸線上任意一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度為：（4-3） 而在亥姆霍茲線圈上中心O處的磁感應(yīng)強(qiáng)度B0為 （4-4）實(shí)驗(yàn)步驟： (1)將兩個線圈和固定架按照圖1所示簡圖安裝。大理石臺面(圖1中9所示有網(wǎng)格線的平面)應(yīng)該處于線圈組的軸線位置。根據(jù)線圈內(nèi)外半徑及沿半徑方向支架厚度，用不銹鋼鋼尺測量臺面至線圈架平均半徑端點(diǎn)對應(yīng)位置的距離(在112cm處)，并適當(dāng)調(diào)整固定架，直至滿足臺面通過兩線圈的軸心位置； (2)開機(jī)

29、后應(yīng)預(yù)熱10分鐘，再進(jìn)行測量； (3)調(diào)節(jié)和移動四個固定架(圖1中7所示)，改變兩線圈之間的距離，用不銹鋼鋼尺測量 兩線圈間距； (4)線圈邊上紅色接線柱表示電流輸入，黑色接線柱表示電流輸出?？梢愿鶕?jù)兩線圈串接或并接時，在軸線上中心磁場比單線圈增大還是減小，來鑒別線圈通電方向是否正確； (5)測量時，每次將探頭盒底部的霍爾傳感器對準(zhǔn)臺面上的被測量點(diǎn)時，都要在兩線圈斷電情況下，調(diào)節(jié)調(diào)零旋鈕(圖1中5所示)，使毫特斯拉計(jì)顯示為零，然后通電記錄此時毫特斯拉計(jì)顯示的數(shù)字大?。?(6)本毫特斯拉計(jì)為高靈敏度儀器，可以顯示1X10-6T磁感應(yīng)強(qiáng)度變化。因而在線圈斷電情況下，臺面上不同位置，毫特斯拉計(jì)所顯示

30、的最后一位略有區(qū)別，這主要是地磁場(臺面并非完全水平)和其他雜散信號的影響。因此，應(yīng)在每次測量不同位置磁感應(yīng)強(qiáng)度時調(diào)零。實(shí)驗(yàn)時，最好在線圈通電回路中接一個單刀雙向開關(guān)，可以方便電流通斷，也可以插拔電流插頭。實(shí)驗(yàn)方法： (1)必做內(nèi)容：載流圓線圈和亥姆霍茲線圈軸線上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量。 0表一坐標(biāo)圖1) 按圖1接線，直流穩(wěn)流電源中數(shù)字電流表已串接在電源的一個輸出端，測量電流 I=100mA時，單線圈a軸線上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度B(a)，每隔100cm測一個數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中，隨時觀察毫特斯拉計(jì)探頭是否沿線圈軸線移動。每測量一個數(shù)據(jù)，必須先在直流電源輸出電路斷開(I=0)調(diào)零后，才測量和記錄數(shù)據(jù)；填寫在下面數(shù)據(jù)表1 表1載流圓線圈軸線上各點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度的測量(注意：此時坐標(biāo)原點(diǎn)在單個通電線圈的中心，如右圖)x/cm-1.000.001.002.003.004.005.00B(a)/mT實(shí)驗(yàn)值理論值實(shí)驗(yàn)值與理論值的相對偏差x/cm6.007.008.009.0010.0011.0012.00B(a)/mT實(shí)驗(yàn)值理論值實(shí)驗(yàn)值與理論值的相對偏差2)將測得的圓線圈軸線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度與理論公式(4-1)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較；(I=100mA, R=10.00cm, N=500 0=410-7H/m), 計(jì)算兩者的相對偏差，相對偏差=實(shí)驗(yàn)值-理論值理論值；寫出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。3)在軸線上某點(diǎn)轉(zhuǎn)動毫特斯拉計(jì)