大物實(shí)驗(yàn)期末考試總結(jié)

./1.非線性元件伏安特性的研究一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握用伏安法研究二極管正向伏安特性及鎢絲燈伏安特性的方法；2．掌握用最小二乘法〔回歸法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到經(jīng)驗(yàn)公式的方法.二．實(shí)驗(yàn)儀器DH6102型伏安特性實(shí)驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)原理1．半導(dǎo)體二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管由一個p-n結(jié),加上接觸電極、引線和封裝管殼組成.常見的二極管有硅二極管和鍺二極管.加到二極管兩端的電壓與流過其上面的電流的關(guān)系曲線,就叫二極管的伏安特性曲線,如圖1所示.由于p-n結(jié)具有單向?qū)щ娦?故二極管的正反向伏安特性相差很大,二極管的伏安特性可分三部分：①正向特性.當(dāng)所加的正向電壓很小時,正向電流也很小,只有當(dāng)正向電壓加到某個數(shù)值時,電流才開始明顯加大,這個外加電壓值叫做二極管的閾值電壓或開通電壓,記作.通常硅二極管的閾值電壓=0.5V~0.6V,鍺二極管=0.2V~0.3V.閾值電壓的確定,一般是在正向特性曲線較直部分畫一切線,延長相交于橫坐標(biāo)上一點(diǎn),該點(diǎn)在橫軸上的值就是該二極管的閾值電壓.②反向特性.當(dāng)二極管兩端加反向電壓時,反向電流很小且在一定范圍內(nèi)不隨反向電壓的增加而增加.③反向擊穿特性.當(dāng)反向電壓繼續(xù)增加時,反向電流會突然增大,這種現(xiàn)象稱作反向擊穿,產(chǎn)生擊穿的臨界電壓稱為反向擊穿電壓.不同的二極管,反向擊穿電壓也不同.一般情況下,二極管反向電壓不得超過反向擊穿電壓,否則會燒壞管子.〔2鎢絲燈的伏安特性當(dāng)鎢絲燈泡兩端施加電壓后,鎢絲上有電流流過,產(chǎn)生功耗,燈絲溫度上升,致使燈泡電阻增加.因此,通過鎢絲燈的電流越大,其溫度越高,阻值也越大,其伏安特性如圖2中曲線所示.燈泡不加電壓時,稱為冷態(tài)電阻.施加額定電壓測得的電阻稱為熱態(tài)電阻.由于正溫度系數(shù)的關(guān)系,冷態(tài)電阻小于熱態(tài)電阻,一般鎢絲燈的冷態(tài)電阻與熱態(tài)電阻的阻值可相差幾倍至十幾倍.而且由于鎢絲燈點(diǎn)亮?xí)r溫度很高,超過額定電壓時會燒斷,所以使用時不能超過額定電壓.2．用伏安法測量非線性電阻元件的伏安特性對非線性電阻元件伏安特性的研究,一般都是采用伏安法進(jìn)行測量.實(shí)驗(yàn)采用的是內(nèi)阻很高數(shù)字電壓表及內(nèi)阻很小的電流表,而且測量的是低、中值電阻,所以選擇電流表外接法的測量電路.二極管及鎢絲燈伏安特性的測量電路分別如圖3和4所示.四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．二極管的正向伏安特性的測量:在0V～0.6V范圍內(nèi),每隔0.1V讀一次電流表,在0.6V～0.8V范圍內(nèi),每隔0.02V讀一次電流表,并將所讀數(shù)據(jù)記入下表中〔注意正確記錄測量數(shù)據(jù)的有效數(shù)字.2．測量鎢絲燈的伏安特性:由0V開始,每隔1V讀一次電流表,直到鎢絲燈的額定電壓11V,并將所讀數(shù)據(jù)記入下表中.注意事項(xiàng)1．須了解待測元件<二極管、鎢絲燈>的規(guī)格,使加在它上面的電壓和通過的電流均不超過額定值.2.須了解測量時所需其它儀器的規(guī)格〔如電源、電壓表、電流表、滑線變阻器等的規(guī)格,也不得超過其量程或使用范圍.五．?dāng)?shù)據(jù)處理惠斯通電橋一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握惠斯登電橋的結(jié)構(gòu)和測量原理.2、學(xué)會使用電阻箱自組惠斯登電橋測中值電阻及電橋靈敏度的方法.3、估算儀器誤差,計(jì)算測量不確定度.二、實(shí)驗(yàn)儀器：直流穩(wěn)壓電源、AC5/2型直流指針式檢流計(jì)〔分度值；臨界電阻360Ω；內(nèi)阻44Ω、ZX21型六旋鈕電阻箱〔舊式兩個〔電阻范圍0-99999.9Ω；等級：0.1級；額定功率0.5W、ZX21型六旋鈕電阻箱〔新式一個〔電阻范圍0-99999.9Ω；等級分檔9×〔10000,1000,100,10,1,0.1分別為0.1,0.1,0.5,1,2.5；殘余誤差mΩ、47kΩ電位器一粒、滑線變阻器、待測電阻、電位器、換向開關(guān)、導(dǎo)線若干.三、實(shí)驗(yàn)原理1.惠斯登電橋的平衡條件惠斯登直流電橋也稱為單臂直流電橋,是一種直流平衡電橋,其原理電路如圖1所示.由圖1可見,Rx、R2、R3、R4構(gòu)成了四個橋臂,BD兩點(diǎn)之間接入檢流計(jì)形成一個通路,稱為橋路.當(dāng)電橋平衡時,=0,橋路沒有電流流過,=0.此時有：設(shè)I1為電橋平衡時流過ABC路的電流,I2為流過ADC路的電流,那么式〔1可寫為：把〔2的兩式相處,得：即：式〔3就是惠斯登電橋的平衡條件.式中R2/R3〔或R4/R3稱為比率臂,R4〔或R2稱為比較臂.調(diào)節(jié)惠斯登電橋平衡一般可根據(jù)待測電阻Rx的大小,選好比率臂再調(diào)節(jié)比較臂.橋路上的電位器Rb,起到保護(hù)檢流計(jì)的作用,當(dāng)電橋不平衡時,流過BD間的電流可能較大,會燒壞檢流計(jì),此時Rb應(yīng)調(diào)到最大值,以減小流過檢流計(jì)的電流,當(dāng)電橋基本平衡時,Rb要調(diào)到最小值,提高檢流計(jì)的靈敏度,減小電橋的測量誤差.所以惠斯登電橋的平衡一般要調(diào)兩次,一次是Rb取大值時調(diào)平衡,稱為粗調(diào).第二次是在粗調(diào)后,Rb減至最小值再調(diào)平衡,稱為細(xì)調(diào).2.測量中,采用換臂法消除不等臂誤差實(shí)驗(yàn)中自組電橋的比率臂〔R2和R3電阻并非標(biāo)準(zhǔn)電阻,存在較大的不等臂誤差,為消除該系統(tǒng)誤差,實(shí)驗(yàn)可采用交換測量法進(jìn)行.先按原線路進(jìn)行測量得到一個R4值,然后將R2和R3位置互相交換,按同樣的方法再測得一個值,兩次測量,電橋平衡后分別有：聯(lián)立兩式得：由式〔3可知：交換測量后得到的測量值與比率臂阻值無關(guān),只與比較臂R4有關(guān).3.改變電源電壓的方向,消除電橋中寄生電勢的影響在電橋電路的任一支路中,都可能寄生有熱電勢與接觸電勢,這些寄生電勢與電橋電源在各支路產(chǎn)生的電勢差相互作用使得電橋出現(xiàn)虛假的平衡,引起Rx的測量誤差.由于寄生電勢和它所引起的電流方向、大小往往是不變的,所以可采用改變電源電壓的方向來消除.實(shí)驗(yàn)中通過換向開關(guān)來達(dá)到改變電源電壓的方向,測出電源電壓改變方向后二次的Rx值,取其算術(shù)平均值.4.電橋靈敏度當(dāng)電橋平衡時,流過檢流計(jì)的電流應(yīng)為零.但實(shí)際上檢流計(jì)的靈敏度總有一定的限度,當(dāng)減小到我們感覺不到檢流計(jì)的指針偏轉(zhuǎn)時,〔比如小于0.2格,我們就認(rèn)為電橋平衡了,這樣Rx的測量就會有誤差.為了確定由于檢流計(jì)靈敏度不夠而帶來的測量誤差,我們引入電橋靈敏度的概念.電橋靈敏度定義為：相對電橋靈敏度S定義為：式〔4表示電橋平衡后,Rx的相對改變量所引起電橋偏離平衡時檢流計(jì)的偏轉(zhuǎn)格數(shù)n.S越大,電橋越靈敏,帶來的測量誤差也越小.通常Rx是不能人為改變的,要想測量S,就要在電橋平衡后保持比率臂不變,而把比較臂電阻R4,變?yōu)?因而有：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、利用自組惠斯登電橋測未知電阻Rx〔Rx≈2kΩ〔1實(shí)驗(yàn)開始時先布局后接線.布局：電阻箱、檢流計(jì)放在正前方,便于讀書.滑動變阻器和開關(guān)放在兩側(cè),便于操作.根據(jù)線路圖按回路對點(diǎn)接線,電橋線路可大致分為三步聯(lián)接：〔a先連接電源電路,將電源與換向開關(guān)的兩個接線柱聯(lián)接；〔b將四個橋臂聯(lián)成一個回路；〔c在一對角線的兩點(diǎn)A、C〔R2與R3的聯(lián)接點(diǎn)和R4與Rx的聯(lián)接點(diǎn)之間接換向開關(guān)中間的兩個接線柱和滑線變阻器；〔d在另一個對角線的兩點(diǎn)B、D〔R2與Rx的聯(lián)接點(diǎn)和R3與R4的聯(lián)接點(diǎn)之間接入檢流計(jì)G和電位器Rb.〔2在接線正確無誤后,將電阻箱R2,R3調(diào)到500.0歐姆,先用萬用表估計(jì)一下待測電阻的阻值,將R4調(diào)到待測電阻的估計(jì)值,然后再調(diào)節(jié)電橋平衡,在調(diào)節(jié)電橋平衡中應(yīng)遵循先粗后細(xì)的原則.〔a粗調(diào)時先將滑線變阻器阻值、Rb調(diào)至最大,調(diào)節(jié)電阻箱R4直到使檢流計(jì)指針指零；〔b細(xì)調(diào)時,在粗調(diào)的基礎(chǔ)上,將滑線變阻器阻值、Rb調(diào)至最小,調(diào)節(jié)電阻箱R4時檢流計(jì)再次指零,此時電橋達(dá)到平衡,此時記下R4的阻值,并測量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格.〔3改變電流方向,重復(fù)〔2中的〔a〔b步驟.〔4將電阻箱R2,R3對換位置,重復(fù)步驟〔2〔3.記下R4的阻值,并將測量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格.2、測量電橋靈敏度保持比率臂不變,不改變電流方向的情況下,在電橋平衡的基礎(chǔ)上,改變比率臂電阻R4,使得檢流計(jì)指針分別左右偏轉(zhuǎn)2格,記下此時的比較臂電阻R4,計(jì)算比較臂電阻R4的改變值△R4,并將測量數(shù)據(jù)填入數(shù)據(jù)表格.3、不確定度計(jì)算提示在本實(shí)驗(yàn)中,我們主要考慮B類不確定度.下面介紹B類不確定度的計(jì)算與合成.不確定度計(jì)算：〔1電阻箱的準(zhǔn)確度等級引起的不確定度計(jì)算示例：電阻箱〔新式,分檔位標(biāo)等級電阻箱的極限誤差為：其中：ai為各檔位等級；Ri為各檔位的電阻示值；R0為殘余誤差；m為電阻箱所使用的旋鈕數(shù)；b為每個旋鈕的殘余誤差,一般a小于等于0.05級時,b=0.002Ω；a大于等于=0.1級時,b=0.005Ω.將電阻的極限誤差當(dāng)做其不確定度,則其電阻不確定度為：例,假設(shè)一新式電阻箱示數(shù)為1997.8Ω,R0=30mΩ,則其儀器誤差為：其電阻不確定度為：〔2電橋靈敏度引起的不確定度例測得電橋在平衡點(diǎn)附近的靈敏度為=3.8div/Ω,當(dāng)人眼判斷檢流計(jì)指針是否偏轉(zhuǎn)的分辨極限△n取0.2div時,電橋靈敏度引起的不確定度就是其基本誤差限.即：〔3合成不確定度4、實(shí)驗(yàn)提示〔1注意保護(hù)檢流計(jì),不能使指針超過滿偏；〔2比率臂阻值選取必須考慮測量精度和電阻箱的額定功率.五、數(shù)據(jù)處理等厚干涉測透鏡曲率半徑實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．加深對等厚干涉現(xiàn)象及其特點(diǎn)的理解.2．學(xué)會利用牛頓干涉環(huán)測量透鏡的曲率半徑.3．正確使用讀數(shù)顯微鏡.二、實(shí)驗(yàn)儀器讀數(shù)顯微鏡〔測量精度為0.01mm牛頓環(huán)鈉光燈〔波長589nm實(shí)驗(yàn)原理牛頓環(huán)儀是由待測曲率半徑很大的平凸透鏡和平板玻璃疊合裝在金屬框架中構(gòu)成的,如圖1所示.在平凸透鏡和平板玻璃之間形成一個厚度自O(shè)點(diǎn)向邊緣逐漸增加的空氣薄膜.波長為λ的單色光垂直照射此空氣薄膜,那么空氣薄膜上下二表面反射的光將發(fā)生干涉,形成一組以O(shè)點(diǎn)為圓心的明暗相間的同心圓環(huán),稱為"牛頓環(huán)".假設(shè)透鏡的曲率半徑為R,在與接觸點(diǎn)O相距r處空氣薄膜厚度為d.當(dāng)光垂直入射時,在該處上下二表面反射光的光程差為：其中n為空氣折射率且等于1；λ/2為由于位相突變而產(chǎn)生的附加程差.由圖可知：由于R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于d,可略去二階小量,可得由〔1與〔2有在該處若形成暗紋,由干涉條件可得：即同理若該處形成明條紋可得由于接觸點(diǎn)O處可能發(fā)生彈性形變,接觸面間也可能附著灰塵,故接觸處不可能是一個幾何點(diǎn),而是一個圓面.所以近圓心處條紋比較模糊,以致于難以確切判定條紋的級數(shù),即干涉條紋的序數(shù)不一定是條紋的級數(shù).假設(shè)測量序號為m1、m2環(huán)亮條紋的直徑,這里的m1、m2不一定是干涉條紋的級數(shù),因而有式中m1+j、m2+j為干涉級數(shù),j為干涉級修正值.由上兩式可得：則實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、將牛頓環(huán)儀朝向鈉光源,觀察牛頓環(huán)干涉條紋.調(diào)節(jié)牛頓環(huán)上的螺絲,使干涉環(huán)成圓形且其圓心位于牛頓環(huán)儀的中心.最后將牛頓環(huán)儀放置在讀數(shù)顯微鏡的物鏡正下方.2、根據(jù)圖1調(diào)節(jié)半反半透玻璃鏡,使鈉光燈發(fā)出的光通過半反半透玻璃鏡部分入射牛頓環(huán)且可通過讀數(shù)顯微鏡觀察到明亮的視場.3、調(diào)節(jié)讀數(shù)顯微鏡的目鏡,清晰地看到目鏡中的測量叉絲.4、將望遠(yuǎn)鏡的鏡筒由上往下移到最底端,注意物鏡不可碰到牛頓環(huán)儀.5、移動牛頓環(huán)儀使物鏡對準(zhǔn)牛頓環(huán)儀的中心,然后由下往上緩慢移動鏡筒直到看到清晰的干涉條紋.6、微調(diào)鏡筒直到看到第十四或第十五干涉亮條紋與測量叉絲重合無視差.7、測量干涉環(huán)的弦長.測量過程應(yīng)避免回程差.從左或從右開始測量第5條亮條紋到第24條亮條紋的位置.注意：叉絲對準(zhǔn)干涉條紋的中間而不是相切.薄透鏡的焦距的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)會調(diào)節(jié)光學(xué)元件的等高共軸.2.掌握薄透鏡焦距測量的方法.二、實(shí)驗(yàn)儀器光學(xué)導(dǎo)軌、凹凸薄透鏡各一個、像屛、物屏、光具座、三維調(diào)節(jié)架、光源、三角板等,導(dǎo)軌上刻度尺的測量精度為1mm.實(shí)驗(yàn)原理1、凸透鏡焦距的測定a二次成像法圖1二次成像法測薄凸透鏡焦距的示意圖假設(shè)物AB與像屏p之間的距離為D,薄凸透鏡的焦距為,使并固定物AB與像屏p位置.沿導(dǎo)軌方向移動透鏡,則必能在像屏上觀察到兩次清晰的實(shí)像.設(shè)透鏡兩次成像之間的位移為d.運(yùn)用物像的共軛對稱性質(zhì),可以得到關(guān)系式：〔1所以,只要測出D和d就可求出透鏡的焦距.這個方法又稱為貝塞爾法或共軛法,它的優(yōu)點(diǎn)是避免在測量物距像距時估計(jì)透鏡光心位置的不準(zhǔn)確所帶來的誤差.b.自準(zhǔn)直法圖2自準(zhǔn)直法測薄凸透鏡焦距的示意圖如圖2所示,當(dāng)物體AB放置在待測透鏡L的焦平面上,在另一側(cè)放一平面反射鏡M.物體AB上任一點(diǎn)發(fā)出的光線經(jīng)凸透鏡折射后成為平行光線,而后被平面反射鏡M反射回來,再經(jīng)透鏡折射后,仍會聚于它的焦平面上,形成一個與原物大小相等、方向相反的倒立實(shí)像.此時物體AB到透鏡L之間的距離,就是待測透鏡的焦距.這種測量方法能比較迅速、直接地測出透鏡焦距.2、輔助透鏡法測量凹透鏡焦距圖3輔助透鏡成像法測薄凹透鏡焦距的示意圖如圖3所示,設(shè)物AB經(jīng)凸透鏡L１后成一實(shí)像A′B′.將待測凹透鏡L２置于L１和A′B′之間,使成實(shí)像A″B″.分別測出待測凹透鏡L２到虛物A′B′和實(shí)像A″B″之間距離l、〔即l為物距,為像距.根據(jù)成像公式,即可求出待測凹透鏡L２的像方焦距：〔3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.光學(xué)元件等高共軸的調(diào)節(jié)<1>確定凹凸透鏡,粗測凸透鏡焦距.<2>將光源、物屏、待測透鏡和像屏依次放在光學(xué)導(dǎo)軌上,然后進(jìn)行各光學(xué)元件等高共軸的粗調(diào)和細(xì)調(diào).粗調(diào)：將光源、物屏、待測透鏡和像屏靠在一起〔光源保持不動,然后調(diào)節(jié)各光學(xué)元件的中心大致在同一直線上.細(xì)調(diào)：1.調(diào)節(jié)像屛、物屏及凸透鏡的截面〔過光心的截面垂直于光學(xué)導(dǎo)軌.此操作是本實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵所在.2.利用二次成像法調(diào)節(jié)光學(xué)元件共軸<1>物屏和像屏之間的距離大于4倍凸透鏡的焦距并固定物屏和像屏.<2>移動凸透鏡,在像屏上觀察到兩次成像,一次成大像,一次成小像.當(dāng)兩次像的中心重合時,表明各光學(xué)元件已經(jīng)共軸.若兩次成像的中心不重合,則分成兩維進(jìn)行調(diào)節(jié).調(diào)節(jié)透鏡的高低,使兩次像的中心在同一高度；然后前后〔實(shí)驗(yàn)人員正對著導(dǎo)軌調(diào)節(jié)透鏡,使兩次像的中心重合.2.凸透鏡焦距的測定<1>二次成像法測定凸透鏡的焦距.如圖1,在光學(xué)平臺上依次放置各光學(xué)元件,并使物屏與像屏間的距離大于4倍透鏡焦距且固定物屏與像屏.記錄物屏與像屏的位置.移動透鏡,在像屏上呈現(xiàn)清晰、放大、倒立的實(shí)像,記下此時透鏡的位置,然后繼續(xù)移動透鏡直到像屏上呈現(xiàn)清晰、縮小、倒立的實(shí)像,記下此時透鏡的位置.根據(jù)公式〔1可以求出凸透鏡的焦距.改變物屏與像屏間的距離再次測量.任一間離下只要測一次數(shù)值.改變物屏與像屏間的距離三次.最后焦距取平均值.注意：1.物屏的位置是出光面的位置；像屏的位置是成像面的位置.2.為了減小景深的影響,透鏡位置應(yīng)取所成清晰像范圍的中間位置〔例如：在某一范圍內(nèi)移動透鏡,我們看到的像一樣清晰,那么透鏡的位置就是這一范圍的中間位置,下面也要這樣操作.3.d的值最好要大于19cm.4.通過觀察像的邊界是否明暗分界清晰來確定像是否清晰,最好觀察像中心處邊界,尤其是大像時.<2>自準(zhǔn)直法測定凸透鏡的焦距.如圖2,在光學(xué)平臺上依次放置各光學(xué)元件,并使物屏和平面鏡之間的距離比所測凸透鏡的焦距大約10厘米.前后移動凸透鏡及調(diào)節(jié)平面鏡俯仰旋鈕,直到物屏上產(chǎn)生一個與物重合且清晰的倒立實(shí)像為止,測出物屏和透鏡的距離,即為透鏡的焦距.通常為了判斷像是否清晰,可以通過調(diào)節(jié)平面鏡俯仰旋鈕將像與物錯開一點(diǎn)便于觀察像邊界是否清晰.重新找像清晰的位置,再測量,最后求平均值.測量次數(shù)3次.注意：為了獲得更亮的像,反射鏡與透鏡應(yīng)盡量靠近；同理減小景深的影響.3.輔助透鏡法測定凹透鏡的焦距〔1在像屏上記錄凸透鏡所成像的中心,然后將凹透鏡放置在凸透鏡與像屏之間.〔2調(diào)節(jié)凹透鏡的截面〔過光心的截面垂直于光學(xué)導(dǎo)軌.〔3上下前后調(diào)節(jié)凹透鏡和像屏的位置,使所成像的中心與凸透鏡所成像的中心重合.改變凸透鏡和像屏的位置,重復(fù)此操作.操作次數(shù)要兩次以上,另外放上凹透鏡所成的像與單獨(dú)凸透鏡所成像的大小差別應(yīng)較大.〔4取下凹透鏡.移動凸透鏡直到像屏上成一倒立縮小的實(shí)像并固定凸透鏡,記下此時像屏位置A′B′.在這之后的操作過程中不可移動和調(diào)節(jié)凸透鏡.〔5將待測凹透鏡放置在輔助透鏡與像屏之間的位置,然后將像屏向后移動〔遠(yuǎn)離透鏡的方向一段距離〔距離大于10厘米,最后移動凹透鏡直至在像屏上又出現(xiàn)清晰的像,記下像屏位置A″B″及凹透鏡的位置.利用公式〔3計(jì)算出待測凹透鏡的焦距.僅改變凹透鏡和像屏的位置再次測量,任一位置下只要測一次數(shù)值.改變凹透鏡與像屏的位置三次.最后焦距求平均值.注意：l的值應(yīng)該要大于10cm；同理減小景深的影響.數(shù)據(jù)處理誤差分析：1、等高共軸調(diào)節(jié)不好.2、成像清晰范圍找得不準(zhǔn).3、測量成像平面與成像光軸和光具座讀數(shù)位置之間的誤差.對于輔助透鏡法來說,主要的測量誤差來源于測凹透鏡位置以及像屏位置的測量；對于二次成像法來說,主要的測量誤差來源于物屏位置,像屏位置,凸透鏡成大像的位置和小像的位置的測量；對于自準(zhǔn)直法,測量的誤差來源主要是物體位置和凸透鏡的測量.4、由于物體所放位置不能測量或物體傾斜沒進(jìn)行修正.5、像差.在測薄透鏡焦距時,通常把實(shí)驗(yàn)光具組看成是理想光具組,即同心光束經(jīng)凸透鏡折射后仍為同心光束,像與物在幾何上完全相似.而實(shí)際上只有近軸的單色光才能近似達(dá)到這個要求,所以像差不可避免.6、實(shí)驗(yàn)裝置誤差.在實(shí)驗(yàn)裝置上物平面與讀數(shù)點(diǎn)的近似共面,透鏡光心與讀數(shù)點(diǎn)的近似共面,刻度尺刻度的不均勻以及薄透鏡的近似等都會引起系統(tǒng)誤差.金屬線脹系數(shù)的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握金屬的線膨脹系數(shù)的測量原理與方法.2、掌握千分尺測量長度的微小變化量的方法.3、了解PID控溫調(diào)節(jié)的原理,掌握控制實(shí)驗(yàn)溫度的方法.二、實(shí)驗(yàn)儀器1.控溫式固體線脹系數(shù)測定儀金屬棒樣品一端固定在加熱管內(nèi)；另一端通過頂桿與千分表接觸,為自由端.金屬棒樣品自由端在彈簧作用下將長度變化轉(zhuǎn)化成千分表指針的偏轉(zhuǎn),通過表盤刻度讀出其長度變化量.使用要求:〔1整體要求平穩(wěn),因伸長量極小,故儀器不應(yīng)有振動；〔2千分表安裝須適當(dāng)固定〔以表頭無轉(zhuǎn)動為準(zhǔn)且與被測物體有良好的接觸〔然后再轉(zhuǎn)動表殼校零；〔3被測物體與千分表探頭需保持在同一直線.2.開放式PID溫控試驗(yàn)儀實(shí)驗(yàn)儀包括水箱、水泵、加熱器、控制及顯示電路等部分3.千分表千分表是用于精密測量位移量的量具,它利用齒條-齒輪傳動機(jī)構(gòu)將線位移轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?由表針的角度變量讀出線位移量.大表針轉(zhuǎn)動一圈〔小表針轉(zhuǎn)動一格,代表線位移0.2mm,最小分度值為0.001mm.4.待測金屬管三、實(shí)驗(yàn)原理1.線膨脹系數(shù)當(dāng)固體溫度升高時,產(chǎn)生線度增長的現(xiàn)象稱為固體的線膨脹,固體長度L和溫度t之間的函數(shù)關(guān)系式:L0為溫度為0攝氏度時的長度,α,β,...是和被測物質(zhì)有關(guān)的常量,α為固體的線膨脹系數(shù),單位為,因β及其以后的項(xiàng)比α小很多,可略去.設(shè)L1為室溫t1對應(yīng)的長度,L2為高溫t2對應(yīng)的長度.則有：又令L2=L1+ΔL,則：當(dāng)2-1大于1,又由于L1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ΔL,上式可以近似寫成：準(zhǔn)確的控制t是準(zhǔn)確控制Δt和ΔL的關(guān)鍵.2.PID調(diào)節(jié)原理PID控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示,假如被控量與設(shè)定值之間有偏差e<t>=設(shè)定值-被控量,調(diào)節(jié)器依據(jù)e<t>及一定的調(diào)節(jié)規(guī)律輸出調(diào)節(jié)信號u<t>,執(zhí)行單元按u<t>輸出操作量至被控對象,使被控量逼近直至最后等于設(shè)定值.調(diào)節(jié)器是自動控制系統(tǒng)的指揮機(jī)構(gòu).在我們的溫控系統(tǒng)中,調(diào)節(jié)器采用PID調(diào)節(jié),執(zhí)行單元是由可控硅控制加熱電流的加熱器,操作量是加熱功率,被控對象是水箱中的水,被控量是水的溫度.PID調(diào)節(jié)器是按偏差的比例<proportional>、積分<integral>、微分<differential>進(jìn)行調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)規(guī)律可表示為：式中第一項(xiàng)為比例調(diào)節(jié),Kp為比例系數(shù).第二項(xiàng)為積分調(diào)節(jié),Ti為積分時間常數(shù).第三項(xiàng)為微分調(diào)節(jié)為微分時間常數(shù).PID溫度控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中溫度隨時間的一般變化關(guān)系可用圖2表示：系統(tǒng)在達(dá)到設(shè)定值后一般不能立即穩(wěn)定在設(shè)定值,而是超過設(shè)定值后經(jīng)過一定的過渡過程才能重新穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、用PID控溫儀控制實(shí)驗(yàn)溫度；2、用千分表測量銅管溫度變化時長度的微小變化量,并求出銅管的線膨脹系數(shù).3、實(shí)驗(yàn)提示:〔1銅棒的線膨脹系數(shù)為〔2實(shí)驗(yàn)開始前檢查金屬棒是否固定良好,千分表安裝位置是否合適.一旦開始升溫及讀數(shù),避免再觸動實(shí)驗(yàn)儀.為減小系統(tǒng)誤差,將第1次溫度達(dá)到平衡時的溫度及千分表讀數(shù)分別作為T0,L0.溫度的設(shè)定值每次提高ΔT,溫度在新的設(shè)定值達(dá)到平衡后,記錄溫度及千分表讀數(shù)于表中.〔3為保證實(shí)驗(yàn)安全,溫控儀最高設(shè)置溫度為60度.若決定測量n個溫度點(diǎn),則每次升溫范圍為ΔT=<60－室溫>/n.〔4在實(shí)驗(yàn)過程中〔升溫及讀數(shù)不能接觸和移動實(shí)驗(yàn)儀,否則會影響千分表的讀數(shù).每個同學(xué)的動作要輕,以免影響他人.五．?dāng)?shù)據(jù)處理水銀溫度計(jì)的校正與熱電偶的定標(biāo)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊凰y溫度計(jì)的校正1.學(xué)習(xí)水銀溫度計(jì)0℃沸點(diǎn)的校正法.2.學(xué)習(xí)溫度計(jì)溫標(biāo)分度修正值的計(jì)算方法.3.學(xué)習(xí)福廷氣壓計(jì)的使用方法.〔二熱電偶的定標(biāo)1.了解熱電偶測溫的原理和方法.2.掌握熱電偶的定標(biāo)方法.二、實(shí)驗(yàn)儀器〔一水銀溫度計(jì)的校正待較正溫度計(jì)〔0~100℃,分度值1℃1支、福廷氣壓計(jì)、加熱器、裝冰容器、冰等.〔二熱電偶的定標(biāo)熱電偶〔銅-康銅,-200~400℃、數(shù)字毫伏表、量熱器、加熱器、攪拌器、標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)〔0~100℃,分度值0.2℃、冰等實(shí)驗(yàn)原理〔一水銀溫度計(jì)的校正溫度計(jì)讀數(shù)的校正通常用兩種方法,分別是定點(diǎn)法和比較法,本實(shí)驗(yàn)采用定點(diǎn)法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量.定點(diǎn)法校正水銀溫度計(jì),即以純物質(zhì)的熔點(diǎn)或沸點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校正.實(shí)驗(yàn)過程中,先測量純凈水的0℃點(diǎn)〔若在原0刻度以下為負(fù)值,及沸點(diǎn).所確定的0℃點(diǎn)和沸點(diǎn),并不是原先0℃的刻度和100℃的刻度,在至間約分,計(jì)算出全部溫標(biāo)刻度的改正值Δt：為實(shí)驗(yàn)中所處的大氣壓下對應(yīng)的純凈水的沸點(diǎn)〔水的沸點(diǎn)與氣壓有關(guān),可查閱附錄表.若被測介質(zhì)的溫度計(jì)示讀數(shù)為t,校正該水銀溫度計(jì)后的實(shí)際溫度為：〔二熱電偶的定標(biāo)1．熱電偶工作原理如圖1所示,兩種不同成份的導(dǎo)體A、B〔稱為熱電偶絲或熱電極兩端接合成回路,當(dāng)兩接合點(diǎn)的溫度不同時〔T＞,在回路中就有電流產(chǎn)生.這一現(xiàn)象稱為溫差電效應(yīng)〔或稱賽貝克效應(yīng),相應(yīng)的電動勢稱溫差電動勢〔或賽貝克電動勢.熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的,其中,直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端〔也稱為測量端,另一端叫做冷端〔也稱為參考端,通常以0℃點(diǎn)為標(biāo)準(zhǔn)；冷端與顯示儀表或配套儀表連接,顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢.理論上,任何兩種不同的金屬導(dǎo)線均可組成熱電勢熱電偶,但實(shí)際上為了使熱電偶回路有較大的熱電勢,通常選擇耐高溫,易于熱電勢配制,而且熱電勢與溫差基本上呈線性關(guān)系等的金屬,本實(shí)驗(yàn)采用銅-康銅材料制備熱電偶,使用溫度范圍-20～400℃,熱電勢為4.15mv/100℃.本實(shí)驗(yàn)熱電偶測溫線路如圖2所示,金屬A的兩端分別和金屬B焊接,測量儀表插入A線中間〔或者插入B線之間理論上可以證明,在A、B兩種金屬之間插入任何一種金屬C,只要維持它和A、B的聯(lián)接點(diǎn)在同一個溫度,這個閉合電路中的溫差電動勢總是和只由A、B兩種金屬組成的熱電偶中的溫差電動勢一樣.2．熱電偶的定標(biāo)用實(shí)驗(yàn)方法確定熱電偶兩端溫度差大小與溫差電動勢的對應(yīng)關(guān)系曲線,稱為熱電偶的溫度定標(biāo).經(jīng)過定標(biāo)后的熱電偶,就可作為熱電偶溫度計(jì)使用了.本實(shí)驗(yàn)采用比較法來進(jìn)行熱電偶定標(biāo),即用被校熱電偶與一準(zhǔn)確度較高的標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì)去測同一介質(zhì)的溫度,在被校熱電偶的使用范圍內(nèi)改變不同的溫度,進(jìn)行逐點(diǎn)校準(zhǔn),就可得到被校熱電偶的一條校準(zhǔn)曲線.定標(biāo)裝置如圖3所示：當(dāng)熱電偶測量端與參考端〔0℃有溫差時,溫差電動勢則會在數(shù)字毫伏表上顯示出來.把經(jīng)過校準(zhǔn)的溫度計(jì)靠近測量端,先通過加熱器讓水沸騰,然后切斷加熱器電源讓水從沸點(diǎn)開始降溫,并在降溫過程中依次等間隔地記錄數(shù)字電壓毫伏表與標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的各組對應(yīng)值,即可作出熱電偶的定標(biāo)曲線.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容<一>水銀溫度計(jì)的校正1．0℃點(diǎn)的確定.把被校驗(yàn)的水銀溫度計(jì)豎直浸在冰水混合的容器中,實(shí)驗(yàn)過程使冰和水兩態(tài)并存,經(jīng)過5～10分鐘穩(wěn)定后,便可開始進(jìn)行0℃點(diǎn)的校正.通過多次測量取平均值確定0℃點(diǎn).實(shí)驗(yàn)過程中,由于系統(tǒng)不斷向外界吸熱,冰含量由于熔化逐漸變少,因此實(shí)驗(yàn)時注意在容器中多放冰塊,少放水；并在實(shí)驗(yàn)過程中及時添加冰塊,減少水.2．沸點(diǎn)的確定.把被校驗(yàn)的水銀溫度計(jì)套在軟木塞中,豎直放進(jìn)雙壁蒸汽鍋中,當(dāng)水沸騰5～10分鐘后記錄穩(wěn)定沸點(diǎn),重復(fù)數(shù)次取平均值確定沸點(diǎn).3．測量得到實(shí)驗(yàn)環(huán)境下純凈水的沸點(diǎn)〔1在福廷氣壓計(jì)上記錄溫度t及氣壓讀數(shù),并進(jìn)行修正〔福廷氣壓計(jì)使用法,參閱附錄：其中g(shù)、分別為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣群?5°海平面的重力加速度.〔2查附錄表,確定大氣壓為時所對應(yīng)的水沸點(diǎn)4．計(jì)算原溫標(biāo)每一分度值的改正值△t,校正該溫度計(jì)的溫標(biāo),列溫度校正表〔二熱電偶的定標(biāo)1．按定標(biāo)裝置圖3接好實(shí)驗(yàn)電路.2．參考端置于零度點(diǎn)的冰水混合物.3．測量端加熱至沸點(diǎn),在溫度～電壓表格中記錄標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與數(shù)字毫伏表對應(yīng)參數(shù)值.4．切斷加熱器電源,在測量端降溫過程中,等間隔記錄溫度～電壓各組參數(shù)值至室溫.5．制熱電偶定標(biāo)曲線〔溫度～電壓曲線.〔三實(shí)驗(yàn)提示1．使用溫度計(jì)以前,要注意觀察量程和認(rèn)清分度值.水銀正常使用的測溫范圍一般在全量程的30%～90%之間.由于溫度計(jì)熱膨脹響應(yīng)慢,讀數(shù)時一定要等到被測介質(zhì)與溫度計(jì)達(dá)到熱平衡后〔5～10分鐘才能讀數(shù).溫度計(jì)讀數(shù)時注意消除視差,視線應(yīng)與水銀柱凸表面相平.2．為了測量值準(zhǔn)確,要注意溫度計(jì)的浸入深度,同時溫度計(jì)水銀泡應(yīng)與被測對象的容器壁有一定的間距,與被測物體相接觸,若測液體,必須攪拌,使液溫均勻.熱電偶定標(biāo)實(shí)驗(yàn)可以把測量端和溫度計(jì)水銀泡繞在一起,置于水壺中央,且不接觸熱水壺電熱絲.3．冰水混合物中的冰塊要細(xì),水要少,且將熱電偶一端置于冰水混合物中心.4．在降溫過程中可加適當(dāng)?shù)募?xì)冰塊且充分的攪拌,待冰融解且溫度計(jì)的讀數(shù)穩(wěn)定才可讀數(shù).7、長度的測量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握游標(biāo)卡尺、螺旋測微計(jì)、讀數(shù)顯微鏡等常用長度測量儀器測量原理和使用方法.2.學(xué)習(xí)應(yīng)用有效數(shù)字記錄測量數(shù)據(jù)和不確定度計(jì)算.實(shí)驗(yàn)儀器游標(biāo)卡尺：分度值0.02mm,量程15cm,最大允許誤差為0.02mm螺旋測微計(jì)：分度值0.01mm,量程2.5cm,最大允許誤差為0.004mm讀數(shù)顯微鏡：分度值0.01mm,量程50mm,最大允許誤差為0.005mm待測樣品：口型遮光片、金屬圓柱筒、金屬片等.實(shí)驗(yàn)原理1、游標(biāo)卡尺構(gòu)造及讀數(shù)原理游標(biāo)卡尺主要由兩部分構(gòu)成,如<圖1>所示：在一毫米為單位的主尺上附加一個能夠滑動的有刻度的小尺〔副尺,叫游標(biāo),利用它可以把主尺估讀的那位數(shù)值較為準(zhǔn)確地讀出來.圖1游標(biāo)卡尺在構(gòu)造上的主要特點(diǎn)是：游標(biāo)上N個分度格的總長度與主尺上〔N-1個分度格的長度相同,若主尺上最小分度為a,游標(biāo)上最小分度值為b,則有Nb=〔N-1>a〔2.1那么主尺與游標(biāo)上每個分格的差值〔游標(biāo)的精度值或游標(biāo)的最小分度值是：〔2.2圖2常用的游標(biāo)是五十分游標(biāo)<N=50.另有10分度的、20分度的、50分度游標(biāo)卡尺>,即主尺上49mm與游標(biāo)上50格相當(dāng),見圖2.五十分游標(biāo)的精度值=0．02mm．游標(biāo)上刻有0、l、2、3、…、9,以便于讀數(shù).毫米以上的讀數(shù)要從游標(biāo)"0"刻度線在主尺上的位置讀出,毫米以下的數(shù)由游標(biāo)〔副尺讀出.即：先從游標(biāo)卡尺"0"刻度線在主尺的位置讀出毫米的整數(shù)位,再從游標(biāo)上讀出毫米的小數(shù)位.游標(biāo)卡尺測量長度l的普遍表達(dá)式為〔2.3式中,k是游標(biāo)的"0"刻度線所在處主尺刻度的整刻度〔毫米數(shù),n是游標(biāo)的第n條線與主尺的某一條線重合,.圖3所示的情況,即.圖3在用游標(biāo)卡尺測量之前,應(yīng)先把量爪A、B合攏,檢查游標(biāo)的"0"刻度線是否與主尺的"0"刻度線重合.如不重合,應(yīng)記下零點(diǎn)讀數(shù),加以修正,即待測量.其中,為未作零點(diǎn)修正前的讀數(shù)值,為零點(diǎn)讀數(shù).可以正,也可以負(fù).使用游標(biāo)卡尺時,可一手拿物體,另一手持尺,如圖4所示.要特別注意保護(hù)量爪不被磨損.使用時輕輕把物體卡住即可讀數(shù).圖4游標(biāo)卡尺使用注意事項(xiàng)〔１使用前,首先要弄清其規(guī)格〔２根據(jù)被測對象情況,決定使用外測量爪、內(nèi)測量爪、尾尺.〔３校正零點(diǎn)讀數(shù).若量爪A、Ｂ接觸時,游標(biāo)０線與主線不重合,應(yīng)找出修正量,然后再使用.〔４注意保護(hù)量爪,預(yù)防卡口磨損.為此測量時不應(yīng)將待測物卡得太緊.〔５用畢將其固定螺絲松開,然后將游標(biāo)卡尺放入包裝盒.2、螺旋測微器<千分尺>常見的螺旋測微器如〔圖5所示.它的量程是25mm,分度值是0.01mm.螺旋測微器結(jié)構(gòu)的主要部分是一個微螺旋桿.螺距是0.5mm.因此,當(dāng)螺旋桿旋一周時,它沿軸線方向只前進(jìn)0.5mm.圖5螺旋柄圓周上,等分為50格,螺旋桿沿軸線方向前進(jìn)0.01mm時螺旋柄圓周上的刻度轉(zhuǎn)過一個分格,這就是所謂機(jī)械放大原理.測量物體長度時,應(yīng)輕輕轉(zhuǎn)動螺旋柄后端的棘輪旋柄,推動螺旋桿,把待測物體剛好夾住時讀數(shù),可以從固定標(biāo)尺上讀出整格數(shù)〔每格0.5mm.圖6螺旋測微計(jì)的讀數(shù)方法：〔1測量前后應(yīng)進(jìn)行零點(diǎn)校正,即以后要從測量讀數(shù)中減去零點(diǎn)讀數(shù).零點(diǎn)讀數(shù)時順刻度序列記為正值,反之為負(fù)值.〔2讀數(shù)時由主尺讀整刻度值,0.5mm以下由微分套筒讀出,并估讀到0.001mm量級.〔3要特別注意主尺上半毫米刻線,如果它露出到套筒邊緣,主尺上就要讀出0.5mm的數(shù).螺旋測微器使用注意事項(xiàng)：〔1使用前,首先要弄清其規(guī)格,選用合適的量程.〔2校正零點(diǎn)讀數(shù).〔3先用粗測旋鈕使測頭小砧接近被測物,后用微調(diào)旋鈕使測頭小砧接觸被測物.聽到"喀"、"喀"止動聲后停止旋轉(zhuǎn).否則易損傷測微螺桿.〔4讀數(shù)時要注意固定刻度尺上表示半毫米的刻線是否已經(jīng)露出.〔5測量完畢應(yīng)使測微螺桿與測砧之間留有空隙,以防因熱膨脹損壞螺紋.3.讀數(shù)顯微鏡讀數(shù)顯微鏡是用來測量微小距離或微小距離變化的.其構(gòu)造分為觀察被測物體的顯微鏡和讀數(shù)的螺旋測微裝置.讀數(shù)顯微鏡的量程一般為50mm,分度值是0.01mm,可估讀到0.001mm.讀數(shù)顯微鏡的使用：1.將讀數(shù)顯微鏡適當(dāng)安裝,對準(zhǔn)待測物；2.調(diào)節(jié)顯微鏡的目鏡,以清楚地看到叉絲〔或標(biāo)尺；3.調(diào)節(jié)顯微鏡物鏡焦距,使被測物體成像清晰；4.旋轉(zhuǎn)測微手輪,使叉絲豎線與被測物體的兩端面相切；5.分別讀出相切時標(biāo)尺所對應(yīng)的讀數(shù)L1和L2,兩者讀數(shù)之差△L=L1-L2即被測物體的長度.讀數(shù)顯微鏡使用注意事項(xiàng)：<1>測量時,顯微鏡移動方向與待測長度平行.<2>同次測量中,測微手輪須恒定向一個方向旋轉(zhuǎn),避免產(chǎn)生空程誤差.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．用螺旋測微計(jì)測量金屬片的厚度10次.測量時應(yīng)注意—零點(diǎn)讀數(shù)和使用棘輪旋柄.〔先選量程,再定零點(diǎn)讀數(shù),最后用粗測和微調(diào)旋鈕測量2．分別用游標(biāo)卡尺測量圓柱筒內(nèi)、外徑和高各10次,求出圓柱筒的體積.3．用讀數(shù)顯微鏡測量口型遮光片的縫寬10次.〔先調(diào)目鏡,后調(diào)物鏡4.數(shù)據(jù)處理及相關(guān)公式提示：i.直接測量量的不確定公式ii．直接測量量不確定合成公式P=0.68iii．不確定傳遞公式附錄1:游標(biāo)卡尺的示值誤差限<P59>附錄2：tp與n的關(guān)系〔P34iv．金屬片的厚度結(jié)果表示為〔mm〔P＝0.68△儀＝0.004mm,,總不確定度.v．讀數(shù)顯微鏡測量口型遮光片寬度.數(shù)據(jù)處理方法同iv,△儀＝0.005mm.vi．用游標(biāo)卡尺測圓柱筒的內(nèi)外徑及高.d、D、h都為直接測量量,不確定度的處理方法同iv.體積V為間接測量量,利用不確定度傳導(dǎo)公式計(jì)算體積的不確定度.結(jié)果表示為：<單位>〔P=0.68不確定度傳導(dǎo)公式：數(shù)據(jù)處理8.物體密度的測量一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握物理天平秤衡法；2、掌握用流體靜力秤衡法測量不規(guī)則固體密度；3、掌握用比重瓶法測小粒固體密度.二、實(shí)驗(yàn)儀器物理天平〔感量0.1g,稱量1000g、砝碼、比重瓶〔100ml、燒杯〔450ml、溫度計(jì)〔50°/0.1°、待測大塊固體,待測小粒固體等.三、實(shí)驗(yàn)原理1．流體靜力稱衡法測量非均勻?qū)嵭奈镔|(zhì)設(shè)某一不規(guī)則實(shí)心物質(zhì)在空氣中的質(zhì)量m1,其浸沒在密度為ρ0的液體中的視質(zhì)量m2〔設(shè)該物質(zhì)的密度大于液體根據(jù)阿基米德原理,浸沒在液體中的物質(zhì)所受浮力的大小等于它所排開液體的重量,可知該物質(zhì)的體積為：由此得待測大塊物質(zhì)的密度：2．比重瓶法使用傳統(tǒng)方法測量細(xì)小、顆粒狀的實(shí)心物質(zhì)存在較大的誤差,因此,在本實(shí)驗(yàn)中引入比重瓶,通過定容法測量該種類物質(zhì)的密度.比重瓶是容積固定<恒定溫度下>的容器,用玻璃制成,其瓶塞是一個中間有毛細(xì)管的磨口塞子.使用時,注入液體到瓶口,用塞子塞緊,多余的液體就會通過毛細(xì)管流出,從而保證比重瓶的容積恒定.設(shè)待測粒狀實(shí)心物質(zhì)的質(zhì)量為m1,所選用比重瓶盛滿已知密度ρ0的液體后瓶和液體的總質(zhì)量為m2,然后把待測物質(zhì)裝入比重瓶中,排出多余的液體后三者總質(zhì)量為m3,則排出液體的體積即為質(zhì)量為m1的粒狀物質(zhì)的體積：可得待測粒狀物質(zhì)的密度為：可見,兩種方法都是根據(jù)阿基米德定律,通過易于測量的被排出水體積得到不易測量的物質(zhì)體積,從而求出該物質(zhì)的密度.當(dāng)然,所測物質(zhì)不能溶于實(shí)驗(yàn)所用液體.四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.物理天平的調(diào)節(jié)：〔1調(diào)節(jié)水平：通過調(diào)節(jié)底腳螺母,使得底座上水準(zhǔn)儀中的氣泡處于中間位置；〔2調(diào)節(jié)零點(diǎn)：把托盤掛到刀口上,游碼歸零,輕啟橫梁,觀察指針偏轉(zhuǎn)方向,關(guān)閉天平,合理調(diào)節(jié)平衡螺母,使得打開天平時,指針指向零；〔3檢查靈敏度：移動游碼0.1g,記錄指針偏離格數(shù),計(jì)算感量和靈敏度.〔4記錄室溫,查表得到實(shí)驗(yàn)環(huán)境下水的密度.2.用流體靜力秤衡法測銅塊密度〔1用物理天平測量銅塊在空氣中的質(zhì)量；〔2用燒杯取適量水,放置到托架上；〔3把待測銅塊完全浸沒在水中,測量此時銅塊的視質(zhì)量.3.比重瓶法測鉛粒的密度〔1取適量的鉛?！泊笥?00g,采用復(fù)秤法測量鉛粒的質(zhì)量；〔2取一比重瓶,并裝滿水,擦干瓶壁外側(cè)的水分,用復(fù)秤法測量該質(zhì)量；〔3把待測鉛粒完全裝在比重瓶中,并裝滿水,擦干屏蔽外側(cè)的水分,用復(fù)秤法測量帶有待測鉛粒并裝滿水的比重瓶質(zhì)量.4.實(shí)驗(yàn)提示〔1不能再橫梁懸空狀態(tài)下調(diào)節(jié)左右配平螺絲或加減砝碼；不能用手抓砝碼,應(yīng)用鑷子夾.〔2采用流體靜力秤衡時,必須保證進(jìn)入液體后物質(zhì)的性質(zhì)不變.〔3實(shí)驗(yàn)前應(yīng)清潔物體表面,避免占有灰塵、油脂等；懸掛在液體中的物質(zhì),若附上氣泡會影響浮力,注意消除.〔4比重瓶內(nèi)壁及小粒物質(zhì)若附上氣泡影響測量的體積,注意消除.9.示波器的使用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解示波器的原理和基本結(jié)構(gòu)；2、掌握開機(jī)的調(diào)節(jié)步驟,用示波器測量交流信號的電壓、頻率及位相差.二、實(shí)驗(yàn)儀器LDS20410雙蹤示波器、EE1641B1型函數(shù)信號發(fā)生器/計(jì)數(shù)器、移相器三、實(shí)驗(yàn)原理1、示波器顯示原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)一個信號輸入示波器時,示波器采集了信號中電壓隨時間的變化規(guī)律,是一維的信息,無法在屏幕上顯示二維的圖形,因此在示波器屏幕上要顯示交流電壓信號的波形,也還需要加一個沿x軸方向的勻速運(yùn)動的掃描電壓信號,如圖1所示.Ux的正方向的勻速運(yùn)動與Uy豎直方向的簡諧振動相互顯示了正弦波形,這就是示波器波形顯示的原理.當(dāng)然如果x軸外加其他電壓信號,其顯示的波形將會是Ux和Uy疊加的結(jié)果,假設(shè),則,,消去t即可得到y(tǒng)=y〔x的方程由此可以根據(jù)不同的目的在示波屏上顯示各式各樣的波形.示波器的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.交流信號輸入后,經(jīng)過增益等處理,把信號傳遞給采集模塊和觸發(fā)端,通過觸發(fā)端來進(jìn)行信號的觸發(fā)和釋抑,以控制何時采集數(shù)據(jù)、觸發(fā)間隔以采集數(shù)據(jù).而后通過采集系統(tǒng)采集后在顯示屏上顯示有意義的波形.2、測量交流信號的電壓、周期、頻率的方法當(dāng)波形顯示在屏幕上以后,可以通過測量方法來得到波形的相關(guān)信息,一般的測量方法有：直接測量法、光標(biāo)法和自動測量法.測量的基本原理：通過調(diào)節(jié)增益V/DIV,在示波器上顯示大小適中、穩(wěn)定的正弦波形,選擇其中一個完整的波形,測算波形峰峰值的垂直距離DIV,則峰峰值電壓Uy=DIV*V/DIV*探頭增益；同理測算信號n個周期的水平距離DIV,則信號周期T=<DIV*T/DIV>/n.3、相干信號位相差的測量1雙蹤法輸入頻率相同、初相位不同的兩列波形信號,采用雙蹤法方式工作,觸發(fā)源選擇CH1或CH2,得到被測波形,其一個周期在坐標(biāo)刻度片上占8DIV,即每1DIV相應(yīng)為45°兩列波相鄰波峰的水平距離△x為1.5DIV,則兩列信號的相位差為2李薩如圖形法將一個正弦波電壓加到熒光屏垂直偏轉(zhuǎn)板,把另一個正弦波電壓加到水平偏轉(zhuǎn)板.這樣熒光屏上出現(xiàn)的圖形為一個橢圓,有它能很容易求出兩電壓之間的相位差.同頻率的兩個交流電在熒光屏上的圖形,由兩電壓的相位差確定,如圖3所示.如果兩個交流電的最大值Ux和Uy相同,且示波器的放大器在水平和豎直方向的偏轉(zhuǎn)靈敏度相同,根據(jù)振動的合成規(guī)律很容易知道,當(dāng)兩電壓的相位差ψ=0°或ψ=180°時,圖形是一條與x軸夾角為45°或135°的直線；當(dāng)ψ=90°或270°時,圖形是一個圓.若兩電壓的頻率成整數(shù)倍,屏上可得到比較復(fù)雜的穩(wěn)定圖形.現(xiàn)設(shè)從CH1和CH2通道分別輸入兩個同頻率、有一定相位差的信號,選擇合適的靈敏度,并采用外觸發(fā)工作方式,即可在示波屏上觀察到如圖4的李薩如圖形.令,假定波形在x軸線上的截距為2,則對x軸上的P點(diǎn)有：及.所以相位差為：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)調(diào)節(jié)信號發(fā)生器,頻率調(diào)到3.000kHz,電壓調(diào)至5V.1.示波器選中CH1通道并將一個探頭接到CH1上,將探頭與信號源的一個輸出端相接,將探頭接地端與信號源另一個輸出端相接.2.調(diào)節(jié)CH1通道的時間靈敏度和電壓靈敏度,將圖形調(diào)到適當(dāng)大小,調(diào)節(jié)上下、左右位移旋鈕,將圖形調(diào)到合適位置.3.數(shù)出圖形最高點(diǎn)和最低點(diǎn)相差格數(shù),并記下此時的電壓靈敏度.4.選中光標(biāo)鍵,光標(biāo)模式設(shè)為手動,光標(biāo)類型設(shè)為V,出現(xiàn)橫向的兩條光標(biāo),選擇CURA,調(diào)節(jié)公用旋鈕將光標(biāo)調(diào)至最低端,在取消CURA,選擇CURB,調(diào)公用旋鈕將另一個光標(biāo)調(diào)至圖形最高端,讀出的數(shù)值即為電壓峰峰值.5.取消光標(biāo),按測量鍵,選擇電壓峰峰值測量,即讀出電壓峰峰值.6.讀出圖形6、7、8個周期所占格數(shù),并記下此時的單位時間.7.選中光標(biāo)鍵,光標(biāo)模式設(shè)為手動,光標(biāo)類型設(shè)為T,出現(xiàn)縱向的兩條光標(biāo),調(diào)節(jié)公用旋鈕將兩光標(biāo)調(diào)至圖形的6、7、8個周期,即讀出6、7、8個周期的時間.8.將CH2通道也選中,接好探頭.將信號源的兩個輸出端分別接在移相器的A、B接點(diǎn),CH1、CH2的接地端都接在O接點(diǎn).CH1探頭接在P接點(diǎn),CH2探頭接在A接點(diǎn),示波器上會顯示出兩列正弦波.9.按sweep鍵,將格式從Y-T調(diào)為X-Y,調(diào)節(jié)CH1、CH2下方的VOLTS/DIV旋鈕來調(diào)整橫向和縱向的拉伸,調(diào)節(jié)SEC/DIV旋鈕調(diào)整光波數(shù)的密度,調(diào)節(jié)CH1、CH2的位移旋鈕調(diào)節(jié)圖像的位置,直到出現(xiàn)一個比較清晰的橢圓.10.調(diào)節(jié)橢圓位置,測出截距2和2b.10、RC暫態(tài)串聯(lián)電路的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、通過對RC串聯(lián)電路暫態(tài)過程的研究,加深對電容特性的認(rèn)識.掌握時間常數(shù)τ的意義及測量方法.2、進(jìn)一步熟悉示波器的使用.二、實(shí)驗(yàn)儀器EE1641B1型函數(shù)信號發(fā)生器,LDS20410數(shù)字示波器,RX7/0型十進(jìn)式電容箱,ZX21型旋轉(zhuǎn)式電阻箱〔新〔,導(dǎo)線若干三、實(shí)驗(yàn)原理1、RC串聯(lián)電路如圖1即為RC串聯(lián)電路,當(dāng)開關(guān)K打向"1"時,電源E對電容C充電,若在此之前電容C無電荷積累,則稱此為RC電路的零狀態(tài)響應(yīng)；在電容充有電荷的情況下,若將開關(guān)K打向"2",則電容對電路放電,稱此為零輸入響應(yīng).根據(jù)基爾霍夫定律可得,在零狀態(tài)響應(yīng)時,有：可得：對式子的兩邊進(jìn)行積分則電阻R兩端的電壓：在零輸入響應(yīng)時,有：對式子再次進(jìn)行積分,取Uc從E到0,時間0到t可得：由〔1-1至〔1-4式可以描述電路中,元件R、C兩端電壓Ur、Uc隨時間t變化的充放電過程,如圖2從圖中可以看出不管是充電還是放電Uc和Ur都是按照指數(shù)規(guī)律變化的.充電時,E=Ur+Uc,電容兩端電壓Uc隨充電電量q的增加而逐漸增加,而隨著q或Uc的增加,Ur相應(yīng)減少.同理放電時,Uc+Ur=0,開始時Uc=E,Ur=-E,逐漸放電后,電能逐漸消耗在電阻上,使得Uc和Ur逐漸趨于零.2、時間常數(shù)τ的測量在RC暫態(tài)電路中,時間常數(shù)τ是一個重要的參數(shù),它唯一決定了暫態(tài)過程的快慢.τ值可以通過測量示波器屏幕上顯示的Uc和Ur曲線然后采用最小二乘法得到,具體做法如下〔以Uc充電為例.記錄充電時Uc〔t曲線上所對應(yīng)的幾個坐標(biāo)參數(shù),并在相同靈敏度下測量出方波信號的幅值E.將〔1-1式改寫為,并在兩邊取對數(shù),可得：令x=t,y=ln<E-Uc>,則〔2-1式可寫為直線方程y=kx+b的形式.通過作圖法或最小二乘法求出斜率k,則可得：四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、用示波器測量信號發(fā)生器產(chǎn)生的方波信號的重要參數(shù)1、打開示波器的開關(guān),讓它預(yù)熱20秒.打開信號發(fā)生器的開關(guān),旋轉(zhuǎn)頻率調(diào)節(jié)旋鈕,調(diào)節(jié)頻率為1000Hz,旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕,調(diào)節(jié)電壓為4.0V,按下電源波形按鈕,將波形調(diào)為方波.因?yàn)閮x器穩(wěn)定有一段時間,所以要等待15分鐘后再進(jìn)行下面的實(shí)驗(yàn).2、將信號發(fā)生器的紅線和示波器的通道線相接,信號發(fā)生器的黑線和示波器的通道接地線相接.示波屏上出現(xiàn)一串方形波.按下自動測量功能鍵,用示波屏右邊的菜單鍵選擇"峰峰值",記錄下此時直接測量的峰峰值；用示波屏右邊的菜單鍵選擇"周期",記錄下此時直接測量的周期.記錄下此時的波形圖,這是電源電壓的波形圖.二、用示波器測量RC電路三種暫態(tài)的圖形和重要參數(shù)3、如上原理中的電路連接示意圖所示連接電路,將電容箱的電容調(diào)成0.1μF,電阻箱阻值調(diào)成100Ω.4、通過旋轉(zhuǎn)CH1通道垂直偏轉(zhuǎn)系數(shù)開關(guān)〔改變波形的高度,調(diào)至CH1=2V和掃描時基開關(guān)〔改變波形的寬度,調(diào)至M=200μs調(diào)節(jié)波形的大小,通過旋轉(zhuǎn)CH1垂直位移旋鈕〔改變波形上下位置和水平位置旋鈕〔改變波形左右位置,使示波屏上出現(xiàn)大小適中、清晰穩(wěn)定的波形圖.5、按下光標(biāo)測量功能鍵,用光標(biāo)進(jìn)行測量.用第一個菜單鍵來控制光標(biāo)的功能和開關(guān),選擇手動.用第二個菜單鍵來選擇測量對象為電壓V.用第四、第五菜單鍵來控制操作的光標(biāo)對象,用共用功能鍵來控制光標(biāo)的移動,讓兩個光標(biāo)分別置于峰頂和峰谷.6、逐漸調(diào)大電阻箱的阻值,每次調(diào)大100Ω,觀察波形的變化情況,當(dāng)波形與光標(biāo)的兩條線有一部分重合,此時為未飽和狀態(tài).當(dāng)波形與光標(biāo)的兩條線相切〔只有一個交點(diǎn)時,此時達(dá)到臨界狀態(tài).當(dāng)波形與光標(biāo)的兩條線完全分離,此時為飽和狀態(tài).分別記錄下未飽和狀態(tài)、臨界狀態(tài)和飽和狀態(tài)下的波形圖〔未飽和狀態(tài)下和臨界狀態(tài)下可任選一阻值,最好能鮮明的表示這個狀態(tài)下的波形特點(diǎn)和每個波形圖對應(yīng)的電阻箱的阻值.這是三個狀態(tài)下電路