《電磁學實驗》ppt課件

1、大學物理實驗電磁學實驗主要內(nèi)容：n實驗引見n 用示波器顯示二極管的伏安特性 n 電子射線的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)n 用UJ31型電位差計較正電表n 靈敏電流計的特性研討n 霍爾效應n 應變式測力傳感器與非平衡電橋n n數(shù)據(jù)處置方法n 最小二乘法線性擬合實驗一 用示波器顯示二極管的伏安特性 問題：1可以用示波器丈量的物理量有哪些？2如何用伏安法測元件的伏安特性？3二極管伏安特性曲線是線性還是非線性？如何丈量其導通電壓？伏安法元件二極管的伏安特性AVXYSS7802A二綜示波器面板引見 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

2、36 37 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 38 39 40 41 42 n1示波管的構(gòu)造n2 電子射線的電偏轉(zhuǎn)位移與電偏轉(zhuǎn)電壓的關(guān)系？n3 電偏轉(zhuǎn)靈敏度與加速電壓的關(guān)系？n4電子射線的磁偏轉(zhuǎn)位移與磁場勵磁電流的關(guān)系？實驗二電子射線的電偏轉(zhuǎn)和磁偏實驗二電子射線的電偏轉(zhuǎn)和磁偏轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 1 熱陰極：前端涂有氧化物，當燈絲中通入電流時，陰極受熱而發(fā)射電子，并構(gòu)成電子流。2 控制柵極：套在陰極外側(cè)，任務時柵極電勢低于陰極，即調(diào)理柵極電勢的高低可以控制到達熒光屏的電子流強度， “輝度調(diào)理。 3 陽極：陽極電壓對陰極約1000V，可使電子流獲得很高的速度，陽極區(qū)的不均勻

3、電場還能將由柵極過來的散開的電子流聚焦成一窄細的電子束，改動陽極電壓可以調(diào)理電子束的聚焦程度，即熒光屏上光點的大小，稱為“聚焦調(diào)理。4 偏轉(zhuǎn)板：X/Y5 熒光屏示波管的構(gòu)造示波管的構(gòu)造示波器構(gòu)造示波器構(gòu)造和任務原理和任務原理在偏轉(zhuǎn)板間，x方向電子不受力，以速度u作勻速直線運動勻速直線運動，y方向，電子作出速度為零的勻加速運動，電子的運動方程： 1進入偏轉(zhuǎn)場前使電子加速電壓是Va ，加速電場對電子做的功全部轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥膭幽埽?代入1得2222121uxmeEatyl區(qū)間，拋物線運動l界限外，勻速直線運動meVueVmuaa2212224xDVVya2電子射線的電偏轉(zhuǎn)電子射線的電偏轉(zhuǎn)n在x=l處對

4、2式求微商有n n由 得到： lDVVdxdytgalx22Lstg2DVVlLsa2由此可知電子的位移和偏轉(zhuǎn)電壓成正比。 驗證！電偏轉(zhuǎn)的靈敏度電偏轉(zhuǎn)的靈敏度n定義：當偏轉(zhuǎn)板上加單位電壓時所引起的電子束在熒光屏上的位移 n (4)n單位：mm/V或者div/Vn(3)代入(4)VsDDVlLaD2由此可知dD與加速電壓成反比，加速電壓愈大， dD愈低。 驗證！電子射線的電偏轉(zhuǎn)電子射線的電偏轉(zhuǎn)電子射線的磁偏轉(zhuǎn)電子射線的磁偏轉(zhuǎn)當運動電子進入一范圍不大，但方向與運動方向垂直的磁場中，電子將遭到洛侖茲力，運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)磁場為均勻磁場， 與電偏轉(zhuǎn)類似，磁偏轉(zhuǎn)的位移euBRmu2amVeknIlLs

5、2s I驗證！磁偏靈敏度dB：aBmVeknlL2aBV1實驗三用實驗三用UJ31型電位差計較正電表型電位差計較正電表問題：1電位差計如何丈量電勢差？2電位差計的級別是多少？量程是多少？為什么可以用其較正電表？3電表的級別如何確定？n根本原理：電壓補償原理n電位差計原理圖規(guī)范電流的校準規(guī)范電流的校準未知電勢差的丈量未知電勢差的丈量級別：0.05 任務電流：10mA 量程：17.1mV/171mV電表的準確度和級別：n按國家規(guī)范，電表的準確度分為7個等級：n 0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0n設(shè)電表的等級為a，那么%100%maxmaxXamax為電表的最大絕對誤差，Xma

6、x為電表量程。例：0.5級量程為01A電流表， Dmax5mA，這表示消費廠家消費此種規(guī)格的電表，其根本誤差必需在5mA以內(nèi)，運用該電表時，可以以為它最大的絕對誤差不超越5mA。實驗四實驗四 靈敏電流計的特性研討靈敏電流計的特性研討n問題：n1如何提高靈敏度？n2如何丈量其技術(shù)參數(shù)？包括電流靈敏度、電壓靈敏度、內(nèi)阻、臨界外阻n3電流計的三種運動形狀是什么？如何產(chǎn)生？n構(gòu)造：提高靈敏度的措施n1 線圈輕，小n2 懸絲n3 光指針 靈敏電流計的構(gòu)造靈敏電流計的構(gòu)造當線圈里有電流I經(jīng)過時，線圈在磁場中遭到磁力矩MB，發(fā)生偏轉(zhuǎn)，懸絲被改動，由于彈性懸絲產(chǎn)生一個反向的彈性扭力矩MD，它們分別為：靈敏電流

7、計的構(gòu)造靈敏電流計的構(gòu)造BNAIMBaDMD當兩者平衡時，即MB= MD，可以得到靈敏電流計的電流靈敏度：DBNAISgiaDrBNAVrISggVaa電壓靈敏度： ， r為靈敏電流計內(nèi)阻D為單位轉(zhuǎn)角的扭力矩，a為偏轉(zhuǎn)角度丈量靈敏電流計靈敏度的電路丈量靈敏電流計靈敏度的電路根據(jù)部分電路歐姆定律有：)(rRIVRRRgbabIg為實驗中固定經(jīng)過電流計的電流，經(jīng)過改動V和R控制；r為電流計內(nèi)阻。上式可改寫為rVRRIRRbagb)(R和V為一線性函數(shù)關(guān)系，經(jīng)過丈量一系列的(Vi， Ri)，去驗證線性關(guān)系。如何驗證？)(bagbRRIRbra 斜率：截距的絕對值： )(babgRRbRISi ，SV

8、n根據(jù)線圈所受力矩列出其運動的微分方程如下：電流計的三種運動形狀電流計的三種運動形狀dtdpDNABIMMMdtdJfDB22NABIDdtdpdtdJ22rRNABp2)(為阻力系數(shù) 實驗五實驗五 霍爾效應霍爾效應n問題1什么是霍爾效應？n 2霍爾電壓與哪些要素有關(guān)？半導體:P型半導體N型半導體霍爾效應霍爾效應將通有電流的半導體薄片置于磁場中，并使薄片平面垂直于磁場方向，漂移速度為v的載流子，遭到磁場力：的作用向某一側(cè)面積聚，在側(cè)面上積聚的電荷將在薄片中構(gòu)成橫向電場E，使載流子遭到電場力在開場階段，電場力比磁場力小，電荷將繼續(xù)向側(cè)面積聚。隨著積聚電荷的添加，電場不斷加強，直到載流子所受的電場

9、力與磁場力相等 qvBfmHeqEf emffnqbIBaEUHH霍爾電壓：n令 為霍爾系數(shù)，那么 ，所以n nqRH1bIBRUHHIBbURHH有以上關(guān)系式：1 經(jīng)過求出RH，判別半導體的類型2 與金屬相比，半導體的霍爾效應更顯著3 研討載流子濃度與溫度的變化規(guī)律4根據(jù)霍爾電壓與磁感應強度的關(guān)系，霍爾片可以用來制造丈量磁場的儀器nqbIBaEUHHn令)(1IBnqbUHnqbKH1IBKUHHKH稱為霍爾靈敏度，它決議了I、B一定時霍爾電勢差的大??；KH由資料的性質(zhì)及元件的尺寸決議；對一定的元件KH是常量，單位為伏特每安培特斯拉；對于KH確定的元件，當電流I一定時，霍爾電勢差UH與該處的

10、磁感應強度B成正比，因此可以經(jīng)過丈量霍爾電勢差UH而間接測出磁感應強度B。 n丈量時留意：丈量時留意：n使霍爾片平面與被測磁感應強度矢量使霍爾片平面與被測磁感應強度矢量B的方向垂直的方向垂直 ；n由于不等位電勢差和副效應的存在，這由于不等位電勢差和副效應的存在，這些情況下丈量的電勢差與磁場、電流的方些情況下丈量的電勢差與磁場、電流的方向有關(guān)，因此在丈量時要改動磁場、電流向有關(guān)，因此在丈量時要改動磁場、電流的方向以消除這些附加誤差，故取的方向以消除這些附加誤差，故取+B、+I、+B、-I、-B、-I、-B、+I四種條件下進展丈量，將丈量到的四種條件下進展丈量，將丈量到的UH取絕取絕對值平均，作為

11、丈量結(jié)果。對值平均，作為丈量結(jié)果。 實驗六實驗六 應變式測力傳感器與非平衡電橋應變式測力傳感器與非平衡電橋n問題：n1 如何用金屬絲應變片丈量分量？n2 非平衡電橋檢測微小信號的原理是什么？ n當今屬絲電阻應變片在外力作用下發(fā)活力械變形時，其電阻值發(fā)生變化，此景象稱之為電阻應變效應。這也是電阻應變片任務的物理根底。nnn應變式電阻傳感器原理應變式電阻傳感器原理SlR 導體的電阻值：1假設(shè)導線軸線方向施加拉力或壓力使之產(chǎn)生形變，其電阻值也會隨之變化，這種景象稱為應變電阻效應。 將式1兩邊取對數(shù) SlRlnlnlnln2mmKK21)21 (llllllllRRlldllddm為金屬絲直徑）其中(

12、4(2)式兩邊微分那么得SdSldldRdR3K為應變片的靈敏系數(shù)U0U惠斯通電橋電路惠斯通電橋電路1234R2R1R3R4電橋的輸出電壓URRRURRRUUUUU4342122124140在此初始形狀下，即應變片未接受應變時，調(diào)理其它橋臂電阻使電橋處于平衡形狀，即輸出電壓032410RRRRU3241RRRR從而可以得到電橋初始平衡條件為 非平衡電橋的任務原理及計算方法 當應變片接受應變時，應變片產(chǎn)生的變化：電橋處于不平衡形狀，其輸出電壓為 ：XKRR11URRRURRRRUUUUU43421122124140URRRRRRRRRR341211341111R2U0U輸出端接差放的直流非平衡電

13、橋電路輸出端接差放的直流非平衡電橋電路1234R1R3R4A-DR1n假設(shè)在初始形狀有R1=R2， R3=R4 ，及DR1R1，簡化：URRURRRRU111111041211141存在非線性誤差，在實踐運用時常采用差動電橋以消除非線性誤差 非平衡電橋的任務原理及計算方法非平衡電橋的任務原理及計算方法URRRRRRRRRRU3412113411011非平衡電橋的任務原理及計算方法非平衡電橋的任務原理及計算方法R1+R1 R2-R2 R3 R4 1 U0 U 2 3 4 （a）半橋差動電路）半橋差動電路 1121021RRUUUU半半橋差動電路的輸出電壓 全橋差動電路的輸出電壓11210RRUU

14、UU全R1+R1 R2-R2 R3-R3 R4+R4 U0 U 3 1 2 4 （b）全橋差動電路）全橋差動電路 3 差動電橋差動電橋 UURRUK0全 應變電橋輸出電壓與載荷的關(guān)系雙彎曲梁的應變?yōu)?223EbhadWd梁端到梁中心的間隔；梁端到應變片的間隔；h梁厚度；b梁寬度；E資料的彈性模量；a應變片的基長；2/0CWU半4/0CWU CWU全0223EbhadKUC令n聲速是描畫聲波在媒質(zhì)中傳播快慢的一個物理量，其丈量方法可分為兩類：n1 根據(jù)公式u=s/t，由聲波傳播路程s所需的時間t，去求聲速u；n2 根據(jù)公式u=nl，丈量聲波的頻率n和波長l去求聲速u。丈量聲波波長的兩種方法：振幅

15、極值法和相位比較法。聲速測定超聲 1 振幅極值法振幅極值法發(fā)射器聲源發(fā)出的平面波，經(jīng)空氣傳播到相距一定間隔的接納器，假設(shè)接納面與發(fā)射面平行，入射波即在接納面上垂直反射，在接納面上的反射波到達發(fā)射面上時又能夠反射回去，這樣，在發(fā)射面與接納面之間，往返聲波多次疊加。當發(fā)射面與接納面之間的間隔為l/2的整數(shù)倍時，其聲壓的極大值隨間隔呈周期性變化，相鄰兩聲壓極大值之間的間隔為l/2 。波長的丈量波長的丈量波長的丈量波長的丈量2 相位比較法波源發(fā)射的聲波與接納到的聲波是同一列波上兩處信號，這兩信號分別送入處于外接的示波器的X、Y 輸入端，它們的方程分別為 )cos()cos(2211tAytAx當兩諧振

16、動的相位差為p時，示波器上看到的是一條傾于二、四象限的直線；當兩諧振動的相位差為2p時，示波器上看到的是一條傾于一、三象限的直線。 波長的丈量波長的丈量n空氣的比熱容比聲波在理想氣體中的傳播過程，可以以為是絕熱過程，因此傳播速度可以表示為RTuTuR2式中R為摩爾氣體常量R=8.314J/molK，g是氣體的比熱容比，它是氣體的比定壓容CP與比定容熱CV之比，即g =CP/CV，m為氣體的摩爾質(zhì)量 。n空氣媒介中聲速的實際計算21003192. 011ppTtuu思索到空氣中水蒸汽的影響,聲速公式為 式中，u0為0時的聲速,對于空氣媒質(zhì),u0=331.45m/s p為大氣壓強，pw水蒸汽壓強，

17、 pw=eH，其中e為丈量溫度下空氣中水蒸汽的飽和蒸汽壓，H為相對濕度。n聲速測定中聲強的綜合衰減系數(shù) 22222聲壓聲壓 接收器位置 圖圖 3 聲壓變化與接收哭位置聲壓變化與接收哭位置 r的關(guān)系的關(guān)系 數(shù)據(jù)處置的根本方法數(shù)據(jù)處置的根本方法n列表法n作圖法n逐差法n最小二乘法線性擬合 作圖法可籠統(tǒng)、直觀地顯示出物理量之間的函數(shù)關(guān)系，也可用來作圖法可籠統(tǒng)、直觀地顯示出物理量之間的函數(shù)關(guān)系，也可用來求某些物理參數(shù)，因此它是一種重要的數(shù)據(jù)處置方法。作圖時要先整求某些物理參數(shù)，因此它是一種重要的數(shù)據(jù)處置方法。作圖時要先整理出數(shù)據(jù)表格，并要用坐標紙作圖。理出數(shù)據(jù)表格，并要用坐標紙作圖。表1：伏安法測電阻

18、實驗數(shù)據(jù)1.1.選擇適宜的坐標分度值，確定坐標紙的大小選擇適宜的坐標分度值，確定坐標紙的大小 坐標分度值的選取應能根本反映丈量值的準確坐標分度值的選取應能根本反映丈量值的準確度或精細度。根據(jù)表數(shù)據(jù)度或精細度。根據(jù)表數(shù)據(jù)U U 軸可選軸可選1mm1mm對應于對應于0.10 V0.10 V，I I軸可選軸可選1mm1mm對應于對應于0.20 mA0.20 mA，并可定坐標，并可定坐標紙的大小。紙的大小。2.標明坐標軸： 用粗實線畫坐標軸，用箭頭標軸方向，標坐標軸的稱號或符號、單位,再按順序標出坐標軸整分格上的量值。I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.

19、0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.003.標實驗點： 實驗點可用“+ “ 、“ “*、“等符號標出同一坐標系下不同曲線用不同的符號。 I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.005.標出圖名： 在圖線下方或空白位置寫出圖線的稱號及某些必要的闡明。電阻伏安特性曲線4. 4. 連成圖線：連成圖線： 用直尺、曲線板用直尺、曲線板等把點連成直線、等把點連成直線、光滑曲

20、線。普通不光滑曲線。普通不強求直線或曲線經(jīng)強求直線或曲線經(jīng)過每個實驗點，應過每個實驗點，應使圖線線正穿過實使圖線線正穿過實驗點時可以在兩邊驗點時可以在兩邊的實驗點與圖線最的實驗點與圖線最為接近且分布大體為接近且分布大體均勻。均勻。曲線描畫的本卷須知：n1 使曲線經(jīng)過盡能夠多的數(shù)據(jù)點；n2 使不處于曲線上的點大致平均分布曲線兩側(cè)如圖2示；n3 偏離特別大的點可以略去不計，為慎重起見，這些點的數(shù)據(jù)應以復核；n4 可以運用直尺或曲線板，描畫時把各點依次結(jié)合成折線，然后將各折線中點銜接起來，反復多次，使之成光滑曲線。不當圖例展現(xiàn)：n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.7

21、0001.69001.6800600.0400.0玻璃資料色散曲線圖圖 1不當：曲線太粗，不均勻，不光滑。應該用直尺、曲線板等工具把實驗點連成光滑、均勻的細實線。n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃資料色散曲線圖矯正為：定容氣體壓強溫度曲線定容氣體壓強溫度曲線1.20001.60000.80000.4000圖圖3P(105Pa)t()60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00圖紙運用圖紙運用不當。實不當。實踐作圖時，踐作圖時，坐標原點坐標原點的讀數(shù)可的讀數(shù)可以不從零以不

22、從零開場。開場。定容氣體壓強溫度曲線定容氣體壓強溫度曲線1.00001.15001.20001.10001.0500 P(105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t()矯正為：矯正為：二二 逐差法逐差法n逐差法是物理實驗中常用的一種數(shù)據(jù)處置方法，特別是對于兩個被丈量之間存在線性關(guān)系y=a+bx時，用逐差法求斜率b和截距a有充分利用丈量數(shù)據(jù)的優(yōu)點，使求得的b和a可靠。n設(shè)x與y之間有線性關(guān)系，實驗測得的一列數(shù)據(jù)為x1， x2， xn 和y1， y2 ， yn，那么有n n 逐差法逐差法y1=a+bx1 y2=a+bx2 yn=a+bxny1y2

23、y1b(x2x1)y2y3y2b(x3x2) y3y4y3b(x4x3) 假設(shè)按普通逐項取差法，即用后式減前式1112312211)()()()(xxyyxxxxxxyyyxxybnnnnnii利用相加求平均值的方法求b將丈量數(shù)據(jù)分成前后相等兩組，假設(shè)n為偶組，那么前 為一組，后面 到n為一組，把后組各式減去前組對應的式子，再將相減結(jié)果去平均求b，就能利用一切數(shù)據(jù)。2n12n)221()()()(2121222nixxyyxxybniniiiniiniin，取，)21(11ninxbyaniniii，取，最小二乘法的含義：最正確值與各丈量值xi的偏向的平方和最小。 min) (212iniix

24、xn假設(shè)x，y是具有某種相關(guān)關(guān)系的物理量),(21Ncccxfyc1, c2 , cN是待定常數(shù)，曲線的方式已定，詳細外形未定。最小二乘法的含義5-1n實驗上，測定x和y的數(shù)值，獲得m對結(jié)果，從而確定常數(shù)c1, c2 , cNxx1x2x3xmyy1y2y3ym5-2n假設(shè)x，y的最正確方式),(21Ncccxfy5-3是最佳估計值。Nccc,21n假設(shè)不存在丈量誤差，那么觀測值都應落在曲線5-1上),(21Niicccxfy(i=1，2，m)5-4n但由于存在丈量誤差，5-4與5-3不重合，即有：iiiyye(i=1，2，m)5-5稱ei為殘差，為誤差的實測值。最小二乘法的含義n假設(shè)m對觀測

25、值中有比較多的y值落到曲線式5-3上，那么所得曲線就能較為稱心地反映被測物理量之間的關(guān)系，當y值落在曲線上的概率最大時，曲線式5-3就是曲線式5-1的最正確方式。最小二乘法的含義n假設(shè)誤差服從正態(tài)分布，那么概率最小二乘法的含義miiimyyeeeP12212)(exp21),(n當 最大時，求得的曲線就該當是最正確方式),(21meeeP5-6min)(1212miimiiieyys5-7min)(1212miimiiieyys5-7可寫成miNiicccxfys1221),(要使殘差和最小，就應有：, 01cs, 02cs, 02cs正規(guī)方程，解方程組可得未定常數(shù)，通常稱之為最小二乘法解。最

26、小二乘法的含義n假設(shè)兩物理量假設(shè)兩物理量 x、y 滿足線性關(guān)系滿足線性關(guān)系 y = a+bx，那么需從多組丈量數(shù)據(jù)中求出誤差最小的那么需從多組丈量數(shù)據(jù)中求出誤差最小的的最正確直線的參數(shù)：的最正確直線的參數(shù)：a，b。 n等精度地測得一組相互獨立的實驗數(shù)據(jù)：等精度地測得一組相互獨立的實驗數(shù)據(jù)： n xi，yi i = 1,2.,mn在在x，y中只需中只需y有明顯的隨機誤差。有明顯的隨機誤差。按最小二乘法原那么：當所測各按最小二乘法原那么：當所測各yi 值與擬合直線值與擬合直線上的上的 y=a +bxi之間偏向的平方和最小，即擬合公式即之間偏向的平方和最小，即擬合公式即為最正確閱歷公式。為最正確閱歷

27、公式。mmmebxayebxayebxay)()()(222111最正確方程的最正確方程的a，b應該符合什么條件？應該符合什么條件？min)(12miiibxays0)( 20) 1)( 211niiiiniiixbxaybsbxayas使s為最小值的條件：該方程組常稱為正規(guī)方程，解正規(guī)方程可以求得s為極小條件下參量a，b的值，稱為最正確擬合值。0, 0bsas解方程得:niiniiniiiniiniiniiniiniiniiniiniiixnxyxnxybxnxxyxyxa122111112211211122xxxyyx222xxyxxxy 相關(guān)系數(shù)R： 最小二乘法處置數(shù)據(jù)除給出 a、b 外，還應給出相關(guān)系數(shù) R，表示變量x，y之間的線性相關(guān)程度，定義為 R表示兩變量之間的函數(shù)關(guān)系與線性的符合程度，R -