大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義匯總

1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)講義（2005.03）目錄實(shí)驗(yàn)1 復(fù)擺2預(yù)習(xí)報(bào)告5實(shí)驗(yàn)2 弦振動(dòng)的研究6預(yù)習(xí)報(bào)告9實(shí)驗(yàn)3 速度和加速度的測(cè)量10預(yù)習(xí)報(bào)告15實(shí)驗(yàn)4 動(dòng)量守恒定律的驗(yàn)證16預(yù)習(xí)報(bào)告20實(shí)驗(yàn)5 空氣中聲速的測(cè)量21預(yù)習(xí)報(bào)告23實(shí)驗(yàn)6 RLC電路的穩(wěn)態(tài)特性24預(yù)習(xí)報(bào)告31實(shí)驗(yàn)報(bào)告34實(shí)驗(yàn)7 油滴法測(cè)定基元電荷36預(yù)習(xí)報(bào)告41實(shí)驗(yàn)8 用雙臂電橋測(cè)量低值電阻42預(yù)習(xí)報(bào)告47實(shí)驗(yàn)9 牛頓環(huán)48預(yù)習(xí)報(bào)告53實(shí)驗(yàn)10 光電效應(yīng)及普朗克常數(shù)的測(cè)定54預(yù)習(xí)報(bào)告58實(shí)驗(yàn)11 單縫衍射59預(yù)習(xí)報(bào)告62實(shí)驗(yàn)12 多縫的夫瑯和費(fèi)衍射63預(yù)習(xí)報(bào)告65實(shí)驗(yàn)報(bào)告速度和加速度的測(cè)量66實(shí)驗(yàn)報(bào)告牛頓環(huán)70實(shí)驗(yàn)1 復(fù)擺伽利略首先證明了，

2、當(dāng)空氣的摩擦阻力可以忽略不計(jì)時(shí)，所有自由下落物體都將以同一加速度下落，這就是重力加速度。重力加速度是一個(gè)重要的基本物理常數(shù)，測(cè)量重力加速度的實(shí)驗(yàn)很多，有自由落體測(cè)定和氣墊導(dǎo)軌等，還有簡(jiǎn)單方便的單擺和復(fù)擺實(shí)驗(yàn)。單擺是根據(jù)擺的長(zhǎng)度和擺動(dòng)的周期計(jì)算出重力加速度。復(fù)擺是一個(gè)任意形狀的剛體，受重力作用繞著固定轉(zhuǎn)軸在豎直面內(nèi)往復(fù)擺動(dòng)，利用復(fù)擺的共軛性，通過(guò)作圖法進(jìn)行測(cè)算得到重力加速度。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 利用復(fù)擺裝置測(cè)出本地重力加速度。2、 研究復(fù)擺振動(dòng)周期的變化與振動(dòng)支點(diǎn)到重心距離的關(guān)系。3、 用圖解法求出剛體的回轉(zhuǎn)半徑。4、 利用復(fù)擺裝置測(cè)出本地重力加速度。實(shí)驗(yàn)原理如圖2.9-1所示，復(fù)擺的擺桿由一個(gè)質(zhì)量為

3、m的長(zhǎng)方形金屬棒制成，棒的上面開有擺動(dòng)用的孔，通過(guò)圓孔將金屬棒懸掛在三角形刀口上。從擺動(dòng)桿的重心G到振動(dòng)支點(diǎn)間的距離為h，當(dāng)擺動(dòng)角度比較小時(shí)，這種擺動(dòng)近似于一種諧振動(dòng)，因此復(fù)擺的振動(dòng)周期為其中I為剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。圖2.9-1如果復(fù)擺剛體的回轉(zhuǎn)軸通過(guò)重心且垂直于振動(dòng)平面的回轉(zhuǎn)半徑為R時(shí)，則代入上式得 （2.9-1）當(dāng)我們改變擺動(dòng)桿的振動(dòng)支點(diǎn)時(shí)，則h值也同時(shí)變化，振動(dòng)周期性也隨之改變。當(dāng)h趨向于0時(shí), T趨向于；當(dāng)h趨向于時(shí)，T趨向于。h在0和之間，T存在極小值，其極值條件為由此可得h = R 時(shí)則振動(dòng)周期的最小值為 (2.9-2)圖 2.9-2 所示T -h曲線為復(fù)擺的振動(dòng)周期T與振動(dòng)支點(diǎn)到復(fù)擺

4、剛體重心間距離h間的關(guān)系。 圖2.9-2對(duì)比單擺簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)的周期計(jì)算公式可知 (2.9-3)l稱為復(fù)擺的等效擺長(zhǎng)，即在重心G兩邊總存在兩點(diǎn)O1和O2，以O(shè)1為振動(dòng)支點(diǎn)時(shí)復(fù)擺的振動(dòng)周期T1 與以O(shè)2為振動(dòng)支點(diǎn)時(shí)復(fù)擺的振動(dòng)周期T2相等，O1O2就是復(fù)擺的等效擺長(zhǎng)l。對(duì)應(yīng)于周期T的h值有h1和h2，且由此可得 (2.9-4)當(dāng)振動(dòng)周期最小時(shí)， 則 。 根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)畫出曲線，由圖中即可找出周期最小值Tmin和相對(duì)應(yīng)的h值，也即擺動(dòng)桿剛體的回轉(zhuǎn)半徑R，因此并可得當(dāng)?shù)刂亓铀俣?(2.95) 實(shí)驗(yàn)儀器復(fù)擺裝置一套、秒表一只實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、將擺動(dòng)桿上的孔放入三角刀口上，使擺動(dòng)桿的振幅小于，取剛體振動(dòng)支點(diǎn)到重心的

5、距離h值分別從8、9、1026，用秒表測(cè)量其連續(xù)20個(gè)振動(dòng)周期的總時(shí)間，每個(gè)h值測(cè)3次，3個(gè)數(shù)據(jù)相差不得超過(guò)0.2s。2、以h為橫坐標(biāo)，T為縱坐標(biāo)，在直角坐標(biāo)系中描繪T-h曲線。5、 在圖中標(biāo)出最小周期T min和相對(duì)的h值也即剛體的回轉(zhuǎn)半徑R。6、 計(jì)算重力加速度g（南京地區(qū)979.44cm/s2）。思考題1、 擺動(dòng)桿在什么位置開始計(jì)時(shí)，測(cè)得的振動(dòng)周期T最準(zhǔn)確？為什么？2、 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的主要原因是什么？如何消除？3、 計(jì)算剛體的回轉(zhuǎn)半徑，如不考慮圓孔的影響，與實(shí)驗(yàn)值相比，相對(duì)誤差是多少？4、 在描圖中，常會(huì)產(chǎn)生誤差，有哪些方法可減少誤差？附注：復(fù)擺簡(jiǎn)介JLD23型復(fù)擺實(shí)驗(yàn)儀，主要由復(fù)擺底

6、座和擺動(dòng)桿（金屬棒）構(gòu)成，將復(fù)擺底座放置于實(shí)驗(yàn)桌的邊沿，將剛體上的每一個(gè)孔依次懸掛在三角刀刃上，作小幅度擺動(dòng)，同時(shí)用秒表測(cè)量下每一個(gè)孔的數(shù)個(gè)連續(xù)振動(dòng)周期。如果金屬棒在擺動(dòng)過(guò)程中發(fā)生扭動(dòng)，可調(diào)節(jié)三足底座上水平螺絲，使刀刃與圓孔的上沿相互平行，即可消除扭動(dòng)。 (高 榕 編)預(yù)習(xí)報(bào)告1、 什么叫單擺，什么叫復(fù)擺？2、 復(fù)擺測(cè)重力加速度的公式是？3、在測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)中，需要實(shí)際測(cè)量哪些量？實(shí)驗(yàn)2 弦振動(dòng)的研究 學(xué)習(xí)和理解波動(dòng)理論最佳入門是觀察弦線上的一維波動(dòng)，在弦線上觀察波動(dòng)最為直觀，因?yàn)橄揖€上質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的方向和波在弦線上傳播的方向相互垂直，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)觀察弦線上的行波和駐波。相對(duì)而言，建立弦

7、線上的小振幅波動(dòng)方程最為直觀、簡(jiǎn)單、方便，有利于從理論上理解掌握其它類型的波動(dòng)過(guò)程。在一維弦線上可以模擬光波的線偏振和橢圓偏振現(xiàn)象，因?yàn)閮烧叨际菣M波。弦線上橫波傳播的速度和弦線張力的平方根成正比。弦線上也可以產(chǎn)生縱波，但縱波的傳播速度和弦線楊氏模量的平方根成正比，同時(shí)弦線上需要有一定的張力才能維持縱波的傳播。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 觀察弦線振動(dòng)形成的駐波。2. 驗(yàn)證弦線的波長(zhǎng)和張力的關(guān)系。3. 間接測(cè)量弦線的線密度。實(shí)驗(yàn)原理弦線上小振幅橫波的波動(dòng)方程、行波解、駐波解、波速和波數(shù)分別是式中T 是弦線的張力，單位牛頓，r 是弦線的線密度，單位每米千克。當(dāng)正向行波和反向行波相互疊加時(shí)形成駐波，如果正反向行波的

8、振幅相等，我們就看不到波的傳播，只看到穩(wěn)定的振動(dòng)，如圖2.71所示。駐波振幅最大的位置叫做波腹，駐波振幅最小的地方叫做波節(jié)，很明顯，相鄰兩個(gè)波腹之間的距離是半個(gè)波長(zhǎng)，相鄰兩個(gè)波節(jié)之間的距離也是半個(gè)波長(zhǎng)。圖 2.71圖2.72是研究弦線振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)裝置，弦線的一端固定在電動(dòng)音叉上，弦線振動(dòng)部分的長(zhǎng)度由約束刀口限定，弦線的另一端經(jīng)過(guò)定滑輪懸掛砝碼后形成弦線的張力。圖 2.72給電動(dòng)音叉中間的電磁鐵接上50Hz工頻電源，電動(dòng)音叉就產(chǎn)生100Hz 受迫振動(dòng)，音叉端點(diǎn)帶動(dòng)弦線振動(dòng)，有橫波從音叉端點(diǎn)沿弦線向前傳播，在約束刀口處反射回來(lái)形成反射波，在一定的條件下這兩列反向傳播的橫波在弦線上疊加成明顯的駐波。如

9、果約束刀口的坐標(biāo) ，則入射波為 為了滿足約束刀口處弦線位移值為零的邊界條件，反射波必須是入射波和反射波疊加成為駐波 駐波現(xiàn)象看起來(lái)是一個(gè)振幅隨位置變化的振動(dòng)，看不出波向某個(gè)方向傳播。 駐波振幅隨著位置變化而周期性地變化，空間變化周期是一個(gè)波長(zhǎng)。當(dāng)振動(dòng)頻率較高時(shí)，我們的眼睛不能看清楚振動(dòng)的方向細(xì)節(jié)，只能看出振幅的大小，所以我們實(shí)際上看到弦線上的一節(jié)駐波的長(zhǎng)度是半個(gè)波長(zhǎng)，相鄰兩節(jié)駐波振幅的絕對(duì)值相等，但振動(dòng)的方向相反。如果弦線上一節(jié)駐波的長(zhǎng)度為a，則弦線上的波長(zhǎng)如果弦線的有效長(zhǎng)度為L(zhǎng)，弦上有n半波長(zhǎng)，則弦線上的波長(zhǎng)根據(jù)波長(zhǎng)和頻率可以得到弦線上波的傳播速度還可以根據(jù)波長(zhǎng)、頻率和弦線上的張力計(jì)算得到弦

10、線的線密度式中m 是砝碼和鉤碼的總質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)儀器低壓交流電源，電動(dòng)音叉，弦線，約束刀口，定滑輪，砝碼，鉤碼，卷尺。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 接線安裝根據(jù)圖1的方式完成后將約束刀口至電動(dòng)音叉端點(diǎn)之間的弦線長(zhǎng)度調(diào)整到0.9米左右。2. 接通電源，使電動(dòng)音叉按100Hz振動(dòng)。3. 調(diào)整砝碼，即調(diào)節(jié)弦線的張力，使弦線上分別出現(xiàn)1、2、3、4和5 段穩(wěn)定的駐波，得到5 組張力和波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。4. 以張力為橫坐標(biāo)、波長(zhǎng)為縱坐標(biāo)在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上描出5個(gè)點(diǎn)，畫一根比較逼近這些點(diǎn)的直線，量出這根直線的斜率，如果波長(zhǎng)和張力的乘冪成正比，這個(gè)斜率的數(shù)值就是乘冪次數(shù)。在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上直接標(biāo)出數(shù)值，相當(dāng)于在直角坐標(biāo)上以張力的對(duì)數(shù)為橫坐

11、標(biāo)，以波長(zhǎng)的對(duì)數(shù)為縱坐標(biāo)，省略了取對(duì)數(shù)的運(yùn)算。5. 計(jì)算弦線的線密度，從5個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)組得到5個(gè)線密度的值5個(gè)線密度的值，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。思考題1. 駐波具有什么特點(diǎn)？怎樣利用駐波現(xiàn)象測(cè)量弦線上的波長(zhǎng)？2. 根據(jù)5組數(shù)據(jù)計(jì)算出來(lái)的弦線密度 r 的值各有不同，試說(shuō)明誤差的原因是什么？（陳繼康 編）預(yù)習(xí)報(bào)告1、 什么叫橫波？什么叫縱波？2、 什么叫駐波？形成的條件是什么？3、 有哪些條件影響形成的駐波？實(shí)驗(yàn)3 速度和加速度的測(cè)量 速度和加速度是運(yùn)動(dòng)學(xué)中重要的物理量。運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究、運(yùn)動(dòng)公式的驗(yàn)證都離不開速度和加速度的測(cè)量。所以速度和加速度的測(cè)量是力學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要問(wèn)題。十七世紀(jì)初，伽俐略設(shè)計(jì)了著

12、名的斜面實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中他通過(guò)對(duì)路程、速度等運(yùn)動(dòng)學(xué)量的測(cè)量和計(jì)算，證明自己關(guān)于勻加速運(yùn)動(dòng)規(guī)律的假定和推論是符合實(shí)際的，同時(shí)發(fā)現(xiàn)勻加速運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)公式。 今天，隨著氣墊技術(shù)的迅速發(fā)展，氣墊導(dǎo)軌已經(jīng)成為力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)備。利用它，我們可以精確測(cè)量物體的瞬時(shí)速度、加速度、平均速度。一端墊高而傾斜的氣墊導(dǎo)軌為我們提供了一個(gè)幾乎沒(méi)有摩擦力的斜面,通過(guò)物體沿斜面自由下滑運(yùn)動(dòng)，我們可以方便地重復(fù)加伽俐略當(dāng)年的工作，研究勻變速運(yùn)動(dòng)的規(guī)律并測(cè)量當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?。?shí)驗(yàn)?zāi)康?、 掌握氣墊導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)和使用方法。2、 學(xué)會(huì)在氣墊導(dǎo)軌上測(cè)量速度、加速度和平均速度。3、 測(cè)量當(dāng)?shù)刂亓铀俣取?shí)驗(yàn)原理作直線運(yùn)動(dòng)的物體的平均速度為

13、當(dāng)時(shí)，平均速度趨近于一個(gè)極限，即物體在該點(diǎn)的瞬時(shí)速度實(shí)驗(yàn)中將擋光片安裝在滑塊上，使其隨著滑塊在氣墊導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)其穿過(guò)光電門時(shí)，電子計(jì)時(shí)器將會(huì)記錄并顯示通過(guò)距離s（也稱擋光片寬度）所用的時(shí)間，就能算出滑塊的平均速度。如果擋光片寬度較小，可將其看作瞬時(shí)速度。圖2.3-1若將氣墊導(dǎo)軌一端墊高如圖2.3-1所示，滑塊將在氣墊導(dǎo)軌上作勻變速直線運(yùn)動(dòng)?？稍跉鈮|導(dǎo)軌上相距一定距離的兩點(diǎn)A、B兩處各放一個(gè)光電門，測(cè)量滑塊的瞬時(shí)速度v1、v2。若測(cè)出A、B間的距離s，則滑塊在該兩點(diǎn)間的加速度為a = (2.3-1)當(dāng)電子計(jì)時(shí)器的功能選擇放在“加速度”擋上時(shí)，儀器還能顯示滑塊經(jīng)過(guò)兩光電門之間的時(shí)間，滑塊在的平均

14、速度為在測(cè)量加速度的基礎(chǔ)上，還可以測(cè)量本地的重力加速度。若不考慮空氣阻力，滑塊在傾斜的氣墊導(dǎo)軌上向下滑行的加速度 (2.3- 2)式中 q 為氣墊導(dǎo)軌的傾角，L為氣墊導(dǎo)軌兩端間的距離，h為墊塊的高度。實(shí)際上由于空氣粘滯阻力產(chǎn)生加速度af，向下滑行的加速度利用氣墊導(dǎo)軌下端的緩沖彈簧，滑塊下行后經(jīng)由彈簧彈射上行的加速度可得 ( 2.33 )實(shí)驗(yàn)中利用某個(gè)無(wú)法知道的實(shí)驗(yàn)因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正負(fù)效應(yīng)，通過(guò)兩個(gè)過(guò)程最終消除該因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的方法稱作正負(fù)補(bǔ)償法。它是實(shí)驗(yàn)中常用的方法。使用該方法的條件是：未定因素必須是穩(wěn)定的，而且由它導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正負(fù)效應(yīng)必須相等，只是符號(hào)相反。實(shí)驗(yàn)儀器氣墊導(dǎo)軌（包括附件

15、）、氣源、電子計(jì)時(shí)器、游標(biāo)卡尺、卷尺、酒精、脫脂棉或吸水紙。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 實(shí)驗(yàn)前要認(rèn)真閱讀附錄，搞清儀器的結(jié)構(gòu)原理及使用方法。2、 打開氣源，用沾有少許酒精的脫脂棉清潔氣墊導(dǎo)軌及滑塊內(nèi)表面。3、 將擋光片裝在滑塊脊上，架好光電門并調(diào)節(jié)它們的高度，使擋光片剛好能從光電門的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管中通過(guò)，將兩光電門的引線插頭分別插入電子計(jì)時(shí)器的P1和P2插口。4、 調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平 (1) 粗調(diào)：靜態(tài)調(diào)平法開啟氣源，將滑塊輕輕置于氣墊導(dǎo)軌上，使其自由滑動(dòng)，若滑塊始終向一方運(yùn)動(dòng)，則滑塊滑動(dòng)的方向是氣墊導(dǎo)軌較低的一端，可調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌一端的單底腳螺絲，直到滑塊不動(dòng)或雖有微小滑動(dòng)但無(wú)一定的方向?yàn)橹梗藭r(shí)

16、即可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌大致水平。(2) 細(xì)調(diào)：動(dòng)態(tài)調(diào)平法在氣墊導(dǎo)軌中部相隔一定距離放置兩個(gè)光電門，將電子計(jì)時(shí)器的功能定在碰撞擋上。輕推一下滑塊，使滑塊以一定的速度向氣墊導(dǎo)軌的一端運(yùn)動(dòng),直到在端點(diǎn)處被彈簧彈回。這樣往復(fù)一次，電子計(jì)時(shí)器會(huì)依次顯示出四個(gè)時(shí)間，它們分別是滑塊先后兩次通過(guò)第一個(gè)和第二個(gè)光電門的時(shí)間，若它們滿足如下關(guān)系式即可認(rèn)為氣墊導(dǎo)軌水平已經(jīng)調(diào)好。5、觀察勻速直線運(yùn)動(dòng)。在氣墊導(dǎo)軌上相隔一定距離的A、B兩處放置光電門，電子計(jì)時(shí)器的功能選在加速度檔上，輕推一下滑塊，使其以一定的初速運(yùn)動(dòng)，先后經(jīng)過(guò)光電門A、B。從電子計(jì)時(shí)器上可讀出在A、B這兩個(gè)位置上通過(guò)擋光片的時(shí)間以及通過(guò)A、B之間的時(shí)間。用長(zhǎng)度

17、量具測(cè)得和兩光電門之間的距離，就可以算出在位置A、B的瞬時(shí)速度和距離AB上的平均速度。測(cè)五組數(shù)據(jù)驗(yàn)證6、測(cè)加速度a并驗(yàn)證用1cm厚的墊片使氣墊導(dǎo)軌一端升高。重新調(diào)整光電門的高度。將電子計(jì)時(shí)器的功能選在加速度檔上。將三個(gè)光電門分別放在A、C、B位置上，當(dāng)滑塊下滑通過(guò)個(gè)光電門后，電子計(jì)時(shí)器上將依次顯示各個(gè)時(shí)間，算出各個(gè)速度及加速度a?；瑝K從同一點(diǎn)出發(fā)，共測(cè)五組數(shù)據(jù)。若只有兩個(gè)光電門，則可先將兩個(gè)光電門分別置于A、B位置上，然后再將一個(gè)光電門置于AB中點(diǎn)位置C上。、測(cè)量本地重力加速度用墊片使氣墊導(dǎo)軌一端升高。將兩個(gè)光電門分別放在相距一定距離的A、B兩個(gè)位置上，電子計(jì)時(shí)器的功能選擇碰撞。讓滑塊從氣墊導(dǎo)

18、軌最高處無(wú)初速下滑，經(jīng)過(guò)光電門到達(dá)氣墊導(dǎo)軌底端，經(jīng)彈簧片彈射上行再經(jīng)過(guò)光電門，電子計(jì)時(shí)器上將顯示出四個(gè)時(shí)間，重復(fù)五次記錄數(shù)據(jù)。測(cè)量擋光片寬度，算出速度并求平均。測(cè)量墊片厚度、兩光電門距離及氣墊導(dǎo)軌長(zhǎng)度。用測(cè)量值算出重力加速度，并與本地（南京地區(qū)979.44cm/s2）重力加速度作比較，計(jì)算百分誤差。思考題1、 實(shí)驗(yàn)中的瞬時(shí)速度是近似的，因?yàn)樗鋵?shí)是滑塊在一段距離上滑動(dòng)的平均速度。如果要求測(cè)出滑塊經(jīng)過(guò)A點(diǎn)的準(zhǔn)確的瞬時(shí)速度，你認(rèn)為這個(gè)實(shí)驗(yàn)該怎么做？2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容6、7中為什么要強(qiáng)調(diào)滑塊每次要從同一點(diǎn)出發(fā)？3、 在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容7中如何消除空氣阻力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響？附注：氣墊技術(shù)和氣墊導(dǎo)軌早在十九世紀(jì)七十年代

19、，人們就發(fā)現(xiàn)了船身和水面之間的氣墊懸浮效應(yīng)。1959年英國(guó)人C科克雷爾設(shè)計(jì)的世界上第一艘氣墊船成功橫渡英吉利海峽。從此，氣墊技朮日益發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、紡織、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域中。氣墊能極大地減小物體之間的摩擦，使物體作近似無(wú)摩擦的運(yùn)動(dòng)，利用氣墊技術(shù)制造的氣墊船、氣墊輸送線、空氣軸承等可以減小機(jī)械摩擦，從而提高速度和機(jī)械效率，延長(zhǎng)使用壽命。氣墊導(dǎo)軌是氣墊技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。由于氣墊效應(yīng)，滑塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中摩擦力極小，可以進(jìn)行一些較精確的定量研究以及驗(yàn)證某些物理規(guī)律。氣墊導(dǎo)軌的全套設(shè)備包括氣墊導(dǎo)軌、氣源、光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)等三部分。1、氣墊導(dǎo)軌 圖2.3-2是氣墊導(dǎo)軌的外觀示意圖。氣墊

20、導(dǎo)軌主要由氣墊導(dǎo)軌、滑塊和其它附件組成。氣墊導(dǎo)軌是一根平直、光滑的,由中空鋁合金型材制成的管道，固定在支承梁上，光潔的軌面上有兩排等距離排列的小孔，孔徑在0.40.6 mm。氣墊導(dǎo)軌的一端封閉，另一端通過(guò)塑料管與氣源連接，壓縮空氣可由進(jìn)氣管進(jìn)入管腔內(nèi)，再由小氣孔噴出，遇到在氣墊導(dǎo)軌面上的滑塊時(shí),在滑塊與氣墊導(dǎo)軌表面之間產(chǎn)生一層很薄的空氣層氣墊。氣墊使滑塊在氣墊導(dǎo)軌上作近似無(wú)磨擦的運(yùn)動(dòng)。為了避免碰傷，氣墊導(dǎo)軌兩端和滑塊上都裝有緩沖彈簧。在支承梁底部,裝有三個(gè)螺絲，分居氣墊導(dǎo)軌兩端，用于調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平。滑塊是氣墊導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)物體，也是用角鋁合金制成，其內(nèi)表面與氣墊導(dǎo)軌的兩個(gè)側(cè)面精密吻合，滑塊上可

21、加裝擋光片、加重塊等。 圖2.3-22、氣源氣源是向氣墊導(dǎo)軌管腔內(nèi)輸送壓縮空氣的設(shè)備。要求有氣流量大、供氣穩(wěn)定、噪音小、能連續(xù)工作的特點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)采用專用小型氣源，具有體積小、移動(dòng)方便、適用于單機(jī)工作等優(yōu)點(diǎn)。但小型氣源電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較高，容易發(fā)熱，故不能長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)開機(jī)。3、光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)光電計(jì)時(shí)系統(tǒng)由光電門和電子計(jì)時(shí)器組成。（1） 光電門 現(xiàn)在一般使用單邊式（又稱側(cè)式）結(jié)構(gòu)光電門。它由紅外發(fā)光二極管和光光敏三極管構(gòu)成，通常在紅外發(fā)光二極管的光照下，光敏三極管的電阻值較小，在無(wú)光照時(shí)，光敏三極管的電阻值會(huì)顯著增加。利用光敏三極管在兩種狀態(tài)下的電阻變化，可獲得訊號(hào)電壓，用來(lái)控制電子計(jì)時(shí)器，使其開始計(jì)時(shí)或停

22、止計(jì)時(shí)。（2） 電子計(jì)時(shí)器 目前氣墊導(dǎo)軌的計(jì)時(shí)器有數(shù)字毫秒計(jì)、多功能數(shù)字計(jì)時(shí)儀等。本實(shí)驗(yàn)使用的是MUJ-A計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)測(cè)速儀，是一種精密的電子計(jì)時(shí)儀器。它以單片微機(jī)為核心，配有合理的控制程序，具有計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)、測(cè)速等多項(xiàng)功能。圖2.3-3是其面板圖。其上幾個(gè)主要按鈕及其功能分別是：FUNCTIONCHANGEOVERPOWER 圖2.3-3功能鍵：用于計(jì)時(shí)、加速度、碰撞、周期、計(jì)數(shù)等五種功能的選擇，顯示屏未有數(shù)據(jù)顯示時(shí)按鍵選擇功能；顯示器有數(shù)據(jù)顯示，按鍵即消除數(shù)據(jù)，再按一下轉(zhuǎn)換功能。轉(zhuǎn)換鍵：用于轉(zhuǎn)換測(cè)量單位或選擇擋光片寬度。在計(jì)時(shí)、加速度、碰撞功能時(shí)，按下轉(zhuǎn)換鍵小于1s,測(cè)量值在時(shí)間或速度之間轉(zhuǎn)換；

23、按下轉(zhuǎn)換鍵大于1s,可選擇所用的擋光片寬度，實(shí)驗(yàn)使用的擋光片寬度必須與所選定的寬度相等，否則顯示的時(shí)間數(shù)據(jù)正確，而速度、加速度數(shù)據(jù)將會(huì)是錯(cuò)誤的。4、使用氣墊導(dǎo)軌時(shí)的注意事項(xiàng)（1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)在氣墊導(dǎo)軌通氣狀態(tài)下用酒精棉球擦拭氣墊導(dǎo)軌表面和滑塊內(nèi)側(cè)面，并保持清潔。（2）氣墊導(dǎo)軌未通氣時(shí)不可將滑塊放在氣墊導(dǎo)軌上來(lái)回滑動(dòng)，以免磨損。不要在氣墊導(dǎo)軌表面加壓以防止氣墊導(dǎo)軌變形及劃傷。（3）氣墊導(dǎo)軌表面及滑塊內(nèi)表面經(jīng)過(guò)精密加工，配合密切，使用滑塊時(shí)要輕拿輕放，推動(dòng)滑塊時(shí)用力要適當(dāng)，切勿使滑塊跌落。（4）小型專用氣源電機(jī)容易發(fā)熱，連續(xù)使用時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)中不進(jìn)行測(cè)量時(shí)要把氣源關(guān)掉，以免燒壞電機(jī)。（鄭新儀 編）

24、 預(yù)習(xí)報(bào)告1、 氣墊導(dǎo)軌有哪些部分組成？氣墊導(dǎo)軌有什么特點(diǎn)？2、 光電門的作用是什么？3、使用墊導(dǎo)軌時(shí)有什么注意事項(xiàng)？實(shí)驗(yàn)4 動(dòng)量守恒定律的驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律是經(jīng)典力學(xué)中三大守恒定律之一。它比牛頓定律更具普遍性，因?yàn)樗粌H在經(jīng)典力學(xué)范圍內(nèi)適用，在分子、原子、基本粒子物理學(xué)中也仍然有效。它的應(yīng)用非常廣泛，滲透諸多方面，遍及各個(gè)領(lǐng)域，在現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用中最著名的莫過(guò)于火箭的起飛了。因此它在物理學(xué)中占有非常重要的地位.一直沿用到今天的動(dòng)量概念是笛卡爾引入的。他所定義的動(dòng)量是物體的質(zhì)量和速度的乘積。引入動(dòng)量概念的目的之一，是研究物體在碰撞等過(guò)程中所遵循的規(guī)律。十七世紀(jì)初物理學(xué)家曾集中關(guān)注碰撞問(wèn)題，以探討物

25、體間相互作用中的具體規(guī)律，并從中得到碰撞過(guò)程中動(dòng)量守恒的結(jié)論。本實(shí)驗(yàn)利用氣墊導(dǎo)軌觀察研究一維碰撞的幾種情況，驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律。因?yàn)榛瑝K在水平導(dǎo)軌上作對(duì)心碰撞時(shí)，不受其它任何水平方向的外力的影響，而所受氣流阻力又很小，這就為我們的研究提供了極好的條件，此外，定量研究動(dòng)量和能量的損失在工程技術(shù)中也有重要意義。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 利用氣墊導(dǎo)軌研究一維碰撞中完全彈性碰撞和完全非彈性碰撞的特性。2、 驗(yàn)證動(dòng)量守恒和能量守恒定律。實(shí)驗(yàn)原理如果一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)所受到的合外力為零，則該系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變，這就是動(dòng)量守恒定律。也可在某一方向上運(yùn)用動(dòng)量守恒定律，若一個(gè)力學(xué)系統(tǒng)在某方向上所受合外力為零，則該系統(tǒng)的總動(dòng)量在該

26、方向上的分量守恒。圖2.4-1本實(shí)驗(yàn)用兩個(gè)滑塊在水平的氣墊導(dǎo)軌上進(jìn)行碰撞來(lái)驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律，如圖2.4-1所示。當(dāng)兩個(gè)滑塊在水平的導(dǎo)軌上作對(duì)心碰撞時(shí)，由于氣流阻力很小，且又不受其它任何水平方向的外力的影響，所以這兩個(gè)滑塊組成的力學(xué)系統(tǒng)在水平方向上動(dòng)量守恒。牛頓碰撞定律指出，碰撞后兩物體的分離速度與碰撞前兩物體的接近速度成正比，比值稱為恢復(fù)系數(shù) (2.4-1)上式中的4個(gè)量在確定的正方向規(guī)定下均取代數(shù)值。e值可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。當(dāng)e=1時(shí)，碰撞稱為完全彈性碰撞；e =0時(shí)，為完全非彈性碰撞；0e1時(shí)，為非完全彈性碰撞。兩物體的碰撞屬于哪種碰撞，由相碰物體的材料的物質(zhì)性質(zhì)來(lái)決定，與相對(duì)運(yùn)動(dòng)的速度無(wú)關(guān)。本

27、實(shí)驗(yàn)僅研究前兩種碰撞。1、 完全彈性碰撞 兩滑塊的碰撞面若裝有彈性極好的緩沖彈簧，它們的碰撞過(guò)程可近似地看作沒(méi)有機(jī)械能損耗的完全彈性碰撞。因此，碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)量守恒，動(dòng)能也守恒，即如果 ，且，可得即兩滑塊碰撞后交換速度，滑塊1將動(dòng)量傳遞給滑塊2后停止運(yùn)動(dòng)，滑塊2則以滑塊1原來(lái)的速度運(yùn)動(dòng)。若 ，但，可得即兩滑塊碰撞后，滑塊2將沿滑塊1原來(lái)速度的方向運(yùn)動(dòng)，滑塊1的方向則視兩滑塊質(zhì)量大小的關(guān)系而定。若 m1m2 ，碰撞后滑塊1仍沿原來(lái)速度的方向運(yùn)動(dòng)；若m1m2，碰撞后滑塊1將被彈回，沿與原來(lái)速度相反的方向運(yùn)動(dòng)。動(dòng)量損失率為 (2.4-2)能量的損失率為 (2.4-3)理論上動(dòng)量損失和能量損失都為零

28、，但實(shí)際上由于空氣阻力和氣墊導(dǎo)軌本身的原因，二者不可能完全為零，但在一定的誤差范圍內(nèi)可認(rèn)為是守恒的。3、 完全非彈性碰撞碰撞后兩滑塊粘在一起，以同一速度運(yùn)動(dòng)，即為完全非彈性碰撞。在完全非彈性碰撞中，系統(tǒng)動(dòng)量守恒，能量不守恒。即有式中v為兩滑塊共同的速度。實(shí)驗(yàn)中若使 ，且 ，則若 但 則動(dòng)量損失率為 (2.4-4)動(dòng)能損失率為 (2.4-5)實(shí)驗(yàn)儀器氣墊導(dǎo)軌、滑塊兩個(gè)、光電門兩個(gè)、電子計(jì)時(shí)器一臺(tái)、物理天平、氣源、游標(biāo)卡尺、橡皮泥、塑料膠帶、砝碼多個(gè)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 打開氣源，用酒精棉球清潔氣墊導(dǎo)軌表面及滑塊內(nèi)表面。2、 將電子計(jì)時(shí)器的功能選在碰撞擋。3、 調(diào)節(jié)氣墊導(dǎo)軌水平，直至滿足 。4、 驗(yàn)證完

29、全彈性碰撞時(shí)動(dòng)量守恒（1）m1 = m2, v2 = 0取兩只滑塊，檢查其緩沖彈簧是否正常。調(diào)節(jié)物理天平，使其處于可使用狀態(tài)，然后將兩滑塊（包括各自的擋光片）分別放在天平左右兩秤盤中，用橡皮泥配重，調(diào)整到兩滑塊質(zhì)量相等。調(diào)節(jié)兩光電門距離為略大于一個(gè)滑塊的長(zhǎng)度（為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，兩光電門距離不可太遠(yuǎn)）。將滑塊2置于兩光電門之間,使其靜止；滑塊1置于兩光電門之外。用滑塊1碰撞滑塊2。分別記下滑塊1通過(guò)第一個(gè)光電門的時(shí)間和滑塊2通過(guò)第二個(gè)光電門的時(shí)間。重復(fù)五次，紀(jì)錄所測(cè)數(shù)據(jù)。用游標(biāo)卡尺測(cè)出兩擋光片寬度，按公式求出滑塊1碰撞前的速度和滑塊2碰撞后的速度，由此再計(jì)算e值及動(dòng)量損失率和能量損失率。 (2)

30、 m1 m2 ，v2 = 0 在滑塊1兩側(cè)各加兩塊砝碼，用螺絲將它們固定好，并用物理天平測(cè)出滑塊1連同所加砝碼的總質(zhì)量。按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4（1）中所述的方法進(jìn)行碰撞。碰撞后滑塊2具有了速度，其方向同滑塊1碰撞前的速度方向，滑塊1則仍沿原方向運(yùn)動(dòng)，但是速度很小。從電子計(jì)時(shí)器上可讀出兩滑塊碰撞前后通過(guò)光電門的時(shí)間。重復(fù)五次，紀(jì)錄所測(cè)數(shù)據(jù)。求出各個(gè)速度，數(shù)據(jù)處理要求同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4（1）。*（3）m1 m2 滑塊1和滑塊2碰撞前作相向運(yùn)動(dòng)適當(dāng)增大兩光電門之間的距離，將兩滑塊分別放在兩光電門外側(cè)，使兩滑塊相向運(yùn)動(dòng)，碰撞后各自彈回，作背向運(yùn)動(dòng)。從電子計(jì)時(shí)器上讀出兩滑塊碰撞前后通過(guò)光電門的時(shí)間，其余實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)處

31、理要求同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4（2）。5、 驗(yàn)證完全非彈性碰撞時(shí)動(dòng)量守恒m1 = m2，v2 = 0在兩滑塊一端的緩沖彈簧上繞上塑料粘膠帶，粘面朝外。實(shí)驗(yàn)時(shí)操作方法同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容4（1），碰撞后兩滑塊就粘在一起向前運(yùn)動(dòng)。從電子計(jì)時(shí)器上讀出滑塊碰撞前后通過(guò)光電門的時(shí)間，重復(fù)測(cè)量五次，記錄所測(cè)數(shù)據(jù)。算出各個(gè)速度，計(jì)算動(dòng)量損失和能量損失。 思考題1、碰撞前后系統(tǒng)總動(dòng)量不相等試分析其原。2、做這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，如何調(diào)節(jié)兩光電門之間的距離？這對(duì)實(shí)驗(yàn)效果有何影響？ 預(yù)習(xí)報(bào)告1、 動(dòng)量守恒定律的內(nèi)容是什么？2、碰撞的類型有哪幾種？各有什么特點(diǎn)？實(shí)驗(yàn)五 空氣中聲速的測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、了解壓電陶瓷片將聲信號(hào)與電信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的原理，學(xué)會(huì)

32、測(cè)定諧振工作點(diǎn)。2、學(xué)會(huì)用共振干涉法（駐波法）測(cè)量聲速。3、學(xué)會(huì)用相位法測(cè)量聲速。實(shí)驗(yàn)原理1、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)。聲速實(shí)驗(yàn)所采用的聲波頻率一般在20kHz60kHz之間，在此頻率范圍內(nèi)，采用壓電陶瓷換能器作為聲波的發(fā)生器、接收器效果最佳。壓電陶瓷換能器是一種傳感器，它可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成同頻率的聲信號(hào)發(fā)射出去，也可以將聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入相應(yīng)電路測(cè)量。壓電陶瓷片由于其本身的結(jié)構(gòu)和組成決定其本征頻率，當(dāng)電信號(hào)或聲信號(hào)的頻率與壓電陶瓷

33、片的本征頻率相符時(shí)，壓電陶瓷片會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，此時(shí)的轉(zhuǎn)換效率最高，類似于電路中的阻抗匹配。不同頻率的聲波在空氣的傳播的聲速是相同的，采用壓電陶瓷片的諧振點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，現(xiàn)象更明顯，測(cè)量更準(zhǔn)確。2、正弦波的疊加實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)壓電陶瓷換能器S1和S2，其中S1為聲源（發(fā)射器），S2為接受器。S1和S2之間的距離為x，設(shè)聲源產(chǎn)生發(fā)射波，為聲波在空氣中的波長(zhǎng)。f1在S2處發(fā)生反射，不計(jì)損耗，反射波，合成波：由此可見，合成后的波束為和的相干疊加。在幅度上具有隨x呈周期變化的特性，周期為。將合成波束的信號(hào)送入示波器，改變x，發(fā)現(xiàn)信號(hào)振幅會(huì)發(fā)生變化，任何兩相鄰振幅最大值的位置之間（或兩相鄰的振幅最小值的位置之間）

34、的距離都是，再由聲波的頻率，就可以求出聲速，這叫振幅法，也稱為共振干涉法（駐波法）。將發(fā)射波作示波器的橫向信號(hào)，合成波束作縱向信號(hào)，示波器屏幕上的圖像反映兩信號(hào)之間的關(guān)系，由于兩信號(hào)是同頻的正弦波，屏幕上圖像隨兩信號(hào)位相的不同而呈現(xiàn)出斜橢圓、正橢圓和斜直線。當(dāng)圖像為直線時(shí)，兩信號(hào)的位相差為的整數(shù)倍，奇數(shù)倍斜向下，偶數(shù)倍斜向上。改變x，任何相鄰兩次出現(xiàn)方向相同直線的位置之間的距離是。這叫相位法。實(shí)驗(yàn)儀器聲速信號(hào)源，聲波測(cè)定儀，通用雙蹤示波器實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、將聲速測(cè)定儀S1信號(hào)送入示波器通道1(CH1)，S2信號(hào)送入示波器通道2(CH2)，打開電源預(yù)熱，聲速信號(hào)源開機(jī)自動(dòng)工作在連續(xù)波方式。2、尋找壓電

35、陶瓷換能器諧振頻率（1）示波器選擇“雙蹤（DUAL）”模式，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出強(qiáng)度，使S1信號(hào)峰峰值為3V，調(diào)節(jié)接受信號(hào)增益，使S2信號(hào)也在峰峰值3V附近。S1和S2保持一定距離10CM左右。（2）改變信號(hào)源輸出頻率，觀察通道2（CH2即S2）信號(hào)幅度的變化。一般頻率在36kHz39kHz附近，信號(hào)幅度較大，調(diào)節(jié)接收信號(hào)增益，使S2信號(hào)不發(fā)生畸變，也在峰峰值3V附近。（3）細(xì)調(diào)頻率，使S2電壓為極大值，該頻率就是壓電陶瓷換能器的諧振頻率。3、采用振幅法測(cè)聲波的波長(zhǎng)示波器顯示通道2（CH2即S2）信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試儀上的距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)波形大小會(huì)發(fā)生變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)Y增益和接受信號(hào)增益，使波形不畸變。在

36、增益不變的情況下，沿一個(gè)方向改變距離，記錄連續(xù)出現(xiàn)12次最大振幅（或最小振幅）對(duì)應(yīng)的S2的位置Li。序號(hào)01234567891011位置Li(mm)采用逐差法處理數(shù)據(jù)，求出波長(zhǎng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并求出相應(yīng)的聲速，并與理論值比較。4、相位法測(cè)聲波的波長(zhǎng)示波器顯示利薩如圖形（即X增益逆時(shí)針旋到底），轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)試儀上的距離調(diào)節(jié)鼓輪，這時(shí)圖形會(huì)發(fā)生變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)Y1增益和Y2增益和位移旋鈕，使圖形大小適中，位于屏幕中央。沿一個(gè)方向改變距離，記錄連續(xù)出現(xiàn)12次同斜率直線時(shí)對(duì)應(yīng)的S2的位置Li。序號(hào)01234567891011位置Li(mm)采用逐差法處理數(shù)據(jù)，求出波長(zhǎng)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，并求出相應(yīng)的聲速，

37、并與理論值比較。5、將信號(hào)源輸出頻率調(diào)節(jié)為33KHz，重復(fù)步驟3、4。6、分析不同頻率下聲速的實(shí)驗(yàn)值，討論信號(hào)源頻率對(duì)聲速測(cè)量的影響。預(yù)習(xí)報(bào)告實(shí)驗(yàn)原理的理解:1、壓電陶瓷換能器是一種( )，它可以將轉(zhuǎn)換成同頻率的聲信號(hào)發(fā)射出去，也可以將轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，送入相應(yīng)電路測(cè)量。2、兩路同頻率的正弦信號(hào)疊加，當(dāng)兩者位相差為360º時(shí)，合成信號(hào)的振幅最( )，當(dāng)為180 º時(shí)，合成信號(hào)的振幅最( )。3、兩路頻率相同的正弦信號(hào)分別作示波器的x輸入和y輸入，控制光點(diǎn)在屏幕上的坐標(biāo)（x,y），即屏幕上光點(diǎn)的坐標(biāo)，。當(dāng)兩者位相差為360º時(shí)，屏幕上的圖形為( )，當(dāng)為180º

38、;時(shí)，屏幕上的圖形為( )，當(dāng)為90º和270º時(shí)，屏幕上的圖形為，當(dāng)為其他值時(shí)，屏幕上的圖形為( )。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法逐差法：將12個(gè)數(shù)據(jù)分成6組序號(hào)05為一組，611為另一組，每組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相減，得到波長(zhǎng)的測(cè)量值。，即，。平均值：=。標(biāo)準(zhǔn)偏差：。實(shí)驗(yàn)6 RLC電路的穩(wěn)態(tài)特性RC、RL、RLC電路與其他電子元件的組合，可構(gòu)成電子學(xué)中的濾波電路、放大電路、迭頻電路、振蕩電路等等，這些電路是各種電子儀器及設(shè)備的基本模塊。研究RC、RL、RLC電路的特性，在物理學(xué)以及電子與通信工程技術(shù)中有著重要的實(shí)際意義。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究RC、RL、RLC電路對(duì)正弦交流信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)2、學(xué)習(xí)使用

39、雙蹤示波器，掌握測(cè)量相位差的方法實(shí)驗(yàn)原理正弦交流電壓信號(hào)可以用表示，電流可用表示。其中、為交流電壓和電流的峰值，為角頻率，()稱為相位，稱為初相位。由此可見，正弦交流電壓和電流之間不僅存在量值大小的區(qū)別，還存在相位的不同。反映某一元件上電壓與其電流的關(guān)系有兩個(gè)量：一個(gè)是電壓與電流的比值，稱為阻抗()；另一個(gè)是它們之間的相位差()。這兩個(gè)物理量代表著元件的固有特性。對(duì)于電阻元件來(lái)說(shuō)，阻抗，說(shuō)明電阻上的電壓與電流同相位，阻抗與頻率無(wú)關(guān)，是個(gè)常量。 對(duì)于電容元件來(lái)說(shuō)，容抗，說(shuō)明容抗與交流電的頻率和電容器的容量成反比，它既與電容值有關(guān)，還與頻率有關(guān)；另外電容器上的電壓相位落后電流相位。對(duì)于電感元件來(lái)說(shuō)

40、，感抗 ，；說(shuō)明感抗與電感成正比，并隨頻率線性增長(zhǎng)；在電感上，電壓的相位超前電流相位。當(dāng)正弦交流信號(hào)加在RC、RL、RLC串聯(lián)電路上，并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，電路中各元件上的電壓（或電流）幅值和相位都會(huì)隨著正弦交流信號(hào)頻率的不同而改變，前者稱為電路的幅頻特性，后者稱為電路的相頻特性。本實(shí)驗(yàn)研究RC、RL串聯(lián)電路的幅頻特性和相頻特性，以及RLC串聯(lián)電路的相頻特性。1、 RC串聯(lián)電路RC串聯(lián)電路如圖所示。由于交流電路中各參量既有大小的變化，還有相位差別，因此用復(fù)數(shù)和矢量圖法來(lái)研究較為方便。RC串聯(lián)電路的復(fù)阻抗為 (1)其阻抗的幅值為 (2) 根據(jù)復(fù)數(shù)形式的歐姆定律，回路電流為 (3) 若用矢量圖來(lái)研究，

41、則串聯(lián)電路應(yīng)以電流為參考矢量，電路的矢量圖如圖3.131（b）所示。圖中為電源電壓，為電阻上的電壓，為電容上的電壓，為回路電流，為電源電壓與回路電流的相位差。這些電參量之間的關(guān)系為 (4) (5) (6) (7)式(4) (6)表征電路的幅頻特性，若保持總電壓不變，當(dāng)電源的頻率增加時(shí)回路電流的幅值和電阻上的電壓幅值增加，而電容上的電壓幅值則減小。利用這種幅頻特性可以把信號(hào)源中的不同頻率成份分開，構(gòu)成各種濾波電路。式 (7)表征電路的相頻特性。由此式可知，當(dāng)頻率很低時(shí)，接近，即回路電流超前電壓；當(dāng)頻率很高時(shí)，接近0，即回路電流與電壓同相位。通常把(或)與比值的對(duì)數(shù)作橫坐標(biāo)，作縱坐標(biāo)，則可得典型的

42、相頻特性曲線。2、 RL串聯(lián)電路RL串聯(lián)電路如圖所示。電路的復(fù)阻抗為 (8)其幅值為 (9)電路的矢量圖如圖3.134（b）所示。RL串聯(lián)電路各參量的幅頻特和性相頻特性分別為 (10) (11) (12) (13) RL串聯(lián)電路的幅頻特性正好跟RC串聯(lián)電路相反，當(dāng)增加時(shí)，和均減小，而則增大。利用這種幅頻特性同樣可以構(gòu)成各種濾波電路。RL串聯(lián)電路的相頻特性與RC串聯(lián)電路亦不相同，當(dāng)頻率很低時(shí)，接近0，即回路電流與電壓同相位；當(dāng)頻率很高時(shí)，接近，即電壓超前回路電流。3、 RLC電路對(duì)于RLC串聯(lián)電路圖如圖所示。RLC串聯(lián)電路的總電壓與回路電流之間的相位差為 (14) 現(xiàn)分三種情況討論：（1）當(dāng)時(shí)，

43、總電壓與電流同相位，電路達(dá)到諧振，相應(yīng)的圓頻率為， (15)（2）當(dāng)時(shí)，整個(gè)電路呈現(xiàn)電感性質(zhì)，總電壓相位超前于電流，并隨著的增大，趨近于。（3）當(dāng)時(shí)，整個(gè)電路呈現(xiàn)電容性質(zhì)，電流相位超前于總電壓，并隨著的減小，趨近于。如令，則式(14)可改寫為 (16) 4、 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法本實(shí)驗(yàn)用示波器來(lái)觀測(cè)各種電路的穩(wěn)態(tài)特性，下面以RC電路為例，說(shuō)明觀測(cè)方法。按圖所示連接電路。示波器YA通道顯示的是總電壓的波形，YB通道顯示的是電阻兩端的電壓波形。觀測(cè)幅頻特性時(shí)，改變信號(hào)發(fā)生器頻率，同時(shí)保持信號(hào)發(fā)生器的輸出電壓不變，則可觀測(cè)電阻兩端電壓隨頻率的變化情況。若要觀測(cè)電容兩端電壓隨頻率的變化情況，只要把上圖中的R、

44、C位置對(duì)調(diào)即可，YB通道顯示的是電容兩端的電壓波形。觀測(cè)相頻特性時(shí)，首先要注意到，這里講的相位差指的是總電壓和回路電流之間的相位差，所以示波器上應(yīng)該顯示總電壓和回路電流的波形(示波器能直接顯示電流波形嗎？哪種波形與電流波形是同相位的？)，然后找出隨頻率變化的關(guān)系。但是示波器直接顯示的是兩個(gè)波形的時(shí)間差（見圖），所以兩個(gè)波形的相位差為 （度）上式中的T為波形周期，為兩波形幅值之間的時(shí)間差，為在示波器水平方向上占的格數(shù)，為T在示波器水平方向上占的格數(shù)。示波器實(shí)物示意圖注意，在交流信號(hào)中雖然不像直流電那樣電源極性有正、負(fù)之分，但其中一端是接地端（與儀器外殼相連），示波器和信號(hào)發(fā)生器的接地端必須要共接

45、。實(shí)驗(yàn)儀器RLC實(shí)驗(yàn)箱，雙蹤示波器，導(dǎo)線等。實(shí)驗(yàn)箱面板示意圖實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 RC串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)特性的觀測(cè)電路連接如圖。建議電容取0.0318F，電阻取1k，電源電壓取峰峰值6V(1) 幅頻特性觀測(cè)(取)3006001.25k2.5k5k10k20k40k80k由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作曲線。其中(2) 相頻特性的觀測(cè) 3006001.25k2.5k5k10k20k40k80k由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作曲線。*2、RL串聯(lián)電路穩(wěn)態(tài)特性的觀測(cè)建議取電阻300，電感0.01H，其他參考內(nèi)容1。3、RLC串聯(lián)電路相頻特性的觀測(cè)電路連接如圖所示。建議?。?F（1）幅頻特性觀測(cè)(取)2004008001.33k2k3k5k10k20k由

46、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作曲線。其中（2）相頻特性的觀測(cè) 2004008001.33k2k3k5k10k20k由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作曲線。其中預(yù)習(xí)報(bào)告:1、 如何觀測(cè)串聯(lián)電路電容上的電壓的幅頻特性和相頻特性？電路應(yīng)如何安排？2、 在實(shí)驗(yàn)中不采用建議的各參量值，能否進(jìn)行觀測(cè)？請(qǐng)嘗試一下，效果如何？3、 如何判斷串聯(lián)電路中與波形的相位超前與落后的關(guān)系？又怎樣確定電路呈感性還是容性？4、 本實(shí)驗(yàn)用雙蹤示波器來(lái)測(cè)定兩個(gè)信號(hào)的相位差，如果只有單蹤示波器能否測(cè)定相位差？怎樣測(cè)定？附注：雙蹤示波器的使用簡(jiǎn)介雙蹤示波器有通道1和通道2兩個(gè)輸入通道，可同時(shí)顯示兩個(gè)輸入信號(hào)波形。其工作方式有：通道1單蹤顯示（CH1）、通道2單蹤顯示（CH

47、1）、交替顯示兩個(gè)通道（ALT）、斷續(xù)顯示兩個(gè)通道（CHOP），兩個(gè)通道相加顯示（ADD）。當(dāng)儀器需要X-Y顯示時(shí)，X信號(hào)由通道1輸入插孔輸入X信號(hào)。基本使用方法：1、 使用前的檢查 ，按下表設(shè)置儀器的開關(guān)及控制旋鈕（或按鍵）。項(xiàng) 目名稱設(shè) 置項(xiàng) 目名稱設(shè) 置電源Pwoer觸發(fā)源Source內(nèi)輝度4中間位置耦合CouplingAC聚焦Focus中間位置極性24+通道1CH1電平Level適當(dāng)旋轉(zhuǎn)通道2CH2釋抑21逆時(shí)針族到底位移Positon中間位置，推進(jìn)去掃描方式ModeAuto縱向增益V/cmVolt/Div10mV/cm橫向增益T/cmTime/div0.5ms微調(diào)Volt/Div突起

48、順時(shí)針到底300.5ms/cm耦合方式AC-DC微調(diào)Variable順時(shí)針到底位移Position中間位置2、 把電源線接到交流電源上，然后按下列步驟操作：（1）閉合電源開關(guān)，電源指示燈亮，約20秒后，示波管屏幕上將出現(xiàn)一掃線，若1分鐘左右仍未出現(xiàn)，則應(yīng)按上表再檢查各開關(guān)及旋鈕位置。（2）調(diào)節(jié)“輝度”和“聚焦”旋鈕，使掃線亮度適當(dāng)，且最清晰。 （3）調(diào)節(jié)“聚焦“”旋鈕，使波形達(dá)到最清晰的程度。 （4）連接信號(hào)送人通道1。（5）將AC-DC開關(guān)置“AC”，一波形應(yīng)顯示在示波管屏幕上。（6）為便于觀察信號(hào)，調(diào)節(jié)“V/cm”和“t/cm”開關(guān)到適當(dāng)位置，使顯示出來(lái)的波形幅度和周期都適中。（7）調(diào)節(jié)

49、“位移”和 “位移”控制旋鈕于適當(dāng)位置，使顯示的波形對(duì)準(zhǔn)刻度線，以便于讀出電壓值（）和周期（）。3、 交流電壓值的測(cè)量測(cè)量交流電壓值時(shí)，應(yīng)將輸入耦合開關(guān)置于“AC”位置，讀出信號(hào)波形波峰到波谷在屏幕上的垂直距離（單位為cm），然后根據(jù)通道偏轉(zhuǎn)因素檔級(jí)“V/cm”的讀數(shù)，兩者乘積則為被測(cè)信號(hào)的電壓值。例：設(shè)通道偏轉(zhuǎn)因數(shù)置于0.5處，測(cè)得信號(hào)峰到峰之間的軸距離為2.5cm，則 =0.5 V/cm2.5cm=1.25V若上述信號(hào)為正弦波，則該信號(hào)電壓的有效值為 =2=0.44V4、 時(shí)間、周期、頻率的測(cè)量（1） 測(cè)量某一信號(hào)兩點(diǎn)間的時(shí)間，只要在示波管有效范圍內(nèi)讀出這兩點(diǎn)在水平方向的距離（單位當(dāng)cm）

50、，乘以“t/cm”開關(guān)的示值即可。（2） 測(cè)量某一信號(hào)的周期，只要在示波管有效范圍內(nèi)讀出該信號(hào)一個(gè)周期兩點(diǎn)在水平方向的距離（單位當(dāng)cm），乘以“t/cm”開關(guān)的示值即可。（3） 信號(hào)的頻率測(cè)量的基礎(chǔ)是周期測(cè)量，因?yàn)?。?shí)驗(yàn)報(bào)告RLC電路的穩(wěn)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、研究RC、RL、RLC電路對(duì)正弦交流信號(hào)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)2、學(xué)習(xí)使用雙蹤示波器，掌握測(cè)量相位差的方法實(shí)驗(yàn)原理對(duì)于電容元件來(lái)說(shuō)，容抗，說(shuō)明容抗與交流電的頻率和電容器的容量成反比，它既與電容值有關(guān)，還與頻率有關(guān)；另外電容器上的電壓相位落后電流相位。對(duì)于電感元件來(lái)說(shuō)，感抗 ，；說(shuō)明感抗與電感成正比，并隨頻率線性增長(zhǎng)；在電感上，電壓的相位超前電流相位。1、RC串聯(lián)回路保持總電壓不變，當(dāng)電源的頻率增加時(shí)回路電流的幅值和電阻上的電壓幅值增加，而電容上的電壓幅值則減小。利用這種幅頻特性可以把