大學物理實驗報告處理

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試驗十七多用電表的設計與制作

【分析爭論題】

1．校準電表時，假如發(fā)覺改裝表的讀數(shù)相對于標準表的讀數(shù)都偏高或偏低，即總向一個方向偏，試問這是什么緣由造成的？欲使有正有負（合理偏向）應實行什么措施？

分流電阻或分壓電阻的阻值不符合實際狀況，導致讀數(shù)都偏高或偏低。欲使有正有負（合理偏向）應選擇合適的分流電阻或分壓電阻。

2．證明歐姆表的中值電阻與歐姆表的內(nèi)阻相等。

滿偏時（因Rx=0）

半偏時

可得中值電阻綜合內(nèi)阻

試驗七傳感器專題試驗

電渦流傳感器

【預習思索題】

1．電渦流傳感器與其它傳感器比較有什么優(yōu)缺點？

這種傳感器具有非接觸測量的特點，而且還具有測量范圍大、靈敏度高、抗干擾力量強、不受油污等介質(zhì)的影響、結構簡潔及安裝便利等優(yōu)點。缺點是電渦流位移傳感器只能在肯定范圍內(nèi)呈線性關系。

2．本試驗采納的變換電路是什么電路。

本試驗中電渦流傳感器的測量電路采納定頻調(diào)幅式測量電路。

【分析爭論題】

1．若此傳感器僅用來測量振動頻率，工作點問題是否仍非常重要？

我們所說的工作點是指在振幅測量時的最佳工作點，即傳感器線性區(qū)域的中間位置。若測量振幅時工作點選擇不當，會使波形失真而造成測量的誤差或錯誤。但僅測量頻率時波形失真不會轉(zhuǎn)變其頻率值。所以，僅測量頻率時工作點問題不是非常重要。

2．如何能提高電渦流傳感器的線性范圍？

一般狀況下，被測體導電率越高，靈敏度越高，在相同的量程下，其線性范圍越寬線性范圍還與傳感器線圈的外形和尺寸有關。線圈外徑大時，傳感器敏感范圍大，線性范圍相應也增大，但靈敏度低；線圈外徑小時，線性范圍小，但靈敏度增大?？梢罁?jù)不同要求，選取不同的線圈內(nèi)徑、外徑及厚度參數(shù)。

試驗九霍爾效應及其應用

【預習思索題】

1．列出計算霍爾系數(shù)、載流子濃度n、電導率σ及遷移率μ的計算公式，并注明單位。

霍爾系數(shù)，載流子濃度，電導率，遷移率。

2．如已知霍爾樣品的工作電流及磁感應強度B的方向，如何推斷樣品的導電類型？

以依據(jù)右手螺旋定則，從工作電流旋到磁感應強度B確定的方向為正向，若測得的霍爾電壓為正，則樣品為P型，反之則為N型。

3．本試驗為什么要用3個換向開關？

為了在測量時消退一些霍爾效應的副效應的影響，需要在測量時轉(zhuǎn)變工作電流及磁感應強度B的方向，因此就需要2個換向開關；除了測量霍爾電壓，還要測量A、C間的電位差，這是兩個不同的測量位置，又需要1個換向開關。總之，一共需要3個換向開關。

【分析爭論題】

1．若磁感應強度B和霍爾器件平面不完全正交，按式（5.2-5）測出的霍爾系數(shù)比實際值大還是??？要精確測定值應怎樣進行？

若磁感應強度B和霍爾器件平面不完全正交，則測出的霍爾系數(shù)比實際值偏小。要想精確測定，就需要保證磁感應強度B和霍爾器件平面完全正交，或者設法測量出磁感應強度B和霍爾器件平面的夾角。

2．若已知霍爾器件的性能參數(shù)，采納霍爾效應法測量一個未知磁場時，測量誤差有哪些來源？

誤差來源有：測量工作電流的電流表的測量誤差，測量霍爾器件厚度d的長度測量儀器的測量誤差，測量霍爾電壓的電壓表的測量誤差，磁場方向與霍爾器件平面的夾角影響等。

試驗十一邁克耳孫干涉儀的調(diào)整與使用

【預習思索題】

1．邁克爾孫干涉儀是利用什么方法產(chǎn)生兩束相干光的？

答：邁克爾孫干涉儀是利用分振幅法產(chǎn)生兩束相干光的。

2．邁克爾孫干涉儀的等傾和等厚干涉分別在什么條件下產(chǎn)生的？條紋外形如何？隨M1、M2’的間距d如何變化？

答：（1）等傾干涉條紋的產(chǎn)生通常需要面光源，且M1、M2’應嚴格平行；等厚干涉條紋的

形成則需要M1、M2’不再平行，而是有微小夾角，且二者之間所加的空氣膜較薄。

（2）等傾干涉為圓條紋，等厚干涉為直條紋。

（3）d越大，條紋越細越密；d越小，條紋就越粗越疏。

3．什么樣條件下，白光也會產(chǎn)生等厚干涉條紋？當白光等厚干涉條紋的中心被調(diào)到視場政府時，M1、M2’兩鏡子的位置成什么關系？

答：白光由于是復色光，相干長度較小，所以只有M1、M2’距離特別接近時，才會有彩色的干涉條紋，且消失在兩鏡交線四周。

當白光等厚干涉條紋的中心被調(diào)到視場政府時，說明M1、M2’已相交。

【分析爭論題】

1．用邁克爾孫干涉儀觀看到的等傾干涉條紋與牛頓環(huán)的干涉條紋有何不同？

答：二者雖然都是圓條紋，但牛頓環(huán)屬于等厚干涉的結果，并且等傾干涉條紋中心級次高，而牛頓環(huán)則是邊緣的干涉級次高，所以當增大（或減?。┛諝鈱雍穸葧r，等傾干涉條紋會向外涌出（或向中心縮進），而牛頓環(huán)則會向中心縮進（或向外涌出）。

2．想想如何在邁克爾孫干涉儀上利用白光的等厚干涉條紋測定透亮物體的折射率？

答：首先將儀器調(diào)整到M1、M2’相交，即視場政府能看到白光的零級干涉條紋，然后依據(jù)剛才鏡子的移動方向選擇將透亮物體放在哪條光路中（主要是為了避開空程差），連續(xù)向原方向移動M1鏡，直到再次看到白光的零級條紋消失在剛才所在的位置時，登記M1移動的距離所對應的圓環(huán)變化數(shù)N，依據(jù)，即可求出n。

牛頓環(huán)

【預習思索題】

1．白光是復色光，不同波長的光經(jīng)牛頓環(huán)裝置各自發(fā)生干涉時，同級次的干涉條紋的半徑不同，在重疊區(qū)域某些波長的光干涉相消，某些波長的光干涉相長，所以牛頓環(huán)將變成彩色的。

2．說明平板玻璃或平凸透鏡的表面在該處不勻稱，使等厚干涉條紋發(fā)生了形變。

3．因顯微鏡筒固定在托架上可隨托架一起移動，托架相對于工作臺移動的距離也即顯微鏡移動的距離可以從螺旋測微計裝置上讀出。因此讀數(shù)顯微鏡測得的距離是被測定物體的實際長度。

4．（1）調(diào)整目鏡觀看到清楚的叉絲；（2）使用調(diào)焦手輪時，要使目鏡從靠近被測物處自下向上移動，以免擠壓被測物，損壞目鏡。（3）為防止空程差，測量時應單方向旋轉(zhuǎn)測微鼓輪。

5．因牛頓環(huán)裝置的接觸處的形變及塵埃等因素的影響，使牛頓環(huán)的中心不易確定，測量其半徑必定增大測量的誤差。所以在試驗中通常測量其直徑以減小誤差，提高精度。

6．有附加光程差d0,空氣膜上下表面的光程差=2dk+d0+,產(chǎn)生k級暗環(huán)時,=(2k+1)/2，k=0,1,2?,暗環(huán)半徑rk=；則Dm2=(m—d0)R，Dn2=(n—d0)R，R=。

【分析爭論題】

1．把待測表面放在水平放置的標準的平板玻璃上，用平行光垂直照耀時，若產(chǎn)生牛頓環(huán)現(xiàn)象，則待測表面為球面；輕壓待測表面時，環(huán)向中心移動，則為凸面；若環(huán)向中心外移動，則為凹面。

2．牛頓環(huán)法測透鏡曲率半徑的特點是：試驗條件簡潔，操作簡便，直觀且精度高。

3．參考答案

若試驗中第35個暗環(huán)的半徑為a,其對應的實際級數(shù)為k,

a2=kRk=

=2d35++d0=(2k+1)(k=0,1,2…)

d=

試驗二聲速的測量

【預習思索題】

1.如何調(diào)整和推斷測量系統(tǒng)是否處于共振狀態(tài)？為什么要在系統(tǒng)處于共振的條件下進行聲速測定？

答：緩慢調(diào)整聲速測試儀信號源面板上的“信號頻率”旋鈕，使溝通毫伏表指針指示達到最大（或晶體管電壓表的示值達到最大），此時系統(tǒng)處于共振狀態(tài)，顯示共振發(fā)生的信號指示燈亮，信號源面板上頻率顯示窗口顯示共振頻率。在進行聲速測定時需要測定駐波波節(jié)的位置，當放射換能器S1處于共振狀態(tài)時，放射的超聲波能量最大。若在這樣一個最佳狀態(tài)移動S1至每一個波節(jié)處，媒質(zhì)壓縮形變最大，則產(chǎn)生的聲壓最大，接收換能器S2接收到的聲壓為最大，轉(zhuǎn)變成電信號，晶體管電壓表會顯示出最大值。由數(shù)顯表頭讀出每一個電壓最大值時的位置，即對應的波節(jié)位置。因此在系統(tǒng)處于共振的條件下進行聲速測定，可以簡單和精確地測定波節(jié)的位置，提高測量的精確度。

2.壓電陶瓷超聲換能器是怎樣實現(xiàn)機械信號和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換的？

答：壓電陶瓷超聲換能器的重要組成部分是壓電陶瓷環(huán)。壓電陶瓷環(huán)由多晶結構的壓電材料制成。這種材料在受到機械應力，發(fā)生氣械形變時，會發(fā)生極化，同時在極化方向產(chǎn)生電場，這種特性稱為壓電效應。反之，假如在壓電材料上加交變電場，材料會發(fā)生氣械形變，這被稱為逆壓電效應。聲速測量儀中換能器S1作為聲波的放射器是利用了壓電材料的逆壓電效應，壓電陶瓷環(huán)片在交變電壓作用下，發(fā)生縱向機械振動，在空氣中激發(fā)超聲波，把電信號轉(zhuǎn)變成了聲信號。換能器S2作為聲波的接收器是利用了壓電材料的壓電效應，空氣的振動使壓電陶瓷環(huán)片發(fā)生氣械形變，從而產(chǎn)生電場，把聲信號轉(zhuǎn)變成了電信號。

【分析爭論題】

1.為什么接收器位于波節(jié)處，晶體管電壓表顯示的電壓值是最大值？

答：兩超聲換能器間的合成波可近似看成是駐波。其駐波方程為

A（x）為合成后各點的振幅。當聲波在媒質(zhì)中傳播時，媒質(zhì)中的壓強也隨著時間和位置發(fā)生變化，所以也常用聲壓P描述駐波。聲波為疏密波，有聲波傳播的媒質(zhì)在壓縮或膨脹時，來不及和外界交換熱量，可近似看作是絕熱過程。氣體做絕熱膨脹，則壓強減?。蛔鼋^熱壓縮，則壓強增大。媒質(zhì)體元的位移最大處為波腹，此處可看作既未壓縮也未膨脹，則聲壓為零，媒質(zhì)體元位移為零處為波節(jié)，此處壓縮形變最大，則聲壓最大。由此可知，聲波在媒質(zhì)中傳播形成駐波時，聲壓和位移的相位差為。令P（x）為駐波的聲壓振幅，駐波的聲壓表達式為

波節(jié)處聲壓最大，轉(zhuǎn)換成電信號電壓最大。所以接收器位于波節(jié)處，晶體管電壓表顯示的電壓值是最大值。

2.用逐差法處理數(shù)據(jù)的優(yōu)點是什么？

答：逐差法是物理試驗中處理數(shù)據(jù)的一種常用方法，是對等間隔變化的被測物理量的數(shù)據(jù)，進行逐項或隔項相減，來獲得試驗結果的數(shù)據(jù)處理方法。逐差法進行數(shù)據(jù)處理有許多優(yōu)點，可以驗證函數(shù)的表達形式，也可以充分利用所測數(shù)據(jù)，具有對數(shù)據(jù)取平均的效果，起到減小隨機誤差的作用。本試驗用隔項逐差法處理數(shù)據(jù)，減小了測量的隨機誤差

試驗七鐵磁材料磁滯回線的測繪

【預習思索題】

1.測繪磁滯回線和磁化曲線前為何先要退磁？如何退磁？

答：由于鐵磁材料磁化過程的不行逆性即具有剩磁的特點，在測定磁化曲線和磁滯回線時，首先必需對鐵磁材料預先進行退磁，以保證外加磁場H=0時B=0。退磁的方法，從理論上分析，要消退剩余磁感應強度Br，只需要通以反向電流，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑力即可，但實際上矯頑力的大小通常并不知道，則無法確定退磁電流的大小。常采納的退磁方法是首先給要退磁的材料加上一個大于（至少等于）原磁化場的交變磁場（本試驗中順時針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕，令U從0依次增至3V），鐵磁材料的磁化過程是一簇漸漸擴大的磁滯回線。然后漸漸減小外加磁場，（本試驗中逆時針方向轉(zhuǎn)動旋鈕，將U從最大值依次降為0），則會消失一簇漸漸減小而最終趨向原點的磁滯回線。當外加磁場H減小到零時，鐵磁材料的磁感應強度B亦同時降為零，即達到完全退磁。

2.如何推斷鐵磁材料屬于軟、硬磁性材料？

答：軟磁材料的特點是：磁導率大，矯頑力小，磁滯損耗小，磁滯回線呈長條狀；硬磁材料的特點是：剩磁大，矯頑力也大，磁滯特性顯著，磁滯回線包圍的面積肥大。

【分析爭論題】

1.本試驗通過什么方法獲得H和B兩個磁學量？簡述其基本原理。

答：本試驗采納非電量電測技術的參量轉(zhuǎn)換測量法，將不易測量的磁學量轉(zhuǎn)換為易于測量的電學量進行測定。按測試儀上所給的電路圖連接線路，將電壓UH和UB分別加到示波器的“x輸入”和“y輸入”，便可觀看到樣品的磁滯回線，同時利用示波器測繪出基本磁化曲線和磁滯回線上某些點的UH和UB值。依據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強為

(L為樣品的平均磁路)

依據(jù)法拉弟電磁感應定律，樣品的磁感應強度瞬時值

由以上兩個公式可將測定的UH和UB值轉(zhuǎn)換成H和B值，并作出H~B曲線。

【試驗儀器】

2.鐵磁材料的磁化過程是可逆過程還是不行逆過程？用磁滯回線來解釋。

答：鐵磁材料的磁化過程是不行逆過程。鐵磁材料在外加磁場中被磁化時，外加磁場強度H與鐵磁材料的磁感應強度B的大小是非線性關系。當磁場H從零開頭增加時，磁感應強度B隨之以曲線上升，當H增加到Hm時，B幾乎不再增加，達到飽和值Bm，從O到達飽和狀態(tài)這段B-H曲線，稱為起始磁化曲線。當外加磁場強度H從Hm減小時，鐵磁材料的磁感應強度B也隨之減小，但不沿原曲線返回，而是沿另一曲線下降。當H下降為零時，B不為零，仍保留肯定的剩磁Br，使磁場反向增加到-Hc時，磁感應強度B下降為零。連續(xù)增加反向磁場到-Hm，后漸漸減小反向磁場直至為零，再加上正向磁場直至Hm，則得到一條閉合曲線，稱為磁滯回線。從鐵磁材料的起始磁化曲線和磁滯回線可以看到，外加磁場強度H從Hm減小到零時的退磁曲線與磁場H從零開頭增加到Hm時的起始磁化曲線不重合，說明退磁過程不能重復起始磁化過程的每一狀態(tài)，所以鐵磁材料的磁化過程是不行逆過程。

試驗八鐵磁材料磁滯回線的測繪

【預習思索題】

1.測繪磁滯回線和磁化曲線前為何先要退磁？如何退磁？

答：由于鐵磁材料磁化過程的不行逆性即具有剩磁的特點，在測定磁化曲線和磁滯回線時，首先必需對鐵磁材料預先進行退磁，以保證外加磁場H=0時B=0。退磁的方法，從理論上

分析，要消退剩余磁感應強度Br，只需要通以反向電流，使外加磁場正好等于鐵磁材料的矯頑力即可，但實際上矯頑力的大小通常并不知道，則無法確定退磁電流的大小。常采納的退磁方法是首先給要退磁的材料加上一個大于（至少等于）原磁化場的交變磁場（本試驗中順時針方向轉(zhuǎn)動“U選擇”旋鈕，令U從0依次增至3V），鐵磁材料的磁化過程是一簇漸漸擴大的磁滯回線。然后漸漸減小外加磁場，（本試驗中逆時針方向轉(zhuǎn)動旋鈕，將U從最大值依次降為0），則會消失一簇漸漸減小而最終趨向原點的磁滯回線。當外加磁場H減小到零時，鐵磁材料的磁感應強度B亦同時降為零，即達到完全退磁。

2.如何推斷鐵磁材料屬于軟、硬磁性材料？

答：軟磁材料的特點是：磁導率大，矯頑力小，磁滯損耗小，磁滯回線呈長條狀；硬磁材料的特點是：剩磁大，矯頑力也大，磁滯特性顯著，磁滯回線包圍的面積肥大。

【分析爭論題】

1.本試驗通過什么方法獲得H和B兩個磁學量？簡述其基本原理。

答：本試驗采納非電量電測技術的參量轉(zhuǎn)換測量法，將不易測量的磁學量轉(zhuǎn)換為易于測量的電學量進行測定。按測試儀上所給的電路圖連接線路，將電壓UH和UB分別加到示波器的“x輸入”和“y輸入”，便可觀看到樣品的磁滯回線，同時利用示波器測繪出基本磁化曲線和磁滯回線上某些點的UH和UB值。依據(jù)安培環(huán)路定律，樣品的磁化場強為

(L為樣品的平均磁路)

依據(jù)法拉弟電磁感應定律，樣品的磁感應強度瞬時值

由以上兩個公式可將測定的UH和UB值轉(zhuǎn)換成H和B值，并作出H~B曲線。

【試驗儀器】

2.鐵磁材料的磁化過程是可逆過程還是不行逆過程？用磁滯回線來解釋。

答：鐵磁材料的磁化過程是不行逆過程。鐵磁材料在外加磁場中被磁化時，外加磁場強度H與鐵磁材料的磁感應強度B的大小是非線性關系。當磁場H從零開頭增加時，磁感應強度B隨之以曲線上升，當H增加到Hm時，B幾乎不再增加，達到飽和值Bm，從O到達飽和狀態(tài)這段B-H曲線，稱為起始磁化曲線。當外加磁場強度H從Hm減小時，鐵磁材料的磁感應強度B也隨之減小，但不沿原曲線返回，而是沿另一曲線下降。當H下降為零時，B不為零，仍保留肯定的剩磁Br，使磁場反向增加到-Hc時，磁感應強度B下降為零。連續(xù)增加反向磁場到-Hm，后漸漸減小反向磁場直至為零，再加上正向磁場直至Hm，則得到一條閉合曲線，稱為磁滯回線。從鐵磁材料的起始磁化曲線和磁滯回線可以看到，外加磁場強度H從Hm減小到零時的退磁曲線與磁場H從零開頭增加到Hm時的起始磁化曲線