第六章開放性實(shí)驗(yàn)

1、PAGE PAGE 221第六章 開放性實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)47 用三線擺測定物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量簡介轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是表征剛體轉(zhuǎn)動(dòng)特性的物理量，它與剛體質(zhì)量的大小、轉(zhuǎn)軸的位置和質(zhì)量對于轉(zhuǎn)軸的分布等有關(guān)。對于形狀簡單的剛體，可以通過數(shù)學(xué)方法計(jì)算出它繞特定轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。但對于形狀復(fù)雜的剛體，用數(shù)學(xué)方法計(jì)算它的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量就非常困難，有時(shí)甚至不可能，所以常用實(shí)驗(yàn)方法測定。測定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的方法有多種，本實(shí)驗(yàn)采用三線扭擺法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)會(huì)用三線扭擺法測定物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。2驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的移軸定理。實(shí)驗(yàn)儀器三線擺、物理天平、水平儀、MS-6數(shù)字計(jì)時(shí)儀、游標(biāo)尺、米尺、圓環(huán)、圓柱體。 預(yù)習(xí)提示1. 用三線扭擺測定物體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，為什

2、么要求懸盤水平，而且擺角要?。?. 三線扭擺放上待測物后，它的轉(zhuǎn)動(dòng)周期是否一定要比空盤轉(zhuǎn)動(dòng)周期大？為什么？3. 測圓環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，把圓環(huán)放在懸盤的同心位置上。若轉(zhuǎn)軸放偏了，測出的結(jié)果是偏大還是偏?。繛槭裁?？R HO圖47-1實(shí)驗(yàn)原理 1. 測定懸盤繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J。三線擺如圖47-1所示，有一均勻圓盤，在小于其周界的同心圓周上作一內(nèi)接等邊三角形，然后從三角形的三個(gè)頂點(diǎn)引出三條金屬線，三條金屬線同樣對稱地連接在置于上部的一個(gè)水平小圓盤的下面，小圓盤可以繞自身的垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)均勻圓盤（以下簡稱懸盤）水平，三線等長時(shí)，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)上部小圓盤，由于懸線的 張力作用，懸盤即繞上下圓盤的中心連線軸OO

3、周期地反復(fù)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)懸盤離開平衡位置向某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)到最大角位移時(shí)，整個(gè)懸盤的位置也隨著升高h(yuǎn) 。若取平衡位置的勢能為零，則懸盤升高h(yuǎn)時(shí)的動(dòng)能等于零，而勢能為： 式中m是懸盤的質(zhì)量，g是重力加速度。轉(zhuǎn)動(dòng)的懸盤在達(dá)到最大角位移后將向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)它通過平衡位置時(shí)，其勢能和平動(dòng)動(dòng)能為零，而轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為： 式中J0為懸盤的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0為懸盤通過平衡位置時(shí)的角速度。如果略去磨擦力的影響，根據(jù)機(jī)械能守恒定律，E1=E2，即 （1）若懸盤轉(zhuǎn)動(dòng)角度很小，可以證明懸盤的角位移與時(shí)間的關(guān)系可寫成： 式中是懸盤在時(shí)刻t的位移 ，0是懸盤的最大角位移即角振幅，T是周期。角速度是角位移對時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)，即在通過平衡

4、位置的瞬時(shí)（t=0、T/2、T等），角速度的絕對值是：圖47-2RBhHA A1 （2）根據(jù)（1）式和（2）式得： （3）設(shè)是懸線之長，R是懸盤點(diǎn)到中心的距離，由圖2可得：因?yàn)椋?得:在偏轉(zhuǎn)角很小時(shí)而 所以 （4）將(4)式代入(3)式得： （5）這是測定懸盤繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式。2. 測定圓環(huán)繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J把質(zhì)量為的圓環(huán)放在懸盤上，使兩者中心軸重合，組成一個(gè)系統(tǒng)。測得它們繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的周期為T1，則它們總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：得圓環(huán)繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （6） 得圓環(huán)繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （7）（6）、（7）兩式是測定圓環(huán)繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式。已知圓環(huán)繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的理論

5、計(jì)算公式為：式中R1為圓環(huán)外半徑，R2為圓環(huán)內(nèi)半徑。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相比較，并計(jì)算測量誤差。3. 驗(yàn)證移軸定理 將兩個(gè)質(zhì)量都為，半徑為RX形狀完全相同的圓柱體對稱地放置在懸盤上，柱體中心離懸盤中心的距離為X。按上述方法測得兩物體和懸盤繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)周期為TX，則兩圓柱體繞中心軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： （8）將從（8）式所得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論上按移軸定理計(jì)算所得的結(jié)果進(jìn)行比較，并計(jì)算測量誤差。 理論值為：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測量 1. 將水平儀置于懸盤上任意兩懸線之間，調(diào)整三線擺上面的小圓盤邊上的三個(gè)調(diào)整旋鈕，改變?nèi)龡l懸線的長度，直至懸盤水平，并用固定螺釘將三個(gè)調(diào)整旋鈕固定。 2. 輕輕鈕動(dòng)上圓盤(最大轉(zhuǎn)角

6、控制在5以內(nèi)),使懸盤擺動(dòng),用數(shù)字計(jì)時(shí)儀測出懸盤擺動(dòng)50次所需時(shí)間,重復(fù)三次求平均值，從而求出懸盤的擺動(dòng)周期T。3. 把待測圓環(huán)置于懸盤上，使兩者中心軸線重合，按上法求出圓環(huán)與懸盤的共同振動(dòng)周期T1。4. 取下圓環(huán)，把質(zhì)量和形狀都相同的兩個(gè)圓柱體對稱地置于懸盤上，再按上述方法求出振動(dòng)周期Tx。5. 用游標(biāo)尺分別量出小圓盤和懸盤三懸點(diǎn)之間的距離a和b，各取其平均值，算出懸點(diǎn)到中心的距離r和R（r和R分別為以a和b為邊長的等邊三角形外接圓的半徑）。6. 用游標(biāo)尺分別量出圓環(huán)的內(nèi)直徑和外直徑為2R1、2R2，圓柱體直徑2Rx及圓柱體中心至懸盤中心的距離X，用米尺測出兩圓盤之間的垂直距離H。7. 稱出

7、圓環(huán)的質(zhì)量和圓柱體的質(zhì)量（懸盤的質(zhì)量m已標(biāo)明在盤的底面上）。8. 計(jì)算測量誤差。擺動(dòng)50次所需時(shí)間t（S）懸 盤懸盤加圓環(huán)懸盤加兩圓柱體111222333平均平均平均周 期 T= （S） T1= （S） TX= （S）項(xiàng)目次數(shù)上圓盤懸孔間距離a（10-2m）懸盤懸孔間距離b（10-2m）圓 環(huán)圓柱體直徑2RX（10-2m）外直徑2R1（10-2m）內(nèi)直徑2R2（10-2m）123平均=_（10-2m）； _（10-2m）；兩圓盤之間垂直距離H=_（10-2m）； 圓柱體中心至懸盤中心的距離X=_（10-2m）；懸盤質(zhì)量m=_（）；圓環(huán)質(zhì)量=_（）；圓柱體=_（）；_。 _。思考題如何利用三線扭

8、擺測定任意形狀的物體繞特定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量？如果下懸盤在扭轉(zhuǎn)擺動(dòng)時(shí)有晃動(dòng)現(xiàn)象，對周期的測量有何影響？實(shí)驗(yàn)值的誤差主要來源于哪些物理量？為了減少系統(tǒng)誤差，你認(rèn)為應(yīng)如何改變現(xiàn)有方案與設(shè)備，提出新的實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)48 落球法側(cè)液體粘滯系數(shù)簡介液體具有不同程度的粘滯性，當(dāng)液體穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)，由于各層的流速不同，相鄰的兩層液體之間有力的作用，快的一層給慢的一層以拉力，慢的一層給快的一層以阻力，這種阻力是由內(nèi)摩擦產(chǎn)生的，稱為內(nèi)摩擦或粘滯阻力。實(shí)踐證明，對給定的液體粘滯力與兩層間的接觸面積S及該處垂直于S方向上的速度梯度dv/dx成正比，且與運(yùn)動(dòng)方向相反，即此式稱為粘滯定律，式中稱為液體的粘滯系數(shù)或內(nèi)摩擦系數(shù)，

9、其值取決于液體的性質(zhì)和溫度，溫度升高，粘滯系數(shù)迅速減小，所以當(dāng)給出粘度時(shí)，一定要注明溫度。在國際單位（SI）制中，的單位為Pas（帕秒）。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1. 依椐斯托克斯公式，用落球法側(cè)液體粘滯系數(shù)； 2. 了解斯托克斯公式的修正方法； 3. 學(xué)習(xí)用作圖外推法處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，求得無法實(shí)現(xiàn)或理想狀態(tài)下的物理量。實(shí)驗(yàn)儀器 DN-3液體粘滯系數(shù)儀、DM1-002電子秒表、15J型測量顯微鏡、游標(biāo)卡尺、鑷子、有機(jī)玻璃板條、磁鐵、微型鋼球。預(yù)習(xí)提示多管落球法測實(shí)驗(yàn)是如何滿足無限光延條件的？觀察小球通過A、B橫刻線時(shí)，應(yīng)如何避免誤差？3. 小球下落時(shí)液體應(yīng)是靜止的，在實(shí)驗(yàn)過程中要保持靜止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)采取什么措施？實(shí)

10、驗(yàn)原理 當(dāng)半徑為r的光滑圓球，以速度v0在均勻的無限寬廣的液體中運(yùn)動(dòng)時(shí)，若速度不大，球也很小，在液體中不產(chǎn)生渦流的情況下，斯托克斯指出球在液體中所受到的粘滯阻力f為： （1） 式中為液體的粘滯系數(shù)，此式稱斯托克斯公式。由此式可知粘滯阻力f的大小和物體運(yùn)動(dòng)速度成正比。當(dāng)密度為，體積為V的小球在密度為的液體中下落時(shí)，作用在小球上的力有三個(gè)，即：重力，液體的浮力，液體的粘滯阻力。這三個(gè)力都作用在同一鉛直線上，重力向下，浮力和阻力向上。小球剛開始下落時(shí)，速度很小，粘滯阻力不大，因而小球作加速運(yùn)動(dòng)。隨著速度的增加阻力逐漸加大，速度達(dá)一定值時(shí)，阻力和浮力之和將等于重力，小球的加速度等于零，開始勻速下落，即

11、 （2）此時(shí)的速度稱為收尾速度。由此式可得： （3）將體積代入（3）得 （4）式中是小球直徑。AB圖48- 1斯托克斯公式的假定條件是小球在無限寬廣的液體中下落，而實(shí)際上小球是在有限的圓柱形筒中下落，筒的直徑和液體深度均是有限的，因此實(shí)驗(yàn)中“無限廣延”的條件是無法實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)驗(yàn)用作圖外推的方法來確定。 在圖48-1中，每根管子上、下兩刻線A、B之間的距離S相同，A刻線離液面有適當(dāng)?shù)木嚯x，可以認(rèn)為小球由靜止開始下落經(jīng)過A刻線時(shí)已處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。受管壁影響，小球在不同直徑的管子中勻速下落的速度不同。大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及用線性擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理表明小球在管中勻速下落的速度與在無限廣延的液體中勻速下落的速

12、度之間的關(guān)系為 （5）式中為管子的直徑，是與實(shí)驗(yàn)條件無關(guān)的修正系數(shù)；若小球勻速下落經(jīng)過的距離相同，則下落時(shí)間為 （6）由此可見，與成線性關(guān)系，只要依次測出同一小球在各管中經(jīng)過距離所需時(shí)間及各管的直徑，并以為縱坐標(biāo)，為橫坐標(biāo)，作一條直線。則該直線在縱軸上的截距就是當(dāng)即在無限廣延液體中小球勻速下落通過距離所需的時(shí)間，所以有 （7）將（7）式代入（4）式，就能測出液體的粘滯系數(shù)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測量 1調(diào)節(jié)粘滯系數(shù)底板上的螺釘，用水泡水準(zhǔn)器觀察使其水平，以保證玻璃管中心軸線處于鉛直狀態(tài)。用讀數(shù)顯微鏡測量小球的直徑d六次，求平均值。用鑷子夾起測得直徑的小鋼球，細(xì)心地放入最細(xì)圓管液體的的中心處，使小鋼球沿圓管

13、中心軸線下落，用電子秒表記錄小球通過刻線A、B間的時(shí)間。用磁鐵將小球從管中沿管壁吸出，用這個(gè)小鋼球依次測出通過各管中刻線A、B間的時(shí)間。分別測量各圓筒內(nèi)直徑D,A、B間的距離S，查閱鋼球密度和蓖麻油密度0的數(shù)值和當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭的值。觀察室內(nèi)溫度計(jì)，記下室溫。 參考文獻(xiàn)液體粘滯系數(shù)儀器使用說明書2008年3月。2. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 宋玉海、梁寶社主編，2006年8月。思考題1. 在特定的液體中，當(dāng)小球半徑減小時(shí)，它下降的收尾速度如何變化？當(dāng)小球密度增大時(shí)，又將任何？2. 試分析選用不同密度和半徑的小球做此實(shí)驗(yàn)時(shí)，對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差的影響。3. 除管子不鉛直，小球不在管子中心下落和液體中有氣泡等外

14、，還有哪些因素會(huì)給 實(shí)驗(yàn)造成誤差？如何克服這些因素來減少誤差？附表 蓖麻油的值與溫度的關(guān)系溫度t（Pas）溫度t（Pas）05.30230.7353.76240.67102.42250.62112.20260.57122.00270.53131.83280.52141.67290.48151.51300.45161.37310.42171.25320.39181.15330.36191.04340.34200.95350.31210.87400.23220.791000.19實(shí)驗(yàn)49 不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的測定簡介熱量傳輸有多種方式，熱傳導(dǎo)是熱量傳輸?shù)闹匾绞街?，也是熱交換現(xiàn)象三種基本形式（傳導(dǎo)

15、、對流、輻射）中的一種。導(dǎo)熱系數(shù)是反映材料導(dǎo)熱性能的重要參數(shù)之一，它不僅是評價(jià)材料熱學(xué)特性的依據(jù)，也是材料在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)的一個(gè)依據(jù)。導(dǎo)熱系數(shù)大、導(dǎo)熱性能好的材料稱為良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)小、導(dǎo)熱性能差的材料稱為不良導(dǎo)體。一般來說，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)比非金屬的要大，固體的導(dǎo)熱系數(shù)比液體的要大，氣體的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因?yàn)椴牧系膶?dǎo)熱系數(shù)不僅隨溫度、壓力變化，而且材料的雜質(zhì)含量、結(jié)構(gòu)變化都會(huì)明顯影響導(dǎo)熱系數(shù)的數(shù)值，所以在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工程技術(shù)中對材料的導(dǎo)熱系數(shù)常用實(shí)驗(yàn)的方法測定。測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法大體上可分為穩(wěn)態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩類。本實(shí)驗(yàn)介紹一種比較簡單的利用穩(wěn)態(tài)法測不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。穩(wěn)態(tài)法是通過熱源在樣品內(nèi)部形

16、成一個(gè)穩(wěn)定的溫度分布后，用熱電偶測出其溫度，進(jìn)而求出物質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)的方法。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握穩(wěn)態(tài)法測不良導(dǎo)體導(dǎo)熱系數(shù)的方法；2、了解物體散熱速率與傳熱速率的關(guān)系；3、學(xué)習(xí)用作圖法求冷卻速率；4、掌握一種用熱電轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行溫度測量的方法。實(shí)驗(yàn)儀器DH2智能導(dǎo)熱系數(shù)測定儀，保溫瓶，測試樣品（橡皮），游標(biāo)卡尺，天平。預(yù)習(xí)提示實(shí)驗(yàn)中不良導(dǎo)體上下表面溫度是怎樣測量的？什么是穩(wěn)態(tài)法？實(shí)驗(yàn)原理早在1882年，法國科學(xué)家丁傅里葉就提出了熱傳導(dǎo)定律，目前各種測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法都建立在傅里葉熱傳導(dǎo)定律基礎(chǔ)上。當(dāng)物體內(nèi)部各處溫度不均勻時(shí)，就會(huì)有熱量從溫度較高處傳向較低處，這種現(xiàn)象稱為熱傳導(dǎo)。熱傳導(dǎo)定律指出：如果熱量是沿

17、著Z方向傳導(dǎo)，那么在Z軸上任一位置Zo處取一個(gè)垂直截面積，以表示在Z處的溫度梯度，以表示該處的傳熱速度（單位時(shí)間內(nèi)通過截面積的熱量），那么熱傳導(dǎo)定律可表示成 =（） （1）式中的負(fù)號(hào)表示熱量從高溫區(qū)向低溫區(qū)傳導(dǎo)（即熱傳導(dǎo)的方向與溫度梯度的方向相反），比例數(shù)即為導(dǎo)熱系數(shù)，可見導(dǎo)熱系數(shù)的物理意義：在溫度梯度為一個(gè)單位的情況下，單位時(shí)間內(nèi)垂直通過單位面積截面的熱量。利用（1）式測量材料的導(dǎo)熱系數(shù)，需解決兩個(gè)關(guān)鍵的問題：一個(gè)是如何在材料內(nèi)造成一個(gè)溫度梯度并確定其數(shù)值；另一個(gè)是如何測量材料內(nèi)由高溫區(qū)向低溫區(qū)的傳熱速率。1. 關(guān)于溫度梯度為了在樣品內(nèi)造成一個(gè)溫度的梯度分布，可以把樣品加工成平板狀，并把它夾

18、在兩塊良導(dǎo)體鋁板之間，如圖49-1，使兩塊鋁板分別保持在恒定溫度和，就可能在垂直于樣品表面的方向上形成溫度的梯度分布。若樣品厚度遠(yuǎn)小于樣品直徑（），由于樣品側(cè)面積比平板面積小得多，由側(cè)面散去的熱量可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為熱量是沿垂直于樣品平面的方向上傳導(dǎo)，即只在此方向上有溫度梯度。由于鋁是熱的良導(dǎo)體，在達(dá)到平衡時(shí)，可以認(rèn)為在同一鋁板各處的溫度相同，樣品內(nèi)同平行平面上各處的溫度也相同。這樣只要測出樣品的厚度h和兩塊鋁板的溫度、，就可以確定樣品內(nèi)的溫度梯度。當(dāng)然這需要鋁板與樣品表面緊密接觸無縫隙，否則中間的空氣層將產(chǎn)生熱阻，使得溫度梯度測量不準(zhǔn)確。 圖49-1 傳熱示意圖 圖49-2 散熱盤的冷卻曲

19、線圖為了保證樣品中溫度場的分布具有良好的對稱性，把樣品及兩塊鋁板都加工成等大的圓形。2. 關(guān)于傳熱速率單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面積的熱量是一個(gè)無法直接測定的量，我們設(shè)法將這個(gè)量轉(zhuǎn)化為較為容易測量的量。為了維持一個(gè)恒定的溫度梯度分布，必須不斷地給高溫側(cè)鋁板加熱，熱量通過樣品傳到低溫側(cè)鋁板，低溫側(cè)鋁板則要將熱量不斷地向周圍環(huán)境散出。當(dāng)加熱速率、傳熱速率與散熱速率相等時(shí)，系統(tǒng)就達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，稱之為穩(wěn)態(tài)，此時(shí)低溫側(cè)鋁板的散熱速率就是樣品內(nèi)的傳熱速率。這樣，只要測量低溫側(cè)鋁板在穩(wěn)態(tài)溫度下散熱的速率，也就間接測量出了樣品內(nèi)的傳熱速率。但是，鋁板的散熱速率也不易測量，還需要進(jìn)一步作參量轉(zhuǎn)換，我們已經(jīng)知道，鋁

20、板的散熱速率與冷卻速率（溫度變化率）有關(guān)，其表達(dá)式為 （2）式中的m為鋁板的質(zhì)量，C為鋁板的比熱容，負(fù)號(hào)表示熱量向低溫方向傳遞。因?yàn)橘|(zhì)量容易直接測量，C為常量，這樣對鋁板的散熱速率的測量又轉(zhuǎn)化為對低溫側(cè)鋁板冷卻速率的測量。鋁板的冷卻速率可以這樣測量：在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，移去樣品，用加熱鋁板直接對下鋁板加熱，使其溫度高于穩(wěn)態(tài)溫度（大約高出10左右），再讓其在環(huán)境中自然冷卻，直到溫度低于，測出溫度在大于到小于區(qū)間中隨時(shí)間的變化關(guān)系，描繪出曲線（見圖49-2），曲線在處的斜率就是鋁板在穩(wěn)態(tài)溫度時(shí)下的冷卻速率。應(yīng)該注意的是，這樣得出的是鋁板全部表面暴露于空氣中的冷卻速率，其散熱面積為2Rp2+2Rphp（其

21、中Rp和hp分別是下鋁板的半徑和厚度），然而在實(shí)驗(yàn)中穩(wěn)態(tài)傳熱時(shí)，鋁板的上表面（面積為Rp2）是被樣品覆蓋的，由于物體的散熱速率與它們的面積成正比，所以穩(wěn)態(tài)時(shí)，鋁板散熱速率的表達(dá)式應(yīng)修正為：= （3）根據(jù)前面的分析，這個(gè)量就是樣品的傳熱速率。將（3）式代入熱傳導(dǎo)定律表達(dá)式（1），并考慮到=R2，可以得到導(dǎo)熱系數(shù)：= （4）式中的R為樣品的半徑、h為樣品的高度、m為下鋁板的質(zhì)量、c為鋁的比熱容、Rp和hp分別是下鋁板的半徑和厚度。（4）式中的各項(xiàng)均為常量或直接易測量。本實(shí)驗(yàn)選用銅一康銅熱電偶測溫度，溫差為100時(shí)，其溫差電動(dòng)勢約為4.0mV，即，。由于熱電偶冷端浸在冰水中，溫度為0，當(dāng)溫度變化范圍

22、不大時(shí)，熱電偶的溫差電動(dòng)勢（mV）與待測溫度T（）的比值是一個(gè)常數(shù)。儀器結(jié)構(gòu) 圖49-3使用方法 1. 將三芯電源線插入測試儀右側(cè)的電源插座內(nèi)。2. 先按實(shí)驗(yàn)裝置圖放置好支架，將下鋁盤（散熱盤）及待測樣品放在支架上，使待測樣品與上、下鋁盤接觸良好。安置加熱圓盤、鋁圓盤時(shí)須使放置熱電偶的洞孔與保溫杯在同一側(cè)。熱電偶及傳感器插入鋁盤上的小孔時(shí)，要抹些硅脂，并插到洞孔底部，使熱電偶測溫端及傳感器與鋁盤接觸良好，保溫瓶內(nèi)放入冰水混合物。3. 將PID智能控溫儀的傳感器航空插頭插入測試儀面板上“傳感器”的插座上；再用專用線將上鋁盤加熱與測試儀面板上“輸出電壓”相連接。參見連線示意圖。4. 按實(shí)驗(yàn)要求連接

23、好線，打開電源開關(guān)，各數(shù)字表的數(shù)碼管亮，秒表顯示全零，電壓表顯示為某數(shù)（不接信號(hào)時(shí)顯示為隨機(jī)狀態(tài)），PID智能控溫儀顯示上鋁盤溫度。加熱控制開關(guān)打向上，接通加熱電源，加熱控制開關(guān)打向下，斷開加熱電源。當(dāng)上鋁盤有加熱時(shí)指示燈亮。5. 使用秒表時(shí)，按下“開始” 鍵，蜂鳴器響一聲，開始計(jì)時(shí)。需要記錄時(shí)間時(shí)按下“暫停讀數(shù)” 鍵不動(dòng)，蜂鳴器一直響，讀數(shù)完后，手松開鍵時(shí)蜂鳴器停止響，繼續(xù)顯示時(shí)間。按下“暫停讀數(shù)” 鍵不動(dòng)時(shí)，時(shí)間計(jì)時(shí)不停。停止計(jì)時(shí)時(shí)按一下“復(fù)位”鍵即可。6. 補(bǔ)償電源的電壓為DC0-40mV，用中間的電位器調(diào)節(jié)，先將電位器反時(shí)針旋到頭（此時(shí)補(bǔ)償電壓為零）。7. 實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉電源開關(guān)，拆

24、去各連接線，將保溫瓶內(nèi)的冰水混合物倒掉?！癙ID溫度控制器”的面板布置和操作1. 面板布置： 1）顯示窗口：上排為測量值顯示窗，設(shè)置二級參數(shù)時(shí)，顯示設(shè)定項(xiàng)目代號(hào)下排為設(shè)定值顯示窗，設(shè)置二級參數(shù)時(shí)，顯示設(shè)定項(xiàng)目數(shù)值A(chǔ)T：自整定指示燈OUT：控制輸出指示燈SET：二級參數(shù)設(shè)置鍵，按3秒鐘即進(jìn)入設(shè)置狀態(tài) ：減數(shù)鍵 ：加數(shù)鍵 2）二級參數(shù)設(shè)置：代號(hào)設(shè) 定 項(xiàng) 目可設(shè)置范圍出廠設(shè)定5C測量誤差修正-2020或-19.919.9OLC已設(shè)置參數(shù)鎖定OFF鎖定；ON不鎖定ONP比例帶040%27I積分時(shí)間0999S750d微分時(shí)間0999S102PS比例偏顯功能-50+50-202. 表中“代號(hào)”指儀表上排

25、顯示窗在二級參數(shù)設(shè)置狀態(tài)時(shí)所顯示的字符，按加數(shù)鍵“” 或減數(shù)鍵“”，相對應(yīng)的設(shè)置值在下排顯示窗中顯示，改變至需要的值即可投入使用。某一項(xiàng)目設(shè)置完再按一次功能鍵“SET”即轉(zhuǎn)入下一設(shè)置項(xiàng)目，或回到工作狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測量1. 用游標(biāo)卡尺、天平測量樣品、下鋁盤的幾何尺寸和質(zhì)量，多次測量取平均值。2. 先按儀器示意圖放置好支架，將下鋁盤（散熱盤）及待測樣品放在支架上，使待測樣品與上、下鋁盤接觸良好。安置加熱圓盤、下鋁圓盤時(shí)須使放置熱電偶的洞孔與保溫杯在同一側(cè)。熱電偶及傳感器插入鋁盤上的小孔時(shí)，要抹一些硅脂，并要插到洞孔底部，使熱電偶測溫端及傳感器與鋁盤接觸良好，兩個(gè)熱電偶的冷端插在保溫瓶中的冰水混合

26、物中（兩個(gè)熱電偶冷端也可放在室溫中，用0的補(bǔ)償電路）。兩個(gè)熱電偶的熱端與測試儀對應(yīng)相連。加熱圓盤與測試儀“加熱輸出”用專用連接線相連（參考連線示意圖）。先將補(bǔ)償電源的電位器反時(shí)針旋到頭（此時(shí)補(bǔ)償電壓為零）。3. 將加熱控制開關(guān)打向上的位置，在PID溫控儀上設(shè)定好上鋁盤的加熱溫度（如90），對上鋁盤進(jìn)行加熱（上鋁盤被加熱時(shí)加熱控制開關(guān)上的指示燈亮）。4. 當(dāng)上鋁盤加熱到設(shè)定溫度時(shí)，使1讀數(shù)在0.03mv范圍內(nèi)，同時(shí)每隔30秒讀2的數(shù)值，如果在2分鐘內(nèi)樣品下表面溫度2示值不變，即可認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。記錄穩(wěn)態(tài)時(shí)與1，2對應(yīng)的，值。5. 移去樣品，繼續(xù)對下鋁盤加熱，當(dāng)下鋁盤溫度比高出10左右時(shí)，移去

27、上鋁盤，并將加熱控制開關(guān)打向下，關(guān)閉對上鋁盤的加熱，讓下鋁盤所有表面均暴露于空氣中，使下鋁盤自然冷卻。每隔30秒讀一次下鋁盤的溫度示值并記錄，直至溫度下降到以下一定值。選取鄰近的測量數(shù)據(jù)，作鋁盤的冷卻速率曲線，求出冷卻速率。6. 根據(jù)（4）式計(jì)算樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。7. 設(shè)定不同的加熱溫度，測量出不同溫度下樣品的導(dǎo)熱系數(shù)。在設(shè)定加熱溫度時(shí)，須高出室溫30。橡皮板的公認(rèn)導(dǎo)熱系數(shù)約為0.16W/（mK）。20溫度附近時(shí)鋁的比熱容c896J/（KgK）。（100時(shí)c=936J/（KgK）。） 圖49-4 思考題1. 測導(dǎo)熱系數(shù)要滿足哪些條件？在實(shí)驗(yàn)中如何保證？2. 測冷卻速率時(shí)，為什么要在穩(wěn)態(tài)溫度T2附

28、近選值？如何計(jì)算冷卻速率？3. 討論本實(shí)驗(yàn)的誤差因素，并說明導(dǎo)熱系數(shù)可能偏小的原因。參考文獻(xiàn)1. 智能導(dǎo)熱系數(shù)測定儀儀器說明書2008年3月。2. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 宋玉海、梁寶社主編，2006年8月。實(shí)驗(yàn)50 電表改裝和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)簡介電流計(jì)（表頭）只允許通過微安量級的電流，一般只能測量微小的電流和電壓。如果要用它來測量較大的電流和電壓，就必須進(jìn)行改裝，擴(kuò)大測量的量限。經(jīng)過改裝的電流計(jì)可以用來測量較大的電流和電壓。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握測定表頭內(nèi)阻及表頭靈敏度（即微安表的滿度電流值）的一種方法；2. 掌握將表頭改裝成電流表和電壓表的原理及校準(zhǔn)方法；3. 了解電表的引用誤差和準(zhǔn)確度等級的意義。實(shí)驗(yàn)儀器待改

29、裝的表頭，電阻箱（ZX21），數(shù)字電流表（DM-A3），數(shù)字電壓表（DM-V4），單刀開關(guān)（KH-1），滑線變阻器（BX7-），直流穩(wěn)壓電源（XJ17232）。 預(yù)習(xí)提示1. 表頭的兩個(gè)基本參數(shù)是什么? 2. 掌握改裝電流表、電壓表的計(jì)算方法。實(shí)驗(yàn)原理R0RgGIgREK圖50-1 在測量電流和電壓時(shí)，可能需要各種量程的電流表和電壓表，這些電流表和電壓表一般都是由小量程的微安表（俗稱表頭）經(jīng)并聯(lián)或串聯(lián)適當(dāng)阻值的電阻改裝組成的。在設(shè)計(jì)和改裝電表前，還必須事先測得表頭的內(nèi)阻和表頭靈敏度。1. 表頭內(nèi)阻的測定（半值法）表頭內(nèi)阻是置于磁場中線圈的直流電阻和接線電阻的總和，常用Rg表示。測定表頭內(nèi)阻的方

30、法很多，常用的有替代法、半值法、電橋法等。本實(shí)驗(yàn)采用半值法來測量Rg。電路如圖50-1所示（測量之前，表針必須準(zhǔn)確調(diào)至零位）。 圖50-2AGEKR0+ + 將電阻箱R0調(diào)為零，電源E電壓不變，調(diào)節(jié)滑動(dòng) 變阻器R使微安表指針滿度偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)電阻箱R0， 使 表頭指針半偏，則 IgRg= Ig（Rg+ R0）/2 所以 Rg =R0 2. 表頭靈敏度的測定（標(biāo)準(zhǔn)法） 表頭靈敏度就是滿標(biāo)度的電流值, 常用Ig表示。電流值越小，表明表頭靈敏度越高。標(biāo)準(zhǔn)法測表頭靈敏度的電路如圖50-2所示。圖中標(biāo)準(zhǔn)表A的靈敏度要比待測表G的靈敏度低。調(diào)節(jié)電阻箱電阻R0使表頭指針滿度偏轉(zhuǎn)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表上的讀數(shù)即為待測表頭的

31、靈敏度。3. 改裝成電流表 將表頭改裝成測量大電流的電流表實(shí)際上就是擴(kuò)大原來的表頭量程，通常是兩端并聯(lián)一個(gè)分流電阻RS，如圖50-3所示。使得流過表頭的電流Ig只是總電流的一部分，超過量程部分的電流從分流電阻上流過。設(shè)改裝表電流量程為Im，根據(jù)歐姆定律得： 圖50-3GIgImIm-IgRs（Im- Ig）RS = Ig Rg RS= Rg (1)若令n = ，表示改裝后量程擴(kuò)大倍數(shù)，則分流電阻為 RS = Rg （2）可見，要使表頭電流量程擴(kuò)大n倍，只要在表頭兩端并聯(lián)一個(gè)阻值的分流電阻Rs即可。 Ig Rg RPVg Vp VmG圖50-44. 改裝成電壓表將表頭改裝成測量大電壓的電壓表，通

32、常是串聯(lián)一個(gè)分壓電阻Rp，如圖50-4所示。設(shè)改裝成的電壓表量程為Vm，當(dāng)表頭通過電流Ig時(shí)，表頭兩端電壓降為Vg = Ig Rg。使超過該表量程的那部分電壓VP降在電阻RP上。選用不同的阻值的RP，就可改裝成不同量程的電壓表。根據(jù)歐姆定律得： Vm = Ig（Rg+ RP） RP = - Rg （3）這就是計(jì)算分壓電阻的常用公式。將（3）式稍微 改變?yōu)?RP = - Rg = （-1）Rg令n=，表示改裝后電壓量程擴(kuò)大倍數(shù)。則有RP = （n-1）Rg （4） 如果知道表頭的內(nèi)阻和電壓量程擴(kuò)大倍數(shù)，可由（4）式計(jì)算出RP。圖50-55.校準(zhǔn)曲線和電表的精度等級現(xiàn)以電壓表為例，將改裝成的電壓表

33、和一標(biāo)準(zhǔn)電壓表同時(shí)測量某一電壓，按改裝表表面上的各分度值逐點(diǎn)比較改裝表和標(biāo)準(zhǔn)表的示值和，求出-，以為橫坐標(biāo)，以為縱坐標(biāo)，畫出電壓表的校準(zhǔn)曲線(圖50-5)，圖中相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)以直線連接，因此校準(zhǔn)曲線是一折線。從校準(zhǔn)曲線可以看出，隨著改裝表分度逐點(diǎn)變化，絕對誤差各不相同， 各分度示值的相對誤差也各不相同，難以統(tǒng)一表達(dá)電表的精度，為此引進(jìn)“引用誤差”的概念，它以電表的量程作分母，取測量范圍內(nèi)的最大絕對誤差作分子，此比值的百分?jǐn)?shù)用來表示電表的精度。即引用誤差為 （5）稱為電表的準(zhǔn)確度(也稱精度)等級指數(shù)。按國家標(biāo)準(zhǔn)，電表的精度等級(值)分為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0等七級。若

34、引用誤差在兩級之間，則應(yīng)歸屬精度較低的一級。 改裝表的精度一般比標(biāo)準(zhǔn)表低得多，用改裝表去測量某一電壓時(shí)，測得值的絕對誤差不大于，或者查校準(zhǔn)曲線可以得到對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表的近似示值。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與測量1. 測量表頭內(nèi)阻Rg按圖一連好電路，校準(zhǔn)表頭零點(diǎn)，電源E電壓為2V不變。將電阻箱R0調(diào)為零，調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R，使微安表指針滿度偏轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)電阻箱R0，使表頭指針半偏，記錄電阻箱R0阻值。2. 測量表頭靈敏度Ig按圖二連好電路，電壓為2V不變，調(diào)節(jié)電阻箱電阻R0使表頭指針滿度偏轉(zhuǎn)，此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)表上的讀數(shù)即為待測表頭的靈敏度Ig。3. 將表頭改裝成2mA的電流表。 根據(jù)（2）式求出分流電阻RS的計(jì)算值。將電阻箱調(diào)到該值

35、后并聯(lián)到表頭兩端，即為改裝好的電流表，用A表示。AG RSR1AR1E K1 圖50-6 按圖50-6將改裝表接入校準(zhǔn)電路后，電源的電壓調(diào)節(jié)到3V，然后將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電流表（A）量程選為20mA。打開數(shù)字電流表和電源的電源開關(guān)，調(diào)節(jié)滑線變阻器R，使表頭指針對準(zhǔn)0.200、0.400、2.000mA，對應(yīng)讀出標(biāo)準(zhǔn)表A的示值。 斷開K1，關(guān)閉穩(wěn)壓電源。 4. 將表頭改裝成2V的電壓表 根據(jù)（4）式求出分壓電阻RP的計(jì)算值， 并將電阻箱調(diào)到該值與表頭串聯(lián)，即為改裝好的 RPRPVE K1RVG圖50-7電壓表，用V表示。 按圖50-7將改裝表接入校準(zhǔn)電路后，電源電壓仍為3V，將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表的量程選為2

36、0V檔，打開電源和數(shù)字表的電源開關(guān)。調(diào)節(jié)變阻器使R，使表頭指針對準(zhǔn)0.200、0.400、2.000V，對應(yīng) 讀出標(biāo)準(zhǔn)表V的示值。 斷開K1，關(guān)閉穩(wěn)壓電源。1. 表頭內(nèi)阻 Rg = R0=_ 2. 表頭靈敏度 Ig= _ A 3. 改裝電流表要求Im=2mA，分流電阻計(jì)算值RS = Rg= _ 標(biāo)準(zhǔn)表級別0.5級（由廠家提供）改裝表I（mA）0.2000.4000.6000.8001.0001.2001.4001.6001.8002.000標(biāo)準(zhǔn)表I（mA）I=I-I（mA）作II校準(zhǔn)曲線改裝表精度等級_ 改裝表為 _ 級。4. 改裝電壓表要求Vm=2伏，分壓電阻計(jì)算值RP = （n-1）Rg=

37、 _ 標(biāo)準(zhǔn)表級別0.5級（由廠家提供）改裝表V（伏）0.2000.4000.6000.8001.0001.2001.4001.6001.8002.000標(biāo)準(zhǔn)表V （伏）V=V-V（伏）作VV校準(zhǔn)曲線改裝表精度等級_ 改裝表為 _ 級。當(dāng)改裝表示值為1.500伏時(shí)，其最大可能的絕對誤差為 _ 伏。從校準(zhǔn)曲線上看對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)表的示值為 _ 伏。 思考題1. 什么是電表的校準(zhǔn)曲線，有什么用處？2. 電表的引用誤差的定義式是怎樣的? 參考文獻(xiàn)儀器說明書2008年3月。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)（基礎(chǔ)和綜合分冊）陳群宇 主編，2005年6月。實(shí)驗(yàn)51 用縱向磁聚焦法測定電子荷質(zhì)比簡介帶電粒子在電場與磁場中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是所有

38、電子光學(xué)器件的設(shè)計(jì)根據(jù)。均勻磁場對帶電粒子的作用無疑是最基本的。這里研究均勻磁場對電子運(yùn)動(dòng)的控制，并應(yīng)用于測量粒子的基本參數(shù)荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解磁聚焦原理；2. 測定電子的荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)儀器DHB-2電子荷質(zhì)比測定儀；WYT-2C直流穩(wěn)壓電源。預(yù)習(xí)提示什么是電子束的磁聚焦現(xiàn)象，怎樣解釋？用磁聚焦測量電子荷質(zhì)比時(shí)，當(dāng)加速電壓U一定時(shí)，可通過什么使電子磁聚？寫出間接測量荷質(zhì)比的計(jì)算公式，并說明式中每一項(xiàng)的物理意義。實(shí)驗(yàn)原理 測定電子荷質(zhì)比的方法很多，本實(shí)驗(yàn)介紹縱向磁場聚焦法。這個(gè)方法是在長直螺線管內(nèi)安裝一支示波管，螺線管的線圈通有直流電時(shí)，管內(nèi)的均勻磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向，沿螺線管的軸線方向，示波

39、管內(nèi)的電子槍發(fā)射的電子也是沿著螺線管的軸線方向飛行。為了使電子在垂直于B的方向上有個(gè)速度分量，我們在靠近電子槍的Y偏轉(zhuǎn)板上，加一個(gè)交變電壓，使電子的運(yùn)動(dòng)方向稍微偏離螺線管的軸線。我們知道，運(yùn)動(dòng)在磁場中的電子，要受到洛侖茲力的作用，洛侖茲力的公式為： 式中e是電子的電量，是電子運(yùn)動(dòng)的速度，是均勻磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度。這是一個(gè)矢量積，它的大小為： （2）式中（，）是電子運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角，洛侖茲力的方向由右手螺旋法則決定。對于運(yùn)動(dòng)在磁場中的電子所受洛侖茲力，我們分三種情況予以討論。1當(dāng)電子的運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向之間的夾角為零時(shí)，也就是可見此時(shí)電子不受洛侖茲力的作用，而是沿著軸線方向

40、作勻速直線運(yùn)動(dòng)。2當(dāng)電子的運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向垂直時(shí)，即：有最大值。洛侖茲力的方向垂直于與B組成的平面。即洛侖茲力的方向與電子運(yùn)動(dòng)的方向互相垂直，這正是向心力的特性。因此電子在洛侖茲力的作用下，作勻速圓周運(yùn)動(dòng)，如圖1所示，則有： （3）(3)中為電子作圓周運(yùn)動(dòng)的切線速度的大小，R為圓周的半徑。圖51-1 電子在磁場中的圓周運(yùn)動(dòng) （4） 由(4)可見，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B一定時(shí)，R與成正比關(guān)系，即速度大的電子作半徑大的圓周運(yùn)動(dòng)，速度小的電子作半徑小的圓周運(yùn)動(dòng)。電子作圓周運(yùn)動(dòng)的周期為： （5）式表示電子在磁場中作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的周期T與電子運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)。請注意這一結(jié)論很重要，不但對后面推導(dǎo)磁聚焦有

41、幫助，而且它本身也是回旋加速器的理論依據(jù)。3當(dāng)電子的運(yùn)動(dòng)方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向有一個(gè)夾角 (0）時(shí)有： （6）這時(shí)我們將電子運(yùn)動(dòng)速度分解成兩個(gè)互相垂直的分量，/和，按運(yùn)動(dòng)的獨(dú)立性原理，分別加以分析討論。/分量，/不受洛侖茲力的影響，電子保持/的大小，沿軸線作勻速直線運(yùn)動(dòng)。分量，電子在垂直于由和B組成的平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，可以想象電子一方面沿螺線管的軸線作勻速直線運(yùn)動(dòng)飛向熒屏，一方面又在垂直于/的平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)像彈簧一樣的螺旋線，這個(gè)螺旋線在垂直于B的平面內(nèi)的投影是一個(gè)圓，圓的半徑為： 電子作圓周運(yùn)動(dòng)的周期為： 這個(gè)螺旋形軌跡的螺距，即電子在一個(gè)周期內(nèi)前進(jìn)的距離為： 由（7

42、）、（8）、（9）三式可以得出如下的結(jié)論，對于同一時(shí)刻，從同一位置發(fā)出的電子，盡管它們的各不相同，軌道也不相同，但只要B一定，它們繞螺旋軌道一周的時(shí)間T都是相同的，這是前面（5）式的結(jié)論，雖然/各不相同，但從迎著電子飛行的方向看（即正面看熒光屏）時(shí)，仍是一個(gè)點(diǎn)，同理經(jīng)過2T、3T仍然是一個(gè)點(diǎn)，這就是磁聚焦的基本原理。如果加速電壓足夠高，就可忽略電子由熱陰極發(fā)出時(shí)的初動(dòng)能，即可認(rèn)為電子的縱向速度相等。從陰極發(fā)射出的電子，在陽極加速電壓U的作用下，電子獲得了較大的動(dòng)能，根據(jù)功能原理很容易得到 （10）把（10）式帶入（9）式，則有： 螺線管中部的磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式為：（12）式代入（11）式，

43、得：（13）式中，0= 410-7亨利/米，N是螺線管總匝數(shù)，L、D分別是螺線管的長度和直徑（單位：米），h是示波管Y偏轉(zhuǎn)板靠近電子槍一端到熒光屏的距離（h= 0.137米），其它數(shù)據(jù)見螺線管上粘貼的銘牌。測出與U相應(yīng)的聚焦電流I即可求得電子的荷質(zhì)比。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1. 調(diào)整好荷質(zhì)比測定儀，最好使螺線管的軸線與當(dāng)?shù)氐卮艌龅姆较蛞恢隆?. 按線路圖51-2和連線示意圖3接好線路。3. 接通電子荷質(zhì)比電源，輝度調(diào)至最大，調(diào)節(jié)電壓至600伏，預(yù)熱5分鐘。4. 將接線盒的偏轉(zhuǎn)訊號(hào)雙刀開關(guān)推向聚焦端，使x、y兩對偏轉(zhuǎn)板均接地。此時(shí)熒光屏上出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。調(diào)節(jié)聚焦，使光點(diǎn)聚焦到最佳狀態(tài)。調(diào)節(jié)電壓細(xì)調(diào)，使電壓表正指

44、600伏。5. 將接線盒上的偏轉(zhuǎn)訊號(hào)雙刀開關(guān)推向AC48V，使訊號(hào)電壓送入y軸偏轉(zhuǎn)板，熒光屏上出現(xiàn)一條直線。6. 接通螺線管的直流穩(wěn)壓電源，將勵(lì)磁換向開關(guān)打向“+”，電流調(diào)節(jié)旋鈕反時(shí)針調(diào)節(jié)到最小，進(jìn)行測量。由小到大調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，并觀察熒光屏上的直線隨著電流的增大一邊旋轉(zhuǎn)，一邊縮短，直至?xí)鄢梢粋€(gè)光點(diǎn)。穩(wěn)定后再讀數(shù)。讀取電壓表和電流表的讀數(shù),記入數(shù)據(jù)表+I中。 7. 將螺線管勵(lì)磁電流調(diào)回到零，將勵(lì)磁換向開關(guān)打向“-”端。由小到大調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。屏上直線反向旋轉(zhuǎn)，再次會(huì)聚成一點(diǎn)，讀取電壓表、電流表，數(shù)值記入數(shù)據(jù)表-I中。重復(fù)以上步驟依次測出700V，800V，900V，1000V時(shí)，電壓表和電流表讀

45、數(shù)記入數(shù)據(jù)表中，計(jì)算e/m的值。電子荷質(zhì)比測定儀 柵極電壓聚焦電壓1000900800700600FFYYXXF F A1 G K A2K1 K2AC48VAC48VDC 0-20V+ 直流穩(wěn)壓電源AKV圖51-2 電源和示波管各電極的接線圖8. 實(shí)驗(yàn)完畢后，關(guān)閉各儀器的電源，拆去各連接線。公認(rèn)值 =1.75881011C/Kg 圖51-3 連線示意圖思考題磁聚焦實(shí)驗(yàn)中通過什么方法消除外界磁場對實(shí)驗(yàn)的影響？分析荷質(zhì)比計(jì)算公式中哪一個(gè)物理量是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度的主要因素？操作過程中應(yīng)注意什么？實(shí)驗(yàn)52 用示波器和微機(jī)測動(dòng)態(tài)磁滯回線簡介磁性材料的磁滯回線和磁化曲線表征了磁性材料的基本磁特性。在工業(yè)、

46、交通、通訊、電器等各領(lǐng)域，大量應(yīng)用各種特性的鐵磁材料。因此，磁性材料基本特性測量，在實(shí)用上及大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中都顯得非常重要。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解用示波器和微機(jī)測量動(dòng)態(tài)磁滯回線的原理和方法；2根據(jù)磁滯回線確定磁性材料的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs、剩磁Br和矯頑力Hc的數(shù)值。實(shí)驗(yàn)儀器-Hc O Hc HSc f HBr be -BradBBS圖52-1 磁化曲線智能磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀（CZ-5）、示波器（YB43020B）、滑線變阻器、標(biāo)準(zhǔn)互感器（BH-01）、交流電流表、微機(jī)。預(yù)習(xí)提示 掌握示波器的原理和使用。2. 如何用示波器顯示磁滯回線的原理和實(shí)驗(yàn)線路。3. 什么是鐵磁材料的基本磁化曲線、起始磁化曲線和磁滯回線

47、？實(shí)驗(yàn)原理鐵磁物質(zhì)具有保持原先磁化狀態(tài)的性質(zhì)，稱為磁滯,這是鐵磁物質(zhì)的一個(gè)重要特性。給繞有線圈的硅鋼片鐵芯，通以磁化電流從零逐漸增大，則鐵芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度B隨磁場強(qiáng)度H的變化而變化，如圖52-1所示，圖中各量表示為： oa段曲線為基本磁化曲線； abcdefa為磁滯回線； Hs為飽和磁場強(qiáng)度； Bs為飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度； Hc為矯頑值； Br為剩磁。 從初始狀態(tài)H=0、B=0開始，用交流電源供給初級線圈產(chǎn)生交變磁場強(qiáng)度H時(shí)，在磁場由弱到強(qiáng)逐漸增加過程中，可以得到面積由小到大的一個(gè)個(gè)磁滯回線，各磁滯回線的正頂點(diǎn)的連接線oa，稱為鐵磁物質(zhì)的基本磁化曲線，達(dá)到飽和后，停止增加磁場強(qiáng)度H，即呈現(xiàn)出磁滯回線

48、abcdefa 。 可以看出，鐵磁材料的B和H不是線性關(guān)系，即磁導(dǎo)率B/H不是常數(shù)。 220VY O X2 i2 CN1 N2R2R1i1u1樣品圖52-2 用示波器測動(dòng)態(tài)磁滯回線的原理圖 利用示波器測動(dòng)態(tài)磁滯回線的原理如圖52-2所示。將樣品制成閉合的形狀，其上均勻地繞以磁化線圈N1及副線圈N2。交流電壓u加在磁化線圈上，線路中串聯(lián)了一取樣電阻R1。將R1兩端的電壓u1加到示波器的X輸入端上。副線圈N2與電阻R2和電容C串聯(lián)成一回路。電容C兩端的電壓uc加到示波器的Y輸入端上。下面我們來說明為什么這樣的電路能夠顯示和測量磁滯回線。 1u1（X輸入）與磁場強(qiáng)度H成正比設(shè)樣品的平均周長為，磁化線

49、圈的匝數(shù)為N1，磁化電流為i1（注意這是交流電流的瞬時(shí)值），根據(jù)安培環(huán)路定律有H=N1i1，即i1=H/N1。而u1=R1i1，所以可得 (1)式中R1、和N1皆為常數(shù)，可見u1與H成正比。它表明示波器熒光屏上電子束水平方向偏轉(zhuǎn)的大小與樣品中的磁場強(qiáng)度成正比。2uc（Y輸入）在一定條件下與磁場強(qiáng)度B成正比設(shè)樣品的截面積為S，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，在匝數(shù)為N2的副線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢應(yīng)為 (2)若副邊回路中的電流為i2且電容C上的電量為q，則應(yīng)有 (3)在上式中已考慮到副線圈匝數(shù)N2較小，因而自感電動(dòng)勢可忽略不計(jì)。在選定線路參數(shù)時(shí)，有意將R2與C選成足夠大，使電容C上的電壓降uc=q/C比起電阻上的電壓

50、降R2i2小到可以忽略不計(jì)。于是式（3）可以近似地改寫成E2=R2i2 (4)將關(guān)系式代入式(4) 得 (5)將上式與式（2）比較，不考慮其負(fù)號(hào)（在交流電中負(fù)號(hào)相當(dāng)于相位差為）時(shí)應(yīng)有 將等式兩邊對時(shí)間積分時(shí)，由于B和uc都是交變的，積分常數(shù)為0。整理后得 (6)式中N2、S、R2和C皆為常數(shù)，可見uc與B成正比，也就是說示波器熒光屏上電子束豎直方向偏轉(zhuǎn)的大小與磁感強(qiáng)度成正比。至此，可以看出，在磁化電流變化的一周期內(nèi)，示波器的光點(diǎn)將描繪出一條完整的磁滯回線。以后每個(gè)周期都重復(fù)此過程，結(jié)果在示波器的熒光屏上看到一條穩(wěn)定的磁滯回線圖形。實(shí)際測量中的線路也如圖52-2所示。為了使R1上的電壓降u1與流

51、過的電流i1二者的瞬時(shí)值成正比（相位相同），R1必須是無感或電感極小的電阻。其次為了操作安全和調(diào)節(jié)方便，在線路中采用了一個(gè)可調(diào)的低壓交流電源，調(diào)節(jié)此電源電壓的大小可以改變磁化電流i1的大小。在本實(shí)驗(yàn)中樣品是一用硅鋼片制成的鐵心。前面已說明了示波器熒光屏上可以顯示出待測材料動(dòng)態(tài)磁滯回線的原理。但在實(shí)驗(yàn)中，還須確定示波器熒光屏上X軸（即H軸）的每一小格實(shí)際代表多少安/米，Y軸（即B軸）的每一小格實(shí)際代表多少特斯拉。這就是所謂的標(biāo)定問題。220VR0R1AVX圖52-3 標(biāo)定H的線路圖3X軸（H軸）的標(biāo)定由式（1）可知，只要用實(shí)驗(yàn)方法測出光點(diǎn)沿X軸的偏轉(zhuǎn)大小與電壓u1的關(guān)系，進(jìn)而即可確定H。為此，采

52、用如圖52-3所示的線路，其中交流電流表A用于測量i10。普通的交流電流表一般指示正弦形電流的有效值，因而A的指示是i10的有效值I10。調(diào)節(jié)i10使熒光屏上呈現(xiàn)總長為Lx的水平線，它對應(yīng)于u1的峰峰值，即u1有效值的倍，所以Lx代表R1I10。這樣每小格所代表的u1的峰峰值為R1I10/Lx，利用式（1）可知沿X軸光點(diǎn)每偏轉(zhuǎn)1小格所代表的磁場強(qiáng)度H值為 (7)由于被測樣品是鐵磁性材料，它的B與H的關(guān)系是非線性的，電路中電流的波形會(huì)發(fā)生畸變，成為非正弦形的，結(jié)果電流表指示的也不再是正弦交變電流的有效值。因此作標(biāo)定用的線路中應(yīng)將被測樣品去掉，用一純電阻R0代替。這里R0起限流作用，實(shí)驗(yàn)時(shí)注意不要

53、使I10超過R0允許的電流值。如果交流電流表是真有效值的測量，可以不用純電阻R0，用交流電流表直接進(jìn)行測量。4Y軸（B軸）的標(biāo)定R1R2AVMYC220V圖52-4 標(biāo)定B的線路圖采用如圖52-4所示的線路。圖中M是一個(gè)互感量為M的標(biāo)準(zhǔn)互感器，流經(jīng)互感器原邊 的瞬時(shí)電流為iM0，則互感器副邊中的感應(yīng)電動(dòng)勢EM為 類似于式（5），可得兩邊積分，經(jīng)整理后可得 (8)電流表A測出的是iM0的有效值IM0，即uc的有效值為Uc=MIM0/R2C，因此uc的峰峰值為MIM0/R2C。如果此時(shí)熒光屏上對應(yīng)于uc峰峰值的豎直線總長為Ly，根據(jù)式（6），可得沿Y軸光點(diǎn)每偏轉(zhuǎn)1小格所代表的磁感強(qiáng)度B值為 (9)

54、實(shí)驗(yàn)中，不要使電流IM0超過互感器所允許的額定電流值。5、用交流電壓表對示波器定標(biāo)用交流電壓表（2V）對示波器定標(biāo)，交流電壓表一定是真有效值的測量，將示波器Y對地短路，此時(shí)示波器上展示出一條水平線，測量其長度值，并用交流電壓表測量出X對地的電壓值，由此得到（V/格）。同理，將示波器X對地短路，此時(shí)示波器上展示出一條垂直線，測量其長度，并用交流電壓表測出Y對地的電壓值，由此得到（V/格）。如能準(zhǔn)確測出R1、R2、C的值，也能直接用示波器測出、，則X、Y軸的標(biāo)定可省去，但需要先由示波器上讀出該點(diǎn)的坐標(biāo)x、y值，則該點(diǎn)的電壓為 ； （10）式（10）中，為示波器的分度值。可由示波器面板上直接讀出。這

55、樣 （11） （12）式（11）、（12）中，是常數(shù)，各物理量的單位：R1和R2為，為m，S為m2 ，C為F，、為V/cm， x、y為cm，則H為A/m，B為T。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一、用示波器測動(dòng)態(tài)磁滯回線1顯示和觀察動(dòng)態(tài)磁滯回線（1）按圖52-2所示線路接線，將實(shí)驗(yàn)儀的示波器數(shù)據(jù)采集開關(guān)打向示波器。打開實(shí)驗(yàn)儀和示波器的電源開關(guān)。（2）將示波器工作狀態(tài)值于X-Y，光點(diǎn)調(diào)至熒光屏中心，調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，逐步增大磁化電流，使磁滯回線上的B值能達(dá)到飽和。示波器的X、Y軸的分度值調(diào)整至適當(dāng)位置：每大格50mV檔（若用第二種方法即直接讀取示波器的分度值，就必須將分度盤上的旋鈕順時(shí)針旋到頭），使示波器熒光屏上得到典

56、型的美觀的磁滯回線圖形。2測量動(dòng)態(tài)磁滯回線 （1）先退磁。 （2）調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕，以小格為單位測若干組B、H的坐標(biāo)值。特別注意回線頂點(diǎn)、剩磁與驕頑力三個(gè)點(diǎn)的讀數(shù)。此后，示波器的X、Y軸的分度值絕對不要再改變，以便進(jìn)行B、H的標(biāo)定。3標(biāo)定H與B按圖52-4連接線路，接線示意圖見下圖，R0用滑線變阻器，交流電流表用200mA檔，調(diào)節(jié)可調(diào)電壓調(diào)節(jié)旋鈕和滑線變阻器使示波器上的橫線盡可能長并取整（如9大格，每大格有5個(gè)小格），并記下此時(shí)的電流值，用式（7）算出H0（每小格）。 圖52-5 H標(biāo)定接線示意圖按圖52-4連接線路，接線示意圖見下圖，交流電流表用200mA檔，調(diào)節(jié)電壓調(diào)節(jié)旋鈕使示波器上的豎直

57、線盡可能長并取整（如6大格，每大格有5個(gè)小格），并記下此時(shí)的電流值，用式（9）算出B0（每小格）。 圖52-6 B標(biāo)定接線示意圖4測磁化曲線 測量大小不同的各個(gè)磁滯回線的頂點(diǎn)的連線。5用交流電壓表標(biāo)定示波器（選做）。R1=6.25； R2=16K5； C=16F5；N1=120匝； N2=40匝； S=2.0110-4m2； =0.15m； M=0.1H。（3） 按作圖的基本要求作動(dòng)態(tài)磁滯回線圖，坐標(biāo)軸標(biāo)注大整數(shù)。從曲線上定出Bs、Br、HS、Hc值。二、用微機(jī)測動(dòng)態(tài)磁滯回線（圖52-7采用微機(jī)顯示的示意圖。用微機(jī)直接采集數(shù)據(jù)，無須定標(biāo)。）PCA/DA/DR2 YN1 N2 C220V 15V

58、XR1圖52-7 1先將實(shí)驗(yàn)儀的“示波器/數(shù)據(jù)采集”開關(guān)打向數(shù)據(jù)采集 2再點(diǎn)擊“智能磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀”圖標(biāo)，打開該軟件的工作界面，并設(shè)置實(shí)驗(yàn)參數(shù)和實(shí)驗(yàn)者學(xué)號(hào)、班級、姓名，在智能磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀電源未開的情況下，將串口線分別連接到計(jì)算機(jī)及智能磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀的RS232接口，再打開智能磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀的電源（連接或斷開串口連線時(shí)，嚴(yán)禁通電操作），選擇計(jì)算機(jī)的串口COM1或C0M2，如果采集數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)串口錯(cuò)誤信號(hào)，只需重新選擇另一組串口，調(diào)整好輸入電壓就可開始實(shí)驗(yàn)了。數(shù)據(jù)清除圖形顯示數(shù)據(jù)采集退出姓名班級文件 編輯 設(shè)置 信息智能磁滯回線實(shí)驗(yàn)儀 第1組NO. Uh Ub1 -2.54 1.9922 -2.8

59、52 0.9763 -3.243 -0.9774 -3.633 -2.4615 -3.946 -3.5556 -4.024 -4.0127 -3.633 -4.085.學(xué)號(hào)圖52-83首先順時(shí)針旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕使電壓U從0增至5V，然后逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)電壓調(diào)節(jié)旋鈕使電壓U降為0，其目的是為了消除剩磁。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)采集”圖標(biāo)，圖標(biāo)變?yōu)榉泵顟B(tài)，表示開始第一次的數(shù)據(jù)采集，為防止誤操作，該軟件已設(shè)置相關(guān)保護(hù)程序，禁止在數(shù)據(jù)采集未完成的情況下進(jìn)行圖形顯示等其它的操作，同時(shí)，經(jīng)放大后的200組數(shù)據(jù)坐標(biāo)值就依次動(dòng)態(tài)顯示出來，并被保存在第一組。本次采集完成后，圖標(biāo)恢復(fù)原態(tài)，表示可進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)采集或進(jìn)行圖形顯示

60、等其它操作。在不同的輸入電壓狀態(tài)下（每2V采集一次），多次點(diǎn)擊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最多能保存8組數(shù)據(jù)，第8組以后的數(shù)據(jù)將被覆蓋到第一組數(shù)據(jù)中，依次類推。圖七為數(shù)據(jù)采集后的界面圖。點(diǎn)擊“圖形顯示”圖標(biāo)，可顯示已采集的各組磁滯回線，如果需要顯示某一組數(shù)據(jù)，只需在“顯示設(shè)定”中僅選定這組數(shù)就可，圖52-8為輸入電壓從小到大，采集的某8組數(shù)據(jù)的磁滯回線圖，其中最大的一條為飽和磁滯回線。圖52-9 中X坐標(biāo)為磁場強(qiáng)度H，單位為A/m，Y坐標(biāo)為磁感應(yīng)強(qiáng)度B，單位為T，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖形的輪廓，可顯示某一點(diǎn)的磁場強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度、磁導(dǎo)率等具體數(shù)值。如果數(shù)據(jù)有誤，可點(diǎn)擊“清除”圖標(biāo)，也可點(diǎn)擊“退出”圖標(biāo)，退出后重新起動(dòng)