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物理竞赛实验辅导课件(电学) (2)


物理奥赛实验辅导
朱林彦

1 实验竞赛的基本知识
物理竞赛考题是“基 于教材、高于教材”, “题在书外、理在书中”, 要求同学们把所学到的物 理知识灵活应用。

1.1 物理实验竞赛的基本要求:
实验前: 明确实验要求,了解仪器性能; 设计实验方案,掌握注意事项; 想好操作步骤,设计记录表格。

实验中:
仔细调节实验装置, 正确使用实验仪器; 保证满足实验条件, 培养良好实验习惯; 认真观察实验现象, 客观记录实验数据;

实验后:
认真分析实验数据, 正确处理实验结果; 合理作出实验结论, 独立完成实验报告。

1.2 仪器读数方法:

1、基本规则:测量仪器的误差 出现在哪一位,测量数据就读到哪一位。 2、数字化仪表和准数字化仪表, 不估读,直接记录全部数字。(游标卡 尺、秒表、电阻箱等) 3、分度式器具,如米尺、天平、 模拟电表等,按最小分格的1/2、 1/5、1/10估读。

1.3 实验报告要求内容:

1. 实验题目 2. 实验要求 3. 实验仪器 4. 实验原理(基本原理说明, 公式推导,仪器原理图、光路图、 电路图等)

5. 操作要点
按实验内容分步骤写出。说明: 组装什么仪器; 调整什么东西,调整到什么状态; 测什么物理量,如何测量。 应采取什么安全措施等。

6. 数据记录与处理
必要的实验条件记录(如室温、气压、 湿度等); 观察到什么实验现象; 测量数据记录(一般用列表法,应有 数据表格); 数据处理应写出具体计算公式、数据 代入过程; 不确定度估算; 最后给出测量结果表达。注意有效数 字及单位。

7.分析实验过程与误差来源,给 出实验结论。

1.4 实验类型
实验有两类,一类是常规实验,主要 考查实验动手能力,看你能否顺利完成; 另一类考察你的创新能力和发散性思维 能力,看你能否将平时所学实验知识与 实验动手能力有机地结合起来,利用所 提供的实验器具,自己设计合理的实验 方案,完成给定的测量任务。

2

电磁学实验基本知识:
合理布局,正确连线; 易于观察,操作方便; 认真检查,保证安全; 仔细调节,观察现象; 测量数据,恢复原状.

2.1 基本操作要点:

2.2 基本器具:
一、电表: 分模拟电表和数字电表。 1、模拟电表 ① 规格:量程、内阻、准确度。 ② 特点:指针式,直观定性, 准确度稍差。

③ 面板标识。 ④ 用法: 正确放置,零位校准, 极性正确,联接方式,视差校正, 注意读数方法。

2、数字电表 ① 规格:量程、内阻(输入阻抗)、 准确度。 ② 特点:数字式,读数准确误差小, 取样时间内求平均值。 ③ 用法:a) 电表电源正常; b) 选择功能量程; c) 注意保证安全; d) 用完关闭电源。

3、检流计 用于检查电路中是否通过 电流,常使用模拟电表。其内阻较 小(几十~几千欧姆),可测很小的 电流(10 -6~10 -12)。常用于检 验电路是否平衡。 数字电压表20mV~200mV 档可作为电压平衡指示仪表使用

4、万用表: a)结构 b)用法: 选用合适的测量档位与量程 注意正负极(模拟表) 欧姆调零(模拟表),中值电阻 电压测量要求内阻>>测量点间电阻。 是否必须? 用完后置于高电压档(模拟表。 数字表关电源)。

二、电阻: 1、固定电阻 常用的有:碳膜电阻(剩余噪声 大),金属膜电阻(剩余噪声小),线 绕电阻(剩余噪声最小,体积大)。 2、滑线电阻 ① 规格:总阻值、额定电流。 ② 用途: a) 作为电位器和可变电阻使用。 b) 电源控制与调节器件(分压 与限流;附:混合调节)

3、电阻箱 ① 规格:总阻值;额定电流;准确度;调节 范围。 ② 基本误差(不确定度) a %+Mb/R 其中a: 准确度等级;R:测量示值;b:使用 旋钮数;M:每旋钮最大允许接触电阻(一般 应为0.002欧姆)。 合格的0.1级电阻箱零值电阻应不大于 0.035欧姆。 ③ 使用与读数方法。 4、标准电阻~四端电阻

三、电源:
1、干电池 干电池属于化学电池,常见的有:锌 锰电池;镍氢电池;锂电池。 2、铅酸蓄电池 3、交流电源(市电,信号源) 4、直流稳压电源(面板结构)。 5、优缺点比较:① 便携性;② 稳定性; ③ 经济性(可重复利用性)

四、信号发生器:
提供某种确定波形的交变信号源, 一般带负载的能力较差。 1、频率可调,可直接读出频率 (0.1~2×106Hz); 2、输出电压可调; 3、输出波形可调(正弦波、三角 波、锯齿波、方波可选); 4、面板结构与使用方法

信号发生器
开关

函数选择

频率调节

频率范围选择

信号输出

五、示波器
面板结构与使用方法

显示屏

一通道放大、 衰减器

时基扫描

二通道放大、 衰减器

辉度

聚焦

开关

第一通道

第二通道

2.3 电学实验基本规 则
布置仪器的原则是:走线合理,操 作方便,易于观察,实验安全。应将需 要经常操作和读数的仪器放在近处,其 它仪器放在远处,高压电源远离人身。 连线原则是:先接电路,后接电源; 先断电源,后拆线路。从电源正极开始 按回路对点接线。接线时应充分利用电 路中的等电位点,以免在一个接线柱上 接入过多的导线。

接好电路后,先不要通电,经 认真检查确认无误后再接通电源。通 电前,控制电路中的滑线电阻器应 处于输出电压最小的位置。接通电 源时,先将电源开关作瞬时点接触 一下,观察实验仪器设备有无异常。 如无异常,才能闭合开关,否则就 需找出原因并排除之。总之,一般 操作过程可概括为: 手合开关,眼观全局, 先看现象,后读数据。

3. 电学实验基本方法
3.1 替代法
用标准元件替代待测元件,在 实验中显示的现象完全一致的情 况下,标准元件与待测元件相关 特性完全一致。 例:替代法测电阻。

3.2 比较法 当待测元件与标准元件所显示 的现象满足一定的函数关系时,通 过对它们某种现象的比较,可以求 出待测的相关参量。 例:比较法测电阻,电桥法。

3.3 差值法 当某物理量不易测准时,通过 将该量与很相近的标准量求差值, 则测量准确度可以大大提高。 例:电压比对。

3.4 补偿法 当待测物理量与标准物理量差 值为零时,称补偿法。其测量准确 度由示零器(电压平衡指示仪表) 与标准物理量决定。也属于一种特 殊形式的比较法。 例:电位差计。

4.电磁学基本实验

4.1 实验十四 磁电式直流 电表的改装
一、实验目的: 1、了解磁电式直流电表的基本结 构和使用方法; 2、学习扩大电表量程的方法,了 解多用电表的改装原理。 3、学习电表的校准方法。

二、实验器具 待改装的磁电式直流电表的 表头;数字万用电表(用做标准 表);电阻箱;可变电阻(变阻 器或电位器);直流稳压电源; 开关;导线等。

三、教学内容 1、电表的扩程原理与方法 ① 电压表; ② 电流表。 2、表头内阻的测量 ① 表头的特点:内阻大,满量程电流小。 ② 替代法测内阻:测量精度受电表和标准 电阻箱的准确度限制。 ③ 定压半偏法; ④ 定流半偏法; ⑤ 其他方法:伏安法;电桥法;电位差计 等。

3、电表校准 ① 相对真值与相对标准具 ② 校准方法: a) 零点校准; b) 满量程校准; c) 刻度线校准:校准点数:11~21个; 升降各校准一次;调准改装表,读标 准表读数。 计算平均值与变差。 ③ 作校准曲线,以改装表读数为横轴,标准 表读数平均值与改装表读数之差为纵轴,作校 准曲线(相邻两点之间以折线连接)。 ④ 估计改装后的准确度等级。

③ 作校准曲线,以改装表读数为横轴, 标准表读数平均值与改装表读数之差为 纵轴,作校准曲线(相邻两点之间以折 线连接)。 ④ 估计改装后的准确度等级。
最大绝对误差 a? ? 100 电表量程

其中最大绝对误差:

?Yi

max

? ( ?Yi ? ?Yi ) max

4、用电位差计校准时的分压措施与取样 方法。 5、实验内容 ① 测定表头内阻; ② 改装电表并校准之(电流表5 mA, 电压表3V); ③ 确定改装后电表的准确度等级。

四、注意事项 1、电表应正确放置; 2、校准电流表时,电源电压可适当取小点, 校准电压表时,电源电压应大于改装表的量程。 3、校准电流表时,电流表支路中应接入一 个适当大小的保护电阻。 4、控制电路应使用分压电路(例如滑线变 阻器的电阻200欧姆,电源电压取1.5伏,最小 电流也有7.5毫安),不宜使用限流电路。 5、校准时,改装表指针应单向缓慢靠近待 校刻线。

五、实验中易出现的问题 1、控制电路使用不当,无法进行电流表校 准(应使用分压电路)。 2、在校准时,由于滑线变阻器调节细度不 够,电表指针无法准确指向待校刻度线。(在 ①电流表电路中串入一个大电阻,或采用二级 分压电路或混联电路) 3、校准电流表的满量程时,调节并联电阻 总无法准确校准(这是电阻箱的步进值太大, 以致调节细度不够。可以在电阻箱两端并联一 个大可调电阻,利用它调节并联电阻值)。 4、动作粗糙,不能单向、缓慢逼近校准。 (纠正)

4.2 测量非线性元件的伏 安特性
一、实验目的: 1、学习测量非线性元件的伏安特性,了解 进行伏安法测量时两种电表的连接方法和接入误 差; 2、学习用数字万用电表测量二极管的导通 电压,学习测量二极管的伏安特性。 3、了解二极管的单向导电性和稳压二极管 的稳压特性。 4、了解白炽灯的伏安特性。

二、实验器具 数字万用电表两块;电阻箱; 滑线变阻器两个;直流稳压电源; 二极管,稳压二极管;小白炽灯泡; 开关;导线等。

三、教学内容 1、伏安特性,非线性元件 2、电表的连接方法和接入误差 ① 内接法; ② 外接法。 3、半导体二极管 ① 半导体二极管的基本结构; ② 半导体二极管的伏安特性;

③ 半导体二极管的特性参数 半导体二极管的特性参数有正向导通 电压、反向击穿电压和最大工作电流; 正向导通电压是通过半导体二极管的 电流为一毫安时所加的正向电压。 反向击穿电压是通过半导体二极管的 电流为一毫安时所加的反向电压。 最大工作电流是二极管正常工作时允 许通过的最大正向平均电流。 ④ 稳压二极管

四、实验内容 1、用数字万用电表测量二极管的导通电 压和正、反向电阻 2、用伏安法测量半导体二极管的伏安特 性 3、用伏安法测量小白炽灯泡的伏安特性 4、在坐标纸上作出二极管的伏安特性, 用图解法求出二极管的正向导通电压

5、在坐标纸上作出小白炽灯泡的伏安特 性,求出室温下的灯丝电阻。 6、白炽灯泡的电压与电流之间有关系:
U ? KI n

验证上式并求出K和n(将上式取对数,得 ln U ? ln K ? n ln I
ln U ~ ln I 作 截距可求出K)。

关系图线,其斜率为n,由

五、注意事项 1、测量二极管和白炽灯泡的伏安 特性时,为保护元件不受损坏,应串联 一个适当大小的保护电阻(正向时数百 欧姆,反向时数千欧姆)。 2、电源控制电路一般接成分压电 路。如细调程度不够,可以采用两个滑 线变阻器组成二级分压电路或混联电路。

3、选定测量范围时应覆盖元件的正常工 作范围,并保证元件安全。根据测量范围来选 定合适的电源电压。 4、在测量值变化较大的区域,应适当增 加测量点。 5、二极管的反向电流不要超过10毫安。 小灯泡的电压不要超过其额定工作电压。

六、实验中易出现的问题 1、未接入保护电阻; 2、保护电阻选取不合适; 3、电表接入方法不当(测正向电流 时用了内接法,测反向电流时用了外接 法); 4、在测量中改变了电表量程(相当 于改变了电表的内阻)。 5、作图方法不规范(坐标分度不当; 描点符号错误;实验曲线不光滑;计算 斜率使用了实验数据点等)。

4.3 惠斯顿电桥测电阻
一、实验目的: 1、了解一般桥式电路的特点,掌 握惠斯通电桥的基本结构和测量原理; 2、掌握惠斯通电桥的使用方法。 3、了解电桥灵敏度的概念,估算 由此产生的不确定度B类分量。 4、练习对测量电路系统误差的简 单校正。

二、实验器具
滑线式电桥板,检流计(AC5/4 型),电阻箱,滑线变阻器;QJ23型箱 式电桥;数字万用电表,电阻箱三个; 直流稳压电源,开关,导线等

三、教学内容 1、电桥结构与测量原理 (1)常见的几种电桥
Rx R1 Cx


C0 R0

Rx L R1



R4
R3 C



R2



平衡时Rx/R0=Cx/C0=R1/R2 Lx=R1R4C3 Rx=R1R4/R3 电容电桥 麦克斯韦电桥

(2)组合电桥方法 因为Rx=(R1/R2)R0 , 所以只要有一小 电阻和一可准确分压的分压器即可。 板式惠斯顿电桥:用一根1米长的均匀电 阻丝分压,分压比等于长度比。 组合电桥:用两个已准确知道阻值的电 阻分压或两个电阻箱分压(电阻箱阻值准确)。 如用滑线变阻器(或电位器)分压,因为其分 压比无法准确知道,必须用互换法(复称法) 进行测量。亦可用替代法

2. 电桥灵敏度估算 在平衡状态,将某一桥臂电阻值R改 变△R,检测计指针偏转n格,则电桥 灵敏度为:S=n/(△R/R) 由此可估算由于电桥灵敏度引起的 误差(不确定度)△Rx/ Rx=0.2/S (数字式分辨率取最小单位1,指针式分 辨率取0.2格)

3、仪器介绍 (a)组合电桥 ① 结构; ② 减小误差的方法(提高电桥灵敏度; 交换测量法;替代法) (b)检流计 ① 结构; ② 使用方法。 ( c)箱式电桥: ① 结构; ② 使用方法; ③ 不确定度。

4、实验内容 (a)滑线式电桥测电阻 ① 测电阻; ② 测电桥灵敏度; ③ 交换测量。 (b)箱式电桥测电阻 (c)计算电阻并估算结果的不确定度。

四. 应用 a) 测未知电阻 b) 测检流计(或微安表)内阻 c) 非平衡电桥:在平衡点附近, 由△n→△R→压力、温度、光强等的 变化(可转换为电阻变化)。 d) 注意待测电阻的额定电流

五、注意事项: 1、滑线式电桥测电阻时,扣键应基本处 于电阻丝中间位置。 2、测量时,先接通电源后接通检流计, 关闭时,先切断检流计后切断电源。使用跃接 法。 3、开始调节时,标准电阻的阻值应接 近待测电阻的估计值。电桥上的电压应从零开 始逐步增加;调节结束时,电桥电压应接近电 源电压。 4、扣键与检流计上的“电计”按键同 时按下,检流计才能接通。必要时可将“电计” 按键锁住(压下,旋转)。

5、电桥平衡的最可靠标志是接通或断 开检流计时,检流计指针无任何转动(断开 时检查,效果更明显)。 6、测电桥灵敏度时,从平衡位置将标 准电阻值R0 改变,使检流计偏转2~3格即可。 7、用箱式电桥测电阻时,电键“G”应 快按快放,仅在接近平衡时才允许按下较长 时间。电键“B”仅在测量时才按下,调整电 阻值或做其它工作时,应将“B”放开(电源 断开)

六、实验中易出现的问题 1、用滑线电桥测电阻时,无论如何调节, 检流计指针总是朝一个方向偏转(或总不偏转); 检查电路,正确使用检流计 2、电桥接近平衡时,电桥电压未相应提高 (这时灵敏度较低); 3、电桥未准确平衡; 4、交换测量时,扣键位置发生移动; 5、箱式电桥电源按键“B”长锁,电源损耗 太大; 6、比例臂选择不当,测量结果有效位数太 少。

例1:有干电池三节,检流计一只, 标准电阻箱一个,电位器一个, 开关,导线等,欲测一未知电阻, 请设计电路并测量之。

附: 电表内阻的测量

(1)伏安法(内接法 ,外接法)

V

? A

V

? A

电压表内阻测量

电流表内阻测量

(2)电桥法: 待测电阻作为桥臂电 阻置于一桥臂. (3)恒流半偏法
Rg
↑ A

Rn

Rs

(4)恒压半偏法


A

Rg=R2-2R1

(5)从恒压半偏法引出串联半偏法认

为电源电动势不变,内阻可忽略). (6)替代法(恒压替代法,恒流替 代法)
A A V ↑ V



(7)并联半偏法(从恒流半偏法引 出,认为电路电流不变,此条件不 易达到)。 当等效电路内阻远大于待测电阻 时,可以作此近似。

4.4 观测电容特性
一、实验目的: 1、观察电容的充放电现象,了解 电容特性; 2、进一步熟悉示波器、信号发生 器、数字万用电表等仪器仪表的使用; 3、根据电容容抗的频率特性测量 电容量。

二、实验器具 示波器,信号发生器,数字 万用电表,电阻箱,直流稳压电源, 电容器两个(几十微法和零点零几 微法各一个),开关,导线等。

三、实验原理 1 、电容器 (1)结构 (2)主要参数:电容量;额定工作电压。 2、RC电路充放电特性 ?t / RC U ? E ( 1 ? e ) (1)充电过程 c ?t / RC (2)放电过程 U C ? Ee 令? ? RC ,称为电路的时间常数。

3、用示波器观察RC电路充放电过程 4、用正弦波作电源时的充放电过程 (1)电容上电压与电流的位相关系: ZC=1/(ωC),电流超前电压π/2位相。 (2)电容阻抗和频率的关系
UC R 1 ZC ? ? 2?fC U R

由此可得电容量C。这时电压取有效值。

四、实验内容 1、用数字万用电表的直流电阻档观 察RC电路充放电过程 2、用示波器观察RC电路充放电过程 3、根据电容容抗的频率特性测量电 容量 五、注意事项 1、使用示波器测量电压的基本方法。 2、用示波器测量波形时,注意共地 连接。

附:电容的几种测量方法:
1. 电容上电压与电流的位相关系:

ZC=1/(ωC) 电流超前电压π/2位相。

2. 电容测量:
a) 比较法(电流), 由U=I/(2πυC)=IZC 所以 C=I/(2πυC). 保持U、V不变,则 电流正比于电容量。Cx=(Ix/I0)C0, 为消除 分布电容影响,可 作I~C曲线,测出 Cx时的Ix,从图中 内插出来。 Cx C0
mA ~
~ ° ° ° V ~

I
×

Ix
× × ×

×

O

Cx

C

b) 电压比较法: 串联电路电流处处相等,故:
I? UC U R ? ZC R

UC ZC 1 ? ? UR R 2?RC

所以

UR C? 2?RU C

注意:交流电表的频率范围,内阻; 可使用晶体管毫伏表。

c) 电容电桥法: 平衡时
CS RX R1 ? ? RS C X R2
Rx Cx ↑ Cs Rs

R1

R2

4、充电放电法 (1)充电时

U c ? U 0 (1 ? e
(2)放电时

?t / RC

)

UC ? U0e

?t / RC

4.5 黑盒子实验
一、实验目的: 1、学习依据不同类型电学元 件的特性对元件进行判别; 2、进一步熟悉示波器、信号 发生器、数字万用电表等仪器仪表的使 用; 3、培养设计检测步骤和综合分 析推理的能力

二、实验器具 示波器,信号发生器,数 字万用电表,电阻箱,黑盒子 (内部密封待测元件),开关, 导线等

三、基本测量与分析方法: 1、什么是黑盒子实验 黑盒子是判定电学元件实验中使用 的密封元件盒,盒里的元件可能有:干电 池,定值电阻,电容器,半导体二极管等。 盒外只有几个接线端。各元件连接在接线 端上,两个接线端之间最多接一个元件, 也可能为开路(断路)或短路。元件之间 不连成并联回路,所以元件的分布应该是 唯一的。实验过程不得打开黑盒子,要求 设计实验方案和检测步骤,判定盒里元件

2、基本的测量与分析方法:
(1)根据题目所给条件,确定盒子内元 件种类及结构。 (2)确定盒子里有无干电池,位置何处 用电压表测各接点间电压并记录。如 各接点间有电压,找出其中电压最大的两个 接线柱,则电源应在它们中间。且可确定电 源极性。 如未给电压表或万用表,则可能需用电 流表组装一个电压表(量程可不准确)

(3)确定盒子里有无二极管,位置 何处 如两接线柱间无电压,则可用万用 表欧姆档测电阻,须正反测量两次并记 录。以判定电路中有无二极管。 如果正反两次测得的电阻值差别很 大,则可以判定盒中元件为二极管,并 可确定它的正负极。 如果正反两次测得的电阻值相等, 则可以断定所测元件是电阻。

注意欧姆档用法: ①量程合适(测量时指针在中间 部位) ②用前调零 ③不能测有源器件(电路中有电 压时不能测电阻) ④为防电容上电荷影响,测电容 前,可将对应接线柱短接一下。

(4)确定盒子里是否有电容器,位置何处 利用电容的充放电特性确定电容。 测电阻时如指针偏转一下后又回到平衡位置 (∞),说明电路里有电容起作用,确定电容的最 可能位置。 如果使用数字万用电表来测量,应使用较高 的电阻量程档(数千欧以上),接通时看到示值逐 渐增大,直到超量程,短路放电后重复检测,均有 此现象出现,说明该两接线柱间有电容。 确定电容的位置:充放电现象最明显的两个 接线柱之间。 无法用测电阻的方法来大致判断电感的位置。 有电阻的地方都可能是电感。

(5)必要时,可将适当位置短路, 以确定元件种类和位置。 (6)在适当的地方通以交流信 号,测量相关接点的交流电压(交流 电压显示值会受到直流电压的影响), 调整频率,根据各接点间电压的变化 关系分析电容、电感的位置(频率增 大时,电容阻抗减小,电感阻抗增 大)。

例1. 黑盒子中有三个元件:电阻, 电容,二极管。四个接线柱中 1~3,2~4间无跨接元件,求内 部结构。
仪器:万用电表

解:四个接线柱,三个元件,且无 交叉连接。必有两个接线柱间可能 开路或短路,其它三对接线柱间依 次连接三个元件,共有20种接法。 因盒中无电源,可直接测各 接线柱间电阻。每次测电阻前,将 对应接线柱短接一下,以消除以前 充电的影响。

现象及电阻 测试方式 现象及电阻 无充放电 200Ω 2+~3- 无 1.3 k (无 200Ω) (有 ∞) 1-~2+ 无 200Ω 2-~3+ 有 ∞ (无 200Ω) (有 ∞) 1+~3- 无 1k 2+~4- 无 200Ω (有 ∞) (无 ∞) 1-~3 + 有 ∞ 2-~4+ 无 200Ω (有 ∞) (有 ∞) 1+~4- 无 0 3+~4- 有 ∞ (无 ∞) (无 ∞) 1-~4+ 无 0 3-~4+ 无 1k (有 ∞) (无 1k) 表中1+~2-指万用表黑表笔接1,红表笔接2。

测试方式 1+~2-

分析:①从测试结果看,接线柱1~4间电阻 为零,显然它们短接。 ②接线柱1~2间正反电阻均为200Ω, 2~4结果相同,与接线柱3相组合的接法 中正反向电阻均不等(除无穷大),则二 极管必与3相连。1~2间应为一个200Ω 电阻。 ③接线柱3应接有一电容和一个二极管。 当接线柱3接电表电池正极时,电阻无穷 大;接电表电池负极时,有导通电阻,故 接线柱3接二极管n极(负极)。

④由1+~3-与2+~3-电阻值可见, R2+~3->R1+~3-,所以接线柱1~3 间只有二极管,而2与3间除有二极管外, 还有电阻。所以,二极管接于3~4之间 ⑤电容只能在2~3之间 具体接法如右图: 3
2 C R

1

4

例2. 同上题,测试结果如红笔所 示。 分析:①1~2接线柱间正反电阻相等 增,均为200Ω,可知其间接一个 200Ω电阻。 ②1~3,1~4,2~3,2~4正反 电阻均无穷大,这只有在2~3,1~ 4间一个地方是电容,一个地方开 路才有可能。所以3~4间应为二极 管。

③由于R3+~4-=∞,R3-~4+= 1k,故接线柱4接二极管正极. ④接线柱2~3正反接均有充电现象, 而接线柱1-~4+ 有充电,1+~4- 无充电现象,故 电容接于2~3之间。 3 2 1~4间开路。接法 R 如右图。
1
°
°

4

例3. 某黑匣子共四个接线柱,其中 电感,电容,电阻,二极管,电池 共5个元件,每两接线柱间只有一 个直接联接的元件,求其内部结构。 器材:电表(万用表),信号发 生器,导线。

解:①先测电压,结果如下: 接法 结果(V) 电压 结果(V) U12 -1.4V U23 0 U13 0 U24 +0.8V U14 -0.6V U34 0 由结果可见,盒中有电池,接于1~2接线 柱间,其中1接负极,2接正极,电池电动 势(电压)1.4V。

②由上列电压测量结果可判定,任两接 线柱间均无短路线。 ③由于U13=U23=U34=0,可见接 线柱3与其它接线柱不能直流导通,其间 只能存在开路,电容。 如有二极管则反接。 2 3 所以1~4间及2~4间 必为电阻或电感。 1.5V


1

4

④由于U13=U23=U34=0,可以用万 用表测对应两接线柱间电阻,结果如下: 1+~3- 无 1k 2+~3- 有 ∞ 3+~4- 有 ∞ 1-~3+ 有 ∞ 2-~3+ 有 ∞ 3-~4+ 无 1.4k 当1+~3-时,U2>U4>U1>U3,由 于2~3,3~4不能直流导通,但1~3间有 电阻,而 1-~3+时,1~3间电路接有一 个二极管,正(P)极接1,负极接3(N)。

⑤现在只剩下2~3,3~4间无法确定是开 路,还是接有电容。我们在2~3间加一交 变信号,保持其幅度不变,改变频率,测 ~ 量2~4间交流电压。如频率变化时 U 24 变 ~ 化(f↑ U ↑), 24 C 3 则电容在3~4间, 2 ~ 如f↑时 U 24 不变。 E L 则电容在2~3间。 4 1 实测,电容连接 R 在2~3之间。
+ _

⑥最后判定1~4, 2~4间哪个是 电阻,哪个是电感。在信号发生器 ~ 输出端串入一个电阻箱后加到在 U 14 1~ 4间,保持幅度不变.改变频率,测 2~4间交流电压,如f↑时 增大。 则1~4间为电感,否则1~4间为电 阻.同样对2~4间进行测试。实测2~ 4间为电感。

最后结果如下图所示。
C 2 3 L 4 1

+ E _

R

4.6

用霍尔效应测磁场

一、实验目的: 1、了解霍尔效应的基本原理; 2、学习用霍尔效应测量磁场的基本方法。 二、实验器具 霍尔效应仪;稳流电源;稳压电源;数字 万用电表两块;安培表;电阻箱;开关;导 线等。

三、教学内容 1、霍尔效应及其电子论解释 ①霍尔效应 ②电子论解释 式中n~载流子浓度; e~电子电量;d~霍尔片宽度。

2、附加效应及其消除方法 ① 爱廷豪森效应: ② 能斯特效应: ③ 里纪—勒杜克效应: ④ 不等位电势差: 消除方法: 由I、B的正负,共有四种组合,分别测 量出对应的电势,就可得到霍尔电势:
1 U H ? ?U ?I ? , B? ? ? U ?I ? , B? ? ? U ?I ? , B? ? ? U ?I ? , B? ?? ? U E 4

四、实验内容 1、在I不变时,测量关系曲线;在B 不变时,测量关系曲线,验证霍尔效应 关系。 2、测量霍尔片在螺线管中不同位置 时的霍尔电压,求出螺线管中的磁场分 布(由实验室给出)。

五、注意事项 1、霍尔片中的工作电流应小于其最 大限值(由实验室提供)。 2、霍尔片上的工作电流接线端与霍尔 电压接线端应分开,不要接错。

End


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