新编大学物理实验电磁学部分.docx

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1、新编大学物理实验电磁学部分德州学院物理实验中心1 Z1刖a本教材是依据教育部和省教育厅关于基础物理实验教学示范中心建设的要求编写 的。各参编人员在教材的编写过程中,力争做到突破传统的物理实验教学模式,增加 了许多综合设计型和提髙创新型实验内容，将许多传统的验证型实验项目或者部分内 容,改进为设计型和研究型实验项目，使学生由被动性的实验过程变为主动性的实验 过程。本教材在提髙学生的分析问题和解决问题能力、动手能力等综合素质方面将会 有所突破。本教材选的实验项目和实验内容，突出了时代性、先进性、适用性,所选 用的实验仪器也是比较先进的。由于编者水平有限，本实验教材中难免有不当之处，恳请读者提出批评

2、指正。编者2004年8月31日第一部分基础知识1-1电表41-2电阻器71-3直流电源91-4电磁学实验中的标准仪器101-5物理实验的基本方法111-6设计性实验基础知识-13第二部分电磁学实验实验一 RC、RLC电路暂态特性研究19实验二RLC串联谐振电路特性研究25实验三使用示波器测定信号基本参量31实验四惠斯登电桥测电阻RL35实验五磁场描绘39实验六波尔兹曼常数测定44实验七霍尔效应法测定亥姆线圈磁场的分布48实验电子束线的偏转与聚焦51实验九霍尔效应的研究56实验十开尔文电桥测定低值电阻及电功率62实验H-一信号的傅立叶分解与合成66实验十二交流电桥67实验十三交流电乔实验指导72

3、实验十四霍尔效应传感器法测定微小位移74实验十五非线性物理实验（一）蔡氏电路与混沌77实验十六非线性物理实验（二）一混沌的产生、研究方法与应用86设计性实验实验十七 测电源的电动势和内阻99实验十八改装电表和电位差计的使用100实验十九交流电路功率的测量105实验二十三相交流电特性及应用108磁电型仪表的基本结构如图1-1-1表示。第一部分基础知识1-I电表电表的种类很多,有磁电型、电动型、静电 表应用最为广泛，它在仪表中占有极重要的地位。图1-1-1磁电式仪表结构示意图仪表的测量机构包含固定的部分和活动的部分。磁电型仪表的磁路的系统是固定 的它由永久磁铁,在磁铁两个极上连接两个带有圆柱形空腔

4、的“极掌” 2,和孔腔中央 固定着的小圆柱形软铁心3构成。这种结构使磁感应线集中 于孔腔之中并呈均匀的辐射状,如图活动部分则包 括活动线圈（通电）和指示器（指针和转轴）。通电线圈4均匀 的放置在磁场中,并可绕软铁心轴线自由的转动,在垂直于 圆柱轴线的两个线圈边的中点各连接个半轴5,借以把线 圈4支撑在轴承里，轴上装有指针7,线圈偏角的大小由指 针在刻度盘上的方位示出。当线圈通以恒定电流I后，它将 在磁场B中受到矩，由于线圈所在的磁场呈均匀辐射 状,如图1-1-2所示:线圈不论转到任何方位其所受矩Mi的大小均为:M尸Fa=2（BNIab尸BNSI式中,a是线圈宽度的一半,b为线圈边长,N为线圈匝

5、数,S是线圈的面积。线 圈在此力作用下发生偏转,为了使其偏转大小和被测电流的大小相对应，就必须有一 反作用矩与转动矩平衡,为此在线圈的两个半轴上各连接个螺旋型游丝8,它 方面产生反抗力矩，同时又兼作把电流引入线圈的引线。因此当线圈通以电流时，它 不仅受到电磁力矩Mi,而且同时又受到游丝的反作用力矩Md的作用，即:Md=-D a图1-1-2磁电式仪表作用示意图式中D是弹性系数，负号表示力矩作用和转动方向相反。当线圈转到一定角度时, 矩相平衡:有下式M+Md。1-1BNSI=Da1-2BNS a =SiI1-3式中的Si=BNS/D是磁电型测量机构的灵敏度，当电表制定后B,S,N,D均为定值, 则

6、S为常量。由式3可以看出,磁电式仪表可用来测量电流以及与电流有关的物理量（即经 变换可以转换为电流的量）,因为偏转角a与通过线圈的电流成正比，所以标度尺上的 刻度是均匀的。因为线圈的导线很细，磁电型仪表的测量机构（亦称表头）所能通过的 电流往往是很微小的。磁电型测量机构用作电流表时，只要被测电流不超过它所能允许 的电流值，就可将它与负载串联进行测量。测量的电流范围一般都在几十微安到几十毫 安之间,如果要测较大的电流，必须进行量程扩展。1 .磁电型表头改装成直流电流表直流电流表串联在电路中，用以测量直流电路中电流的大小。磁电型电流表采用分 流的方法来实现扩大量限。即在表头两端并联分流电阻R,其阻

7、值越小,电流表的量 程越大。如图1-1-3所示:(a)(b)图1-1-3 (a)安培表电路图;(b)安培表结构示意图主要参数:量程、内阻(一般安培计内阻在。欧姆以下,毫安表一般为几欧 姆到百欧姆,微安表一般为几百欧姆到二千欧姆)。2 .改装成直流电压表直流电压表由小量程直流电流表串联一电阻构成,串联不同阻值的电阻构成不 同量程的电压表,如下图1-1-4所示,它与电路两端并联,测量电路两端的电压大小.图1-1-4(a)电压表结构示意图;(b)电压表电路图主要参数:量程,内阻(电压表的内阻越大,对测量对象的影响越小.电压表各量 限的内阻与相应电压量程之比为常数,这个常数常在电压表标度盘上标明,单位

8、 为C/V是电压表的重要参数.使用电表应注意以下几点:(1) 量程的选择:应先估计被测量的大小,选择合适的量程,或可先用大量程试测一下,再选择更合适的量程.(2) 电表有两个端钮,直流电表都标有或正或负的两个端钮,分别表明电流的引入和引出位置,不能接反,否则电表有可能因指针反转而损坏.(3) 电压表应与被测负载两端并联,电流表应与被测负载相串联.(4) 读数时视线必须垂直于刻度盘,若表盘内附有平面镜,则必须在指针与镜 中的像重合时读数,这样可减少由于视差引入的误差。1-2 电阻器图1-1-5 (a)滑线变阻器示意图(b)滑线变阻器等效电路图它由电阻丝均匀绕在绝缘瓷质管上制成,电阻丝的表面涂有一

9、层绝缘膜,使丝 间彼此绝缘,电阻丝的两头分别固结在瓷管两端的接线柱上,滑动头可沿金属杆滑 动,杆的两端支撑在金属架上,并与其绝缘,杆的一端连有接线柱,滑动头和电阻丝的 接触处的绝缘膜已刮掉,因此改变滑动头位置就可改变引出头间的电阻大小,实验 中电阻丝上通以电流,在引出头间即可得到大小可调的电压.在电磁测量中经常借助于滑线变阻器来调节电路的电压与电流,常用的方法有 限流接法和分压接法.如图1-1-6所示:图1-l-6(b)分压接法变阻器的规格有:额定电流,全电阻以上数据均在铭牌上标明.另有小型的变阻器又称电位器,在电子线路中有广泛的应用.如图1-1-7所 示:图 l-l-6(a)限流接法图1-1

10、-7电位器结构图2.电阻箱目前实验室较多使用的旋转式电阻箱,它是由许多镒铜丝绕成的电阻, 按照十进位分别通过波段开关连接而成的.其外形如图1-1-8-9Qfxe. io图1-1-8 十进位波段开关电阻箱电阻箱读数为各档示值与对应倍率乘积之和.直流电阻箱如果用在交流电路中,只有在低频下才能当作纯电阻使用.各 档额定功率为其示值与额定功率乘积之和,当几档联用时,额定功率按照最大档计 算,从而计算出电阻箱所能承受的最大额定电流.电阻箱的误差主要包括电阻箱的基本误差和零电阻误差两部分.零电阻误差包 括电阻箱本身的接线,焊接,接触等产生的电阻值.电阻箱的准确度a %各档不同,均标在铭牌上,其允许基本误差

11、为 R=RXa%R为电阻箱读数. 1-3 直流电源1 .晶体管直流稳压电源电源稳定性好,内阻小,输出连续可调,输出功率大,使用时注意不得超过其最大输 出功率.2 .干电池电动势为1.5V主要参数如下:型号容量/安培时额定电流Z毫安121比较合适,实际上取到R1WR2即可达到测 量要求.(4)若一般分压达不到细调的要求,可进行如下布局,如图2-1-4所示UoRIR2K214二段分压电路图1. 分流与分压方式的差别与选择(1)调节范围分压电路的电压调节范围大,而限流电路的电压调节范围小.(2)细调程度前者在使用范围内调节基本均匀，但可调范围小;后者负载上电压小,但在电压 增大时较难细调.(3)功率

12、损耗采用同一组变阻器,分压电路的功耗比限流电路要大.基于以上差别,当负载电阻较大,调节范围较宽时可选分压电路;反之,当负载功 耗较大,电阻较小,调节范围不大时则选用限流电路.采用二级电路可满足级电路 无法达到的细调要求.实验内容:1 .仔细观察电表的刻度盘,记录表盘上的符号和数字,说明其意义?说明所用电表 的最大引用误差是多少?2 .记下所用电阻箱的级别,如果电阻箱的示值是400欧姆,它的最大容许电流是多 少?3 .限流电路特性研究:按照限流电路进行实验,注意根据所使用的毫安表的量程和负载的最大容许电流,来 确定实验时的最大电流以及电源电压值.连接电路,设置电源电压和电路中各电阻的值.复查一遍

13、电路无误后,闭合电源开关K, 移动C点观察电流表的示值变化是否符合设计要求.移动变阻器滑动头C,在电流从最小到最大变化过程中,测量8-10次电流值及相应 C在标尺上的位置L,记下变阻器绕线部分的长度Lo以L为横坐标,电流为纵坐标作 图.同时,测量在1为最大和最小时,C移动小格时电流值的变化AI.取K=l,重复上述测量并绘图.4 .分压电路的研究按照图示进行实验,用电阻箱作为负载Rz取K=2确定Rz值,参照变阻器的额定电流 和负载的容许电流,确定电源电压E之值.移动变阻器滑动头C,使加到负载上的电压从最小变化到最大,测量8-10次电压值 U及C点在标尺上的位置L,用L/L。为横坐标,U为纵坐标作

14、图.同时,测量当电压值最小和最大时,C移动小格时电压的变化 U.取K=0.1,重复上述测量并绘图.5 .参照二段限流与二段分压电路,再测量C移动小格时的AU和A I.实验一 RC、RLC电路暂态特性研究实验目的上1、2、3、考察RC （必做）、RL （选做）电路的暂态过程,加深对电容和电感特性的认 识;考察RLC串联电路的暂态过程,加深对阻尼运动规律的理解; 掌握和熟悉函数发生器、示波器等仪器设备的使用技术。实验仪器:标准电感箱、标准电容箱、函数发生器、示波器、电阻箱等实验原理:1、RC电路的暂态过程;*2. RL电路的暂态过程（选做）；3. RLC串联电路的暂态过程电路阻尼运动规律研究。实验

15、内容:1.观察RC电路的暂态过程（1）观RC电路暂态过程，并测量电路的时间常数T。仿真图如下图所示,图(b)(c)正脉冲宽度RC时间常数RC (R=1KQ,C=O.1 pF)(d)正脉冲宽度RC时间常数RC(R=1KO,C=0.1 uX Axis Title(e)正脉冲宽度RC时间常数RC(R=10KQ,C=0.1 M F) 正脉冲宽度:RC时间常数RC(R=10KQ,C=0.1 mF)(g)正脉冲宽度RC时间常数RC(R=100KQ,C=0.1 M F) (h)正脉冲宽度RC时间常数RC(R=100K Q,C=0.1 mF)注意在进行硬件实验时,示波器的地线与函数信号发生器的地线必须接在起。

16、步骤1检查仪器,连接电路,检査无误后通电试验;步骤2一调整仪器参数，观察、记录实验现象:如图(a),取电容C=O.luF.调节方波发生器输出频率,使函数发生器输出电压V0=5V,频率固定在小500Hz,X Axls TitleXAxisTitte da一一 SCP|先调节电阻箱使R=OC,示波器上可观测到两个近似方波波形,记录并确 认波形属性:然后调节R,示波器上显示如图(c)所示的充放电波形,记录此时的R值。其中,方波为,其幅值等于方波电源的幅值U。充放电波形中充电段为,放电段为充电最髙 电压等于电源电压U()o再调节R,使之逐渐增加,可以发现图形发生明显变化，出现类似三角波,充电 电压最大

17、值小于U(),如图(e)步骤3记录三种典型的波形,并参照教材内容分析说明为什么会产生这三种波 形。(2)固定电阻箱阻值在R=10kQ,改变函数发生器的频率7;示波器上可再次显 示三种典型波形，记录产生上述三种波形时的频率/,并说明产生相应波形的原因。(3)测量RC串联电路的时间常数t。步骤1选择充放电充分的波形,即从记录的图形中找出充电最大值Uo,放电 最小值为零的图形(在测量0.5T时，应利用示波器时基调节开关，使示波器上显示的 波形宽些,以减小估读不确定度。记录0.5T值)。步骤2一一由公式0.5T=RCln2=0.693RC由此计算电路的时间常数T ,将此数值与电阻箱、电容箱标称值计算结

18、果进行比 较，结果计入下表:波形名称参数波形图RC暂态分析 电容电压 Uc的波形信号源半周期 tp/ms(1)R/KQC/uFt /ms标称值测量值(4)观察RC电路积分波形与微分波形。步骤1按照图(b)连接电路，调整RC-tp,其中R=1OKQ,C=O. 1 nF,电源频率fo=500Hz,可观察到图(f)。步骤2一调节RCO. ltpo观察并记录Ur电压微分波形波形名称参数波形图RC暂态分析 电阻电压 Ur的波形信号源半周期 tp/ms(1)R/KQC/UFt /ms步骤3按照图(a)连接电路,调整RC10tP.观察并记录Uc电压积分波形波形名称参数波形图RC暂态分析 电容电压 Uc的波形

19、信号源半周期 tp/ms(1ms)R/KQC/uFt /ms(102*.观察RL电路的暂态过程(选做)步骤和观察RC电路的暂态过程类似。观察电感两端的电压UL随时间变化的规律,并 作出解释。3.观察RLC电路的暂态过程。(1) RLC串联电路暂态特性测试电路仿真电路图如下图所示:实验步骤1检查仪器,连接电路，检查无误后通电试验;实验步骤2按图接线，调整仪器参数:取L=0.1H, C=0.01 UF,适当调节方 波发生器的频率，同时可以调节电阻箱R,产生下图所示RLC串联电路阻尼振荡过 程。欠阻尼临界阻尼过阻尼由于:Uc (t) =q (t) / C所以,q的波形与Uc(t)的波形完全相似,于是

20、在示波器上就能观察到在不同R 下的q (t)随时间变化的三种状态。实验步骤3将临界阻尼状态时回路总电阻的实验值(包括电阻箱R、电感的损 耗电阻RL和函数发生器的内阻r)与理论值/?=借 比较。提示:函数发生器的内阻r可采用半偏法测量。实验步骤4测量欠阻尼振荡周期T, T=At/n,其中，1为波形某两点之间 的时间间隔,n为1时间内波形的周期数，将T与理论值TO比较。实验步骤5一一利用示波器时基调节开关显示出欠阻尼状态放电波形若干个峰值, 记录连续多个峰值对应时刻t|、t2、t3tn,对进行拟合处理后，求出时间常数t,并 与理论值= 2丄进行比较。R dsts 一I 一实验二RLC串联谐振电路特

21、性研究I实验目的1：1 .进一步学习通用示波器的工作原理和使用方法;2 .学习RLC串联谐振电路工作原理;3 .使用示波器观察RLC串联谐振电路相频、幅频特性.实验仪器和材料:YB4328型示波器,CA5020型示波器:HG1021型低频信号发生器,HG1630型函数发生 器,CA1640型函数发生器:电阻箱,标准电容箱,导线若干.实验原理:将简谐交流电压加在由电阻,电感,电容组成的电路,电路中的电流和电压将随 着电源的频率的不同而改变.这种关系称作幅频特性.1. RC串联电路:3表示电源的圆频率,U,I,Ur,Uc分别电源电压,电流,电阻上的电 压,电容C上的电压的有效值.如图1所示:图1+

22、Q/O)cyUr=IR由上式可知,当电源频率增加时,电流的幅度和电阻R上的电压幅度均有增加, 而电容上的电压幅度有所下降.利用电路的这种特性,可以将不同频率的信号在不同的元件上分开,组成各种滤波器.2.RL串联电路:如图2所示:Ur=IRUl=IwLRL串联电路的幅频特性正好与RC电路相反.当3增加时和Ur均减小,而 UlZ则增大.这样的幅频特性同样可以组成滤波器.3.RLC串联电路:如图3所示:(R + R)2 +(L-击)当L3 = J时,电流最大,称此时的状态为谐振状态,回路中的信号频率与角频 Cco率分别表示为和3实验内容:测量串联电路的谐振曲线;选择L=0.1H,C=0.05微法,R

23、=100欧姆,电源电压有效值取IV,用交流毫伏表测量R 上的电压值,即可算出I值.测量范围从1400-3400HZ,每隔100Hz测一次电压值,在谐振点附近应多测几个点.注意保持电源输出电压的稳定.谐振点测量Uc, Ui的值.观察它们的电压值大小情况.改变R值为500欧姆,再测一条曲线.3与回路电流I的关系如下图4所示:2 .测量并联电路的谐振曲线:参照上面步骤进行测量,电源电压保持在04V3 .数据列表处理,得出结论.4、仿真实验部分图5 RLC串联谐振回路幅频特性测试电路图(仿真图)仿真结果:用波特图仪测得的幅频特性曲线(2)、RLC串联谐振回路相频特性测试电路,如图2所示:仿真结果:RL

24、C串联谐振图6 RLC串联谐振回路相频特性测试电路图（仿真图）用（虚拟）示波器观察总电压和 总电流谐振时的波形为同相位观察谐振时电感电压和电容电压的波形为两名反相实验三使用示波器测定信号基本电学参量引言:示波器是种用途广泛的电子测量仪器,既能直接测量电信号的波形（电压 与时间关系）,能测量电压信号的幅度、周期、频率和相位等参数。配合各种传感 器，一切可以转化为电压的电学量（如电流、电功率、电抗等）和非电学量（如 温度、位移、速度、压、光强、磁强等）都可以用示波器来观测。实验目的:1、学习通用示波器的结构和工作原理,初步掌握示波器的调节过程和方法;2、学习使用示波器观察电信号的标准波形,定标方法

25、以及使用利萨如图形法测量电 压和频率的方法;3、学习使用示波器测量非电压量的方法.实验仪器和材料:YB4328型示波器,CA5020型示波器;HG102I型低频信号发生器,XFD-6型 低频信号发生器:CA1640型函数发生器;电阻箱实验原理:详见实验教材之实验十四内容中原理部分，结合实验过程在实验报告中写出1、示波器基本结构（含示波器结构示意图图、示波管结构示意图，要求写出图 中各单元的名称）;示波器的构造和工作原理:示波器的电路结构原理图如图1所示：图I示波器结构示意图示波器的基本组成包括示波管、y轴和x轴哀减器、扫描同步电路及电源电路 其中示波管的结构如图2所示:玻璃壳电子枪,偏转系统荧

26、光屏t()t4 t8图3 Vy=KY工作示意图实际上,使用示波器可宜接测量电压值,如果要测量其它物理量,首先要将待测 物理量转换为电压量,再行测量.例如:首先在示波器横轴向输入一线性波,其对电子图2示波管结构示意图示波管主要结构由电子枪、管颈、锥体和荧光屏组成.电子枪由灯丝、阴极射线管、控制栅极、加速阳极及聚焦极构成,作用是发射 电子至荧光屏.电子束由电子枪出发,受到阳极吸引,同时穿过聚焦电极形成的聚焦 电场,最终在荧光屏上形成亮点.在其前进方向上,正交的y轴和x轴向偏转电场使电 子束发生偏转,采用特殊艺可使得偏转在荧光屏上的投影即光点偏转距离与所加 电压近似成正比.着也就是可以使用电子示波器

27、测量信号电压的工作机制.2、小波器显小信号原理（图273、图274）,阅读P181 182页内容对 这两幅图物理意义进行解释由上面叙述可知,电子束所成光点在示波器面板上的运动轨迹,实际上有横向和纵 向两个独立的运动方向.在这两个方向上,光点扫过的距离与对应方向上所施加的电压 成正比.首先使用标准信号对这两个方向进行定标操作,就可以方便的利用上述线性关 系进行测量了.如图3所示:；t4 15 t6 t7 皿X偏转板 管座灯丝阴极控制栅阳极Y偏转板一束的作用如图4所示:图4 用示波器还原信号工作示意图这种波形称作锯齿波,它驱动电子束在横向作周期性振荡,因其电压变化与时 间成正比,而示波器横向电压与

28、扫描距离成正比,所以这种波可以使示波器的横向 展开成均匀的时间轴.这对得到纵向信号的标准波形是不可或缺的.如图4所示:即为横向锯齿波将纵向正弦波展开的过程示意图.用这种方法,就 可以进行横向时间轴向的定标,从而测算待测信号的周期或频率了.3、写出使用示波器测量非电压量的机制实际上,使用示波器可直接测量电压值,如果要测量其它物理量,首先要将待测物理 量转换为电压量,再行测量.实验内容:1 .观察波形与定标.操作:示波器使用前的调整与定标.（1） 打开示波器电源,使用示波器配备的带衰减探头,（用红、兰两色色环标 识,根据个人使用习惯分别代表两通道。例如:红色接通道1,蓝色接通道2）连接通 道1和通

29、道2;探头一端挂钩连接示波器面板上1kHz标准方波信号输出端,接地夹子 夹住面板上提供的“丄”（接地）接线柱。（2） 两探头衰减置于“ X 10”位置，此时送入信号被衰减到原信号大小的10。（3） 调整示波器显示功能,在两通道得到标准信号波形,根据具体情况调整 “亮度”、“聚焦、t I -、“光迹旋转”以及横轴扫描分度率“（S/div）”、两 通道的显示分度率“（V/div）”、“触发”等旋钮，在示波器屏幕上得到稳定、清晰的方 波波形,根据波形对示波器屏幕网格进行定标。2 .对待测信号进行测量.（1） 将信号源输出信号送入示波器Y通道,调节示波器显示其波形,读取其纵 向峰值对应格数y;读取横向整数个周期波形对应的格数x;将y与x分别与各自通道 显示的“V/div”和“ S/div”作运算，所得的乘积