大学物理实验指导手机版精.docx

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大学物理实验指导手机版精

大学物理实验指导（手机版1.9

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华中农业大学理学院物理系

二〇一五年六月

一密度测量（1

二比较法测量液体粘度（6

三扭摆法测量物体转动惯量（10

四气体比热容比的测定（13

五示波器的使用（16

六声速的测定（18

七用迈克耳逊干涉仪测量光源波长（21

八测量平凸透镜的曲率半径（24

九分光计的调节（27

十用分光计测量介质折射率（33

十一用分光计测量光栅常数（37

十二分压电路特性曲线的测定（40

十三用霍尔元件测量螺线管轴向磁场（42

十四电路故障的分析诊断（44

十五全息摄影（48

十六数码摄影（51

十七数字图像信息采集及处理（53

附录1测量误差与不确定度（56

1测量误差及其分类（56

1.1误差的定义（56

1.2误差的分类（56

2误差的基本性质与处理（57

2.1测量值与随机误差的统计规律（57

2.2有限次测量与抽样统计（58

2.3系统误差与仪器误差的处理（61

3测量不确定度（62

3.1直接测量的标准不确定度（63

3.2直接测量的展伸不确定度（63

3.3间接测量的标准不确定度（64

3.4间接测量的展伸不确定度（66

4展伸不确定度的简化计算（67

4.1直接测量的展伸不确定度（67

4.2间接测量的展伸不确定度（67

一密度测量

实验目的:

1、测量铜柱体的密度ρ。

2、掌握长度、质量等基本量的测量工具的使用。

实验仪器:

铜圆柱体、物理天平、螺旋测微器、游标卡尺。

实验原理:

dmVm2π4==ρ数据记录及处理:

1、铜圆柱体的质量:

m=g;

m是单次测量量,只计算B类不确定度。

所用物理天平（TW-1B示值变动性小于0.1g,同时忽略天平不等臂误差和砝码误差等,可认为仪器最大误差为:

0.1g,则质量m的不确定度:

∆m=∆B=∆仪=0.1g。

2、铜圆柱体的直径d和高度h,考虑到铜圆柱体不是

绝对规则,要在不同位置做多次测量。

螺旋测微器的零点读数为d0=mm,

3、==∑=iidnd1

mm;d的A类不确定度:

=-=∆1（95.0Antn

Sdmm,

螺旋测微器的误差mm004.0=∆仪,d的B类不确

定度来源于直接测量量d0、d',易得:

mm004.0222B⨯=

∆=∆仪,合成不确定度:

=∆+∆=∆2

Admm。

4、==∑=n

iihnh1

1mm;h的A类不确定度:

=-=∆1（95.0Antn

Shmm,游标卡尺的误差mm02.0=∆仪,h的B类不确定度

来源于直接测量量h0、h',易得:

mm02.0222B⨯=

∆=∆仪,合成不确定度:

=∆+∆=∆2

Ahmm。

5、铜圆柱体密度的测量平均值:

==hdm2π4ρ3cmg。

6、密度的合成不确定度:

=∆+∆+∆=∆222（2（（

dmhdmρρ3cmg。

7、密度的测量结果:

ρρρ∆±=,95.0≥p。

思考题:

1、与游标卡尺读数原理相似的仪器还有哪些?

2、测量数据中,铜圆柱体的直径d和高度h的不确定

性主要来源是什么?

实验讨论:

描述实验中观察到的异常现象及可能的解释,分析实验误差的主要来源,对实验仪器和方法的建议以及本实验在其它方面的应用等,还可以谈谈实验的心得体会。

附录:

长度、质量测量的基本仪器

1、螺旋测微器（千分尺

测砧测微螺杆螺母套管（主尺锁紧装置

（1测量前确保测砧和测微螺杆的测量面洁净。

（2被测物或测量面被夹紧前一定要转棘轮旋进,以免损坏测微螺杆。

（3测量前要记录零点读数,因为d=0时,读数不一定为零。

一般,读数为正值,若微分套管（分度尺0刻度线在主尺线下方,读数为负值,即-0.5mm+分度尺正读数（负+正后总体是负。

被测物的读数减零点读数才是其实际长度。

（4测量完毕,不要夹紧测量面,应留有缝隙,以免受热膨胀损坏测量面和测微螺杆。

2、游标卡尺

（1测量前确保测量面（或刀口洁净。

（2测量前要记录零点读数,因为d=0时,读数不一定为零。

一般,读数为正值,若游标0刻度在主尺0mm刻度左边,读数为负值,即-1mm+游标正读数。

被测物的读数减零点读数才是其实际长度。

（3读数时,毫米以上,看游标0刻度停在主尺多少毫米;毫米以下,看游标第几条刻线和主尺刻线对齐,就读几倍0.02mm（此处0.02mm为最小分度,即游标刻线间距比主尺刻线间距少0.02mm。

（4用量爪测外径（长,量刃测内径（长。

3、物理天平

中央刀口横梁操作要点:

（1水平调节。

在天平底座上装有气泡水平仪,调节底座脚钉,使气泡位于水平仪中心。

有的天平利用铅垂线来调节水平。

（2平衡调节。

天平止动时,天平横梁被两个螺钉支撑,比较稳定。

先将托盘挂钩挂到两边刀口上,拨动游标至零刻线。

旋转升降旋钮,天平被启动,观察天平横梁是否平衡,指针是否指向零点（或平衡位置。

若不指零,反向旋转升降旋钮,天平被止动,调节平衡螺母。

再次启动天平,观察横梁或指针,反复调节。

若天平不能静止下来,只要指针左右摆幅近似相等,便可认为天平达到平衡。

（3称量。

止动天平,将被测物体放入左盘,合适的砝码放入右盘,启动天平,观察横梁或指针。

止动天平,增减砝码使天平平衡（注意,为了避免天平刀口受到冲击,在取、放砝码时,都必须使天平止动。

如果天平还未平衡,就要使用游码,移动游码也要使天平止动。

当天平达到平衡时,止动天平,记录砝码和游码的总质量,即被测物体的质量。

（4还原天平。

将托盘挂钩从两边刀口取下,取回被测物体和砝码,游码归零。

二比较法测量液体粘度

实验目的:

1、测量酒精的粘度。

2、掌握泊肃叶公式及其应用。

实验仪器:

奥斯特瓦尔德粘度计、支架、烧杯、容量瓶、量筒、滴管、天平、秒表、温度计。

实验原理:

奥斯特瓦尔德粘度计为一

U型玻璃管,左边管口较小较

短,管口下有一小玻璃泡,右边管口较大较长,靠底部有一大玻

璃泡,两玻璃泡之间由毛细直管和粗弯管连通。

实验中,先用将液面吹（吸至m刻线以上,待液面降至m

处开始计时,降至n处停止计

时。

由于两边玻璃泡的作用,液

面升降速度很慢,毛细管上下端

的压强差（21pp-可用流体静

压强计算。

若液体密度为ρ,两边液面距毛细管上下端点的高

度分别是h1、h2,则:

（2121hhgpp-=-ρ

（1若液面从m降至n所需时间为t,粘度计m、n之间的容积为V,根据泊肃叶公式:

⎰-+=ttLhhLgrV0214d8（πηρ（2

式中η为液体的粘度,r为毛细管的半径。

如果用相同体积的酒精和水先、后注入粘度计中,分别测出下降时间,由（2得:

⎰-+=酒精酒精酒精ttLhhLgrV0214d8（πηρ（3⎰-+=水水水ttLhhLgrV0

214d8（πηρ（4实验中虽然h1、h2不断变化,但对于这两种液体,变化情况完全相同,因此,由（3、（4可得:

水

水水酒精酒精酒精ttηρηρ=（5即:

水

酒精水酒精水酒精tt⋅=ρρηη（6对于相同体积的两种液体,可以用质量比代替密度比。

即:

水

酒精水酒精水酒精ttmm⋅=ηη（7数据记录及处理:

3、==∑=iitnt1

水水s;水t的A类不确定度:

=-=

∆1（95.0Antn

St水

B类不确定度等于秒表的最小分度:

=∆Bs,

=∆+∆=∆2B2A水ts。

4、==∑=n

iitnt11酒精酒精s;酒精t的A类不确定度:

=-=∆1（95.0Antn

St酒精

B类不确定度等于秒表的最小分度:

=∆Bs,

=∆+∆=∆2B2A酒精ts。

5、水温:

℃,该温度下水的粘度水η=sμPa⋅。

6、酒精粘度的平均值:

=⋅=水酒精水酒精水酒精tt

mmηηsμPa⋅。

7、2222（

（

水

酒精

酒精水水酒精酒精酒精tmtmtmtm∆+∆+∆+∆=∆ηη

=μPas⋅。

8、酒精粘度的测量结果:

酒精酒精酒精ηηη∆±=,95.0≥p。

思考题:

1、液体在粘度计的毛细管部分作什么运动?

2、实验过程中粘度计倾斜了影响测量结果吗?

3、实验中如何更准确地测量液面下降时间?

实验讨论:

-3

三扭摆法测量物体转动惯量

实验目的:

1、熟悉扭摆的结构和转动惯量测试仪的使用方法。

2、测量不同形状刚体模具的转动惯量J和弹簧的扭转

系数K。

实验仪器:

刚体模具、转动惯量测试仪、游标卡尺。

实验原理:

弹簧原长M=0弹簧卷曲M向外弹簧伸展M向里

扭摆的螺旋弹簧部分如上图所示,其外圈端点固定

不动,内圈端点与转轴连接。

r为转轴的半径,F为弹簧因扭转而产生的回复力,F的作用点在内圈端点与转轴连接处,M为F产生的回复力矩。

转轴上的物体在M的作用下,可以绕转轴作简谐摆动。

根据胡克定律,回复力矩M与弹簧扭转的角度q成正比,即:

qKM-=

（1（1式中,K为弹簧的扭转系数,根据转动定律:

22ddt

JJMq

α==（2

（2式中,J为转轴上的物体绕转轴的转动惯量,α为角加速度,令:

K=2ω（3

忽略轴承的摩擦力矩,由（1、（2、（3得:

0dd222=+qωq

（4（4的解是:

cos（ϕωq+=tA

（5

摆动周期:

JTπ

2π

2==

ω（6

测量金属载物转盘空载时的摆动周期T0,由（6得其转

动惯量为:

200π

4KTJ=（7将塑料圆柱体安放在转盘上,测量摆动周期T1,总转

动惯量为:

210π4K

TJJ=+柱（8

塑料圆柱体转动惯量理论值为:

mDJ=柱（9

联立（7、（8、（9,求出:

J0、K。

如果将其它刚体模具安放在转盘上,测出摆动周期Tx,则模具转动惯量为:

2π4JKTJxx-=（10

思考题:

1、实验中为什么要测量J0、K?

2、实验中如何更准确地测量刚体模具的几何尺寸?

实验讨论:

四气体比热容比的测定

实验目的:

1、测定空气的比热容比。

2、理解振动法测量原理。

实验仪器:

FB212型气体比热容比测定仪、电子天平、螺旋测微器。

实验原理:

热容是物质的重要参量,在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。

气体的定压摩尔热容Cp与定容摩尔热容CV之比称为比热容比γ,它在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数。

γ的测定方法有多种,本实验通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算γ值。

r2p0

r2p

如图所示,储气瓶的柱形玻璃管中悬浮着一个光滑的钢球,钢球直径等于玻璃管内径,管壁铅直,钢球可以在玻璃管中上下无摩擦运动。

设钢球的质量为m,半径为r,当瓶内气压p满足:

20πr

mgpp+=（1

时（式中0p为大气压强,钢球处于受力平衡状态。

若钢球偏离平衡位置一个较小位移x,瓶内气压也会有一个微变dp,钢球所受合外力f不再为零,由牛顿第二定律可得:

222dddπtxmprf==（2因为钢球运动过程相当快,气体来不及传热,若忽

略漏气、摩擦等损耗,此过程可以看作理想气体的绝热过程,即:

常数=γpV（3

对（3式求导得:

VVppddγ-=（4将（4式代入（2式得:

0πdd4222=+xmVprtxγ（5求解（5式得钢球振动的位移方程:

cos（ϕω+=tAx（6

其中:

prTγω42ππ2==（7则:

4242644pd

TmVprTmV==γ（8数据记录及处理:

=储气瓶容积V=m3

大气压0p=Pa

比热容比

4π（π642402dmgdpTmV+=γ=思考题:

1、若振动过程中气体有少量吸热放热,在p-V图上画

出等温线、绝热线和过程曲线示意图。

2、实验中哪个物理量的测量对比热容比的计算误差

影响较大?

实验讨论:

五示波器的使用

实验目的:

1、了解示波器的原理。

2、掌握示波器和信号发生器的使用方法。

实验仪器:

示波器、信号发生器。

实验原理:

1、熟悉示波器的面板功能和基本使用方法。

参考示波器操作手册（OscilloscopeSS-7802AInstructionManualsection1、section2。

2、观察李萨如图形（Lissajouswaveforms。

参考section

3、光标测量和频率计,参考section3。

1、若显示屏上波形垂直方向幅度太大,如何调节?

2、若显示荧光屏上波形的周期数太多,如何调节?

3、请查阅相关资料,谈谈什么是同步电路?

实验讨论:

六声速的测定

实验目的:

1、了解超声波的产生和接收的原理。

2、学会用几种方法测量声波在空气中的传播速度u。

3、学习用逐差法处理数据。

实验仪器:

SV-DH-5A声测试仪、SVX-5声速测试仪信号源、示波器、温度计等。

实验原理:

声波传播的速度u和其波长λ以及频率f之间的关系为:

fu⋅=λ;

时差法测量声速:

txu∆∆=。

数据记录及处理:

1、空气中的声速理论值。

室温t=℃;该温度下水的饱和蒸汽压e=Pa;室内空气的相对湿度H=%;

s/mPa

10013.13192.0115.273C/1331.455

⨯+⋅+=eH

tu理论=。

2、调节声速测试仪到最佳工作频率f=Hz。

先按振幅极值法连接线路,再移动接收面S2到刚好接触发射面S1,但不要相互挤压,然后调节发射频率,直到接收波形的振幅最大,此时的发射频率就是压电陶瓷换能器的谐振频率,即最佳工作频率f。

3、振幅极值法,接收波形为振幅极大即逐差为λ/2时,

=⋅=fuλ

m/s,=⨯-%100理论

理论

uuu。

4、相位比较法,

=-⨯=∑=+10

101010iiixxλmm,

=⋅=fuλm/s,=⨯-%100理论

理论

uuu。

5、时差法,设置声速测试仪信号源的测试方式为脉冲

=-==∑∑==10

11010iiiiittvum/s,

=⨯-%100理论

理论

uuu。

思考题:

1、固定S1和S2之间的距离,改变发射频率,以此来

测量声速,是否可行?

2、比较这三种测量方法,那种测量方法误差小?

实验讨论:

描述实验中观察到的异常现象及可能的解释,分析实验误差的主要来源,对实验仪器和方法的建议以及本

实验在其它方面的应用等,还可以谈谈实验的心得体会。

七用迈克耳逊干涉仪测量光源波长

实验目的:

1、用迈克耳逊干涉仪观察干涉条纹。

2、测量激光源波长λ。

实验仪器:

SGM-1型迈克耳逊干涉仪。

实验原理:

取1=空气n,

xkd∆∆=∆∆=2022λ,注意M1移动距离d∆是M1

位置读数差x∆的1/20。

仪器操作方法:

1、挪开扩束镜L,开启激光器,调节激光器高度及水平,使激光束两次穿过铜柱体小孔后,投射到平面镜M1。

2、转动平面镜M1和

M2背面的两个倾角调节螺钉,直到光

屏P上最亮的两组

光斑完全重合。

3、调节扩束镜L,使激光束穿过扩束镜L后,投射到

平面镜M1、M2中部,则激光和干涉图样也会落在光屏中部。

若看不到干涉图样,先挪开扩束镜L,再返回到2。

4、微调平面镜M1或者M2背面的倾角调节螺钉,使干

涉圆环的环心落在光屏中部。

5、为了防止出现回程误差,必须朝一个方向转动M1

位置调节手轮,同时观察干涉圆环的变化。

每冒出（缩进50个干涉圆环,记录一次M1位置读数,直到第450环为止。

置的误差得mm004.0B=∆=∆x。

2、250=∆k时,对应的M1位置读数差x∆的平均值:

（2004501504001003505030002505

51xxxxxxxxxxxii

-+-+-+-+-=∆=∑=

x∆的A类不确定度:

1（95.0A-=

∆∆ntn

;x∆的B类不确定度来原于x,且:

4mm00.0222B⨯=∆=∆x;

x∆的合成不确定度:

2B2A∆+∆=∆∆x。

3、=∆∆=

202λnm,=∆⨯=∆∆=∆∆=∆∆∆∆xxxkx250

202202d（d（λλnm。

4、波长:

λλλ∆±=,95.0≥p。

思考题:

1、光屏上干涉条纹的最高级次在哪里?

2、朝一个方向转动M1调节手轮,发现干涉圆环一直

缩进突然变成不断冒出,解释原因。

3、测量数据中,M1位置读数差x的不确定性主要来

源是什么?

实验讨论:

八测量平凸透镜的曲率半径

钠光灯

读数显微镜

实验目的:

1、观察光的等厚干涉现象,了解干涉条纹特点。

2、测量牛顿环仪中平凸透镜的曲率半径R。

实验仪器:

牛顿环仪、读数显微镜、钠光灯。

实验原理:

牛顿环仪中空气膜上下表面两次反射光的光程差d与干涉极值条件:

⎪

⎩

⎪

⎨⎧=+==+=暗纹明纹,,3,2,1,0212（,,3,2,122kkkkneλλλd

根据等厚干涉原理,干涉条纹为同心圆环,称为牛顿环,各级牛顿环对应的空气膜厚度为:

⎪⎩

⎪⎨⎧==-=暗纹明纹,,3,2,1,02,,3,2,121（2kn

kkknekλλk

k222（eRrRk-+=,Reerk222=+

⎪⎪⎩⎪⎪⎨

⎧==-=≈暗纹明纹,,3,2,1,0,,3,2,1212（2knkRknRkRerkkλλ

则,n

mRrrkmkλ

=-+22;取空气折射率n=1,则:

λmrrrrmrrRkmkkmkkmk（（22-+=-=+++

mAABARkmkkmk（（--=++λmBBABkmkkmk

（（--=++

实验数据记录及处理:

为了防止出现回程误差,要一趟（鼓轮旋转方向不变测完所有数据（A41->A40->A26->B26->B40表:

叉

iRi[R1（A40、A30、B30…R6（B40、B30、A30…];Ri是对同一个物理量的多次测量,可以计算A类不确定度;同时,Ri是间接测量量,其B类不确定度来源于Ak+m、Ak、Bk+m、Bk,但是比A类不确定度小很多,可以忽略。

==∑=niiRnR11mm;=-=∆≈∆1（95.0AntnS

RRmm。

曲率半径:

RRR∆±=,95.0≈p。

思考题:

1、证明:

叉丝交点不过环心,不

影响曲率半径R的计算结果。

2、测量数据中,R的不确定性主

要来源是什么?

与牛顿环仪上三颗螺钉的松紧有关吗?

实验讨论:

九分光计的调节

抓小灯座或镜筒去转动望远镜!

小灯电源底

1、可,以后不要再转动此手轮。

分划板上刻有分划线的一面称为分划面。

透光十目镜视场中的分划面

绿十

锁紧螺钉分划板套筒

2、将分划面移至物镜焦平面:

开小灯,手握平面镜紧

贴物镜口,松开分划板套筒锁紧螺钉,推拉套筒,直到目镜中的绿十字像最清晰且与分划面无视差,然后锁紧套筒。

如下图所示,透光十字是刻在分划面上,当分划面在物镜焦平面,透光十字发出的光线经过物镜射出是平行光束,再由平面镜反射回来还是平行光束,射入物镜后又清晰聚焦于焦平面（分划面。

小灯电源

底3、将平面镜按下图所示放置在载物台中心,载物台上

的3条分划线必须对齐下面3颗螺钉,平面镜底边

和螺钉3对应的分划线重合。

螺钉3

望远镜

载物台

4、粗调望远镜和平行光管的光轴、载物台,使它们垂

直于分光计的公共轴:

俯身目测,需要调节的螺钉

是望远镜和平行光管的倾斜调节螺钉、载物台下面

平面镜钠光

像。

若看不到绿十字像,请返回第4步重新做粗调。

若还是看不到,按下图所示,稍微转动游标盘,使平面镜不正对望远镜,直接用眼睛从平面镜里找到绿十字像,这时眼睛高度可能比目镜中心高度偏高（偏低,则绿十字像偏低（偏高。

转动望远镜倾斜调节螺钉和载物台下面螺钉1（分半调节,使得绿十字像上移（下移,同时跟踪绿十字像,直到眼睛与目镜中心等高,再使平面镜正对望远镜,就可以在目镜中看到绿十字像。

转动游标盘180°,用同样的办法在平面镜B面也找到绿十字像。

（2调节载物台,使平面镜镜面平行于公共轴:

若平面

镜A面正对望远镜时绿十字像和上分划横线高度差为h1,B面正对望远镜时此高度差为h2。

调节载物台下面的螺钉1或2,使一面正对望远镜时此高度差为（h1+h2/2,则另一面自然变为（h1+h2/2。

（3调节望远镜光轴垂直于公共轴:

只转动望远镜倾斜调节螺钉,使绿十字像与上分划横线重合

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