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探究性实验
浙江师范大学
实验报告
实验名称：
探究性实验
班级：
物理081班
姓名：
任希
同组者姓名：
石磊
学号：
08180123
日期：
2011年4月15日
一.实验目的
1.通过此次实验熟悉本次实验的相关实验器材，在过程中学会如何使用一系列的实验器材，并在理解实验的基础上对仪器的使用加以思考；
2.实验中或者实验后，查阅资料理解本次实验的实验原理，并且尽量在实验中掌握住实验要领，能够使用DIS的相关软件验证单摆振动周期的等时性、使用光电门测算单摆周期并得到当地重力加速度的大小，并了解热敏电阻、光敏电阻以及继电器的阻值随条件改变而发生的变化；
3.在实验过程中，体会传感器在实验中的应用，并加以总结；
4.根据本次实验思考相关的教学方法。
二.实验器材
1.使用DIS的相关软件验证单摆振动周期的等时性
实验器材如下：
（1）微机
（2）单摆
质点振动系统的一种，是最简单的摆。
绕一个悬点来回摆动的物体，都称为摆，但其周期一般和物体的形状、大小及密度的分布有关。
但若把尺寸很小的质块悬于一端固定的长度为
且不能伸长的细绳上，把质块拉离平衡位置，使细绳和过悬点铅垂线所成角度小于10°，放手后质块往复振动，可视为质点的振动，其周期T只和
和当地的重力加速度g有关，即而和质块的质量、形状和振幅的大小都无关系，称为单摆或数学摆。
如果振动的角度大于10°，则振动的周期将随振幅的增加而变大，就不成为单摆了。
如摆球的尺寸相当大，绳的质量不能忽略，周期就和摆球的尺寸有关了。
（3）朗威Llongwill®TM微机辅助高级中学物理实验系统
2.使用光电门测算单摆而得到的重力加速度
实验器材如下：
（1）光电门
光电门是一个象门样的装置，一边安装发光装置，一边安装接收装置并与计时装置连接。
当物体通过光电门时光被挡住，计时器开始计时，当物体离开时停止计时，这样就可以根据物体大小与运动时间计算物体运动的速度。
光电门是由一个小的聚光灯泡和一个光敏管组成的，聚光灯泡对准光敏管，光敏管前面有一个小孔可以接收光的照射。
光敏门与计时仪是按以下方式联接的。
即当两个光电门的任一个被挡住时，计时仪开始计时；当两个光电门中任一个被再次挡光时，计时终止。
计时仪显示的是两次挡光之间的时间间隔。
实验中光电门对单摆摇摆次数的计数考虑单摆运动的一个周期。
（2）单摆
单摆的基本内容已经在前面介绍过了，本实验的重点在于利用单摆以及光电门测量当地的重力加速度值。
单摆的周期公式由简谐运动公式得出：
根据测量单摆的摆长和周期时间，由公式变形为
就可以计算得到当地重力加速度的数值。
3.热敏电阻、光敏电阻以及继电器的阻值随条件改变而发生的变化
实验器材如下：
（1）热敏电阻
热敏电阻器是敏感元件的一类，按照温度系数不同分为正温度系数热敏电阻器（PTC）和负温度系数热敏电阻器（NTC）。
热敏电阻器的典型特点是对温度敏感，不同的温度下表现出不同的电阻值。
正温度系数热敏电阻器（PTC）在温度越高时电阻值越大，负温度系数热敏电阻器（NTC）在温度越高时电阻值越低，它们同属于半导体器件。
（2）光敏电阻
光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。
光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。
常用的光敏电阻器硫化镉光敏电阻器，它是由半导体材料制成的。
（3）继电器
继电器是一种电子控制器件，它由控制系统和被控制系统组成，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流.较低的电压去控制较大电流。
较高的电压的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
（4）万用表
万用表又叫多用表，万用表分为指针式万用表和数字万用表。
是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数。
实验中使用的是数字万用表，下面介绍指针式万用表测电阻的方法：
a机械调零。
在使用之前，应该先调节指针定位螺丝使电流示数为零，避免不必要的误差。
b选择合适的倍率挡。
万用表欧姆挡的刻度线是不均匀的，所以倍率挡的选择应使指针停留在刻度线较稀的部分为宜，且指针越接近刻度尺的中间，读数越准确。
一般情况下，应使指针指在刻度尺的1/3~2/3间。
c欧姆调零。
测量电阻之前，应将2个表笔短接，同时调节“欧姆调零旋钮”，使指针刚好指在欧姆刻度线右边的零位。
如果指针不能调到零位，说明电池电压不足或仪表内部有问题。
并且每换一次倍率挡，都要再次进行欧姆调零，以保证测量准确。
d读数：
表头的读数乘以倍率，就是所测电阻的电阻值。
（5）J2482传感器应用实验器——计数器
学生在传感器应用实验器上不仅可以做热敏实验，光敏实验和光电计数实验，还可以做声控、磁控等多种实验，除此之外，同学还可以利用热敏电阻接口接入其他任何类型的传感器，在实验箱上做各种传感器实验，并且可以利用万用表在上面做各种传感器的特性测试。
在实验中可以观察下光电计数的实验，其它的实验不作要求。
（6）温度计和烧杯
温度计，是测温仪器的总称，可以准确的判断和测量温度。
利用固体、液体、气体受温度的影响而热胀冷缩等的现象为设计的依据。
有煤油温度计、酒精温度计、水银温度计、气体温度计、电阻温度计、温差电偶温度计、辐射温度计和光测温度计、双金属温度计等等类型，实验中使用的是一般的水银温度计。
（7）多功能报警器
自制的多功能报警器由两大功能结构组成，一是光敏电阻线路，一是热敏电阻线路，其基本原理和前面提到的热敏电阻，光敏电阻的工作原理是一致的。
唯一的不同便是此处将以上两个部件进行了应用，即热敏电阻可以作为火灾警报器，光敏电阻可以作为感光的元件。
三．实验原理
1.使用DIS的相关软件验证单摆振动周期的等时性
DIS是以计算机作为平台，将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统。
"DIS"是英文"DigitalInformationSystem"的缩写。
在物理学中有很多物理量，如距离、位移、力、速度、温度、压强、电压、电流等，都可以用DIS进行测量。
DIS基本结构由传感器、数据采集器和计算机组成。
传感器：
可以测量力，位移，温度，光，电压，电流等各种物理量，并将物理量转化成相应的电信号。
数据采集器：
将传感器采集到的各种电信号进行处理后输入计算机。
计算机：
将数据采集器输入的信号（实验数据），通过应用软件进行分析处理，并以多种形式实时显示在计算机的屏幕上。
实验中利用的是朗威Llongwill®TM微机辅助高级中学物理实验系统，属于众多DIS的其中一种，在本实验中只需利用本系统验证单摆做摆动时周期是否等时，由传感器测得多组时间的数据之后，再对数据进行错位减法，看误差的大小判断单摆的运动周期是否等时。
2.使用光电门测算单摆而得到的重力加速度
一个小球和一根细线可以组成一个单摆。
单摆在摆角很小的时候（小于
的时候）做简谐运动。
单摆的周期与振幅、摆球的质量无关，与摆长的二次方成正比，与重力加速度的二次方根成反比。
单摆做简谐运动时，其周期为：
故有：
因此只要测得摆长
和振动周期
，就可以求出当地的重力加速度大小，并可以研究单摆的周期和摆长的关系。
在实验中使用的光电门，有10次、20次和30次计数的三种模式，为使得求得的周期更为精确，我们采用30次计数的模式。
并且数据重复测量三次。
3.热敏电阻、光敏电阻以及继电器的阻值随条件改变而发生的变化
（1）热敏电阻的阻值随温度的变化而变化
热敏电阻的电阻－温度特性可近似地用下式表示：
其中，
是温度
时的电阻值，
是温度
时的电阻值，B是关于温度的函数，对于同一个热敏电阻，其值一般固定。
但实际上，热敏电阻的B值并非是恒定的，其变化大小因材料构成而异。
对于实验中测得一系列电阻随温度变化的值，作出其变化趋势图，探究其图像变化是否有e指数的形式。
实验中需要将热敏电阻放入一定温度的热水中，观察其温度慢慢冷却以及慢慢升高的时候，万用表上测得的电阻阻值的变化。
（2）光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化
光敏电阻的性质在此无法作出具体的阻值变化图像，不同的光敏电阻变化趋势也是不一样的，没有一个统一的函数能够对其进行归纳和概括。
在本次实验中也没有能够测量光强的实验仪器，则只能定性地判断光强的变化，根据阻值示数来判断其变化规律。
（3）继电器的工作状态断开时的临界温度
在此使用的继电器是温控的继电器，即当外界温度达到一定的程度时，继电器将由工作状态变为不工作状态。
这里的继电器不属于热敏电阻。
（4）观察多功能报警器的工作
多功能报警器融合了热敏电阻和光敏电阻的工作特点，是二者的应用实例。
实验中只需观察报警器的工作现象和过程。
四.实验步骤
1.使用DIS的相关软件验证单摆振动周期的等时性
（1）取出单摆传感器，接入数据采集器的第一输入口。
（2）点击“停止数据采集”，避免记录将调试阶段的挡光数据。
（3）进行“计时设置”，将通道一设置为“时刻”下的“隔次”模式。
（4）在单摆摆球的下面安装10毫米长的火柴杆或牙签等，调整摆长和光电门的位置，使火柴杆可通过单摆传感器顺利挡光，并确保单摆传感器定位在单摆运动的平衡位置。
（5）点击“开始数据采集”，将摆球摆动。
（6）让摆球下的小木棒通过单摆传感器数十次以上，点击“停止数据采集”。
（7）打开“数据分析”表格，将“变量一”命名为T6，将实验数据栏T1内的数据全部选中复制，以次序列的“第二次”所在行对应的T6栏的单元格为起点，粘贴复制的实验数据。
（8）将“表达式一”命名为“周期”，并输入公式“T1-T6”，即T1中记录的摆球通过传感器的某一时刻减去前一时刻，可得出单摆的振动周期。
点击“数据计算”。
（9）观察实验结果，总结单摆振动周期的等时性规律。
注意
（1）单摆下面的小木棒要与摆线成一条直线。
（2）单摆传感器两光电管之间的连线应与单摆摆面垂直。
2.使用光电门测算单摆而得到的重力加速度
（1）实验仪器和器材都已经调节良好，只需把光电门接上电源。
（2）将小球拉开一定的角度，注意角度要小于5度，释放小球后，光电门会记录30个周期小球做摆动的总时间。
（3）重复步骤
（2）两次，得出三组数据。
（4）用米尺测量单摆的摆线长，以及小球的半径长（因现场缺少螺旋测微仪，而且半径的长度出现一定的偏差对实验结果影响不大）。
（5）由原理中的公式计算得到当地的重力加速度。
3.热敏电阻、光敏电阻以及继电器的阻值随条件改变而发生的变化
（1）热敏电阻的阻值随温度的变化而变化
1 在烧杯中倒入一定温度的水，并将热敏电阻放入，将电阻两端的线头接到万用表上，万用表的选档置于电阻测量档。
2 将温度计插入，选择合适的温度，开始测温，并读出温度示数和电阻示数。
3 向烧杯中徐徐倒入冷水，选择合适的温度值，并读出其对应的电阻值，重复此步骤多次。
4 将温度—电阻的数值画成图像，探究其趋势图是否符合e指数关系。
（2）光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化
1 将光敏电阻两端的线头连接万用表。
2 分别测出室内中盒盖完全打开、只露出小孔以及室外盒盖完全打开、只露出小孔时的电阻值，另外将电阻置于完全封闭的环境中，分别记录其阻值。
（3）继电器的工作状态断开时的临界温度
1 将继电器置于烧杯中，在烧杯中灌进一定温度的热水，可以观察到继电器处于工作状态。
2 在杯中放入温度计，并向烧杯中徐徐加入冷水降低温度，并时刻注意继电器的工作状态，当继电器不工作时，马上读出温度计上面的刻度值，并记录此时的临界温度。
（4）观察多功能报警器的工作
1 将需要连接的线路加以连接。
2 对热敏电阻加热，注意报警器的鸣叫。
3 连接光敏电阻，注意报警器的鸣叫。
五.实验数据处理
1.使用DIS的相关软件验证单摆振动周期的等时性
由电脑截屏出的图像如下，其中t1为总的积累时间，t6为t1的复制数据栏，t1-t6即单次测得的周期：
可以看出周期栏中前十组数据基本稳定在1.37s左右，将数据输入到excel里作图：
由此可以说明单摆的周期是等时性的，至于十组之后单摆的周期延长，那是因为空气阻力的关系使得单摆运动的周期延长。
2.使用光电门测算单摆而得到的重力加速度
在实验过程中，测得的单摆摆长与小球半径之和为67.25cm，三次测得的30次运动周期为：
次数
第一次
第二次
第三次
周期（s）
49.30
49.29
49.27
由以上30次周期数据可以得出单摆运动一次的周期为1.643s。
代入公式
，计算得到当地的重力加速度为9.83
。
3.热敏电阻、光敏电阻以及继电器的阻值随条件改变而发生的变化
（1）热敏电阻的阻值随温度的变化而变化
实验中测得热敏电阻随温度变化的阻值为：
温度（摄氏度）
70
65
60
55
50
45
40
35
电阻（千欧）
0.725
0.848
1.051
1.234
1.454
1.970
2.210
2.820
对应的图像为：
从图中可以观察到热敏电阻的阻值随温度的变化可以拟合出关于e指数的函数，也比较符合该函数的变化规律，与预期的假设相符合。
（2）光敏电阻的阻值随光照强度的变化而变化
实验中光敏电阻的阻值随所接受的光强不同而不同，由此记录了相应情况的电阻值：
环境条件
室内完全打开封盖
室内露出小孔
室外完全打开封盖
室外露出小孔
全封闭的黑暗环境
阻值（千欧）
5.70
352
0.445
25.3
663
以上的实验条件也符合事先的预期，当光敏电阻处于光强大的地方时，其电阻就显得较小，处于光强小的地方时，其电阻就显得较大。
（3）继电器的工作状态断开时的临界温度
开始加入烧杯中的热水温度为70摄氏度左右，连接继电器的电压为14V，开始时，继电器处于工作状态，随着温度的下降至43摄氏度，继电器断开了工作。
六.实验体会
本实验是本课程的最后一个实验，实验当中大多是关于传感器等传感装置的实验内容，比如热敏电阻、光敏电阻等元件都是用来感受外部环境从而致使阻值发生改变，从而改变电路环境；光电门是用来测算时间的精确仪器，单摆的运动周期可以使用光电门测得。
事实上，传感器的利用正是采用了实验方法中的转换法，将一个物理量的测算转换到另一个物理量的测算上面。
传感器能够将磁、热、力、光等物理量转换成电信号，通过对电信号的测量，间接地测量以上物理量。
实验中，我们明白了所谓的“DIS”是以计算机作为平台，将车载通信、导航、视听娱乐、网络控制等集成为一体化多媒体信息系统，根据实验的需求，我们可以在实验中测量距离、位移、力、速度、温度、时间等物理量，再通过配套的计算机软件转换数据，就可以得到想获取的数据。
在此次实验当中，我们利用了朗威Llongwill®TM微机辅助高级中学物理实验系统对单摆简谐运动的周期进行了测量，验证了其运动的等时性。
实验的结果也很好地体现了单摆运动周期等时性的性质。
热敏电阻的感温性，光敏电阻的感光性，以及继电器的临界温度等等特性都是传感装置所需要的。
这些半导体元件被外界主导的因素都是单一的，热敏电阻由温度控制，光敏电阻由光强控制，继电器是否工作依赖于外界环境的温度是否达到了临界温度。
关于传感器内容的实验教学，最重要的是使学生确定相应的传感器有如何的用途，其次需要使之理解相应传感器的使用方法。
在此基础上，学生才会对传感器的使用有新的认识，例如实验提供的多功能报警器，由于热敏电阻的存在，报警器可以对火灾进行警报；有光敏电阻的存在，报警器又可以应用到保险仓库的警报装置中。
这一装置就是传感器的应用实例。
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