电磁学实验教学大纲三个实验.docx
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电磁学实验教学大纲三个实验
《电磁学实验》教学大纲
课程编号:
0500000121
课程名称：
电磁学实验
课程类型:
专业课
学 时：
40学时
学 分：
2
适用对象:
物理
一、课程性质、目的和任务
《电磁学实验》是为物理教育专业开设的一门以实验为主的技术基础课之一。
其目的是培养学生的动手能力，分析问题和解决问题的能力。
使学生充分利用已学的物理知识，紧密地和实践相结合，通过实验和实际操作，提高学生实验的基本技能。
二、教学基本要求
1.熟练掌握一些常用的基本仪器的调节和使用方法。
2.学会运用有效数字，掌握用作图法，逐差法，简单条件下的一元线性回归和二元线性回归处理数据的方法。
三、实验内容及要求
1.学生每次实验前必须做好预习，了解实验内容及相关预备知识，在预习的基础上写出预习报告，然后进入实验实5.验。
2.教师讲述实验原理，实验要求及注意事项，仪器的使用方法后，学生独立动手连接（或设计）电路，并调式完成实验内容，课后按实验书上的要求写出实验报告。
3.通过实验培养学生实事求是，严谨认真的科学态度和勇于动手，善于思考问题，勇于创新，理论联系实际的工作作风。
4.通过实验培养学生实事求是，严谨认真的科学态度和用于董事，善于思考问题，勇于创新，理论联系实际的工作作风。
5.预修课程
电磁学，普通物理等。
6.绪论2学时，必做15个实验32学时。
总计40学时。
7.绪论主要内容：
误差理论简介，电磁学实验的基本知识。
要求学生对误差理论有比较详细的了解，为实验做好准备。
实验一制流电路与分压电路（验证性实验2学时）
一、【实验目的】
1．了解基本仪器的性能和使用方法；
2．掌握制流与分压两种电路的联结方法、性能和特点，学习检查电路故障的一般方法；
3．熟悉电磁学实验的操作规程和安全知识。
二、【实验仪器】
毫安计，伏特计，万用电表，直流电源，滑线变阻器，电阻箱，开关，导线。
三、【实验原理】
电路可以千变万化，但一个电路一般可以分为电源、控制和测量三个部分。
测量电路是先根据实验要求而确定好的，例如要校准某一电压表，需选一标准的电压表和它并联，这就是测量线路，它可等效于一个负载，这个负载可能是容性的、感性的或简单的电阻，以表示其负载。
根据测量的要求，负载的电流值和电压值在一定的范围内变化，这就要求有一个合适的电源。
控制电路的任务就是控制负载的电流和电压，使其数值和范围达到预定的要求。
常用的是制流电路或分压电路。
控制元件主要使用滑线变阻器或电阻箱。
1.制流电路
电路如图1-1所示，图中为直流电源；为滑线变阻器；为电流表；为负载；为电源开关。
它是将滑线变阻器的滑动头和任一固定端（如端）串联在电路中，作为一个可变电阻，移动滑动头的位置可以连续改变之间的电阻，从而改变整个电路的电流。
图1-1制流电路图
（1）调节范围
由：
（1-1）
当滑至点，，负载处；
当滑至点，，。
电压调节范围：
→；
相应的电流变化为：
→。
（2）制流特性曲线
一股情况下负载中的电流为
（1-2）
式中，
图3-2表示不同值的制流特性曲线，从曲线可以清楚地看到制流电路有以下几个特点：
①越大电流调节范围越小；
②≥l时调节的线性较好：
③较小时（即），接近0时电流变化很大，细调程度较差；
④不论大小如何，负载上通过的电流都不可能为零。
（3）细调程度图1-2制流电路曲线
制流电路的电流是靠滑线电阻滑动端位置移动来改变的，最少位移是一圈，因此一圈电阻的大小就决定了电流的最小改变量。
因为
对微分
（1-3）
式中为变阻器总圈数。
从上式可见，当电路中的、、确定后，与成正比，故电流越大，则细调越困难，假如负载的电流在最大时能满足细调要求，而小电流时也能满足要求，这就要使变小，而不能太小，否则会影响电流的调节范围，
图1-3二级制流电路图
所以只能使变大，由于大而使变阻器体积变得很大，故又不能增得太多，因此经常再串一变阻器，采用二级制流，如图3-3所示，其中阻值大，作粗调用，阻值小作细调用，一般取，但、的额定电流必须大于电路中的最大电流。
2.分压电路
（1）调节范围
分压电路如图3-4所示，滑线变阻器两个固定端、与电源相接，负载
图1-4分压电路图
接滑动端和固定端（或）上，当滑动头由端滑至端，负载上电压由0变至，调节的范围与变阻器的阻值无关。
（2）分压特性曲线
当滑动头在任一位置时，两端的分压值为
（1-4）
式中，，
由实验可得不同值的分压特性曲线，如图1-5所示
从曲线可以清楚看出分压电路有如下几个特点：
①不论的大小，负载的电压调节范围均可从0→；
②越小电压调节越不均匀；
③越大电压调节越均匀，因此要电压在0到整个范围内均匀变化，则取比较合适，实际那条线可近似作为直线，故取即可认为电压调节已达到一般均匀的要求了。
图1-5分压特性曲线
（3）细调程度
当K<经微分可得，最小的分压量即滑动头改变一圈位置所改变的电压量，所以
（1-5）
式中为变阻器总圈数，越小调节越不均匀。
当时（即>>），略去式（3-4）中的近似有
对上式微分得，细调最小的分压值莫过于一圈对应的分压值，所以
（1-6）
从上式可知，当变阻器选定后、、均为定值，故当时为一个常数，它表示在整个调节范围内调节的精细程度处处一样。
从调节的均匀度考虑，越小越好，但上的功耗也将变大。
因此还要考虑到功耗不能太大，则不宜取得过小。
取即可兼顾两者的要求。
与此同时应注意流过变阻器的总电流不能超过它的额定值。
若一般分压不能达到细调要求可以如图3-6将两个电阻和串联进行分压，其中大电阻用作粗调，小电阻用于细调。
图1-6二段分压电路图
3．制流电路与分压电路的差别与选择
（1）调节范围
分压电路的电压调节范围大，可从0→，而制流电路电压调节范围较小，只能从
→。
（2）细调程度
当时，在整个调节范围内调节基本均匀，但制流电路可调范围小；负载上的电压值小，能调得较精细，而电压值大时调节变得很粗。
（3）功率损耗
使用同一变阻器，分压电路消耗电能比制流电路要大。
基于以上的差别，当负载电阻较大，调节范围较宽时选分压电路；反之，当负载电阻较小，功耗较大，调节范围不太大的情况下则选用制流电路。
若一级电路不能达到细调要求，则可采用二级制流（或二段分压）的方法以满足细调要求。
四、【实验内容】
1、仔细观察电表刻度盘，记录下度盘下侧的符号及数字，说明其意义？
说明所用电表的最大引用误差是什么？
2、记下所用电阻箱的级别，如果该电阻箱的示值是400Ω时，它的最大容许电流是多少？
3、用万用表测一下所用滑动变阻器的全电阻是多少？
检查一下滑动端C移动时，RAC的变化是否正常？
4、制流电路特性的研究
a.按电路图联结电路，RZ用ZX25a电阻箱，其额定功率为1W，R0用10Ω滑线变阻器，，请计算以下数值后，确定电流表A用档毫安表，E≤RZImax。
预习时计算下表数据。
K值
RZ大小（Ω）
RZ容许电流（mA）
最大总电流Imax（mA）
电源电压E（V）
1
0.1
b.取K=1，联结好电路好，取好RZ的值、把电源电压E调为0伏，RAC取最大值，复查一次电路无误后，闭合开关K，如无异常，移动C点观察电流值是否符合设计要求，然后RAC取最小值，调节电源的电压输出调节旋钮，得电流表的读数到达实验要求的电大电流。
c.移动变阻器滑动头C，在电流从最大（注意最大电流不能超过电路的额定电流）到最小过程中，测量11次电流值及C在标尺上的位置l，并记下变阻器绕线部分的长度l0，以l/l0为横坐标，电流I的纵坐标作图。
记录l0=
K值
l
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
l0
1
I（mA）
0.1
其次，测一下当电流值I在最小和最大时，C移动一小格时电流值的变化，记录I最小时ΔI=，I最大时ΔI=
l0
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
取K=0.1，重复上述测量并绘图。
5、分压电路特性的研究
a.按图1-4联结电路，RZ用ZX25a电阻箱，其额定功率为1W，R0用10Ω滑线变阻器，电压表V用 档，请计算以下数值，电路中最小总电阻R总，最大总电流I总 。
R总＝，I总＝IZ+I0，E＝I总R总，
K值
RZ大小（Ω）
RZ容许电流（mA）
RZ容许端电压Uz（V）
最大总电压Umax（V）
电源电压E（V）
2
0.1
b.取K=2，联结好电路，取好RZ的值、把电源电压E调为0伏，RAC取最小值，复查一次电路无误后，闭合开关K，如无异常，移动C点观察电压值是否符合设计要求，然后RAC取最大值，调节电源的电压输出调节旋钮，得电压表的读数到达实验要求的电大电压。
c.移动变阻器滑动头C，在电压从最大到最小过程中，测量14次电压值及C在标尺上的位置l，并记下变阻器绕线部分的长度l0，以l/l0为横坐标，电压U的纵坐标作图。
记录l0=
K值
l0
0
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
2
U（V）
0.1
其次，测一下当电压值U在最小和最大时，C移动一小格时电压值的变化，记录U最小时ΔU=，U最大时ΔU=
取K=0.1，重复上述测量并绘图。
6、使用万用表检查电路故障，在实验结束时把拆除负载电阻RZ，变成以下电路，找一个同学帮忙设置故障，让电压表没有指示，自己用万用表检查出故障原因。
实验二伏安法测电阻（验证性实验2学时）
一、[目的]
1.学习由测量电压、电流求电阻值的方法（伏安法）及电表的选择方法；
2.学习减少伏安法中系统误差的方法及最小二乘法求系统误差的方法。
二、[仪器和用具]
伏特计，安培计，电阻箱，检流计，滑线变阻器，直流电源，待测电阻等。
三、[实验原理]
1、伏安法
如图2-1、2-2所示，用电表测出通过电阻R的电流I及其两端的电压U，按欧姆定律
（2-1）求出被测电阻值的方法，称为伏安法。
因为是用电表测量值直接代入式（5-1）求得的，故称为表观电阻值.
显然，由于电压表内阻的分流（或电流表内阻的分压）作用，表观电阻值与电阻的实际值R不相等，存在一定的偏差。
这个偏差是由于电表内阻对电路的影响而产生的，属于系统误差，通常又称为电表的接入误差。
2、两种连线引入的误差
由图5-1、5-2可知，伏安法有两种联线方式——电流表内接（电流表接在电压表里侧）与电流表外接（电流表接在电压表外侧）。
两种连线引入的误差如下：
2.1.内接法引人的误差
如图（2-2）所示，设电流表的内阻为RA，通过电阻R的电流为I，则电压表的测量值为：
（2-2）
则电阻
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