试验一陀螺仪试验Word格式文档下载.docx
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2、如图3所示安装好陀螺仪，移动平衡物W使陀螺仪AB轴（X轴）在水平位置平衡，用拉线的方法使陀螺仪盘绕X轴转动（尽可能提高转速），此时陀螺仪具有常数的角动量L：
L=IP.R（5）
当在陀螺仪的另一端挂上砝码m（50g）时就会产生一个附加的力矩M*，这将使原来的角动量发生改变：
dL/dt=M*=m*gr*（6）
由于附加的力矩M*的方向垂直于原来的角动量的方向，将使角动量L变化dL，由图1可见：
dL=Ld
图1陀螺仪进动的矢量图
这时陀螺仪不会倾倒，在附加的力矩M*的作用下将会发生进动。
进动的角速度.P为（P=2/tP，R=2/tR）：
（7）
所以可以得到以下关系式：
（8）
因此1/tR与tP是线性关系,由作图法或最小二乘法拟合数据求出陀螺仪盘的转动惯量。
3、章动现象的观察，理论部分留给有兴趣的同学自行补充。
7
实验二、螺线管内的磁场的测量
1、测量通电螺线管线圈内的磁感应强度，讨论通电螺线管线圈内部I、L、x和B之间关系；
2、计算出真空中的磁导率。
实验设备
①螺线管线圈；
②大电流电源；
③磁场强度计；
④探针（霍耳元件）；
⑤导线和有机玻璃支架等。
1
按照Biot-Savart定律可以推出在螺线管内任意一点P的磁感应强度B为：
式中
螺线管的长为L，x为螺线管中点到P点的距离。
I为通过螺线管的电流。
n为螺线管单位长度的匝数。
图1通电螺线管磁场分布
实验内容
1、按上图装好仪器设备，将螺线管接到电流源上，将霍耳元件（探针）接到磁强计上，并将探针头放在螺线管的中央a点处。
选择磁强计的测量范围为20mT，利用磁强计的”Compensation”钮调零。
3
2
5
4
图2.实验设备接线图
2、实验测量：
（螺线管总圈数N=30）
（1）测量螺线管内电流I变化时a点的磁感应强度B。
将螺线管的b点放在12.5cm处，c点放在27.5cm处，此时线圈长L为15cm。
调节电流源从0开始每次增加2A，记录B，但要注意每次测量时都要将电流源打到0点，将磁强计重新调零。
（2）以a点为中点，改变b、c点的距离，使线圈长L分别为8、10、15、20、25、30、35、40cm，分别纪录B，注意每次测量时都要将电流源打到0点，将磁强计重新调零。
（3）如果探针没有处在螺线管的轴心位置，对实验结果有否影响？
用实验测量结果回答，说明原因。
（4）自行设计利用该设备来测量当地的地磁场，如果不成功则分析出原因。
如果成功写出数据和结论。
（选）
思考题
1、无限长均匀载流螺线管的磁场分布是否与其截面的形状有关?
结合该装置能否给出具有实际意义结论?
实验三、测量空气阻力
1、测量空气阻力与风速的关系；
2、测量空气阻力与面积的关系；
3、了解空气阻力与物体外形间的关系。
①风机；
②相同截面积的不同形状的物体；
③三个圆盘；
④扇形测力计；
⑤精密压力计；
⑥软管；
⑦压力探头；
⑧测量用小车；
⑨导轨；
⑩吊钩和固定支架。
图1实验装置图
物体处在气流中时，气流所施加的平行与气流方向的阻力Fw称为空气阻力。
它与空气的流速v、物体垂直流速方向的横截面积及物体外形有关。
用公式表述如下：
Fw=Cw..·
·
v2·
A
物体的外形即由阻力系数Cw描述。
A=物体的与气流速度垂直方向上的截面积
ρ=空气的密度=1.23Kgm-3
实验中用测力计测定风阻，风速的测量是靠配上标尺的精密压力计。
该压力计是用于测量压力的，将其两端通过软管与压力传感器相连后（见下图2），压力计左端的通路测量的是总的压力，右端的通路测的是静压，标尺标定的是这两个压力的差。
ΔP=Ptotal-Pstat=Pdyn（Pstat=静压Pdyn=动压）
根据伯努利方程Pstat+
ρv2=Ptotal
得出：
ΔP=Ptotal-Pstat=Pdyn=
ρv2
图2.测力计测定风阻
这样按一定的比例在标尺上即可直接标定出风速。
空气阻力与风速的关系是通过对同一个物体（圆盘），测定不同的风速下的数据得到的。
只对风速与空气阻力间的关系感兴趣，其它参数当作常量。
风速通过动压的测量来确定，阻力由测力计测出。
空气阻力与面积的关系的测定只对空气阻力与截面积间的关系感兴趣，其它参数当作常量，其值不需要知道。
由测力计测出阻力，三个圆盘面积值的比例关系为1：
2：
4。
空气阻力与物体外形间的关系通过对具有相同横截面面积形状不同的各物体所受的空气阻力的实验测定，最终确定阻力系数Cw。
v及动压Pdyn=
ρv2由压力传感器确定，使用一测力计测出Fw，Cw可由Fw、A、ρ和v或Fw、A和Pdyn推算出。
由公式
（1）可推出Cw=
或Cw=
下表所示是各形状的阻碍物理论阻尼系数，将其与实际测量值相比，并分析产生差别的原因。
阻碍物
Cw（Theory）
圆盘
1.15
球
0.45
半球形壳体
1.33
流线型钝尾物体
0.06
流线型尖端物体
0.243
注意事项
1、在风机的进风口和出风口附近不要放置杂物，以免产生危险或损坏器件。
2、压力计为玻璃器件，要避免机械碰撞。
3、压力计内的红色液体为特制有毒液，不可饮用或接触，工作时不可让其从压力计中流出；
如果手与其接触，应立即洗手。
实验四、直导体外的磁场
1、直导体附近磁场的磁感应强度与直导体中电流的函数关系；
2、直导体附近磁场的磁感应强度与距直导体的距离的函数关系。
①各种形状导体4套；
②大电流变压器；
③电源15VAC/12VDC/5A；
④特斯拉表；
⑤霍耳元件探针；
⑥钳形电流计；
⑦万用数字电表；
⑧米尺；
⑨支撑杆、连接导线等。
有关术语
磁通量；
电磁感应；
磁场的叠加。
根据Biot-Savart定律，一根长AB的直导线通过的电流强度为I，直导体外一点Q处的磁感应强度为：
方向为右手定则或按电流I方向与矢径r方向的矢积方向决定。
当Q点距离导线很近时，
（1）
图1.求载流直流导线的磁场
1、实验设备安装与调节，满足可测的实验要求：
实验设备如图安装，注意各个接头一定要接触紧密。
调节电源3中心的旋钮，改变通过导体的电流，从钳形电流计6所连接的万用电表（放在交流电压的200mv档）可直接读出导体内的电流的大小（1mv＝1安培）。
将霍耳元件探针5（注意不要将其与导线接触）放在距离导线的指定距离处在特斯拉计的显示窗口就可以读出该处的磁感应强度B。
图2.实验设备安装连线图
2、将霍耳元件放在距导线1cm左右处，从0开始调节导线中的电流，从40安培开始每隔10安培左右读一次磁感应强度的值，直到100安培。
自行设计表格记录下相应实验数据。
3、使电流保持在90安培，改变距离r（从10cm－0.5cm）。
4、作出以上两实验的曲线，用作图法或最小二乘法求出0的值（注意单位用SI国际单位制）
5、改变导线形状，再按上述步骤重复做实验，分析结果得出你的结论，并用理论拟合来说明结论的正确性。
（注：
设备中还有3套导线，同学可以选一或二种，并自行设计实验）。
实验五、电子荷质比
实验目的：
1、掌握电子的荷质比测量的原理；
2、测定电子的荷质比。
①细光束管；
②亥姆霍兹线圈及测量设备；
③两块万用表；
④管电压源；
⑤直流电源。
相关术语
荷质比；
电子束；
洛伦兹力
电子质量的直接测出较难，相比之下，电子的荷质比的测量要容易的多，故测出荷质比后，根据电量，推算出电子的质量。
在实验中，细光束管中的电子通过一个电位差U而得到速度v，由于亥姆霍兹线圈产生的磁场B垂直于电子的运动方向，故洛伦兹力成为向心力使电子做半径为r的圆周运动。
可推算出计算公式为：
ε=e/me=2·
U/（B2·
r2）。
亥姆霍兹线圈对中的磁场B与电流I成线性关系，即B=kI，实验中已给出该亥姆霍兹线圈B与I的对应数值表，可以此得到k值，最终算出荷质比。
实验步骤
图1实验装置接线图
1、实验用电源均应处于关闭状态，其上所有电位器都左旋至锁住位置；
2、开启向光束管供电的管电压源，将加速电压调到300V，预热一段时间后，电子束开始射出。
在0-10V间调整调焦电压，对电子束进行调焦，最终使电子束狭窄﹑清晰﹑边界清楚；
3、打开亥姆霍兹线圈的直流电源，调整输出电流，使电子束偏转形成一个封闭的轨迹；
4、移动测量设备上的左边滑块，使其内侧﹑镜中的像和电子束的出射口在一条直线上；
5、调整右滑块的位置，使两滑块内侧间距离为8mm，且该滑块内侧与镜子中的像对齐；
6、调整亥姆霍兹线圈中的电流使电子束轨迹与两滑块内侧相切；
7、将加速电压以10V为间隔逐步减到100V，其间调整线圈电流，使电子束轨迹始终保持在8mm。
记下对应的加速电压和线圈电流值；
8、由加速电压值U、线圈电流I绘出U=f（I2）图，求出斜率α；
9、根据给定的亥姆霍兹线圈的B与I的关系，得到比例系数k；
10、算出电子荷质比。
图2电子荷质比测量主体设备图
1、高压危险，操作时不要随意改变接线，不可接触接线板和亥姆霍兹线圈。
2、细光束管属玻璃制品，易碎，小心操作。
*附录
该亥姆霍兹线圈的B与I的关系，
实验六、磁阻效应及磁阻传感器的特性研究
【实验目的】
1、了解磁阻效应的基本原理及测量磁阻效应的方法；
2、测量锑化铟传感器的电阻与磁感应强度的关系；
3、画出锑化铟传感器电阻变化与磁感应强度的关系曲线，并进行相应的曲线和直线拟合；
4、学习用磁阻传感器测量磁场的方法。
【实验原理】
磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。
和霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到的洛仑兹力而产生的。
若外加磁场与外加电场垂直，称为横向磁阻效应；
若外加磁场与外加电场平行，称为纵向磁阻效应。
磁阻效应还与样品的形状有关，不同几何形状的样品，在同样大小的磁场作用下，其电阻不同，该效应称为几何磁阻效应。
由于半导体的电阻率随磁场的增加而增加，有人又把该磁阻效应称为物理磁阻效应。
目前，磁阻效应广泛应用于磁传感、磁力计、电子罗盘、位置和角度传感器、车辆探测、GPS导航、仪器仪表、磁存储（磁卡、硬盘）等领域。
一定条件下，导电材料的电阻值R随磁感应强度B变化规律称为磁阻效应。
如图1所示，当半导体处于磁场中时，导体或半导体的载流子将受洛仑兹力的作用，发生偏转，在两端产生积聚电荷并产生霍尔电场。
如果霍尔电场作用和某一速度的载流子的洛仑兹力作用刚好抵消，则小于此速度的电子将沿霍尔电场作用的方向偏转，而大于此速度的电子则沿相反方向偏转，因而沿外加电场方向运动的载流子数量将减少，即沿电场方向的电流密度减小，电阻增大，也就是由于磁场的存在，增加了电阻，此现象称为磁阻效应。
如果将图1中UH短路，磁阻效应更明显。
因为在上述的情况里，磁场与外加电场垂直，所以该磁阻效应称为横向磁阻效应。
当磁感应强度平行于电流时，是纵向情况。
若载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向无关，纵向磁感应强度不引起载流子漂移运动的偏转，因而没有纵向霍尔效应的磁阻。
而对于载流子的有效质量和弛豫时间与移动方向有关的情形，若作用力的方向不在载流子的有效质量和弛豫时间的主轴方向上，此时，载流子的加速度和漂移移动方向与作用力的方向不相同，也可引起载流子漂移运动的偏转现象，其结果总是导致样品的纵向电流减小电阻增加。
在磁感应强度与电流方向平行情况下所引起的电阻增加的效应，被称为纵向磁阻效应。
通常以电阻率的相对改变量来表示磁阻的大小，即用Δρ/ρ（0）表示。
其中ρ（0）为零磁场时的电阻率，设磁电阻电阻值在磁感受应强度为B的磁场的电阻率为ρ（B），则Δρ=ρ（B）－ρ（0）。
由于磁阻传感器电阻的相对变化率ΔR/R（0）正比于Δρ/ρ（0），这里ΔR=R（B）－R（0）。
因此也可以用磁阻传感器电阻的相对改变量ΔR/R（0）来表示磁阻效应的大小。
测量磁电阻电阻值R与磁感应强度B的关系实验装置及线路如图2所示。
尽管不同的磁阻装置有不同的灵敏度，但其电阻的相对变化率ΔR/R（0）与外磁场的关系都是相似的。
实验证明，磁阻效应对外加磁场的极性不灵敏，就是正负磁场的相应相同。
一般情况下外加磁场较弱时，电阻相对变化率ΔR/R（0）正比于磁感应强度B的二次方；
随磁场的加强，ΔR/R（0）与磁感应强度B呈线性函数关系；
当外加磁场超过特定值时，ΔR/R（0）与磁感应强度B的响应会趋于饱和。
另外，ΔR/R（0）对总磁场的方向很灵敏，总磁场为外磁场与内磁场之和，而内磁场与磁阻薄膜的性质和几何形状有关。
图1磁阻效应图2测量磁电阻实验装置
【实验仪器】
实验采用DH4510磁阻效应实验仪，研究锑化铟（InSb）磁阻传感器的磁阻特性，图3为该仪器示意图
图3（a）磁阻效应信号号源面板图
DH4510磁阻实验仪由信号源和测试架两部分组成。
实验仪包括双路可调直流恒流源、电流表、数字式磁场强度计（毫特计）和磁阻电压转换测量表（毫
伏表）、控制电源等。
测试架包括励磁线圈（含电磁铁）、锑化铟（InSb）磁阻传感器、GaAs霍尔传感器、转换继电器及导线等组成。
仪器连接如图4所示。
【实验内容】
1、在锑化铟磁阻传感器工作电流保持不变的条件下，测量锑化铟磁阻传感器的电阻与磁感应强度的关系。
作ΔR/R（0）与B的关系曲线，并进行曲线拟合。
（实验步骤由学生自己拟定，实验时注意GaAs和InSb传感器工作电流应调至1mA）。
2、用磁阻传感器测量一个未知的磁场强度，与毫特计测得的磁场强度相比较，估算测量误差。
图3（b）磁阻效应测试架图
【实验步骤】
仪器开机前须将IM调节电位器、Is电流调节电位器逆时针方向旋到底。
1、信号源的“IM直流源”端用导线接至测试架的“励磁电流”输入端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连，如图4所示。
调节“IM电流调节”电位器可改变输入励磁线圈电流的大小，从而改变电磁铁间隙中磁感应强度的大小。
2、将实验仪信号源背部的二芯话筒通过专用的二芯话筒线接至测试架的工作电压输入端，这是一路提供继电器工作的12V直流控制电源，作为继电器的控制电压。
红的香蕉插接红接线柱，黑的香蕉插接黑接线柱。
3、信号源上“Is直流恒流源”输出用导线接至工作电流切换继电器K1接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。
如图4所示。
4、信号源的“信号输入”两端用导线接至输出信号切换继电器K2接线柱的中间两端，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。
5、将继电器K1接线柱的下面两端与继电器K2接线柱的下面两端相连，红导线与红接线柱相连，黑导线与黑接线柱相连。
6、将锑化铟（InSb）磁阻传感器（蓝、绿引出线）的两端与工作电流切换继电器K1接线柱的下面两端相连，红的香蕉插接红接线柱，黑的香蕉插接黑接线柱。
即蓝引出线接至红接线柱，绿引出线接至黑接线柱。
图4磁阻效应接线图
7、砷化镓（GaAs）霍尔传感器的的四引出线按线的长短已分成两组，红、棕为一组（为工作电流输入端），黄、橙为一组（为霍尔电压输出端），红、棕这一组线接至工作电流切换继电器K1接线柱的上面两端，黄、橙这一组线接至输出信号切换继电器K2接线柱的上面两端。
红的香蕉插接红接线柱，黑的香蕉插接黑接线柱，如图4所示。
8、确认接线正确完成后，打开交流电源，将信号源及测试架的切换开关都处于按上状态，这时将测试架上取出的霍尔电压信号输入到信号源，经内部处理转换成磁场强度由表头显示。
9、调节Is调节电位器让Is表头显示为1.00mA，然后调节IM，使磁场强度显示为10mT，记下励磁电流值的大小。
10、按下信号源及测试架上的切换开关，测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。
注意：
这时的Is表头显示应为1.00mA。
11、将信号源及测试架上的切换开关弹起，再调节IM调节电位器，使磁场强度显示为20mT，记下该磁场强度及对应的励磁电流值。
测量并记录该磁场强度下对应的磁阻电压。
12、参考表1所列的磁场强度，重复以上10~11步骤。
13、根据表1数据列出表2，在B<
0.06T时对ΔR/R（0）作曲线拟合，求出R与B的关系。
14、根据表1数据列出表3，在B>
0.12T时对ΔR/R（0）作曲线拟合，求出R与B的关系。
15、调节IM电流，使电磁铁产生一个未知的磁场强度。
测量磁阻传感器的磁阻电压，根据求得的ΔR/R（0）与B的关系曲线，求得磁场强度。
16、用仪器所配的毫特计测量该磁场强度，将测得的磁场强度作为准确值与磁阻传感器测得的磁场强度值与相比较，估算测量误差。
七、实验参考表格（仅供参考）
表1电流Is=1mA
电磁铁
InSb
B~△R/R（0）对应关系
IM/mA
UR/mV
B/mT
R/Ω
△R/R（0）
ΔR/R（0）=14.5B2
由上面拟合可知在B<
0.06T时磁阻变化率ΔR/R（0）与磁感应强度B成二次函数关系；
表2
△R/R（0）i
Bi
△R/R（0）i×
（△R/R（0）i）2
Bi2
2、对表1数据在B>
0.12T时对ΔR/R（0）作曲线拟合如下表3：
表3
由上面拟合可知在B>
0.12T时磁阻变化率ΔR/R（0）与磁感应强度B成一次函数关系
ΔR/R（0）=5.35B-0.59
3、按以上实验数据可得到图曲线。
八、思考题
1、磁阻效应是怎样产生的？
磁阻效应和霍尔效应有何内部联系？
2、实验时为何要保持霍尔工作电流和流过磁阻元件的电流不变？
3、不同的磁场强度时，磁阻传感器的电阻值与磁感应强度关系有何变化？
4、磁阻传感器的电阻值与磁场的极性和方向有何关系？
实验七、高临界温度超导体临界温度的电阻测量法
１．利用动态法测量高临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系。
２．通过实验掌握利用液氮容器内的低温空间改变氧化物超导材料温度、测温及控温的原理和方法。
３．学习利用四端子法测量超导材料电阻和热电势的消除等基本实验方法以及实验结果的分析与处理。
4．选用稳态法测量临界温度氧化物超导材料的电阻率随温度的变化关系并与动态进行比较。
１．低温恒温器
实验用的恒温器如图1所示，均温块１是一块经过加工的紫铜块，利用其良好的导热性能来取得较好的温度均匀区，使固定在均温块上的样品和温度计的温度趋于一致。
铜套２的作用是使样品与外部环境隔离，减小样品温度波动。
提拉杆３采用低热导的不锈钢管以减少对均温块的漏热，经过定标的铂电阻温度计４及加热器５与均温块之间既保持良好的热接触又保持可靠的电绝缘。
测试用的液氮杜瓦瓶宜采用漏热小，损耗率低的产品，其温度梯度场的稳定性较好，有利于样品温度的稳定。
为便于样品在液氮容器内的上下移动，附设相应的提拉装置。
图1低温恒温器图图2高Tc超导体电阻——温度特性测量仪工作原理示意图
２．测量仪器
它由安装了样品的低温恒温器，测温、控温仪器，数据采集、传输和处理系统以及电脑组成，既可进行动态法实时测量，也可进行稳态法测量。
动态法测量时可分别进行不同电流方向的升温和降温测量，以观察和检测因样品和温度计之间的动态温差造成的测量误差以及样品及测量回路热电势给测量带来的影响。
动态测量数据经测量仪器处理后直接进入电脑Ｘ-Ｙ记录仪显示、处理或打印输出。
稳态法测量结果经由键盘输入计算机（如Origin软件）。
作出Ｒ-Ｔ特性供分析处理或打印输出。
1．临界温度Ｔc的定义及其规定
超导体具有零电阻效应，通常把外部条件（磁场、电流、应力等）维持在足够低值时电阻突然变为零的温度称为超导临界温度。
实验表明，超导材料发生正常→超导转变时，电阻的变化是在一定的温度间隔中发生，而不是突然变为零的，如图3所示。
起始温度Ts（OnsetPoint）为R—T曲线开始偏离线性所对应的温度；
中点温度Tm（midPoint）为电阻下降至起始温度电阻Rs的一半时的温度；
零电阻温度Ｔ为电阻降至零时的温度。
而转变宽度ΔT定义为Rs下降到90％及10％所对应的温度间隔。
高Tc材料发现之前，对于金属、合金及化合物等超导体，长期以来在测试工作中，一般将中点温度定义为Tc，即Tc＝Tm。
对于高Tc氧化物超导体，由于其转变宽度ΔＴ较宽，有些新试制的样品ΔT可达十几K，再沿用传统规定容易引起混乱。
因此，为了说明样品的性能，目前发表的文章中一般均给出零电阻温度T（R＝0）的数值，有时甚至同时给出上述的起始温度、中点温度及零电阻温度。
而所谓零电阻在测量中总是与测量仪表的精度、样品的几何形状及尺寸、电极间的距离以及流过样品的电流大小等因素有关，因而零电阻温度也与上述诸因素有关、这是测量时应予注意的。
2.样品电极的制作
目前所研制的高Tc氧化物超导材料多为质地松脆的陶瓷材料，即使是精心制作的电极，电极与材料间的接触电阻也常达零点几欧姆，这与零电阻的测量要求显然是不符合的。
为消除接触电阻对测量的影响，常采用图
（二）所示的四端子法。
两根电流引线与直流恒流电源相连，两根电压引线连至数字电压表或经数据放大器放大后接至Ｘ-Ｙ记录仪，用来检测样品的电压。
按此接法，电流引线电阻及电极1、4与样品的接触电阻与2、3端的电压测量无关。
2、3两电极与样品间存在接触电阻，通向电压表的引线也存在电阻，但是由于电压测量回路的高输入阻抗特性，吸收电流极小，因此能避免引线和接触电阻给测量带来的影响。
按此法测得电极2、3端的电压除以流过样品的电流，即为样品电极2、3端间的电阻。
本实验所用超导样品为商品化的银包套铋锶钙铜氧高Tc超导样品，四个电极直接用焊锡焊接。
3．温度控制及测量
临界温度Tc的测量工作取决于合理的温度控制及正确的温度测量。
目前高Ｔc氧化物超导材料的临界温度大多在60Ｋ以上，因而冷源多用液氮。
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