物理工实验报告册Word格式.docx
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超声波声速的测量―――――――――――――――7
四、实验报告评分栏――――――――――――――――――――11
实验一电子元件伏安特性的测定
一、实验目的
1．掌握电压表、电流表、直流稳压电源等仪器的使用方法
2．学习电阻元件伏安特性曲线的测量方法
3．加深理解欧姆定律，熟悉伏安特性曲线的绘制方法
二、原理
若二端元件的特性可用加在该元件两端的电压U和流过该元件的电流I之间的函数关系I=f（U）来表征，以电压U为横坐标，以电流I为纵坐标，绘制I-U曲线，则该曲线称为该二端元件的伏安特性曲线。
电阻元件是一种对电流呈阻力特性的元件。
当电流通过电阻元件时，电阻元件将电能转化为其它形式的能量，例如热能、光能等，同时，沿电流流动的方向产生电压降，流过电阻R的电流等于电阻两端电压U与电阻阻值之比，即
（1-1）
这一关系称为欧姆定律。
图1-1线性电阻元件的伏安特性曲线
若电阻阻值R不随电流I变化，则该电阻称为线性电阻元件，常用的普通电阻就近似地具有这一特性，其伏安特性曲线为一条通过原点的直线，如图1-1所示，该直线斜率的倒数为电阻阻值R。
线性电阻的伏安特性曲线对称于坐标原点，说明在电路中若将线性电阻反接，也不会不影响电路参数。
这种伏安特性曲线对称于坐标原点的元件称为双向性元件。
图1-2小灯泡灯丝的伏安特性曲线
白炽灯工作时，灯丝处于高温状态，灯丝的电阻随温度升高而增大，而灯丝温度又与流过灯丝的电流有关，所以，灯丝阻值随流过灯丝的电流而变化，灯丝的伏安特性曲线不再是一条直线，而是如图1-2所示的曲线。
半导体二极管的伏安特性曲线取决于PN结的特性。
在半导体二极管的PN结上加正向电压时，由于PN结正向压降很小，流过PN结的电流会随电压的升高而急剧增大；
在PN结上加反向电压时，PN结能承受和大的压降，流过PN结的电流几乎为零。
所以，在一定电压变化范围内，半导体二极管具有单向导电的特性，其伏安特性曲线如图1-3所示。
图1-4稳压二极管的伏安特性曲线
图1-3半导体二极管的伏安特性曲线
稳压二极管是一种特殊的二极管，其正向特性与普通半导体二极管的特性相似。
加反向电压时，在电压较低的某范围内，电流几乎为零；
一旦超出此电压，电流就会突然增加，并保持PN结上的电压恒定不变。
稳压二极管的伏安特性曲线如图1-4所示。
三、实验仪器和器材
1．电压表
2．电流表
3．直流稳压电源
4．实验电路板
5．线性电阻
6．半导体二极管
7．小灯泡
8．稳压二极管
9．导线
四、实验内容及步骤
1．测定线性电阻的伏安特性
本实验在实验板上进行。
分立元件R=200Ω和R=2000Ω普通电阻作为被测元件，并按图1-5接好线路。
经检查无误后，先将直流稳压电源的输出电压旋钮逆时针旋转，确保打开直流稳压电源后的输出电压在0V左右，然后再打开电源的开关。
依次调节直流稳压电源的输出电压为表1-1中所列数值。
并将相对应的电流值记录在表中。
表1-1测定线性电阻的伏安特性
U（V）
0
2
4
6
8
10
R=200Ω
I（mA）
R=2000Ω
图1-6测量半导体二极管的正向伏安特性
2．测量半导体二极管的伏安特性
（1）正向特性
将稳压电源的输出电压调到2V后，关闭电源开关，按图1-6接好线路。
经检查无误后，开启稳压电源。
调节电位器W，使电压表读数分别为表1-2中数值，并将相对应的电流表读数记于表1-2中。
为了便于作图，在曲线弯曲部分可适当多取几个测量点。
表1-2测定二极管的正向伏安特性
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
3．
图1-7测量小灯泡灯丝的伏安特性
测定小灯泡灯丝的伏安特性
本实验采用低压小灯泡作为测试对象。
按图1-8接好电路，并将直流稳压电源的输出电压调到0V左右。
经检查无误后，打开直流稳压电源开关。
依次调节电源输出电压为表1-4所列数值。
并将相对应的电流值记录在表1-4中。
注意在打开电源开关前一定先将电压调节旋钮逆时针调到电压最小的位置。
表1-3测定小灯泡灯丝的伏安特性
0.8
1.2
1.6
2
3
4
5
6
8
五、思考题
1.通过比较线性电阻与灯丝的伏安特性曲线，分析这两种元件的性质有什么异同？
2.什么叫双向元件？
本实验所用的元件中哪些是双向元件，哪些不是？
实验二迈克尔逊干涉仪
一、实验学时：
3（4）学时
二、实验目的：
1.了解迈克尔逊干涉仪的结构、原理和调节方法；
2.观察等倾干涉、等厚干涉现象；
3.利用迈克尔逊干涉仪测量He-Ne激光器的波长；
三、实验仪器：
迈克尔逊干涉仪、He-Ne激光器、扩束镜、观察屏、小孔光阑
四、实验原理（原理图、公式推导和文字说明）：
在图M2′是镜子M2经A面反射所成的虚像。
调整好的迈克尔逊干涉仪，在标准状态下M1、M2′互相平行，设其间距为d.。
用凸透镜会聚后的点光源S是一个很强的单色光源，其光线经M1、M2反射后的光束等效于两个虚光源S1、S2′发出的相干光束，而S1、S2′的间距为M1、M2′的间距的两倍，即2d。
虚光源S1、S2′发出的球面波将在它们相遇的空间处处相干，呈现非定域干涉现象，其干涉花纹在空间不同的位置将可能是圆形环纹、椭圆形环纹或弧形的干涉条纹。
通常将观察屏F安放在垂直于S1、S2′的连线方位，屏至S2′的距离为R，屏上干涉花纹为一组同心的圆环，圆心为O。
设S1、S2′至观察屏上一点P的光程差为δ，则
（1）
一般情况下
，则利用二项式定理并忽略d的高次项，于是有
（2）
所以
（3）
由式（3）可知：
1.
，此时光程差最大，
，即圆心所对应的干涉级最高。
旋转微调鼓轮使M1移动，若使d增加时，可以看到圆环一个个地从中心冒出，而后往外扩张；
若使d减小时，圆环逐渐收缩，最后消失在中心处。
每“冒出”（或“消失”）一个圆环，相当于S1、S2′的距离变化了一个波长
大小。
如若“冒出”（或“消失”）的圆环数目为N，则相应的M1镜将移动Δd，显然：
（4）
从仪器上读出Δd并数出相应的N，光波波长即能通过式（4）计算出来。
（1）李萨如图形相位判别法
频率相同的李萨如图形随着Δφ的不同，其图形的形状也不同，当形状为倾斜方向相同的直线两次出现时，Δφ变化2
，对应接受器变化一个波长。
（2）共振法
由发射器发出的平面波经接受器发射和反射器二次反射后，在接受器与发射器之间形成两列传播方向相同的叠加波，观察示波器上的图形，两次加强或减弱的位置差即为波形λ。
（3）双踪相位比较法
直接比较发信号和接收信号，同时沿传播方向移动接受器位置，寻找两个波形相同的状态可测出波长。
（4）时差法
测出脉冲声速传播距离X和所经历时间t,便可求得声速。
五、实验准备：
检查全部实验装置工作是否正常，特别是3根同轴电缆。
六、实验步骤
（1）李萨如图形相位比较法
转动声速测量组合实验仪的距离调节鼓轮，观察波形当出现两次倾斜方向相同的倾斜直线时，记录这两次换能器的位置，两次位置之差为波长。
（2）共振法
移动声速测量仪手轮会发现信号振幅发生变化，信号变化相邻两次极大值或极小值所对应的接受器移动的距离即是λ/2，移动手轮，观察波形变化，在不同位置测6次，每次测3个波长的间隔。
（3）比较法
使双通道两路信号双踪显示幅度一样，移动手法会发现其中一路在移动，当移动信号两次与固定信号重合时所对应的接收器移动的距离是λ，移动手轮，观察波形变化，多记录几次两路信号重合时的位置，利用逐差法求波长。
（4）时差法
转动手轮使两换能器的距离加大，每隔10mm左右记录一次数据
和
根据公式获得一系列vi后，可以利用逐差法求得声速v的平均值
。
七、数据处理
温度＝20.8℃
信号发生器显示频率＝37.003kHz
接受器位置序号
1
接受器位置坐标/mm
55.40
64.53
73.94
83.40
92.65
101.90
7
9
10
11
111.30
120.68
129.95
139.25
148.60
158.06
55.90
56.15
56.01
55.85
55.95
56.16
9.32
9.36
9.34
9.31
9.33
信号发生器显示频率＝37.012kHz
次数
接受器记录
被测数
被测λ数n
/mm
λ=x/n/mm
48.20
76.28
28.08
9.36×
10-3
104.40
28.12
9.37
132.41
28.01
160.59
28.18
9.39
188.69
28.10
216.72
28.03
其中
m；
v
信号发生器显示频率＝37.015kHz
接受器位置坐标
57.65
67.04
76.38
86.75
95.12
104.59
114.06
123.50
132.77
142.26
151.58
161.09
56.41
56.46
56.39
55.51
56.50
9.40
9.41
9.25
9.42
信号发生器显示频率＝37.032kHz
接收器位置序号i
接收器位置坐标xi/mm
56.85
66.80
76.80
86.80
96.80
106.80
脉冲传播时间ti/us
347
377
407
434
465
491
接收器位置坐标xi/mm
116.80
126.80
136.80
146.80
156.80
166.80
脉冲传播时间ti/us
522
551
579
606
635
663
342.57
344.83
348.84
352.94
mm/s
（5）环境温度为T（℃）时的声速
（6）不确定度的计算及实验结果
取k=2，则U=2
八、思考题
1.示波器在使用过程中荧光屏上只有一条水平亮线而没有被测信号是什么原因造成的?
2.在测量声速时，Y1（CH1）的输入信号，由于示波器的Y轴放大器、压电转换器、联接线路的相移等原因并不与声波的位相相同，这对于观察测量声波波长有无影响?
为什么?
3.试比较几种测声速方法的优缺点。
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完成实验数量：
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实验单位：
_______________________________________（公章）
实验日期：
指导教师：
指导教师初评成绩：
_______________________________________
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审定成绩时间：
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