大学物理实验2 讲义DA XUE WU LISHIYAN ERJIANG YI汕头大学物理系电磁学实验室编2017年8月
大学物理 实验 2 讲义 DA XUE WU LI SHI YAN ER JIANG YI 汕头大学物理系电磁学实验室编 2017 年 8 月
目录电学实验操作规程电磁学实验的常用仪器和器件.2实验一电表的改装和校准·7实验二电位差计的原理和使用·13实验三示波器的原理和使用19实验四模拟静电场·29实验五交流电路的谐振现象·35实验六灵敏电流计的研究41实验七用冲击电流计测定螺线管磁场?48实验八.·53示波器测绘铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线实验九RLC串联电路的稳态过程·58实验十RLC串联电路的暂态过程·61实验十一.·66交流电路功率的测量和功率因数的提高72实验十二密立根油滴实验实验十三79周期函数的傅里叶分析实验十四82液体电导率测量实验实验十五磁阻效应及磁阻传感器89实验十六霍尔效应...93实验十七直流、交流电桥:98实验十八电子和场实验108实验十九巨磁电阻效应及应用116设计性实验-132多种方法测量电容与电感量二电路研究交流谐振电路品质因数系统误差133三用电位差计测定表头参数...134四用示波器作为零示器设计交流电桥135
目录 电学实验操作规程 . . . . . . . . . . . . . .1 电磁学实验的常用仪器和器件 . . . . . . . . . . . .2 实验一 电表的改装和校准 . . . . . . . . . . . .7 实验二 电位差计的原理和使用 . . . . . . . .13 实验三 示波器的原理和使用 . . . . . . . .19 实验四 模拟静电场 . . . . . . . . . . . .29 实验五 交流电路的谐振现象 . . . . . . . . . .35 实验六 灵敏电流计的研究 . . . . . . . . . .41 实验七 用冲击电流计测定螺线管磁场 . . . . . . . .48 实验八 示波器测绘铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线 . . . . .53 实验九 RLC 串联电路的稳态过程 . . . . . . . . . . .58 实验十 RLC 串联电路的暂态过程. . . . . . . . . . . 61 实验十一 交流电路功率的测量和功率因数的提高 . . . . . . .66 实验十二 密立根油滴实验 . . . . . . . . . . . . . 72 实验十三 周期函数的傅里叶分析 . . . . . . . . . . 79 实验十四 液体电导率测量实验 . . . . . . . . . . . 82 实验十五 磁阻效应及磁阻传感器 . . . . . . . . . . .89 实验十六 霍尔效应 . . . . . . . . . . . . . . .93 实验十七 直流、交流电桥 . . . . . . . . . . . . . 98 实验十八 电子和场实验 . . . . . . . . . . . . . 108 实验十九 巨磁电阻效应及应用 . . . . . . . . . . . 116 设计性实验 一 多种方法测量电容与电感量 . . . . . . . . . .132 二 电路研究交流谐振电路品质因数系统误差 . . . . . .133 三 用电位差计测定表头参数 . . . . . . . . . .134 四 用示波器作为零示器设计交流电桥 . . . . . . . .135
电学实验操作规程1准备到实验室前先准备好数据表格，实验时，先要把本组实验仪器的规格弄清楚，然后根据电路图要求摆好元件（基本按电路图排列次序，但也要考虑到读数和操作的方便）。2连线要在理解电路的基础上联线。例如图一电路，应当这样理解：分压器先把电源电压分为两部分，用伏特表测出AC部分的电压，再把这部分电压送到用电的电阻R上，并由毫安计测出R上的电流。连线时的次序和思路，可从电源开始（但先不接通电源），用两根线连到开关的两个接线柱上，再由开关引出两根线，连到变压器全电阻AB上，使产生电压降。从AC两端引线到伏特计上测量分压，再从伏特计两端引出分压送到电阻R与毫安计串联的电路。RE图一连线时还应注意利用不同颜色的导线，这样可以表现出电路电位的高低。一般，用红色或浅色线接正极或高电位，用蓝色或深色接负极或低电位。最后，应特别指出，在连线过程中，所有的电源最后才连入电路，开关也要断开。3检查接好电路后，先复查电路联线是否正确，再检查其它要求是否符合，例如，开关是否打开、电表和电源正负极是否接错、量程是否正确、电阻箱数值是否正确、变阻器的滑线端（或电阻箱各档旋钮）位置是否正确等等，直到一切都做好，经指导老师检查正确后，再接上电源。4通电在通电合上开关前，要先想好通电瞬间各仪表的正常反应是怎样的（例如电表指针是指零不动或是应摆动到什么位置等）。开关合上时要密切注意仪表反应是否正常，并随时准备在不正常时打开开关。实验过程中需要暂停时，应断开必要的开关。若需要更换电路，应将电路中各个仪表拨到安全位置然后打开开关，拆去电源，再改接电路，经指导老师检查后才可接电源继续做实验。5安全不管电路有无高电压，要养成避免用手或身体接触电路中导体的习惯。6规整实验完毕，应将电路中仪器拨到安全位置，打开开关，经教师检查实验数据后再拆线。拆线时应先拆去电源，最后将所有仪器放回原处，再离开实验室。1
1 电学实验操作规程 1 准备 到实验室前先准备好数据表格，实验时，先要把本组实验仪器的规格弄清楚，然后根据 电路图要求摆好元件（基本按电路图排列次序，但也要考虑到读数和操作的方便）。 2 连线 要在理解电路的基础上联线。例如图一电路，应当这样理解：分压器先把电源电压分为 两部分，用伏特表测出 AC 部分的电压，再把这部分电压送到用电的电阻 R 上，并由毫安 计测出 R 上的电流。连线时的次序和思路，可从电源开始（但先不接通电源），用两根线连 到开关的两个接线柱上，再由开关引出两根线，连到变压器全电阻 AB 上，使产生电压降。 从 AC 两端引线到伏特计上测量分压，再从伏特计两端引出分压送到电阻 R 与毫安计串联 的电路。 图一 连线时还应注意利用不同颜色的导线，这样可以表现出电路电位的高低。一般，用红色 或浅色线接正极或高电位，用蓝色或深色接负极或低电位。最后，应特别指出，在连线过程 中，所有的电源最后才连入电路，开关也要断开。 3 检查 接好电路后，先复查电路联线是否正确，再检查其它要求是否符合，例如，开关是否打 开、电表和电源正负极是否接错、量程是否正确、电阻箱数值是否正确、变阻器的滑线端（或 电阻箱各档旋钮）位置是否正确等等，直到一切都做好，经指导老师检查正确后，再接上电 源。 4 通电 在通电合上开关前，要先想好通电瞬间各仪表的正常反应是怎样的（例如电表指针是指 零不动或是应摆动到什么位置等）。开关合上时要密切注意仪表反应是否正常，并随时准备 在不正常时打开开关。 实验过程中需要暂停时，应断开必要的开关。若需要更换电路，应将电路中各个仪表拨 到安全位置然后打开开关，拆去电源，再改接电路，经指导老师检查后才可接电源继续做实 验。 5 安全 不管电路有无高电压，要养成避免用手或身体接触电路中导体的习惯。 6 规整 实验完毕，应将电路中仪器拨到安全位置，打开开关，经教师检查实验数据后再拆线。拆 线时应先拆去电源，最后将所有仪器放回原处，再离开实验室。 mA E B A C V R
电磁学实验的常用仪器和器件电磁学实验离不开各种电测仪表、设备，为此，在使用之前，应先了解它的性能、规格和使用方法，这样，才能在使用时，保证仪器设备处于正常情况下工作，从而避免损坏，保证实验顺利进行和实验结果的准确、可靠。下面对一些常用的基本仪器设备及其接线要领、注意事项作一简单介绍。一滑线变阻器滑线变阻器是电磁学实验中常用的器件，它用于调节电压和电流，在电路中的基本接法有电位器接法和可变电阻器接法。滑线变阻器的外形和结构见图一，其主要部分为密绕在瓷管上的粗细均匀的电阻丝（如镍铬丝），然后将电阻丝两端分别与接线柱A、B相连，另一接线柱C通过铜棒与滑动接触器连接。因此，沿铜棒移动接触器的位置，即可改变AC(或BC)间的电阻值，图下方为滑线变阻器在电路中的符号。oCAOOB图一使用滑线变阻器时应注意下面几点：1.通过变阻器的电流，不能超过它的额定电流值。2.作固定电阻使用时，只用A与B两个接线柱。3.作可调电阻器使用时，把A与C或B与C两个接线柱接入电路，接通电源前，应先把变阻器调到电阻值最大的位置，保证电路接通电源后电流为最小，然后，逐渐减少电阻，直到需要值。4：作电位器使用时，电源接在A和B两个固定端上，而电路则接在滑动端C及任一固定端A（B）之间，接通电源前，滑动端应移在输出电压为零的位置上，然后，逐渐增加输出电压（电流），使它达到所需要的值。二旋转式电阻箱电阻箱是一种数值可调节的精密电阻组件，它由若干个数值准确的固定电阻元件（用高稳定锰铜合金丝绕制）组合而成，并借助转盘位置的变换来获得1~9999Q（ZX36型）或0.1~99999.9Q（ZX21a型）的各电阻值（图二）。现结合上述两种型号电阻箱，将有关事项说明如下：1.最大允许电流。一般电阻箱的额定功率为0.25W，可以由它计算出最大允许电流：I=JR2允许基本误差。我们实验中常采用准确度登记为0.1的电阻箱，在额定电流范围内其允许基本误差为：△R=（0.1%R+0.002m）Q2
2 电磁学实验的常用仪器和器件 电磁学实验离不开各种电测仪表、设备，为此，在使用之前，应先了解它的性能、规 格和使用方法，这样，才能在使用时，保证仪器设备处于正常情况下工作，从而避免损坏， 保证实验顺利进行和实验结果的准确、可靠。 下面对一些常用的基本仪器设备及其接线要领、注意事项作一简单介绍。 一 滑线变阻器 滑线变阻器是电磁学实验中常用的器件，它用于调节电压和电流，在电路中的基本接法 有电位器接法和可变电阻器接法。滑线变阻器的外形和结构见图一，其主要部分为密绕在瓷 管上的粗细均匀的电阻丝（如镍铬丝），然后将电阻丝两端分别与接线柱 A、B 相连，另一 接线柱 C 通过铜棒与滑动接触器连接。因此，沿铜棒移动接触器的位置，即可改变 AC(或 BC)间的电阻值，图下方为滑线变阻器在电路中的符号。 图一 使用滑线变阻器时应注意下面几点： 1．通过变阻器的电流，不能超过它的额定电流值。 2．作固定电阻使用时，只用 A 与 B 两个接线柱。 3．作可调电阻器使用时，把 A 与 C 或 B 与 C 两个接线柱接入电路，接通电源前，应 先把变阻器调到电阻值最大的位置，保证电路接通电源后电流为最小，然后，逐渐减少电阻， 直到需要值。 4．作电位器使用时，电源接在 A 和 B 两个固定端上，而电路则接在滑动端 C 及任一 固定端 A（B）之间，接通电源前，滑动端应移在输出电压为零的位置上，然后，逐渐增加 输出电压（电流），使它达到所需要的值。 二 旋转式电阻箱 电阻箱是一种数值可调节的精密电阻组件，它由若干个数值准确的固定电阻元件（用高 稳定锰铜合金丝绕制）组合而成，并借助转盘位置的变换来获得 1~9999Ω（ZX36 型）或 0.1~99999.9Ω（ZX21a 型）的各电阻值（图二）。现结合上述两种型号电阻箱，将有关事项 说明如下： 1．最大允许电流。一般电阻箱的额定功率为 0.25W，可以由它计算出最大允许电流： I = W R 2 允许基本误差。我们实验中常采用准确度登记为 0.1 的电阻箱，在额定电流范围内， 其允许基本误差为： ∆R = （0.1%R + 0.002m）Ω A C B
其中R指经调节后的电阻箱示值，m是电阻箱的总转盘数，第二项误差是由于电阻箱转盘的接触电阻而引入的，当R较大时，第二项误差可以略去不计。如果R=395Q（设为ZX36型），那么它的允许基本误差△R=0.4Q2.因此，在代入计算式时，R值写成359.0Q较妥，在一般情况下，可以认为电阻箱所指示的电阻值均为四位有效数字。点西双大图二3使用注意：首先，在使用电阻箱前，应先旋转一下各个转盘，使盘内弹簧触点的接触性能稳定可靠（应该定期清洗各个弹簧片，避免长期使用后接触电阻增大，而影响测量的正确度）。其次，工作电流绝不超过最大充许值。再次，使用和储存场所的温度应为+10一40℃，相对湿度不大于80%。周围空气中不含有腐蚀性气体。三电表实验室用电表大部分是磁电式电表，它的内部结构可以简单的表示为如图三所示。永久磁铁的两个极上连着带圆筒孔腔的极掌，极掌之间装有圆柱形软铁芯，它的作用是使极掌和铁芯间的空隙中磁场很强，并且磁力线是以圆柱的轴为中心呈均匀辐射状。在圆柱形铁芯和极掌间空隙处放有长方形线圈，线圈上固定一根指针，当有电流通过时，线圈就受电磁力矩而偏转，直到跟游丝的反钮力矩平衡，线圈偏角的大小与所通入的电流成正比，电流方向不同，偏转方向也不同，这是磁电式电表的基本特征。标度盘0零点调整螺丝游绘Y一极掌线图圈永久磁铁图三图四1.直流检流计检流计是一种测量小电流及小电压的仪表，一般常用作电路平衡的指零器，根据灵敏度的高、低（或电流常数的大小），检流计大致可分为指针式和光点式两类。实验中常使用的AC5/2，AC5/3型指针式检流计（光点式检流计另介绍）见图四。它的电流常数分别为Z2X10A/格、Z7X10A/格。指针式检流计的特点是零点位于刻度板中央。未通电时，仅指针正对零点：通电流后，随电流方向的不同可以左右偏转，检流计常处于断开状态，仅3
3 其中 R 指经调节后的电阻箱示值，m 是电阻箱的总转盘数，第二项误差是由于电阻箱转盘 的接触电阻而引入的，当 R 较大时，第二项误差可以略去不计。如果 R=395Ω（设为 ZX36 型），那么它的允许基本误差 ΔR=0.4Ω.因此，在代入计算式时，R 值写成 359.0Ω 较妥，在 一般情况下，可以认为电阻箱所指示的电阻值均为四位有效数字。 图二 3 使用注意：首先，在使用电阻箱前，应先旋转一下各个转盘，使盘内弹簧触点的接触 性能稳定可靠（应该定期清洗各个弹簧片，避免长期使用后接触电阻增大，而影响测量的正 确度）。其次，工作电流绝不超过最大允许值。再次，使用和储存场所的温度应为+10—40℃， 相对湿度不大于 80%。周围空气中不含有腐蚀性气体。 三 电表 实验室用电表大部分是磁电式电表，它的内部结构可以简单的表示为如图三所示。永久 磁铁的两个极上连着带圆筒孔腔的极掌，极掌之间装有圆柱形软铁芯，它的作用是使极掌和 铁芯间的空隙中磁场很强，并且磁力线是以圆柱的轴为中心呈均匀辐射状。在圆柱形铁芯和 极掌间空隙处放有长方形线圈，线圈上固定一根指针，当有电流通过时，线圈就受电磁力矩 而偏转，直到跟游丝的反钮力矩平衡，线圈偏角的大小与所通入的电流成正比，电流方向不 同，偏转方向也不同，这是磁电式电表的基本特征。 图三 图四 1.直流检流计 检流计是一种测量小电流及小电压的仪表，一般常用作电路平衡的指零器，根据灵敏度 的高、低（或电流常数的大小），检流计大致可分为指针式和光点式两类。实验中常使用的 AC5/2，AC5/3 型指针式检流计（ 光点式检流计另介绍 ）见图四 。它的电流常数分别为 ∠2×10-6 A/格、∠7×10‐7 A/格。指针式检流计的特点是零点位于刻度板中央。未通电时， 仅指针正对零点；通电流后，随电流方向的不同可以左右偏转，检流计常处于断开状态，仅