《大学物理实验》PPT课件.ppt
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1、大学物理实验,大学物理实验为全校理工科专业开设,内容包括物体密度的测量、牛顿第二定律验证、液体粘滞系数的测量、静电场的模拟、电表的改装与校准、示波器的使用、透镜参数的测量、分光计的调节和使用8个实验。 每个实验课件内容包括了:实验目的、实验原理、实验内容、数据记录及处理、问题讨论、注意事项等内容的介绍和要求。,实验1 物体密度的测量,测定规则物体和不规则物体的密度,【实验仪器】,【实验目的】,物理天平、温度计、 比重瓶、烧杯、 游 标卡尺、螺旋测微计 和待测样品,实验仪器图,天平,烧杯,比重瓶,螺旋测微计,待测样品,【设计要求】,1.根据已给仪器和测量结果的相对不确定度设计出实验原理,导出实验
2、公式 2.设计实验步骤 3.数据处理 4.实验结果进行分析,实验2 牛顿第二定律 的验证,【实验目的】,1、验证牛顿第二定律; 2、进一步学习误差分析理论。,【实验仪器】,气垫导轨、滑块、 气源、弹簧、小砝 码及砝码盘,游标 卡尺等。,气垫导轨,实验2 牛顿第二定律 的验证,【实验目的】,1、验证牛顿第二定律; 2、进一步学习误差分析理论。,【实验仪器】,气垫导轨、滑块、 气源、弹簧、小砝 码及砝码盘,游标 卡尺等。,气垫导轨,【实验原理】,如图1所示,质量为M的滑块(包括其本身的质量M0。其上所加小砝码的质量m1),通过细绳跨过滑轮和质量为m的砝码盘相(包括砝码盘本身质量m0和其上所加小砝码
3、m1).当滑块运动时,通过测量滑块经过相距s两光门处的速度V1和V2,代入公式: V2 - V1 =2aS,即可算出滑块运动的加速度a 。,实验装置如下图所示:,把砝码盘、小砝码和滑块等看作一个系统,则系统中各物体的加速度大小是相等的。忽略空气阻力及气垫对滑块的粘滞阻力,并设细绳中张力为T,那么由牛顿第二定律可得:,(1),解得:,(2),令,,M总=M+m0+m1,由上式可写成:,(3),由(3)式可以看出,当保持M总不变时,a与F成正比。,实验中,逐次将滑块上的小砝码m1移到砝码盘中(保持M总不变,改变F的大小),利用(2)式测出系统相应加速度的大小,即可验证(3)式中总质量不变时,a与F
4、成正比关系。,【实验内容】,1、调整数字毫秒计。 2、调整导轨水平。 3、置两光门之间距离约为50cm左右,用天平称出滑块的质量M0,砝码盘的质量m(约10g),挡光片的宽度x由实验室给定。然后用细绳中专过滑轮把滑块和砝码盘连接起来,最后在滑块上加3个小砝码(小砝码质量分别为10g,10g和5g)。 4、将滑块在导轨上某个位置由静止开始释放,使之作匀速运动,记录滑块经过两光电门的时间t1和t2,共作5次。 5、分5次,每次移动5g砝码至砝码盘中,重复步骤4,从而验证总质量不变时,加速度外力成正比关系。,1.数据记录表格自拟。 2.以表格中的数据作-F曲线,用作图法验证牛顿第二定律的 正确性。,
5、1、实验中,滑块由静止释放时,动作一定要轻以防滑块左右摆动与滑块相连的砝码盘在滑块释放时应使之静止不动。另外每次实验中要保证细绳在滑轮上。,验证与F成正比关系时,实验中是如何保持总质量不变的?,【数据处理与分析】,【注意事项】,【预习思考题】,1、通过测出质量后,用牛顿第二定律算出的加速度与测出的的加速度有什么区别? 2、本实验可能存在哪些误差?怎样用误差分析来验证牛顿第二定律的正确性?,【讨论题】,实验3 液体粘滞系数 的测量,在流动的液体中,各流体层的流速不同,则在相互接触的两个流体层之间的接触面上,形成一对阻碍两流体层相对运动的等值而反向的摩擦力,流速较慢的流体层给相邻流速较快的流体层一
6、个使之减速的力,而该力的反作用力又给流速较慢的流体层一个使之加速的力,这一对摩擦力称内摩擦力或粘滞阻力,流体的这种性质称为粘滞性。不同流体具有不同的粘度,同种流体在不同的温度下其粘度的变化也很大。 测定粘度在化学、医学、水利工程、材料科学,机械工业和国防建设中有着重要意义。 从实验中得到的粘滞定律,粘滞力f的大小与所取流体层的面积S和流体层之间的速度空间变化率du/dr 的乘积成正比,即f= 。其中为粘滞系数(f 称内摩擦系数),它决定于液体的性质和温度,对液体而言,它随温度的升高而迅速减少。的国际单位:Pa.S。,液体粘滞系数的方法有很多种,如常用的落球法、落针法、转叶法。 本实验用落针法测
7、定液体粘滞系数,使用中空长圆落针在待测液体中垂直下落,采用霍尔传感器和多功能毫秒计(单板机计时器)测量落针的速度,通过测量针的收尾速度确定粘度,并将粘度显示出来。巧妙的取针装置和投针装置。使测量过程十分简便,并且自动计算显示结果。该法可测量不透明液体的粘度和液体密度。,【实验目的】,1、观察内摩擦现象 2、学会用落针法测液体的粘滞系数,【实验仪器】,落针式动力粘度测定仪,游标卡尺,钢直尺,物理天平,气泡水准器等。,落针式动力粘度测定仪,物理天平,【实验原理】,一个物体在液体中运动时,将受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用,这种力即为粘滞阻力。它是由粘附在物体表面的液层与邻近的液层相对运动速度不同
8、而引起的,其微观机理都是分子之间以及在分子运动过程中形成的分子团之间的相互作用力。不同的液体这种不同液层之间的相到作用力大小是不相同的。所以粘滞阻力除与液体的分子性质有关外,还与液体的温度压强等有关。,如果液体是无限广延的,且液体的粘性又较大,落针的半径很小,合适调节落针的密度,那么实验过程中所产生的涡流可忽略不计,则此时附着在落针表面的液体与周围液体之间的粘滞力满足斯托克斯定律: f=6 (1) 式中的是液体的沾滞系数,是落针的半径,是落针的运动速度。 实验中,落针落入粘性液体(如蓖麻油)中后,它受到三个力的作用,重力P(竖直向下),浮力N(竖直向上),粘滞力f(竖直向上)。其中只有粘滞力随
9、落针的速度增大而增大。开始时做加速运动,当下落速度达到一定值时,这三个力的矢量和为零,从而因牛顿运动定律可知落针将以某一速度作匀速直线运动,此速度称为收尾速度。设向下方向为坐标轴正向,则运动方程为: P-N-f=0 即,gV-gV-6=0 (2),由此解得:,式中为落针的密度,是液体密度,g为本地的重力加速度。 (2)式忽略油的上表面和筒底的影响,又假定落针沿圆简中心轴竖直下落进近似成立。实验中落针在管中下落,管的深度和直径有限,不符合斯托克斯定律的“无限广延”的假设,另外有时须考虑湍流的影响,其判据雷诺系数与落针的线半径,速度有关,速度越大湍流效应越大。故对上式要进行修订。 实验应用公式为:
10、,=,(3),(4),其:g本地的重力加速度;R1容器内筒半径;R2落针外半径; 两磁铁同名磁极的间距;t落针两磁铁经过传感器的时间;,仪器由本体、落针、霍尔传感器和单板机计时器四部分组成,1、仪器结构 结构如图2所示,装有待测液体的圆筒竖直固定在底座上。底座下部有调水平的螺钉,用一水淮泡指示底座的水平。底座上竖立的支架中部装有霍尔传感器及取针器。圆筒顶部的盖子上装有投针装置(发射器),它包括喇叭形的导环和带永久磁铁的拉杆,此导环便于取针和让针沿圆筒轴线下落。当取针器把针由圆筒底部提起时,针沿导环到达盖子顶部,被拉杆上的永久磁铁吸住,拉起拉杆,针将沿圆筒轴线自动下落。,【仪器装置】,2.落针
11、针如图3所示,它是有机玻璃制成的内置错条的细长圆柱体,其外半径为R2,平均密度为p、改变错条的数量可以改变针的平均密度,在针内部的两端装有永久磁铁,两磁铁异名磁极相对,而同名磁极间的距离为I 。 3霍尔传感器 圆柱状灵敏度极高的开关型霍尔传感器固定在仪器本体上,输出信号接到单板机计时器上,每当磁铁经过霍尔传感器附近时,传感器输出,每当磁铁经过霍尔传感器附近时,传感器输出一个矩形脉冲,同时由LED(发光二极管)指示。 4. 单板机计时器 以单板机为基础的多功能毫秒计用以计时和处理数据由6个数码管显示。其面板如图4所示,单板机计时器不仅可以计数、计时,还有存贮、运算和输出等功能。,1.用游标卡尺测
12、量针的直径2R2,用钢直尺测量针的长度L及两同名磁极间的距离I,每个量在不同部位测5次;用物理天平称出针的质量m,称5次。 2.用密度计测量液体的密度.(或由实验室给出)。 3、取下圆筒上端的盖子,用游标卡尺测量圆筒内径2R1,在不同部位测5次(或由实验室给出)。将针放入液体中,然后盖上盖子,从温度计上读出实验时的温度。 4、按通电源,此时单板机计时器应显示“PH-2”,否则应按“复位”键。利用取针器将针悬挂在圆筒上端的磁铁上。然后将取针器,【实验内容】,送至底座转向放置,以避免取针器上的磁铁对落针产生影响。按单板机键盘上的“E“键,数码管显示“C 000“单板机处于待命状态。,5、稍微转动盖
13、子,将针调到圆筒中轴线上,待液体稳定后,拉起发射器上的磁铁,让针沿圆筒轴线下落,这时霍尔传感器被触发,计时器工作,等候约16秒,数码显示针下落距离I的时间t(单位:毫秒)。 6、继续操作单板机,按“A”键,显示预先设置的针的有效密度,如需修改参数,可直接按数码键输入测量值。再按“A”键显示液体密度,同样可作参数修改。第三次按“A“键,则显示测得液体粘度。 7、多次测量t及值(3-5次),每次应先按“复位”键,在显示“PH-2”后,再重复4, 5, 6各步骤。,【数据表格及数据处理】,待测 量,测 量 次 数,= = g=,1由表格的数据及其它有关数据代入式(4),计算出流体的动力粘度系数。 2
14、.将式(4)计算的值与单板机显示的值比较。,1.用取针器将针拉起并悬挂圆筒上端后,由于液体受到扰动,处于不稳定状态,应稍等片刻,再将针投下, 进行测量。 2.在复位后先用计时停键人工定落针下落时间,然后利用霍尔探头自动测量。,【注意事项】,【思考题】,1、在式(4)中,若修正因子引起的误差忽略不计,g作为常量,试推导估算的相对误差公式,并指出产生误差的主要因素是什么?如何减小误差? 2、若有两个密度不同的针,试说明如何利用本实验装置测量液体的密度?并推导测量公式。,实验4 静电场的模拟,【实验目的】,1.了解模拟法描绘静电场的理论依据。 2.学会用模拟法研究静电场,在导电纸上3.描绘静电场分布
15、的方法。 4.描绘几种静电场的等位线,根据等位线画出电力线。 5.加深对静电场,稳恒电流场的了解。,【实验仪器】,012V可调源;高阻抗输入字 电压表,电极 板探针:,(1)电极板: 电极板是将不同金属电极固定在导电玻璃板上制成。导电玻璃是在普通玻璃上镀覆一层均匀厚度的导电薄膜制成。电极与导电玻璃之间采用低电阻导电橡胶以保证电极与导电玻璃间良好的电接触。电极板的一侧装有2个电压输入插座,可分别与电源的两极相连。导电的反面有方格坐标,可正确的记录等位的坐标点.,(2)探针: 探针由一表棒组成,为保证探针与导电玻璃之间良好的,(3)描绘仪电源 : 描绘仪电源可提供012V连续可调的稳压电源,并由数
16、字表头显示电压值。实验时将电源电压输出连接到电极板的电压输入端。探针连接到测试表头输入端,当电极加压后,将探针在导电玻璃表面移动,测试电压表会显示对应坐标点的电位值。,电接触,在表针测试端头处套有一导电塑胶头,实验时保证控针与玻璃有良好的接触,同时应避免重压,否则容易造成导电橡胶探头破裂。,测等位线时,先设一个电位值(如1V,2V)右手握住探针在 导电玻璃表面平稳移动记录相同电位的坐标点并在方格纸上记录之,连接相应的等电位点就形成电位线。取不同的电位设定值 ,按以上操作步骤,则可得到不同电位值的等位线。根据等位线与电力线正交的原理,即可由等位线得到相应的电力线分布。,【实验原理】,1.模拟法描
17、绘静电场的理论依据 带电体在其周围空间所产生的电场,可以用电场强度E和电位U的空间分布来描绘。为了形象的表示电场的分布情况,常采用等位面和电力线来描绘电场。电力线是按空间各点电场强度的方向连成的曲线,等位面是电场中电位相等的各点构成的曲面。电力线和等位面相互正交的,有了等位面的图形,就有了电力线的图形,反之亦然。我们所说的测量静电场,指的是测绘静电场中等位面和电力线的分布图形,它是了解电场中的一些物理现象和控制带电粒子在电场中的运动所必须解决的问题,对科研和生产都是十分有用的。 但是直接对静电场测量是困难的。电场不会有电流存在,这样一来磁电式电表失去了作用,其次是仪器和测量探针引入静电场时,必
18、将在静电场的作用下出现感应电荷,而感应电荷产生的电场与原电场的叠加,必使原电场发生畸变,得到的结果必将严重失真。所以直接测量是不可行的。只有采取间接的方法,伪造另一场,使它与原静电场相似,当用探针对这种模拟场进行测量时,它不受干扰,就可间接测量被模拟的电场。,用模拟法描绘静电场的方法之一是用电流场代替静电场。本实验仪采用稳恒电流场模拟描绘静电场。由电磁学理论可知电解质(或水液)中稳恒电流场与电介质(或真空)中静电场相似。 当空间中不存在自由电荷时,各向同性介质中静电场满足下列微分方程及边界条件: D=0 ; D1n= D2n E =0 ; D1t =D2t (1) 式中D为电位移矢量,E为电场
19、强度矢量,下标中x表示法向,t表示切向,1、2代表边界两边的介质。D和E的关系为:D=E=r0 E (2) 式中为介质的介电常数,0为真空介电系数,r为介质的相对介电系数。 在静电场无源区域中,电场强度E满足: Eds=0 Edl=0 (3),各向同性导电介质中稳恒电流场满足微分方程及边界条件: J=0; J1n= J2n E =0; E1t =E2t (4) 式中J为电流密度矢量,J和E的关系为: J=E (5),式中为各向同性的导电介质的电导率 在电流场的无源区域中,电流密度矢量J满足:,Jdl=0 (6) 由(3)式和(6)式可看出静电场强度矢量E和电流场中电流密度矢量J所遵循的物理规律
20、有同样的数学表达式,所以这两种场具有相似性。在相似的场源分布和相似的边界条件下,它们解的表达具有相同的数学模型。,表1.静电场与稳恒电流场数学方程,模拟法测定静电场的理论依据是因为静电场与稳恒电流场这两种电场所遵循的物理规律具有完全相同的数学形式。表1表示所有静电场与稳恒电流场所遵循的物理规律。比较两组方程可知D,E与J,E,成一一对应关系。因而我们就可用相应的导电介质中分布的电流场来模拟相应电解质中的静电场,当静电场中的导体与稳恒电流场中的电极形状相同,并且边界条件相同时,静电场在介质中的电位分布与稳恒电流场中的电位分布完全相同。所以可以用稳恒电流场来模拟静电场。这是本实验的模拟依据。,电流
21、场中有许多电位彼此相等的点,测出这些电位相等的点,描绘成面就是等位面,这些面也是静电场的等位面。当等位面变为等位线,根据电和等位线正交的关系,即可画出电力线,这些电力线上每一点的切线方向就是该点的切线方向,这就可用等位线和电力线形象的表示静电场的分布。,2.同轴带电圆柱面电场的模拟 (1)静电场 设同轴圆柱面是“无限长”的,内、外半径分别为R1和R2,电荷的线密度分别为+和-圆柱面间介质的介电系数为,如图1所示: 根据高斯定理,圆柱面间的电场强度E为: E= (7) 式中r为圆柱面间任一点距轴心的距离。 若取外圆柱面的电位为零,则内圆柱面的 电位V0就是两圆柱面的电位差:,V0=,Edr=,=
22、, (8),在两圆柱面间任一点,r(R1rR2)的电位V(r)是:,Vr= ln (9) 比较上两式,可得: Vr = V0 (10) (1)电流场 为了计算电流场的电位差,先计算两圆柱面间的电阻,然后计算电流然后计算两点间的电位差。设导电介质的厚度为t,电阻率为V,则任意半径r到r+dr圆柱间电阻为: dR= = (11) 将(11)式积分得到半径为R1到半径为R2圆柱面间电阻为:,R12= = ln (13) 从内圆柱面到我圆柱面间的电流为: I12= = (14) 半径为r圆面面电位 Vr= I12RrR2= V0 (15) 将(12),(13)式代入(15)式得: Vr= V0 (16
23、) 比较(10)和(16)式可知静电场和电流场的分布是相同的。,以上是外界条件相同的静电场与电流场的电位分布的一个实例,电极形状复杂的静电场用解析法计算是很困难的,甚至是不可能的,这时用电流场模拟静电场将显现出更大的优越性。 现在要设计一稳恒电流场来模拟同轴带圆柱面电场,其要来为:(1)设计的电极情形带电圆柱面电极相似,尺寸可以按比例并有相同的边界条件;(2)导电介质的电阻率比电极要大很多,并且各向同性且均匀分布,当两个电极间施加电压时,其中 间形成一稳恒电流场。设径向电流为I,则电流密度J= ,这里 导电介质的厚度取,根据欧姆定律的微分形式:J=E 可 得: E = ,显然电流场的形式与静电
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