大学物理综合设计性实验(完整)

大学物理综合设计性实验(完整) 综合设计性物理实验指导书 黑龙江大学普通物理实验室 目 录 绪论 实验1 几何光学设计性实验 实验2 LED特性测量 实验3 超声多普勒效应的研究和应用 实验4 热辐射与红外扫描成像实验 实验5 多 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 测量食盐密度 实验6 多种方法测量液体表面张力系数 实验7 用Multisim软件仿真电路 实验8 霍尔效应实验误差来源的分析与消除 实验9 自组惠斯通电桥单检流计条件下自身内阻测定 实验10 用迈克尔逊干涉仪测透明介质折射率 实验11 光电效应和普朗克常数的测定液体电导率测量 实验12 光电池输出特性研究实验 实验13 非接触法测量液体电导率 I 绪 论 一(综合设计性实验的学习过程 完成一个综合设计性实验要经过以下三个过程: 1(选 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 及拟定实验方案 实验题目一般是由实验室提供，学生也可以自带题目，学生可根据自己的兴趣爱好自由选择题目。选定实验题目之后，学生首先要了解实验目的、任务及要求，查阅有关文献资料(资料来源主要有 教材 民兵爆破地雷教材pdf初中剪纸校本课程教材衍纸校本课程教材排球校本教材中国舞蹈家协会第四版四级教材 、学术期刊等)，查阅途径有:到图书馆借阅、网络查询等。学生根据相关的文献资料，写出该题目的研究综述，拟定实验方案。在这个阶段，学生应在实验原理、测量方法、测量手段等方面要有所创新;检查实验方案中物理思想是否正确、方案是否合理、是否可行、同时要考虑实验室能否提供实验所需的仪器用具、同时还要考虑实验的安全性等，并与指导教师反复讨论，使其完善。实验方案应包括:实验原理、实验示意图、实验所用的仪器材料、实验操作步骤等。 2(实施实验方案、完成实验 学生根据拟定的实验方案，选择测量仪器、确定测量步骤、选择最佳的测量条件，并在实验过程中不断地完善。在这个阶段，学生要认真分析实验过程中出现的问题，积极解决困难，要于教师、同学进行交流与讨论。在这种学习的过程中，学生要学习用实验解决问题的方法，并且学会合作与交流，对实验或科研的一般过程有一个新的认识;其次要充分调动主动学习的积极性，善于思考问题，培养勤于创新的学习习惯，提高综合运用知识的能力。 3(分析实验结果、总结实验报告 实验结束需要分析总结的内容有:(1)对实验结果进行讨论，进行误差分析;(2)讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法;(3)写出完整的实验报告(4)总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。实验结束后的总结非常重要，是对整个实验的一个重新认识过程，在这个过程中可以锻炼学生分析问题、归纳和总结问题的能力，同时也提高了文字表达能力。 在完成综合性、设计性实验的整个过程中处处渗透着学生是学习的主体，学生是积极主动地探究问题，这是一种利于提高学生解决问题的能力，提高学生的综合素质的教学过程。 在综合设计性实验教学过程中学生与教师是在平等的基础上进行探讨、讨论问题，不要产生对教师的依赖。有些问题对教师是已知的，但对学生是未知的，这时教师应积极诱导学生找到解决问题的方法、鼓励学生克服困难，并在引导的过程中帮助学生建立科学的思维方式和研究问题的方法。有些问题对教师也是一个未知的问题，这时教师应与学生共同思考共同解决问题。 二(实验报告书写要求 实验报告应包括:1实验目的;2实验仪器及用具;3实验原理;4实验步骤;5测量原始数据;6数据处理过程及实验结果;7分析、总结实验结果，讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法，总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。 三(实验成绩评定办法 教师根据学生查阅文献、实验方案设计、实际操作、实验记录、实验报告总结等方面综合评定学生的成绩。 )查询资料、拟定实验方案:占成绩的20%。在这方面主要考察学生独立查找资料，并根(1 据实验原理设计一个合理、可行的实验方案。 (2)实施实验方案、完成实验内容:占成绩的30%。考察学生独立动手能力，综合运用知识解决实际问题的能力。 (3)分析结果、总结报告:占成绩的20%。主要考察学生对数据处理方面的知识运用情况，分析问题的能力，语言表达能力。 (4)科学探究、创新意识方面:占成绩的20%。考察学生是否具有创新意识，善于发现问题并能解决问题。 (5)实验态度、合作精神:占成绩的10%。考察学生是否积极主动地做实验，是否具有科学、 1 严谨、实事求是的工作作风，能否与小组同学团结合作。 四(综合设计性实验上课要求 1(做每个实验前要做实验前的开题报告，开题报告应包括: (1)实验的目的、意义、内容; (2)对实验原理的认识、拟定的测量方案等; (3)对实验装置工作原理、使用方法等方面的了解; (4)对实验的原理、测量方法、仪器使用等方面存在的问题、需进一步研究的内容等。 2(实验结束要求做实验总结报告，总结报告应包括: (1)阐述实验原理、测量方法; (2)介绍实验内容，分析测量数据、实验现象，总结测量结果; (3)实验的收获、实验的改进意见，对实验教学工作提出意见和建议等。 2 实验1. 几何光学设计性实验 ——组装显微镜与望远镜 显微镜与望远镜是常用的助视光学仪器。显微镜主要用来帮助人们观察近处的微小物体，望远镜则主要帮助人们观察远处的目标，它们在天文学、电子学、生物学和医学等领域中都起着十分重要的作用。为适应不同用途和性能的要求，有各种类型的显微镜与望远镜，构造上也各有差异，但是它们的基本光学系统都是由一个目镜和物镜组成。 一(实验目的 (1)掌握透镜成像规律; (1)组装简单的显微镜与望远镜，以熟悉它们的构造及其放大原理，掌握其调节与使用方法; (2)用自己组装的望远镜测量凸透镜和凹透镜的焦距。 二(实验室可提供的器材 1.2m光学导轨一个，焦距为4、8、20?的凸透镜各一个，待测凸透镜、凹透镜各一个，玻璃叉丝屏(分划板)一个，物屏一个。 三(实验内容 1(区分凸、凹透镜，分辨不同凸透镜的焦距长短。 2(选择较短焦距的凸透镜做目镜，与分划板构成目镜系统，调整目镜到透镜之间的距离，使分划板成像清晰。 3(利用透镜成像法测量所有凸透镜的焦距(用目镜系统观察成像)。 4(组装显微镜 要求: (1)画出显微镜的光路图; (2)选择合适的凸透镜做物镜，利用目镜和分划板组成的目镜系统，组装显微镜。 (3)调整显微镜系统看清放大的像，观察显微镜放大的现象。 5(组装望远镜 要求: (1)画出开普勒望远镜的光路图。 (2)选择一个焦距较长的凸透镜做物镜，利用目镜系统，组装望远镜。 (3)用组装的望远镜系统，观察远处物体成像的现象。 4(用上述组装成的望远镜测量待测凸透镜的焦距 要求:画出测量光路图，并叙述测量原理及过程。 5(用上述组装成的望远镜测量待测凹透镜的焦距。 要求:画出测量光路图，并叙述测量原理及过程。 五(实验报告要求 1(阐述实验的基本原理及测量方法 内容包括:透镜成像原理，测量透镜焦距的方法，显微镜望远镜的结构、组装方法等 2(记录实验步骤及各种实验现象，画出光路图，记录实验数据。 3(总结本次实验的收获和体会。 3 实验2 LED特性测量 LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括:照明、大屏幕显示、液晶显示的背光源、装饰工程等。本实验通过测试各种LED特性，分析实验结果，从而进一步了解LED工作原理及相关应用。 实验目的 1.测量LED的伏安特性 2.测量LED的电光转换特性 3.测量LED输出光空间分布特性 实验仪器及用具 LED光发射器，照度 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 探头，激励电源，测试控制器，实验仪及LED组件。 实验原理 一(LED工作原理 N 发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。 势垒电 空间 P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。 场方向 电荷区 N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。 P 当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子(带 图1 半导体P-N结示意图 负电)向P区扩散， P区的空穴(带正电)向N区扩 散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N 区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。 当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，从而在PN结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光谱的中心波长，由组成P-N结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不同的材料及材料组分，可以获得发射不同颜色的发光二极管。 LED的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是400,700纳米，白光LED一般采用三种方法形成。第一种是在蓝光LED管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。第3种是紫外LED加3基色荧光 I 粉，3基色荧光粉的光谱合成白光。 二(LED光电特性 1.LED的伏安特性 伏安特性反映了在LED两端加电压时，电流与 V 电压的关系，如图2所示。 在LED 两端加正向电压，当电压较小，不足以 克服势垒电场时，通过LED的电流很小。当正向电 压超过死区电压(图2中的正向拐点)后，电流随电图2 LED的伏安特性曲线 压迅速增长。 正向工作电流指LED正常发光时的正向电流值，根据不同管子的结构和输出功率的大小，其 4 值在几十毫安到1安之间。 正常工作电压指LED正常发光时加在二极管两端的电压。 允许功耗指加于LED的正向电压与电流乘积的最大值，超过此值，LED会因过热而损坏。 LED的伏安特性与一般二极管相似。在LED 两端加反向电压，只有微安极的反向电流。反向电压超过击穿电压(一般为几十伏)后，管子被击 E 穿损坏。为安全起见，激励电源提供的最大反向电 压低于击穿电压。 2、测量LED的电光转换特性 图3反映发光二极管的驱动电流与与输出照 度的关系。发光二极管输出照度值与驱动电流近似 呈线性关系。这是因为驱动电流与注入PN结的电 荷数成正比，在复合发光的量子效率一定的情况 I 下，输出照度与注入电荷数成正比。 图3 LED电光转换特性 (a)A型管(加装透镜) (b)B型管 图4 两种发光二极管的角度特性曲线图 3、LED输出光空间分布特性 发光二极管的芯片结构及封装方式不同,输出光的空间分布也不一样,图4给出其中两种的分布特性。图4的发射强度是以最大值为基准，此时方向角定义为零度，发射强度定义为100,。当方向角改变时,发射强度相应改变。发射强度降为峰值的一半时,对应的角度称为方向半值角。 发光二极管出光窗口附有透镜，可使其指向性更好，如图4(a)的曲线所示，方向半值角大约为? 7?左右，可用于光电检测，射灯等要求出射光束能量集中的应用环境。图4 (b)所示曲线为未加透镜的发光二极管，方向半值角大约为? 50?，可用于普通照明及大屏幕显示等要求视角宽广的应用环境。 实验仪器介绍 5 LED光发射器 LED组件盒 照度检测 激励电源 测试控制器 实验仪 图5 LED特性实验装置 LED实验装置如图5所示。实验装置由LED光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪及LED组件盒组成。 LED组件共提供红色，绿色，蓝色，白色4种高亮LED和红色，绿色，蓝色，白色4种功率LED。 LED光发射器可以旋转并由刻度盘指示旋转角度，方便测量LED输出光空间分布特性。 照度检测由光电池将LED输出的光信号转换成电信号后，由照度表显示。 激励电源有稳压与稳流两种输出模式，本实验内容采用稳压模式。在稳压模式下，选择0,36伏档,控制器向LED输出反向电压。选择0,4伏档,控制器向LED输出正向电压。输出调节旋纽可以调节输出的电压值。 测试控制器提供电压换向，过压报警，输入输出信号的转接等功能。 实验仪上有电压，电流，照度3个表头，是读取实验数据的窗口，每个表头都带有量程切换按键。 各部分的连线仪器上都有标示，按标示连接即可。 使用时应注意，只有在电源输出为0时(电源调节旋纽逆时针旋转到底)，才可进行:切换电 LED组件、开启、关闭电源。否则易导致电源或仪器损坏。 源和实验仪的档位、更换 LED驱动电源 电压表 LED 光探头 照度表 电流表 图6 LED特性测量原理图 实验内容与要求 1.测量伏安特性与电光转换特性 (1)测量反向特性 将照度检测探头至LED的距离调节到20厘米。调节探头的高度和角度，使其正对LED。 6 输出模式选择稳压，电源输出档位选择0,36V。此时控制器上的红色指示灯熄灭，表明加在LED上的为反向电压，测量反向特性。 将输出调节旋纽右旋至输出,20V，测量反向电流。逐渐减小反向电压，观察反向电流的变化， (2)测量正向特性 反向电压调节到0后，将电源档位切换为0,4V。此时控制器上的红色指示灯亮，表明加在LED上的为正向电压，测量正向特性。 根据实验数据，画出4只高亮LED管的伏安特性及电光转换特性曲线，并与图2，图3比较。 2.测量LED输出光空间分布特性测试 测量高亮LED、功率LED，驱动电流保持在16mA。 画出高亮LED、功率LED输出光空间分布特性曲线，并比较。 实验注意事项 只有在电源输出为0时(电源调节逆时针旋转到底)，才可切换电源和实验仪的档位，更换LED组件，开启、关闭电源，否则导致电源或仪器损坏。 7 实验3 超声多普勒效应的研究和应用 如果波源或接收器或两者相对于介质运动，则发现接收器接收到的频率和波源振动的频率不相同。这种接收器接收到的频率有赖于波源或接收器运动的现象，称为多普勒效应。多普勒效应在核物理、天文学、工程技术、交通管理、医疗诊断等方面有十分广泛的应用，如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达、多普勒彩色超声诊断仪等。本实验用超声波来研究多普勒效应。 实验目的: 1. 验证超声波的多普勒效应; 2. 利用多普勒效应测量空气中的声速; 3. 将超声换能器作为速度传感器，测量运动物体的速度，研究匀速直线运动，匀 变速直线运动等; 4. 利用超声波测量物体的位置及移动距离。 实验用具: DH-DPL2型多普勒效应及声速综合测试仪，智能运动控制系统，测试架，示波器等。 实验原理: 一(声波的多普勒效应 首先介绍波源S与接收器R的运动方向与波的传播方向共线的情况。 1.相对介质波源静止，接收器以速度运动 vR 若接收器向着静止的波源运动，在单位时间内接收器接收到的完整波的数目等于分布在距离内波的数目，即接收器接收到的频率为: u，vR uvuvuv，，，RRRff,,,R u,u f ,其中、、f分别为波在介质中传播的速度、波长及频率。由于波源在介质中静止，u 所以波的频率f就等于波源的频率f,因此有 S u，vv,,RRf,f,1，f,,RSS „„„„„(1) uu,, 当接收器离开波源运动时，接收器接收到的频率为: v,,Rf,1,f,, „„„„„(2) RSu,, ,f,f,fSR 称为多普勒频移 v2.相对介质接收器静止，波源以速度运动 S 当波源运动时，它所发出的相邻的两个同相振动状态是在不同地点发出的，相隔的 vTT距离为,为波源的周期。如果波源向着接收器运动，对接收器的有效波长为 SSS ，，,,,,vT,uT,vT,u,vT RSSSSSSS 接收器接收到的频率为 1 uuu1f,,,f,f„„„„„(3) RSSv,(u,v)Tu,vSRSSS1, u 如果波源远离接收器运动，接收器接收到的频率为 1f,f „„„„„(4) RSvS1， u 3.相对介质，波源和接收器分别以速度、运动 vvSR 波源的频率为，接收器的频率为 fS u,vRf,fRS„„„„„(5) u,vS 如果波的传播方向、波源速度、接收器的速度三者不共线，运动情况如图1所示，接收器的频率为 Rv R, ，cos,uvR,ffRS ,cos,uvS , S vS 图1 二(多普勒效应的应用 1. 用多普勒效应测声速 实验装置的声源是固定的，接收器可在导轨上运动，因此本实验研究上述第1种情况，即相对介质波源静止，接收器以速度运动。根据(1)或(2)式，如果测得波vR 源的频率f、接收器运动的速度及对应的频率，可以得到声速。 ufvSRR 2.测量物体的运动速度 测量物体的运动速度时，可以把接收器作为速度传感器与被测物连在一起，还是利 f用(1)或(2)式，测得波源的频率、接收器的频率、声速u，可得到物体的运fSR 动速度。本实验装置可以用多种方法测量声速，共振干涉法、相位法测量原理可参vR 考声速测量实验，下面介绍时差法测量声速原理。 连续波经脉冲调制后由发射换能器发射至被测介质中，声波在介质中传播，经过t时间后，到达L距离处的接收换能器。由运动定律可知，声波在介质中传播的速度可由以下公式求出: L u, t 2 ,t 图2 发射波与接收波 图2 发射波与接收波 通过测量二换能器发射接收平面之间距离L和时间t,就可以计算出当前介质下的声波传播速度。可利用时差法测量声速的原理确定物体的位置及移动的距离。 三(超声波与压电陶瓷换能器 频率20Hz-20kHz的机械振动在弹性介质中传播形成声波，高于20kHz称为超声波，超声波的传播速度就是声波的传播速度，而超声波具有波长短，易于定向发射等优点,可避免实验室内各种声音的干扰。 压电陶瓷超声换能器是发生和接收超声波的器件，根据它的工作方式，分为纵向(振动)换能器、径向(振动)换能器及弯曲振动换能器。本实验装置采用纵向换能器。图3为纵向换能器的 正负电极片结构简图。 压电陶瓷片是用多晶体结构的压电材料 (如钛酸钡)制成，具有压电效应。能将正 弦交流信号变成压电材料纵向长度的伸缩， 后盖反射板使压电陶瓷成为声波的波源;反之，也可以 辐射头压电陶瓷片 使声压变化转变为电压的变化，即用压电陶 瓷片作为声频信号的接收器。 图3 纵向换能器的结构简 实验装置介绍 实验装置由综合实验仪、智能运动控制系统和测试架三个部份组成，实验装置及线路连接示意图如图4。 1. 综合测试仪，由功率信号源、接收器、功率放大器、微处理器，液晶显示器等组成。综合测试仪面板如图5。 功率信号源可提供 (1) 连续波，频率范围:20kHz~50kHz，步进值:10Hz，最大输出电压:10Vp-p; (2) 脉冲波，脉冲波宽度:75μs，周期:30ms;最大输出电压: 7Vp-p; 综合测试仪可完成下列测试功能: 3 (1) 接收器通过光电门时的平均频率及平均速度; (2) 波源发出脉冲信号到接收器接收的时间; (3) 实时跟踪接收器接收的频率变化，可控制采样点数和采样步距; (4) 数据存贮和查询功能。 6 13 14 15 16 测试架 3 8 4 5 9 17 11 10 1 2 7 12 1.发射换能器，2.接收换能器，3、5.限位保护座，4.测速光电门，6.接收线支撑杆，7.小车，8.测速挡光片和行程撞块，9.步进电机，10.滚花帽，11.运动导轨，12.底座，13.光电门I，14.光电门II ，15.限位，16.电机控制 ，17.光电门I插座同步电机。 图4 实验装置及线路连接示意图 图5. 综合测试仪面板 2.智能运动控制系统由步进电机，电机控制模块，单片机系统组成，面板如图6所示。 智能运动控制系统用于控制小车的启、停及小车作匀速运动的速度。此外，内建了七种变速运动模式:从零加速，后减速到零;再反向从零加速，后减速到零„„不停循环。 4 为了防止小车运动时发生意外，设计有小车限位功能，该功能由光电门限位和行程开关控制组成。当小车运动到导轨两侧的限位光电门处时，根据不同的运行方式，小车会自行停止运行或反向运行;当因误操作致使小车越过限位光电门后，会触发行程开关，使系统复位停车，这时可以关闭控制系统电源开关，手动把小车移动到两限位光电门之内后，重新启动电源。注意:为了保证电机运动状态的准确性，开启电源时必须确保小车起始位置在两限位光电门之间。 图6智能运动控制系统 3.测试架由底座、超声发射换能器、导轨、载有超声接收器的小车、步进电机、传动系统、光电门等组成。 实验内容及操作步骤 1.调整实验装置 (1)按图4接线。把测试架上收发换能器(固定的换能器为发射，运动的换能器为接收)及光电门I连在综合测试仪上的相应插座上, 测试仪上的“发射波形”及“接收波形”与示波器相接,将“发射强度”及“接收增益”调到最大;将测试架上的光电门II、限位及电机控制接口与智能运动控制系统相应接口相连;将智能运动控制系统“电源输入”接综合测试仪的“电源输出”。 (2)把载有接收换能器的小车移动到导轨最右端(移动时可以关闭智能运动控制系统电源或在通电时保证移动区域在两限位光电门之间，智能运动控制系统的使用请参看附录仪器使用说明) (3)进入“多普勒效应实验”子菜单，切换到“设置源频率”后，按“”“”键增减信号频率，一次变化10Hz;用示波器观察接收换能器波形的幅度是否达到最大值，该值对应的超声波频率即为换能器的谐振频率。 (4)谐振频率调好后，“动态测量”，我们可以看到画面中换能器的接收频率(测量频率)和发射源频率是相等的，而且改变接收换能器的位置，该测量频率和发射频率始终是相等的，证明调谐成功。 2.验证多普勒效应 (1)按照上述实验步骤1的内容，设置好波源频率。 (2)转入“瞬时测量”，确保小车在两限位光电门之间，开启智能运动控制系统电源，设置小车运动的速度，使小车正或反通过中间测速光电门。每次测量完毕后记下接 5 f收器频率、波源频率、及其差值Δf和Δf，智能运动控制系统给出的小车速度f正反SR 。 vR 改变小车的运动速度，反复多次测量，作出关系曲线，并比较实验得到,f,vR fu的斜率与理论值的关系。 KS0 声速理论值: t 331.451u,，0 273.16 其中t为室温，单位为?。 也可以用“动态测量”，注意:动态测量仅限于小车运动速度较低时。动态法可更直观的验证多普勒效应。 3. 用多普勒效应测声速 测量步骤和2相同，可转入“动态测量”或“瞬时测量”，小车运动速度由智能运动控制系统确定，波源频率和接收器频率由综合测试仪确定,因而可由(1)或(2)式求出声速。进行多次测量后，求出声速的平均值。波源频率和接收器频率，也可以用u 示波器测量。 3.用时差法测空气中的声速 综合测试仪进入“时差法测声速”画面，这时超声发射换能器发出75μs宽(填充3个脉冲)，周期为30ms的脉冲波。可在直射式和反射式两种方式下进行。 (1)在直射方式下，接收换能器接收直达波，这时综合测试仪显示声波从发射换能器到接收换能器传播的时间?t值:?t;用步进电机或用手移动小车(注意:手动1 移动小车时候，最好通过转动步进电机上的滚花帽使小车缓慢移动，以减小试验误差)再得到一个?t值:?t，从而算出声速值2 ,t,,t21c,,，其中?x为小车移动的距离(可以c00反射屏,x 直接从标尺上读出或参考控制器中显示的距离)。 , 可用数字存储示波器测量?t，把发射、接收换 L能器的信号输入到示波器的两个通道中，发射信号 到接收信号的第一个波峰之间的距离即为?t，如图2所示。 (3)在反射方式下，接收换能器接收由反射面 发射换能器接收换能器反射的反射波。反射法测声速时，反射屏要远离两 图7换能器，调整两换能器之间的距离、两换能器与反 ,L射屏之间的夹角以及垂直距离，如图7所示。使用数字存储示波器(双踪、由脉冲波触发)接收到稳定波形，用示波器观察波形，调节示波器使接收器波形的某一波头的波峰处在一个容易辨识的时间轴位置上，然后向前或向后移动反射屏位置，使移动 ,t,L，记下此时示波器中上述波头在时间轴上移动的时间，可得到声速 6 ,x2,L。 u,, ,t,tsin, 还可以用驻波法和相位法测量声速(测量方法参见声速测量实验)。用多种方法测得的声速与理论值比较，分析各种测量方法的特点、测量误差产生的原因。 4.研究物体的运动状态 将超声换能器用作速度传感器，可进行匀速直线运动，匀加(减)直线运动，简谐振动等实验。这时综合测试仪应进入“变速运动实验”，设置好采样点数，采样步距后,“开始测量”，测量完后显示出结果。 进行运动实验时，除了用智能运动系统控制的小车外，还可换用手动小车，这时注意应该推动小车系统的底部使小车运动，并且不能用力过大、过猛。 5.设计性实验:用多普勒效应测量运动物体的未知速度。 根据前面实验内容2结果，结合智能运动系统，设计一个用多普勒效应测量运动物体的未知速度的实验方案，包括原理、步骤和结果等。 6.设计性实验:利用超声波测量物体的位置及移动距离。 请实验者根据前面实验内容3中关于时差法测声速的原理，结合智能运动控制系统及导轨标尺，设计一个用超声波测量物体的位置及移动距离的实验方案，包括原理、步骤、系统误差的处理和结果等。 仪器使用注意事项 1(使用时，应避免信号源的功率输出端短路。 2(注意仪器部件的正确安装、线路正确连接。 3(仪器的运动部分是由步进电机驱动的精密系统，严禁运行过程中人为阻碍小车的运动。 4(注意避免传动系统的同步带受外力拉伸或人为损坏。 5(小车不允许在导轨两侧的限位位置外侧运行。 附录:仪器使用说明 1、综合测试仪主画面 开机时或按复位键时显示:“欢迎使用多普勒效应及声速综合实验仪”。 按“确认”键(即中心键)后显示主菜单: “时差法测声速” “多普勒效应实验” “变速运动实验” “数据查询” 按“”“”键选择不同的任务，按“确认”键进入以下各任务: “时差法测声速”: “时间差?t: xxxμs” “返回”，按 “确认”键返回主菜单; 7 “多普勒效应实验”: “设置源频率”:“”“”增减信号频率，一次变化10Hz; “瞬时测量”:测过光电门时的平均频率及平均速度; “动态测量”:不用光电门测得的动态频率(频率计); “返回”，按 “确认”键返回主菜单; “变速运动实验”: “采样点数”160，用“”“”增减，一次变化1; “采样步距”65ms，用“”“”增减，一次变化1ms; “开始测量”:进入测量状态，测量完后显示结果“f-t”、“数据”、“存 储”、“返回”;按“”“”键进入相关功能;若要对 数据进行存储，先选择该功能，按下“确认”后将显示 “存储组别:x”，用“”“”增减改变组别x，然后 按下“确认”后将显示“已存储到组x”，并自动回到原 操作界面; “返回” “数据查询”: “变速运动数据组别:x” 用“”“”键增减改变要查询的组别x，按下“确认”后显示相关 信息“f-t”、“数据”、“存储”、“返回”，按“”“”键切换到相关 功能; 2、智能运动控制系统 用于控制小车的启、停及小车作匀速运动的速度。此外，内建了七种变速运动模式:从零加速，后减速到零;再反向从零加速，后减速到零„„不停循环。 为了防止小车运动时发生意外，设计有小车限位功能，该功能由光电门限位和行程开关控制组成。当小车运动到导轨两侧的限位光电门处时，根据不同的运行方式，小车会自行停止运行或反向运行;当因误操作致使小车越限光电门后，会触发行程开关，使系统复位停车，这时可以关闭控制系统电源开关，手动把小车移动到两限位光电门之内后，重新启动电源。注意:为了保证电机运动状态的准确性，开启电源时必须确保小车起始位置在两限位光电门之间。 (1)在匀速运动模式下，即显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s(“-”表示方向为负)，单击键，进入速度设定模式，显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s，并且高位“0”处于闪烁状态;这时再按键(速度增加)或键(速度减小)来对速度 8 的大小进行设定，设定好后再单击键进行确定即可。 速度显示误差为:?0.002m/s。此速度可以当成已经确定的物理量，也可以用外部测速装置来测量。 (2)单击——启动/停止控制键，将使电机加速启动到设定速度或从设定速度减速到停止运行(为了防止步进电机的失步和过冲现象，需加速启动和减速停止)。此键在小车运行时才有效。 (3)在电机停止时单击——正/反转控制键，速度显示方向改变，电机下次的运行方向将会改变。需要注意的是，当电机运行到导轨两侧的限定位置而停止时，只有按此键改变电机运行方向才可反向运行。 (4)在速度设定完毕，即显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s时，单击——上键将显示上次电机运行的距离D，显示为XXX.XXmm用于时差法测声速，再次单击此键将停止查看，恢复原来速度显示数。在查看的过程中，其它键盘将失效。 (5)在速度设定完毕，单击——下键将进入最小步进距离L设定,显示L0.XXX mm，并且最低位开始闪烁;此时按加键(加1)或减键(减1)来对该位的大小进行设定;再次单击——下键，向左移位闪烁，再按加键(加1)或减键(减1)来对该闪烁位的大小进行设定„„依次对各位进行设定，继续单击——下键，直到自动显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s时，表示设定完毕。最大步进距离可设定到0.300mm，最小为0.050mm，初始设定值为0.102mm，具体设定方法见速度设定说明。 (6)在速度设定完毕后，按下键不放，直到数码管显示ACCX或-ACCX时再释放，即可进入变速运动模式;再次按键不放直到显示速度V为0.XXXm/s或-0.XXXm/s时将返回原来匀速运动模式。 (7)在变速运动模式下，当电机处于停止状态时，单击——下键将改变速度曲线，总共有7条先加速再减速曲线(速度都是从0.000m/s加速到系统速度所能设定的最大值(0.475m/s)然后再减速停止)，显示ACCX或-ACCX，X为1~7。 (8)速度曲线选择好后，单击——启动/停止控制键将启动变速运行曲线，运行的过程中将显示瞬时速度0.XXXm/s或-0.XXXm/s，反映瞬时速度的大小和方向变化。运动过程中再次单击——启动/停止控制键将停止运行变速曲线，显示ACCX或-ACCX，X为1~7。 9 (9)在变速运动模式下，当电机不运行时，单击——正/反转控制键，变速运动速度显示方向改变，电机下次的运行方向将会改变。 (10)当变速运动停止时显示ACCX或-ACCX，单击键将显示上次变速运行的距离D，当0mm 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 电阻对互感式液体电导率传感器进行定标。 3.测量盐水溶液电导率与温度关系曲线 实验仪器与材料 FD-LCM-A液体电导率测量实验仪,含频率为2500Hz的实验信号源,中空互感式液体电导率测量传感器,一组高精度系列电阻,3 1/2数字交流电压表,500ml实验量杯及实验连接线,食盐100克,和自来水700ml,。 实验原理 FD-LCM-A液体电导率测量实验仪测量液体的电导率采用一种中空互感式液体电导率测量传感器。传感器内部由二个纳米材料铁基合金环的电感线圈组成,每环各绕一组线圈,两组线圈匝数相同,其结构示意如图1所示 1 图1 这种传感器的工作原理是,由信号发生器输出的交变电流在线圈,1,1,环内产生交变磁场,该磁场在导电液体中产生交变的感生电流,由于液体中的感生电流使同在液体中的线圈,2,2,环内产生交变磁场,该磁场在线圈,2,2,内又产生感生电动势,成为传感器的输出信号。 改变液体的电导率,σ,,在相同的输入幅度,Vin,条件下,感生电流会发生变化,导致传感器的输出信号电压,Vout,的变化。可以证明,液体的电导率在一定的Vin范围内, σ与Vout成正比,所以可以写成, ,,K(V/V)outin (1) (V/V)outin 在测量中,称为 “电压衰减”,所以在某一确定输入幅度的驱动下,电导率与电压衰减成正比。 在测量装置中,盛放待测液体的容器很大,Vout的大小主要与传感器的中空圆柱体的液体,简称液体柱,有关,可从液体柱来计算液体的电导率。传感器的液体柱电阻与固体电阻相当,所以, 2 L1L,R,,S,S 1L,,RS ,2, 比较,1,和,2,可得, 1L11V/VB,,outinKSRR ,3, 1L1LB,K,KSBS式,3,中,,也可写成,。代入,1,可得到, 1L,,()V/VoutinBS ,4, 说明用此传感器测液体电导率时,与它的中空圆柱体长度,L,,截面积,S,,电压 (V/V)outin衰减和比例常数,B,有关。而“外面”的液体,因为等效的S很大,R很小。所以,液体中的感生电流主要由中空圆柱体内的液体住的阻值限定。 需要注意的是,在实验中,为了多点定标比例常数,B),需要配备多种标准的σ液体,这样操作既费时又困难。因此根据上面的原理,用电阻回路也称为“校核标准”,R,来代替标准σ的液体使实验方便准确。 “校核标准”的结构就是将标准电阻替代液体住,短接标准电阻两端,成为电阻回路。需要注意的是电阻回路的一部分必须从传感器中空圆柱体内穿过。 ,310实验证明,“校核标准”和实际盐水配置的标准结果,误差不大于量级。加上标准液体的电导率对温度较敏感,所以实际应用都不用标准盐水进行定标。 3 实验要求, 1.画出液体电导率定标的实验电路图。。 2.根据“校核标准”范围:[0.00—9.00]Ω,测量不同“校核标准”(不能少于20点)时的(V/V)outin值,记录在数据表格内。测量时注意随时调节,Vin,的幅度,在整个测量过程中,Vin,保持不变。 1LK,BS3.测量传感器的有关尺寸,计算值,写出用本仪器测量液体电导率的计算公式和相对不确定度公式。 (V/V)outin4.取电压衰减为纵坐标,取液体柱的倒数,1/R,为横坐标作图,不少于20 (V/V)outin点,。可以看出传感器感生电流在某一范围内是线性的。写出与,1/R,线 1A,(Bmax，Bmin)B2性关系式。计算平均斜率值,定义为,,,和斜率的相对误差,定 Bmax,BminE,，100%BBmax，Bmin义为,,,式中的Bmax和Bmin分别为斜率的最大可能值和最小可能值,。 5. 测量不同温度下饱和盐水溶液的电导率,写出结果并分析其特性。 注意事项, 1.测量盐水饱和溶液在某一温度时的电导率,须将盐水混合搅拌,使盐充分溶解后在测量。 2.实验用传感器应稳拿轻放,不可以掉地,撞击。 4 5