大学物理实验指导书-5个(新)

实验一 牛顿第二定律的验证实验目的1．熟悉气垫导轨的构造，掌握正确的使用方法。

2．学会用光电计时系统测量物体的速度和加速度。

3．验证牛顿第二定律。

实验仪器气垫导轨，气源，通用电脑计数器，游标卡尺，物理天平等。

实验原理牛顿第二定律的表达式为F ＝m a .验证此定律可分两步（1）验证m 一定时，a 与F 成正比。

（2）验证F 一定时，a 与m 成反比。

把滑块放在水平导轨上。

滑块和砝码相连挂在滑轮上，由砝码盘、滑块、砝码和滑轮组成的这一系统，其系统所受到的合外力大小等于砝码（包括砝码盘）的重力W 减去阻力，在本实验中阻力可忽略，因此砝码的重力W 就等于作用在系统上合外力的大小。

系统的质量m 就等于砝码的质量、滑块的质量和滑轮的折合质量的总和.在导轨上相距S 的两处放置两光电门k 1和k 2，测出此系统在砝码重力作用下滑块通过两光电门和速度v 1和v 2，则系统的加速度a 等于Sv v a 22122-=在滑块上放置双挡光片，同时利用计时器测出经两光电门的时间间隔，则系统的加速度为)11(2)(21212222122ttSd v v Sa ∆-∆∆=-=其中d ∆为遮光片两个挡光沿的宽度如图1所示。

在此测量中实际上测定的是滑块上遮光片（宽d ∆）经过某一段时间的平均速度，但由于d ∆d ∆范围内，滑块的速度变化比较小，故可把平均速度看成是滑块上遮光片经过两光电门的瞬时速度。

同样，如果t ∆越小（相应的遮光片宽度d ∆也越窄），则平均速度越能准确地反映滑块在该时刻运动的瞬时速度。

实验内容1．观察匀速直线运动（1）首先检查计时装置是否正常。

将计时装置与光电门连接好，要注意套管插头和插孔要正确插入。

将两光电门按在导轨上，双挡光片第一次挡光开始计时，第二次挡光停止计时就说明光电计时装置能正常工作；（2）给导轨通气，并检查气流是否均匀；（3）选择合适的挡光片放在滑块上，再把滑块置于导轨上；（4）调节导轨底座调平螺丝，使其水平。

只要导轨水平，滑块在导轨上的运动就是匀速运动，只要是匀速运动，对于同一个挡光片而言，滑块经过两光电门的时间就相等，即21t t ∆=∆。

2．验证牛顿第二定律（1）保证系统的总质量不变时，验证加速度与外力的关系。

1）调整气垫导轨，让质量为m 2滑块能在气垫导轨上作匀速运动。

将两个光电门置于相距L 的位置上；2）把系有砝码盘的轻质细线通过滑轮和滑块相连，在滑块上放入质量为m 1的砝码，用天平测得系统的总质量m ，测量滑块经过两光电门的加速度a 1 ；3）从滑块上取下质量为m ∆的砝码加至砝码盘中，测出加速度a 2 ；4）从滑块上依次取下质量为m ∆砝码，放入砝码盘中，求出a 3，a 4 … 。

5）用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。

（2）保持外力不变（即砝码盘与砝码的总质量不变），改变滑块质量，研究系统质量与加速度的关系。

1）调节两光电门之间的距离合适；2）令砝码的质量m 1不变，改变滑块的质量m 2 ，在滑块上每次增加m ∆砝码，测出a 。

3）多次改变滑块的质量，分别测量对应a ，用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系数据处理1．保持系统总质量M 不变的条件下，测出加速度a 与外力F 之间的相关数据。

并用作图法处理数据，验证加速度与外力之间的线性关系。

M= g作图F---a2．外力F 不变的条件下，测出系统质量M 与加速度a的相关数据。

并用作图法处理数据，验证加速度与质量之间的反比关系。

F= N作图F-----1/M思考题： 对于F —a 图，如果直线不过原点，试分析其原因。

实验二 磁场分布测量实验目的1．测量载流圆形线圈和亥姆霍兹线圈的轴向上的磁场分布。

2．了解载流圆形线圈（或亥姆霍兹线圈）的径向磁场分布情况。

实验仪器FB201-Ⅰ型交变磁场实验仪，FB201-Ⅱ型交变磁场测试仪。

实验原理1．载流圆线圈与亥姆霍兹线圈的磁场 （1）载流圆线圈磁场一半径为Ｒ，通以电流Ｉ的圆线圈，轴线上磁场的公式为2/322200)X R(2IR N B +μ=（1）式中0N 为圆线圈的匝数，X 为轴上某一点到圆心O '的距离，,m /H 10470-⨯π=μ 磁场的分布图如图1所示。

图 1 图 2本实验取Ｎ０＝400匝，Ｉ＝0.400Ａ，Ｒ＝0.106m ，圆心0’处x ＝0，可算得磁感应强度为：T 109484.0B 3-⨯=,T 10341.1B 2B 3m -⨯=⋅= （2）亥姆霍兹线圈两个相同圆线圈彼此平行且共轴，通以同方向电流Ｉ，理论计算证明：线圈间距a 等于线圈半径R 时，两线圈合磁场在轴上（两线圈圆心连线）附近较大范围内是均匀的，这对线圈称为亥姆霍兹线圈，如图2所示2．用电磁感应法测磁场的原理设均匀交变磁场为（由通交变电流的线圈产生） t sin B B m ω=磁场中一探测线圈的磁通量为 t sin cos NSB m ωθ=Φ式中：Ｎ为探测线圈的匝数，Ｓ为该线圈的截面积，θ为B与线圈法线夹角。

线圈产生的感应电动势为t cos cos B NS dtd m ωθω=Φ-=εt cos m ωε-= 式中θω=εcos B NS m m 是线圈法线和磁场成θ角时，感应电动势的幅值。

当θ= 0 ，m m ax B NS ω=ε，这时的感应电动势的幅值最大。

如果用数字式毫伏表测量此时线圈的电动势，则毫伏表的示值（有效值）max U 应为2maxε， 则ω=ωε=NS U 2NS B max max max （2）由（2）式可算出Ｂm 来。

本实验励磁电流由专用的交变磁场测试仪提供，该仪器输出的交变电流的频率f 选择f=50Hz ，则：1S100f 2-π=π=ω，将D 、N 及ω值代人（2）式得)T (10U 103.0B 3max m -⨯= （3）实验内容1．测量圆电流线圈轴线上磁场的分布，接好电路。

调节交变磁场实验仪的输出功率，使励磁电流有效值为Ｉ＝0.400Ａ,以圆电流线圈中心为坐标原点，每隔10.0 mm 测一 个Ｕmax 值，测量过程中注意保持励磁电流值不变，并保证探测线圈法线方向与圆电流线圈轴线D 的夹角为00（从理论上可知，如果转动探测线圈，当θ＝00和θ＝1800时应该得到两个相同的Ｕmax 值，但实际测量时，这两个值往往不相等，这时就应该分别测出这两个值，然后取其平均值作为对应点的磁场强度）。

同学们在做实验时，可以把探测线圈从θ＝00转到1800，测量一组数据对比一下，正、反方向的测量误差如果不大于２％，则只做一个方向的数据即可，否则，应分别按正、反方向测量，再求算平均值作为测量结果 。

2．测量亥姆霍兹线圈轴线上磁场的分布。

把交变磁场实验仪的两组线圈串联起来（注意极性不要接反），接到交变磁场测试仪的输出端钮。

调节交变磁场测试仪的输出功率，使励磁电流有效值仍为Ｉ＝0.400Ａ。

以两个圆线圈轴线上的中心点为坐标原点，每隔10.0mm 测一个Ｕmax 值。

３．测量亥姆霍兹线圈沿径向的磁场分布。

按实验内容2的要求，固定探测线圈法线方向与圆电流轴线D 的夹角为00，转动探测线圈径向移动手轮，每移动10mm 测量一个数据，按正、负方测到边缘为止，记录数据并作出磁场分布曲线图。

4．验证公式θω=εcos B NS m m ，当m B NS ω不变时，m ε与θcos 成正比。

按实验内容2要求，把探测线圈沿轴线固定在某一位置，让探测线圈法线方向与圆电流轴线D 的夹角从00开始，逐步旋转到正、负900，每改变100测一组数据。

数据处理1．圆电流线圈轴线上磁场分布的测量数据记录（注意坐标原点设在圆心处。

要求列表记录，表格中包括测点位置，数字式毫伏表读数以Ｕmax 换算得到的Ｂm 值，并在表格中表示出 各测点对应的理论值），在坐标纸上画出实验曲线。

2．亥姆霍兹线圈轴线上的磁场分布的测量数据记录，在方格坐标纸上画出实验曲线。

θω=εcos B NS m思考题：简述实验三 声速的测定实验目的1．学会利用干涉法测定声速。

2．了解利用电声换能器进行电声转换和测量的方法。

3．初步熟悉示波器和音频信号发生器的功能和使用方法。

实验仪器声速测定仪，低频信号发生器，示波器等。

实验原理测量声速的方法可分为两类：一是测出声波传播距离L 和所需的时间t ，由tL v=算出声速v ；二是利用关系式fvλ=，通过测量频率f 和波长λ来计算声速v 。

本实验所采用的共振干涉法和位相比较法，即属于后者。

1．共振干涉法设有一从发射源发出的一定频率的平面波，经过空气传播，到达接收器。

如果接收面与反射面严格平行，入射波在接收面上垂直反射，入射波与反射相干涉形成驻波。

实验装置如图3－1所示，图中S 1、S 2为压电陶瓷喇叭，S 1接低频信号发生器，用为超声波源；S 2为接收器，由于压电效应，它把接收到的声波转换成电信号，且能在接收声波的同时反射部分声波。

改变S 1、S 2之间的距离，当其为半波长的整倍数时，媒质中出现稳定的驻波共振现象。

此时驻波的幅度达到极大，且接收面所处的声压波腹也相应达到极大值。

设此时S 1、S 2之间的距离为L n ，继续调节S 1、S 2之间的距离，设它为L n +1时，再次出现共振现象，则L n +1－L n ＝λ/2 。

因此，若保持f （频率）不变，通过测量相邻两次接收信号达到极大值时接收面与发射源之间的距离就可求出波长λ，用fv λ=计算声速。

实验内容1．调整测试系统的谐振频率（1）按图示接连仪器。

把信号发生器“输出调节”旋至最小位置，调节频率输出为40kH z 左右，打开电源开关，预热片刻，转动“输出调节”旋钮，使信号输出为20V 左右或合适大小；（2）将信号发生器的输出信号一路接压电陶瓷超声发生器S 1，（另一路可以接示波器“X 轴输入”），由S 2转换成的电信号接示波器“Y 轴输入”，适当调节示波器至荧光屏上显示出稳定的波形图；（3）将两个换能器分开适当距离，通过移动接收端的换能器，使示波器上的电压信号达到较大值。

适当调节信号发生器的输出信号频率与换能器上的固有频率相等（该频率既两压电陶瓷喇叭之间超声波的频率），则示波器上的信号达到最大值。

在此频率上进行实验。

数据处理（参考） 1．共振干涉法测声速（1）将测量数据记录在自拟表格内，频率f ＝____H z（2）应用逐差法计算λ；55)(....)()(2491605⨯-++-+-⨯=L L L L L L λfv λ=（3）求出声速值并计算相对误差。

s m v /340=理%100||⨯-=理理v v v E2 思考：数据误差的来源有哪些因素？实验四 利用直流电桥测量电阻实验目的1．掌握惠斯通电桥的原理，并通过它初步了解一般桥式线路的特点。

2．学会使用惠斯通电桥测量电阻。