新编大学物理实验电磁学部分

新编大学物理实验电磁学部分德州学院物理实验中心*刖 s本教材是依据教育部和省教育厅关于基础物理实验教学示范中心建设的要求编写的。各参编人员在教材的编写过程中，力争做到突破传统的物理实验教学模式，增加了许多综合设计型和提高创新型实验内容，将许多传统的验证型实验项目或者部分内容，改进为设计型和研究型实验项目，使学生由被动性的实验过程变为主动性的实验过程。本教材在提高学生的分析问题和解决问题能力、动手能力等综合素质方面将会有所突破。本教材选的实验项目和实验内容，突出了时代性、先进性、适用性，所选用的实验仪器也是比较先进的。由于编者水平有限，本实验教材中难免有不当之处，恳请读者提出批评指正。编 者2 0 0 4 年 8月 3 1 日目 录第一部分基础知识1-1电表-41-2电阻器-71-3直流电源-91-4电磁学实验中的标准仪器-101-5物理实验的基本方法-111-6设计性实验基础知识-13第二部分电磁学实验实验一 RC、RLC电路暂态特性研究-19实验二RLC串联谐振电路特性研究-25实验三使用示波器测定信号基本参量一 一31实验四惠斯登电桥测电阻RL-35实验五磁场描绘-39实验六波尔兹曼常数测定-44实验七霍尔效应法测定亥姆线圈磁场的分布-48实验八电子束线的偏转与聚焦-51实验九霍尔效应的研究-56实验十开尔文电桥测定低值电阻及电功率-62实验十一信号的傅立叶分解与合成-66实验 十 二 交流电桥-67实验 十 三 交流电乔实验指导-72实验十四霍尔效应传感器法测定微小位移-74实验十五非线性物理实验（一）一蔡氏电路与混沌-77实验十六非线性物理实验（二）一混沌的产生、研究方法与应用-86设计性实验实验十七 测电源的电动势和内阻-992实验十八改装电表和电位差计的使用-100实验十九交流电路功率的测量-105实 验 二 十 三相交流电特性及应用-1083第一部分基础知识1-1 电表电表的种类很多，有磁电型、电动型、静电型、电磁型，等等。其中以磁电型仪表应用最为广泛，它在仪表中占有极重要的地位。磁电型仪表的基本结构如图1-1-1表示。图 1-1-1磁电式仪表结构示意图仪表的测量机构包含固定的部分和活动的部分。磁电型仪表的磁路的系统是固定的它由永久磁铁，在磁铁两个极上连接两个带有圆柱形空腔的“极掌”2,和孔腔中央固定着的小圆柱形软铁心3 构成。这种结构使磁感应线集中于孔腔之中并呈均匀的辐射状，如 图 1-1-1。活动部分则包括活动线圈（通电）和指示器（指针和转轴）。通电线圈4 均匀的放置在磁场中，并可绕软铁心轴线自由的转动，在垂直于圆柱轴线的两个线圈边的中点各连接一个半轴5,借以把线圈 4 支撑在轴承里，轴上装有指针7,线圈偏角的大小由指针在刻度盘上的方位示出。当线圈通以恒定电流I 后，它将在磁场B 中受到一力矩，由于线圈所在的磁场呈均匀辐射状，如 图 1-1-2所示：线圈不论转到任何方位其所受力矩MI4的大小均为:M,=Fa=2(BNIab)=BNSI式中，a 是线圈宽度的一半，b 为线圈边长，N 为线圈匝数，S 是线圈的面积。线圈在此力作用下发生偏转，为了使其偏转大小和被测电流的大小相对应，就必须有一反作用力矩与转动力矩平衡，为此在线圈的两个半轴上各连接一个螺旋型游丝8,它一方面产生反抗力矩，同时又兼作把电流引入线圈的引线。因此当线圈通以电流时，它不仅受到电磁力矩M”而且同时又受到游丝的反作用力矩MD的作用，即：MD=-D a 图 1-1-2磁电式仪表作用示意图式中D 是弹性系数，负号表示力矩作用和转动方向相反。当线圈转到一定角度时,二力矩相平衡：有下式M+MD=。1-1BNSI=Da1-2a=BNS T-=SiI1-3式中的S|=BNS/D是磁电型测量机构的灵敏度，当电表制定后B,S,N,D均为定值,则 S 为常量。由式 1 3 可以看出，磁电式仪表可用来测量电流以及与电流有关的物理量（即经变换可以转换为电流的量），因为偏转角a 与通过线圈的电流成正比，所以标度尺上的刻度是均匀的。因为线圈的导线很细，磁电型仪表的测量机构（亦称表头）所能通过的电流往往是很微小的。磁电型测量机构用作电流表时，只要被测电流不超过它所能允许的电流值，就可将它与负载串联进行测量。测量的电流范围一般都在几十微安到几十毫安之间，如果要测较大的电流，必须进行量程扩展。1.磁电型表头改装成直流电流表直流电流表串联在电路中，用以测量直流电路中电流的大小。磁电型电流表采用分流的方法来实现扩大量限。即在表头两端并联分流电阻R,其阻值越小，电流表的量程越大。如 图 1-1-3所示：5图 1-1-3(a)安培表电路图；(b)安培表结构示意图主要参数：量程、内阻(一般安培计内阻在0 1 欧姆以下，毫安表一般为几欧姆到一二百欧姆，微安表一般为几百欧姆到一二千欧姆)。2.改装成直流电压表直流电压表由小量程直流电流表串联一电阻构成，串联不同阻值的电阻构成不同量程的电压表,如下图1-1-4所示，它与电路两端并联，测量电路两端的电压大小.图1-1-4(a)电压表结构示意图；(b)电压表电路图主要参数:量程，内阻(电压表的内阻越大，对测量对象的影响越小.电压表各量限的内阻与相应电压量程之比为一常数,这个常数常在电压表标度盘上标明，单位为 Q/V是电压表的重要参数.使用电表应注意以下几点：(1)量程的选择:应先估计被测量的大小，选择合适的量程，或可先用大量程试测一下，再选择更合适的量程.(2)电表有两个端钮，直流电表都标有或正或负的两个端钮，分别表明电流的6引入和引出位置，不能接反，否则电表有可能因指针反转而损坏.(3)电压表应与被测负载两端并联，电流表应与被测负载相串联.(4)读数时视线必须垂直于刻度盘,若表盘内附有平面镜，则必须在指针与镜中的像重合时读数,这样可减少由于视差引入的误差。1-2 电阻器图1-1-5(a)滑线变阻器示意图(b)滑线变阻器等效电路图它由电阻丝均匀绕在绝缘瓷质管上制成，电阻丝的表面涂有一层绝缘膜，使丝间彼此绝缘，电阻丝的两头分别固结在瓷管两端的接线柱上，滑动头可沿金属杆滑动，杆的两端支撑在金属架上，并与其绝缘，杆的一端连有接线柱，滑动头和电阻丝的接触处的绝缘膜已刮掉，因此改变滑动头位置就可改变引出头间的电阻大小，实验中电阻丝上通以电流，在引出头间即可得到大小可调的电压.在电磁测量中经常借助于滑线变阻器来调节电路的电压与电流，常用的方法有限流接法和分压接法.如图1-1-6所示：7示:图 l-l-6(a)限流接法R1E图1-1-6(b)分压接法变阻器的规格有:额定电流，全电阻.以上数据均在铭牌上标明.另有小型的变阻器又称电位器,在电子线路中有广泛的应用.如图1-1-7所18图1-1-7电位器结构图2.电阻箱目前实验室较多使用的旋转式电阻箱，它是由许多镭铜丝绕成的电阻,按照十进位分别通过波段开关连接而成的.其外形如图1-1-8图1-1-8 十进位波段开关电阻箱电阻箱读数为各档示值与对应倍率乘积之和.直流电阻箱如果用在交流电路中，只有在低频下才能当作 纯电阻”使用.各档额定功率为其示值与额定功率乘积之和，当几档联用时，额定功率按照最大档计算，从而计算出电阻箱所能承受的最大额定电流.电阻箱的误差主要包括电阻箱的基本误差和零电阻误差两部分.零电阻误差包括电阻箱本身的接线，焊接，接触等产生的电阻值.电阻箱的准确度a%各档不同，均标在铭牌上，其允许基本误差为AR=RXa%R为电阻箱读数.1-3 直流电源1.晶体管直流稳压电源电源稳定性好，内阻小,输出连续可调，输出功率大，使用时注意不得超过其最大输出功率.2.干电池电动势为1.5V主要参数如下：9型号容量/安培时额定电流/毫安12 待测电阻R-I图 1-4-1电阻的四端接法使用时cc端串联在电路中,pp端引出电压进行测量.使用标准电阻时应注意：(1)使用时的温度；(2)应在小于额定功率的情况下使用；(3)应放置在温度变化小的环境中使用.3.标准电容器标准电容器常用的有空气介质电容器和云母介质电容器，后者可做成十进制电容箱使用.电容箱的准确度等级较之标准电容器低，前者有0.05,0.1,0.2,0.5和 1 共 5级;后者有 0.01,0.02,0.05,0.1 和 02 五级.使用标准电容器时应注意：(1)标准电容器一般有三个端钮，即两个测量端钮，和一个屏蔽层端钮，使用时,屏蔽层端钮和一个测量端钮相连.(2)使用时应考虑周围强电场对电容值的影响.4.标准电感器标准电感器分为标准自感器和标准互感器两类.每类又可分为定值与可变值两种.准确度等级分为0.01,0.02,0.05,0.1和 0.2五种.1-5 电磁学实验的基本方法物理学是一门实验科学，没有经过实验的验证，无论多么美的假设和推论都无法使人信服。我们在实验中可以观察到，并不是所有的待测量都能够直接测量,而有些物理量的测量却是因为实验方法选择不当，或者由于时代科技水平的限制,先进实验方法的实现无法应用于实践。这也促进了实验技术和实验方法及实验方11法中包含的实验思想的不断进步。在科学，特别是自然科学发展史上，涌现出大量极具价值的实验方法，其中许多的实验方法至今仍是物理学乃至其它学科测定测量手段的经典和不朽的作品，进行实验技能与实验技术的训练，是完成大学物理实验所必须学习的内容。物理实验中常用到的方法有以下几种：15-1 放大法在物理实验中，常涉及到各种物理量的测量，然而有些量比较微小，用给定的仪器进行测量往往会存在很大的误差，以至于无法直接测量。把这种物理量进行可以预期和控制的放大，即可方便的进行测量。这种方法称为放大法。例如：测量交流信号参数的实验，当波形在示波器的面板上尺寸比较小时,可以线性放大后进行测量，同时，采用测量多个信号周期，然后取其平均值的办法，可以消除一部分由于测量值偏小带来的误差；针对有些物理量数值极小的情况，比如一部分物理学常数，如电子电量，核子质量等和诸如固体材料的机械形变，环境磁场等微小物理量，可以借鉴前人的测量经验和技巧，或者运用新的材料与技术，如半导体技术，传感器技术，光放大技术，计算机技术等，对上述物理量的测量进行实验技术与实验方法的研究与开发。将待测物理量进行放大，或者在测量过程中使用放大技术和方法，就是一种很重要的解决途径。我们会在实验学习与操作过程中接触到这种方法的具体运用，这里将几种处理原则和进行放大操作的实验思想作简单的介绍。使用放大方法遵循的原则是，放大的过程必须是可控的，放大后的结果必须是可以预期的。放大的效果使操作变得简单易行，而不是相反。使用放大法的条件主要有这样几方面：被测物理量能够实现简单重叠，即可以同时对测量对象的多个影像进行测量；被测物理量可以实现简单的线性放大，同时这种线性放大过程即是实验操作者控制进行的；实验设备具备使用成熟的放大技术的条件，操作者具备熟练的操作技术和清晰明确的实施目的。1-5-2 比较法这种方法使用标准量具，根据一定的测量原理，通过将被测量与性质相同的标准量进行直接比较，从而得出被测值。也可通过对包含待测量的中间量与标准量进行比较，得出待测量的方法运用比较法测量.物理实验中大量运用比较法，后面将学到的电桥法就是运用比较法的例子。12 153模拟法模拟法是指不去直接研究和测量物理现象或物理过程本身，而采用对与测物理现象或过程相似的模型来进行研究的一种方法。用来替代测量的模型与原型应有相似的物理图景和数学表达形式，采用间接的测量方法进行测量。这样使得一些难以测量甚至是无法测量的物理量，通过模拟法可以进行测量。模拟法分为物理模拟和数学模拟两种。前者是保持同一物理本质的模拟，就是使用与待测物理过程同步运行而表现形式不同(用以表达过程的物理量不同)的物理过程去替代前者。这个替代量比较容易测量，这样就是复杂的问题变得简单了。数学模拟表示的是，替代量和实际待测量之间可以使用同一组数学公式来表达，也就是说，两类可以完全不同的物理过程或现象，只要反映两者运动规律的数学方程具有相似的形式，就可以使用这种方法进行实验测量，得到的结果具有完全的替代性。这是一种很有价值的实验思想。例如：使用模拟法描