大学物理综合设计性实验(完整)

1、综合设计性物理实验指导书黑龙江大学普通物理实验室5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选题及

2、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、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

3、。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

4、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

5、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。（1）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

6、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、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

7、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。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

8、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

9、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

10、图，记录实验数据。3总结本次实验的收获和体会。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工作原理发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。P型半导体中有相当

11、数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）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

12、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400700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LE

13、D两端加电压时，电流与电压的关系，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，管子被击穿损坏。为安全起见，激励电源提供的最

14、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下，输出照度与注入电荷数成正比。（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

15、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 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

16、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036伏档,控制器向LED输出反向电压。选择04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：切换电源和实验仪的档位、更换LED组件、开启、关闭

17、电源。否则易导致电源或仪器损坏。 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。输出模式选择稳压，电源输出档位选择036V。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04V。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。

18、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。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

19、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： 其中、

20、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，所以波的频率就等于波源的频率,因此有 （1）当接收器离开波源运动时，接收器接收到的频率为： （2） 称为多普勒频移2.相对介质接收器静止，波源以速度运动当波源运动时，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接收器接收到的频率为（3）如果波源远离接收器运动，接收器接收到的频率为 （4） 3.相对介质，波源和接收器分别以速度、运动波源的频率为，接收器的频率为 （5） 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

21、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，如果测得波源的频率、接收器运动的速度及对应的频率，可以得到声速。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，还是利用（1）或（2）式，测得波源的频率、接收器的频率、声速，可得到物体的运动速度。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

22、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：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

23、能器。本实验装置采用纵向换能器。图3为纵向换能器的结构简图。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，使压电陶瓷成为声波的波源；反之，也可以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：20kHz50kHz，步进值：10Hz，最大输出电压：

24、10Vp-p；（2） 脉冲波，脉冲波宽度：75s，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：（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。14136测试架151617111098453127211.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

25、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。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

26、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

27、“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

28、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收器频率、波源频率、及其差值f正和f反，智能运动控制系统给出的小车速度。改变小车的运动速度，反复多次测量，作出关系曲线，并比较实验得到的斜率与理论值的关系。声速理论值： 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

29、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75s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：t1；用步进电机或用手移动小车（注意：手动移动小车时候，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：t2，从而算出声速值,，其中x为小车移动的距离（可以直接从标尺上读出或参考控制

30、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反射的反射波。反射法测声速时，反射屏要远离两换能器，调整两换能器之间的距离、两换能器与反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，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。还可以用驻波法和相位法测量声速（测量

31、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

32、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

33、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: xxxs”“返回”，按 “确认”键返回主菜单；“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

34、，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

35、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（

36、速度增加）或键（速度减小）来对速度的大小进行设定，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

37、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

38、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17。（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

39、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17。（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<D<1000mm时显示XXX.XX mm；当1000mm<D<10000mm时显示XXXX.X mm；10000mm<D<100000mm时显示XXXXX mm。3、速度设定说明：（1）启动电机开始运行时，要先将固定接收换能器的小车置于导轨中间，即两个限位光电门之间的位

40、置，然后按一下控制器后面的复位键即可做实验，若运动模式切换，需再重复上面操作，确保初始运动状态正确。在匀速运动模式下，限位停车后，要按键改变电机运行方向后方可再按键启动运行；在变速运动模式下，到限位位置后，电机运行方向将自动改变且继续运行，按启动/停止键才可停止运行。（2）7条加速曲线都是先从0加速到最大速度V，然后再减速到0；然后反向再从0加速到最大速度V，再减速到0变速运行的距离可以查看。（3）通过外部测距来校对设定电机最小步进距离L。先设定一个速度，使电机匀速运行，运行一段距离后停车，记下控制器中显示的运行距离D和小车实际运行的距离S（从标尺上读出）。由于步进电机运行的步数一定，设原最小

41、步进为L,需设定的最小步进为LS，则有D/L=S/LS。把计算出的LS值设入系统，那么下次运行距离显示值即为实际测量值。本系统已预置一个参考值L=0.102mm，可以通过多次实验设定该值。实验4 热辐射与红外扫描成像实验热辐射是19世纪发展起来的新学科，至19世纪末该领域的研究达到顶峰,黑体辐射实验是量子论得以建立的关键性实验之一。物体由于具有温度而向外辐射电磁波的现象成为热辐射，热辐射的光谱是连续谱，波长覆盖范围理论上可从0到，而一般的热辐射主要靠波长较长的可见光和红外线。物体在向外辐射的同时，还将吸收从其他物体辐射的能量，且物体辐射或吸收的能量与它的温度、表面积、黑度等因素有关。实验目的1

42、.研究物体的辐射面、辐射体温度对物体辐射能力大小的影响，并分析原因;2.测量改变测试点与辐射体距离时，物体辐射强度P和距离S以及距离的平方S2的关系，并描绘P-S2曲线;3.依据维恩位移定律，测绘物体辐射能量与波长的关系图;4.测量不同物体的防辐射能力;5.了解红外成像原理，根据热辐射原理测量发热物体的形貌。实验仪器用具DHRH-1测试仪、黑体辐射测试架、红外成像测试架、红外热辐射传感器、半自动扫描平台、光学导轨（60cm）、计算机软件以及专用连接线等。实验原理为定量地表明物体热辐射的规律，引入了光谱辐射出射度（频率为的光谱辐射出射度是指单位时间内从物体单位表面积发出的频率在附近单位频率区间的

43、电磁波能量,SI单位为）、光谱吸收比（在温度为T时，物体表面吸收的频率在到+d区间的辐射能量占全部入射的该区间的辐射能量的份额，称作物体的光谱吸收比）和黑体（能完全吸收照射到它上面的各种频率的光的物体称作黑体）概念，实验表明，辐射能力越强的物体，其吸收能力也越强。理论上可以证明，尽管各种材料的和可以有很大的不同，但在同一温度下二者的比却与材料种类无关，而是一个定值。其数学表达式为： （1）式中是一个与物质无关的普适函数。对于黑体，它的光谱辐射出射度应是各种材料中最大的，而且只与频率和温度有关。如果在腔壁上开一个小洞（图1），则射入小洞的光就很难有机会再从小洞中出来。这样一个小洞实际上就能完全吸

44、收各种波长的入射电磁波而成了黑体。黑体辐射公式，即普朗克公式 （2）式中为能量子，为普朗克常量，。从普朗克公式可以导出两个定律：一个是黑体的全部辐射出射度公式，即斯特藩-玻耳兹曼定律 （3）式中为斯特藩-玻耳兹曼常量，图2辐射能量与波长的关系另一个是维恩位移律，它说明，在温度为的黑体辐射中，光谱辐射出射度最大的电磁波的频率或波长由下式决定： 或 （4）式中、为常量，其值为，图2显示了黑体不同色温的辐射能量随波长的变化曲线，峰值波长与它的绝对温度T成反比。实验内容及操作步骤一物体温度以及物体表面对物体辐射能力的影响1将黑体热辐射测试架、红外传感器安装在光学导轨上，调整红外热辐射传感器的高度，使其

45、正对模拟黑体（辐射体）中心，然后再调整黑体辐射测试架和红外热辐射传感器的距离为一较合适的距离并通过光具座上的紧固螺丝锁紧。2将黑体热辐射测试架上的加热电流输入端口和控温传感器端口分别通过专用连接线和DHRH-1测试仪面板上的相应端口相连；用专用连接线将红外传感器和DHRH-I面板上的专用接口相连；检查连线是否无误，确认无误后，开通电源，对辐射体进行加热，见图3所示。图33测量不同温度时的黑体辐射强度，绘制温度-辐射强度曲线图。要求：（1）保持黑体辐射测试架离红外热辐射传感器距离1cm左右；（2）把温度控制器温度设定在80给黑体加热，用万用表或者数据采集分别测量四种黑体辐射面（黑面、粗糙面、光面

46、1、光面2（带孔）辐射强度大小（电压mV）随黑体温度变化之间的关系，采用动态法测量；（3）实验时，保证热辐射传感器与待测辐射面距离相同，便于分析和比较；（4）根据测量数据分析物体温度以及物体表面对物体辐射能力的影响；（5）光面2上有通光孔，比较光面1与光面2的测量数据分析光照对实验的影响。 4.黑体温度与辐射强度微机测量：用计算机动态采集黑体温度与辐射强度之间的关系时，先按照步骤2连好线，然后把黑体热辐射测试架上的测温传感器PT100II连至测试仪面板上的“PT100传感器II”，用USB电缆连接电脑与测试仪面板上的USB接口，见图4所示。具体实验界面的操作以及实验案例详见安装软件上的帮助文档

47、。图4一 探究黑体辐射和距离的关系1.按照实验一的步骤2把线连接好，连线图同图3。2.将黑体热辐射测试架紧固在光学导轨左端某处，红外传感器探头紧贴对准辐射体中心，稍微调整辐射体和红外传感器的位置，直至红外辐射传感器底座上的刻线对准光学导轨标尺上的一整刻度，并以此刻度为两者之间距离零点。3.将红外传感器移至导轨另一端，并将辐射体的黑面转动到正对红外传感器。4.将控温表头设置在80，待温度控制稳定后，移动红外传感器的位置，每移动一定的距离后，记录测得的辐射强度，绘制辐射强度-距离图以及辐射强度-距离的平方图,即P-S和P-S2图。5分析绘制的图形，你能从中得出什么结论，黑体辐射是否具有类似光强和距

48、离的平方成反比的规律？注意：实验过程中，辐射体温度较高，禁止触摸，以免烫伤。三依据维恩位移定律，测绘物体辐射强度P与波长的关系图1.按实验一，测量不同温度时，辐射体辐射强度和辐射体温度的关系并记录。2.根据公式（3），求出不同温度时的。3.根据不同温度下的辐射强度和对应的，描绘P-曲线图。4.分析所描绘图形，并说明原因。四测量不同物体的防辐射能力1分别测量在辐射体和红外辐射传感器之间放入物体板之前和之后，辐射强度的变化。2. 放入不同的物体板时，辐射体的辐射强度有何变化，分析原因，你能得出哪重物质的防辐射能力较好，从中你可以得到什么启发。五.红外成像实验（使用计算机）1将红外成像测试架放置在导

49、轨左边，半自动扫描平台放置在导轨右边，将红外成像测试架上的加热输入端口和传感器端口分别通过专用连线同测试仪面板上的相应端口相连；将红外传感器安装在半自动扫描平台上，并用专用连接线将红外辐射传感器和面板上的输入接口相连，用USB连接线将测试仪与电脑连接起来，如图4所示。2将一红外成像体放置在红外成像测试架上，设定温度控制器控温温度为60或70度等，检查连线是否无误；确认无误后，开通电源，对红外成像体进行加热。3温度控制稳定后，将红外成像测试架向半自动扫描平台移近，使成像物体尽可能接近热辐射传感器（不能紧贴，防止高温烫坏传感器测试面板）。4启动扫描电机，开启采集器，采集成像物体横向辐射强度数据；手

50、动调节红外成像测试架的纵向位置（每次向上移动相同坐标距离，调节杆上有刻度），再次开启电机，采集成像物体横向辐射强度数据；电脑上将会显示全部的采集数据点以及成像图，软件具体操作详见软件界面上的帮助文档。实验注意事项1.实验过程中，当辐射体温度很高时，禁止触摸辐射体，以免烫伤。2.测量不同辐射表面对辐射强度影响时，辐射温度不要设置太高，转动辐射体时，应带手套。3.实验过程中，计算机在采集数据时不要触摸测试架，以免造成对传感器的干扰。4.辐射体的光面1光洁度较高，应避免受损。实验5 多方案测量食盐密度一实验目的和意义： 在日常生活中，食盐是我们必备的生活用品。学习研究，利用学过的方法实现用多种方式测

51、量食盐密度，并通过此实验加深对知识的应用程度。二参考资料：1基础物理实验。2化学实验用书。三实验前应思考的问题：1.利用学过的知识可以找到几种测量食盐密度的方法？2.如何确定食盐的密度，需要给定哪些已知量？ 3.实验操作过程中应该注意哪些问题？四实验室可提供的主要器材： 食盐，比重瓶，水，电子天平，游标卡尺，螺旋测微器，烧杯，温度计等。五、实验内容：1.设计实验，利用饱和溶液比重瓶法测量出食盐密度。2.设计实验（至少两个），利用所学过的知识测量出食盐密度。 3.比较用过的实验方法，选取最佳的实验记录实验数据。六实验报告要求：1阐明实验目的和意义。2简要介绍本实验涉及基本原理。3写出设计实验的设

52、计思路、设计过程和实验结果。4记录实验过程中遇到的问题及解决方法。 5谈谈本实验的收获和改进意见。实验6 多种方法测量液体表面张力系数一实验目的和意义1了解多种测量液体表面张力系数的原理、方法；2分别用毛细管法（或自拟一种方法）和拉脱法测量液体的表面张力系数，研究液体表面张力系数与温度、浓度的关系。二实验涉及的一些问题1.怎样准确测量毛细管内径？2.毛细管法测量液体表面张力系数中，液柱高度与哪些量有关？是否需考虑接触角的影响？怎样测量接触角？3.两种方法测量液体表面张力系数的系统误差来源主要有哪些？如何尽量减小这些误差？三实验室可提供的主要器材:读数显微镜、毛细管、温度计、支架、液体表面张力系

53、数测定仪、镊子、砝码。四实验内容：1. 用不同毛细管测量室温下水的表面张力系数，分析接触角对测量的影响。2用毛细管法测量不同浓度食盐水的表面张力系数，作图，用最小二乘法计算拟合公式，分析结果。3. 用拉脱法法测量不同温度下水的表面张力系数，作图，用最小二乘法计算拟合公式，分析结果。五实验报告要求：1.简述测量液体表面张力系数的各种方法。2.阐明毛细管法和拉脱法测量表面张力系数实验的原理、方法。3.拟出实验步骤。4.记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析讨论；5.记录实验数据，并对结果分析讨论；参考资料1.大学物理实验指导书2.夏思淝等.用力敏传感器测液体表面张力系数的误差分析. 物理实验.第23卷第7期.2002.7：39433.仪器说明书。实验7 用Multisim软件仿真电路一实验目的及意义：Multisim 是加拿大一家公司推出的一种电子线路仿真软件，它实现了对模拟、数字和模拟数字混合电路进行仿真。Multisim可以用虚拟的元件搭建各种电路，用虚拟的仪器进行各项参数和性能指标测试，为电子产品的项目设计、开发研制提供了更快捷、更便利的条件，为此在工程设计中得到了广泛的应用。二参考资料1Multisim 仿真软件在电子电路分析中的应用，科技情报开发与经济2009 年第19 卷第6 期，王立