应用化学大学物理实验讲义

1、绪 论二、目的和要求1) 通过观察、测量和分析，加强对物理概念和理论的认识；2) 学习物理实验的基础知识，基本方法。培养基本的实验技能；3) 培养严肃认真，实事求是的科学态度和工作作风。三、实验的过程1.准备（预习）1)理论的准备：从实验指导书和有关参考书中充分了解实验的理论依据和条件。2)仪器的准备：了解所有实验仪器的工作原理，工作条件和操作规程；了解实验室为何选用这样的装置和仪表，还有否其它的实验装置可用。3)观测的准备：掌握实验步骤和注意事项，设计记录表格，记录表格既要便于记录，又要便于整理数据。2.观测与记录（实验）：1)仪器的安装和调整：按操作规程调整仪器以达到正常的工作条件2)观测

2、：在明确了实验目的和测量内容、步骤，并能正确使用仪器后，可以进行正式观测。3)记录：实验记录是以后计算与分析问题的依据，在实际工作中则是宝贵的资料，记录应记在专用的实验数据原始记录表上，要如实的记下各观测数据，简单的过程以及观测到的现象。3.数据的整理与完成实验报告实验过程中要随时整理数据，测量结束后要尽快整理好实验数据，计算出结果并绘出必要的图线。数据整理工作，应尽可能的在实验课上完成，并且为了根据整理中的问题作必要的补充测量，一般是在计算结束后再收拾仪器。实验报告要求简单明了，用语确切，字迹清楚。实验报告包括：1)实验名称2)实验目的3)实验仪器4)实验原理及步骤5)记录、数据整理及结论6

3、)问题研究四、误差理论和数据处理（一）测量和误差的概念1.测量及其分类：测量：指为确定被测量对象的量值而进行的被测物与仪器相比较的实验过程。测量分为直接测量和间接测量2.误差及其分类：把测量值X与真实值a之间的差异叫误差。1)系统误差在一定条件下（方法、仪器、环境、人相同）多次测量同一个量时，符号和绝对值保持不变或按一定规律变化的误差。引起原因：实验理论和方法的不完善、实验仪器的缺陷或不完善、实验环境的变化、观察者的不良习惯和偏向消除方法：设计合理的实验方案、理论分析得出修正公式2)偶然误差在相同条件下，多次测量同一个物理量时，其误差的符号和大小变化不定，没有确定规律的误差。造成原因：外界因素

4、的干扰和影响、实验者技术水平和感觉器官的分辨能力的限制消除方法：一般采用多次测量，取多次测量的算术平均值作为测量结果，同时对测量结果的可靠程度做出合理的估计3)过失误差：不能用实验条件作为合理解释的突出误差。造成原因：人为的4)误差的表示设被测量X的测量值为x，其真值为a绝对误差 一般用 算术平均值 代替真值所以 相对误差标准误差（均方误差） 反映测量的可靠程度平均绝对误差算术平均值的标准偏差标准偏差：算术平均值的标准偏差：（二）测量不确定度测量不确定度就是测量质量的标准，也即是对测量结果偏差的评估。对测量不确定度的评定通常以估计标准偏差去表示大小，称为标准不确定度。1.标准不确定度的A类评定

5、（偶然效应引起的）2.标准不确定度的B类评定（一般跟仪器有关的误差） 其中是仪器的极限误差3.合成标准不确定度直接测量时： 可以是A类或B评定间接测量时：（三）测量结果的表示 单位 ，五、有效数字1.有效数字：把从仪表上读出的数字包括最后一位存疑数字称为有效数字。2.有效数字位数的确定：从最左一位非零数字起一直到最后一位存疑数字止判断以下测量值的有效数字位数：42.36cm4位0.0087m2位27.0024m 6位4.00cm 3位4cm1位3.运算后的有效数字的确定1)实验后计算不确定度的：由不确定度来决定，即运算结果的有效数字末位与不确定度的末位对齐。2)实验后不计算不确定度的：加减运算

6、后的有效数字末位应和参加运算的各数中最先出现的可疑位一致；乘除运算后的有效数字位数，可估计位和参加运算中有效数字位数最少的相同。六、实验图线的描绘（自习）七、组合测量与最佳直线参数：最小二乘法、逐差法（自习）1、 基本物理量的测量（长度、质量、密度的测量）实验目的1.掌握游标和螺旋测微装置的原理，学会游标卡尺和螺旋测微器的正确使用。2.学习数据记录;掌握等精度测量中误差的估算方法和有效数字的基本运算。3熟练掌握物理天平的调整和使用方法。4掌握测定固体和液体密度的两种方法。图1 游标卡尺实验原理1.游标卡尺结构 游标卡尺的构造如图1所示。主尺D是一根具有毫米分度的直尺，主尺头上有钳口A和刀口A。

7、D上套有一个滑框，其上装有钳口B和刀口B及尾尺C，滑框上刻有附尺E，又称游标。当钳口A与B靠拢时，游标的0线刚好与主尺上的0线对齐，这时读数是0。测量物体的外部尺寸时，可将物体放在A、B之间，用钳口夹住物体，这时游标0线在主尺上的示数，就是被测物体的长度。同理，测量物体的内径时，可用AB刀口；测孔眼深度和键槽深度时可用尾尺C。图2 读数原理（一）读数原理 利用游标和主尺配合，至少可以直接较准确读出毫米以下1位或2位小数。在10分度的游标中，10个分度的总长度刚好与主尺上9个最小分度的总长度相等，这样每个分度的长是0.9 mm，每个游标分度比主尺的最小分度短0.1 mm。当游标0线对在主尺上某一

8、位置时，如图2所示，毫米以上的整数部分y可以从主尺上直接读出，y =11 mm;读毫米以下的小数部分时，应细心寻找游标与主尺上的刻线对得最齐的那一条线，图1-2中，游标上第6条线对得最齐，要读的就是6个主尺分度与6个游标分度之差。因6个主尺分度之长是6 mm，6个游标分度之长是60.9 mm故660.96(10.9)0.6(mm)从而总长=y=110.6=11.6(mm)为了读数精确，还可用20分度和50分度的游标，他们的原理和读数方法都相同。如果用a表示主尺上最小分度的长度，b表示游标上最小分度的长度，用n表示游标的分度数，并且取n个游标分度与主尺(n1)个最小分度的总长相等，则每一个游标分

9、度的长度为 (1)这样，主尺最小分度与游标分度的长度差值为 (2)测量时，如果游标第k条刻线与主尺上的刻线对齐，那么游标0线与主尺上左边相邻刻线的距离 (3)根据上面的关系，对于任何一种游标，只要弄清它的分度数与主尺最小分度的长度，就可以直接利用它来读数。例如，主尺最小分度是1mm，游标分度为20，当游标0刻线在52 mm右边，如图2-3所示，游标第9条刻线与主尺某一刻线对齐，则待测长度在图2中所示物体的长度为11.6mm，0.6mm是比较准确地测出的。测量中有时游标与主尺上的2条线不能完全重合，而只能判定相邻的2条游标线中，哪一条与主尺刻线更接近，因此最后1位可估读数的误差不大于1 / 2

10、(ab)。当游标为20分度时，它们的估读误差不大于1/2 (ab)=1/20.05=0.025（mm）。由误差理论可认为误差在1/100位上。因此，图1-3所示的物体长度52.45 mm后面不再加0。而对1/10游标，读数后可加一个“0”。同理，对50分度的游标读数最后1位也只能写到1/100（mm）位上。另外，在一些可以相对旋转的仪器部分上附有弯游标(或称角游标)，可以较准确地读出1/100度的角度数，其原理与游标尺相同。使用注意事项 使用时应注意以下事项。游标卡尺使用前，首先要校正0点。若钳口A、B接触时，游标0线与主尺0线不重合，应找出修正量，然后再使用。图4 螺旋测微器1.尺架 2.测

11、砧 3.测微螺旋 4.锁紧装置 5.固定套筒 6.微分筒 7.棘轮 8.螺母套管 9.被测物测量过程中，要特别注意保护钳口和刀口，只能轻轻地将被测物卡住。不能测量粗糙的物体，不准将物体在钳口内来回移动。2.螺旋测微器图5 读数原理结构与读数原理 螺旋测微器是比游标卡尺更精密的测量仪器，常见的一种如图2-4所示，其准确度至少可达到0.01 mm，它的主要部分是测微螺旋。测微螺旋是由一根精密的测微螺杆和螺母套管(其螺距是0.5 mm)组成。测微螺杆的后端还带有一个50分度的微分筒，相对于螺母套管转过一周后，测微螺杆就会在螺母套管内沿轴线方向前进或后退0.5 mm。同理，当微分筒转过一个分度时，测微

12、杆就会前进或后退0.5=0.01（mm）。为了精确读出测微杆移动的数值，在固定套筒上刻有毫米分度标尺，水平横线上、下两排刻度相同，并相互均匀错开，因此相邻一上一下刻度之间的距离为 0.5 mm。使用与读数 当转动螺杆使测砧测量面刚好与测微螺杆端面接触时，微分筒锥面的端面就应与固定套筒上的0线相齐。同时，微分筒上的0线也应与固定套筒上的水平准线对齐，这时的读数是0.000 mm，如图5(a)所示。测量物体时，应先将微分筒沿逆时针方向旋转，将测微螺杆退开，把待测物体放在测砧和螺杆之间。然后轻轻沿顺时针方向转动棘轮，当听到喀喀声时即停止。这时固定在套筒的标尺和微分筒锥面分度上的示数就是待测物体的长度

13、。读数时，从标尺上先读整数部分(有时读到0.5 mm)，从微分筒分度上读出小数部分，估计到最小分度的十分位，然后两者相加。例如，图5(b)所示应读作4.50.185=4.685（mm）。由此可见，螺旋测微器可以准确读到1/100（mm），所以，它是比游标卡尺更为精密的测量工具。使用注意事项 使用时应注意以下事项。使用螺旋测微器测量长度时，必须先校正0点。当旋转棘轮，使2个测量端面接触时，若所示数值不为0，一定要找出修正量，然后再进行测量。测量过程中，当测量面与物体之间的距离较大时，可以旋转微分筒去靠近物体。当测量面与物体间的距离甚小时，一定要改用棘轮，使测量面与物体轻轻接触，否则易损伤测微螺杆

14、，降低仪器准确度。3、若一个物体的质量为m，体积为V，则其密度为 （4）可见，通过测定m和V可求出，m可用物理天平精确称量，而物体体积的精确测量在密度测量中是个主要问题，可根据实际情况，采用不同的测量方法。在此实验中学习的方法是在水的密度已知的条件下，由天平测量出体积。（1） 用“静力称衡法”测量固体的密度所谓液体静力“称量法”，即先用天平称被测物体在空气中质量m1，然后将物体浸入水中，称出其在水中的质量m2，如图1所示，则物体在水中受到的浮力为 F (m1m2)g （5） 图6根据阿基米德原理，浸没在液体中的物体所受浮力的大小等于物体所排开液体的重量。因此，可以推出 F0Vg （6）其中0为

15、液体的密度（本实验中采用的液体为水）；V是排开液体的体积亦即物体的体积。联立（2）和（3）式可以得 （7）由此得 （8）（2） 比重瓶法测量液体的密度对液体密度的测定可用流体静力“称量法”，也可用“比重瓶法”。在一定温度的条件下，比重瓶的容积是一定的。如将液体注入比重瓶中，将毛玻璃塞由上而下自由塞上，多余的液体将从毛玻璃塞的中心毛细管中溢出，瓶中液体的体积将保持一定。比重瓶的体积可通过注入蒸馏水，由天平称其质量算出，称量得空比重瓶的质量为m1,充满蒸馏水时的质量为m2，则m2m1V，因此，可以推出 V(m2m1) （9）如果再将待测密度为的液体（如酒精）注入比重瓶，再称量得出被测液体和比重瓶的

16、质量为m3，则(m3m1)/V。将公式（7）代入此公式得 （10）实验仪器游标卡尺，螺旋测微器，圆柱体，物理天平，线绳，烧杯，水，比重瓶，温度计。待测物体：金属块，酒精实验内容1.用游标卡尺测量铁圆管，计算圆管的体积及误差；2.用螺旋测微计测小钢球的直径，计算其体积及误差；3.用物理天平测铁圆管质量，计算密度及误差；4.用读数显微镜测量钢丝的直径；5.对多次测量进行误差的运算，求绝对误差和相对误差。6调试物理天平：调节水平；调节零点；检测天平灵敏度。7用静力“称衡法” 测金属块的密度1）用细线拴住金属块，置于天平的左面挂钩上测出其在空气中的质量m1；2）将金属块浸没在水中，称其质量m2；3）记

17、录实验室内水的温度。3采用比重瓶测酒精的密度1）采用天平称量空比重瓶的质量m1；2）采用吸管将蒸馏水充满比重瓶，称其质量m2；8倒出比重瓶中的蒸馏水，然后再将被测液体注入比重瓶，称量比重瓶和液体的质量m3。数据处理1自拟表格记录圆柱体的直径D、高度h，并计算圆柱体体积V。利用直接和间接测量的不确定度公式计算不确定度，并将直径、高度和体积用测量结果的标准式表示出来。2自拟表格记录小钢球的直径，计算出不确定度，将测量结果用标准式表示出来。3测量钢丝直径，计算不确定度，并将结果用标准式表示出来。4用“静力称衡法”测量固体的密度自拟表格记录测量金属块的有关数据。并计算其密度和标准不确定度，完整表示测量

18、结果。5采用比重瓶测量酒精的密度自拟表格记录测量酒精的有关数据，并计算其密度和标准不确定度，完整表示测量结果。思考题1.用游标卡尺、螺旋测微器测长度时，怎样读出毫米以下的数值?2.何谓仪器分度值?米尺、20分度游标卡尺和螺旋测微器的分度值各为多少?如果用它们测量约7cm米的长度，问各能读得几位有效数字?3.使用螺旋测微器时应注意些什么?4.有一角游标，主尺29度(29分格)对应于游标30个分格，问这个角游标的分度值是多少?有效数字最后1位应读到哪一位?5.使用物理天平应注意哪几点？怎样消除天平两臂不等而造成的系统误差？2、 线性与非线性元件伏安特性的测定一、实验目的1掌握线性电阻、非线性电阻元

19、件伏安特性的测试技能。2学习直流稳压电源、直流电压表、电流表的使用方法。3加深对线性电阻元件、非线性电阻元件伏安特性的理解，验证欧姆定律。二、实验原理电阻元件是一种对电流呈现阻力的元件，有阻碍电流流动的性能。当电流通过电阻元件时，必然要消耗能量，就会沿着电流流动的方向产生电压降，电压降的大小等于电流的大小与电阻值的乘积。电压降和电流及电阻的这一关系称为欧姆定律。 (11) 上式的前提条件是电压U和电流I的参考方向相关联，亦即参考方向一致。如果参考方向相反，则欧姆定律的形式应为 (12) 电阻上的电压和流过它的电流是同时并存的，也就是说，任何时刻电阻两端的电压降只由该时刻流过电阻的电流所确定，与

20、该时刻前的电流的大小无关，因此电阻元件又称为“无记忆”元件。 当电阻元件R的值不随电压或电流大小的变化而改变时，则电阻R两端的电压与流过它的电流成正比例。我们把符合这种条件的电阻元件称为线性电阻元件。反之，不符合上述条件的电阻元件被叫做非线性电阻元件。任一二端电阻元件的特性可用该元件上的端电压U与通过该元件的电流I之间的函数关系Uf(I)来表示，即用UI平面上的一条曲线来表征，这条曲线称为该电阻元件的伏安特性曲线。根据伏安特性的不同，电阻元件分两大类：线性电阻和非线性电阻。线性电阻元件的伏安特性曲线是一条通过坐标原点的直线，如图11中（a）所示，该直线的斜率只由电阻元件的电阻值R决定，其阻值为

21、常数，与元件两端的电压U和通过该元件的电流I无关；非线性电阻元件的伏安特性是一条经过坐标原点的曲线，其阻值R不是常数，即在不同的电压作用下，电阻值是不同的，常见的非线性电阻如白炽灯丝、普通二极管、稳压二极管等，它们的伏安特性如图11中（b）、（c）、（d）。在图11中，U 0的部分为正向特性，U 0的部分为反向特性。线性电阻的伏安特性对称于坐标原点，这种性质称为双向性，为所有线性电阻元件所具备。半导体二极管的伏安特性不但是非线性的，而且对于坐标原点来说是非对称性的，又称非双向性。这种性质为多数非线性电阻元件所具备半导体二极管的电阻随着其端电压的大小和极性的不同而不同，当外加电压的极性和二极管的

22、极性相同时，其电阻值很小，反之二极管的电阻值很大。半导体二极管的这一性能称为单向导电性，利用单向导电性可以把交流电变换为直流电。绘制伏安特性曲线通常采用逐点测试法，即在不同的端电压作用下，测量出相应的电流，然后逐点绘制出伏安特性曲线，根据伏安特性曲线便可计算其电阻值。三、实验设备1直流电压表、电流表各1块；2直流稳压电源（双路030V可调）1台；3EEL51N单元板1块。 4低压导线若干。四、实验内容及步骤1测定线性电阻的伏安特性按图12接线，图中的电源U选用恒压源的可调稳压输出端，通过直流数字毫安表与1k线性电阻相连，电阻两端的电压用直流数字电压表测量。调节恒压源可调稳压电源的输出电压U，从

23、0伏开始缓慢地增加（不能超过10V），在表11中记下相应的电压表和电流表的读数。表11 线性电阻伏安特性数据U(V)012345678910I(mA)2测定半导体二极管的伏安特性（1）测量二极管的正向特性按图12接线，R为限流电阻，取200（十进制可变电阻箱），二极管的型号为1N4007。测二极管的正向特性时，其正向电流不得超过25mA，二极管VD的正向压降可在00.75V之间取值。特别是在0.50.75之间更应取几个测量点；将数据记入表13表12 二极管正向特性实验数据U (V)00.20.40.450.50.550.600.650.700.75I (mA)4测定稳压管的伏安特性将图13中的

24、二极管1N4007换成稳压管2CW51，重复实验内容3的测量，其正、反向电流不得超过20mA，将数据分别记入表15和表16中。表13 稳压管正向特性实验数据U (V)00.20.40.450.50.550.600.650.700.75I (mA)五、实验注意事项1测量时，可调稳压电源的输出电压由0V缓慢逐渐增加，应时刻注意电压表和电流表，不能超过规定值。2稳压电源输出端切勿碰线短路。3测量中，随时注意电流表读数，及时更换电流表量程，勿使仪表超量程。六、实验报告要求1根据实验数据，分别在四个直角坐标系中绘制出各个电阻的伏安特性曲线。2根据伏安特性曲线，计算线性电阻的电阻值，并与实际电阻值比较。3

25、思考题：通过比较线性电阻与灯丝的伏安特性曲线分析这两种元件的性质有3、惠斯通电桥测电阻实验目的1了解惠斯通电桥的构造和测量原理2熟悉调节电桥平衡的操作步骤3了解提高电桥灵敏度的几种途径实验仪器万用电表、电阻箱、检流计、滑动变阻器、直流电源、待测电阻、电键、导线、箱式电桥实验原理1惠斯通电桥工作原理GR1(Rx)R2R3R4RGKGI1I2abcdE KE RE图1惠斯通电桥原理图图1是惠斯通电桥电路。四个电阻R1（Rx）、R2、R3、R4，称作电桥的四个桥臂，组成四边形abcd。对角bd之间连接检流计G，构成“桥”，用以比较桥两端的电位。当b和d两点的电位相等时，检流计G指零，即 IG0，电桥

26、达到了平衡状态。此时有 （1）即 （2） （3）两式相除，得 （3）或者 （4）上两式表明：当电桥达到平衡时，电桥相邻臂电阻之比相等，或者说电桥相对臂电阻之乘积相等。若R2、R3、R4为已知，则待测电阻R1（Rx）可由下式求出 （5）通常称R1为测量臂，R2、R3为比例臂，R4为比较臂。所以电桥由四臂（测量臂、比较臂和比例臂）、检流计和电源三部分组成。与检流计串联的限流电阻RG和电键KG都是为在调节电桥平衡式保护检流计，不使其在长时间内有较大电流通过而设置的。2N值的选取令比值R2 / R3N，则 （6）通常取N为10的整数次方，例如取N等于0.01，0.1，1，10，100，1000等。这样

27、，可以很方便的计算出Rx。由（6）式可知，Rx的有效位数由N和R4的有效位数来决定。如果R2、R3的精确度足够高，使比值N具有足够的有效位数，则可视为常数。因此Rx的有效位数就由R4来决定。但N确定后，R2、R3的数值不是唯一的，从测量精度和电桥灵敏度考虑，一般可取R2、R3同数量级。3电桥灵敏度式（6）是在电桥平衡条件下推导出来的。在实验中，测试者是依据检流计G的指针有无偏转来判断电桥是否平衡的。然而，检流计的灵敏度是有限的。例如，选用电流灵敏度为1格/1微安的检流计作为指零仪。当通过检流计的电流小于107A时，指针偏转不到0.1格，观察者难于察觉，就认为电桥已经达到平衡，因而带来测量误差。

28、对此，引入电桥灵敏度S的概念。 （7）式中 R在电桥平衡后比较臂电阻R4的微小改变量； n相应的检流计偏转格数。电桥灵敏度S的单位是“格。S越大，在R4基础上改变R能引起的检流计偏转格数就越多，电桥越灵敏，由灵敏度引入的测量误差越小。如S=100格，表示当R4改变1时，检流计有1格的偏转。实验和理论都已证明，电桥的灵敏度与下面因素有关：（1）与检流计的电流灵敏度Si成正比。但是Si值大，电桥就不易稳定，平衡调节比较困难；Si值小，测量精确度低。因此选用适当灵敏度的电流计是很重要的。（2）与电源的电动势E成正比（3）与电源的内阻rE和串联的限流电阻RE有关。增加RE可以将度电桥的灵敏度，这对寻找

29、电桥调平衡的规律较为有利。随着平衡逐渐趋近，RE值应适当减到最小值。（4）与检流计和电源所接的位置有关系。当RGrERE，又R1R3、R2R4、或者R1R3、R2R2，那么检流计接在bd两点比接在ac两点时的电桥灵敏度来的高。当RGrERE时，满足R1R3、R2R4或者R1R3、R2R4的条件，那么与上述接法相反的桥路，灵敏度可能更高些。（5）与检流计的内阻有关。RG越小，电桥的灵敏度Sb越高。反之则低。4箱式电桥（QJ23型直流电阻电桥）使用方法：（1）将B、G打到内接（“B”用来接通电源，“G”用来接通检流计）。然后调零。将待测电阻接在Rx两接线柱上。（2）根据待测电阻的粗略值(标称值或万

30、用表测出的数值),选定合适的比例臂的数值,使电桥平衡时,比较臂的四个旋钮都能用上（测出四位有效数字）。若Rx为数百欧，比例臂应选0.1。若Rx为数千欧。比例臂应选1。其它以此类推。（3）将比例臂旋钮旋到Rx的粗略值上。（4）进行测量，先按下按钮“B”，再点按按钮“G”(即按一下立即放开)，迅速观察检流计指针偏转方向，指针如偏向“+”一边，则应增加Rs值，如偏向“”一边，则应减小Rs的值。直到点按按钮“G”时，检流计指针不动为止。此时比例臂R4的数值乘以倍率（R2/R3）的数值就是被测电阻Rx的数值。测量时，有时遇到下列情况：旋钮置于那一位置时，检流计指针都不指零。如旋钮置于4时，指针偏向“+”

31、方2格,旋钮置5时，指针偏向“”方6格，说明测量值最后一位在4和5之间某一值，这时可根据指针“”“”偏转格数大小来取其中一个值。如上面所说情况，取4不取5。（5）使用完毕应将“B”和“G”按钮松开。（先放开“B”，再放开“G”。这样操作可防止在测量电感性元时损坏检流计）。实验内容1用组合电桥测电阻（1）按图1接线。用三个电阻箱和检流计组成电桥。测量前可用万用表粗测一下电阻值。（2）根据待测电阻的大致阻值，选择合适的N值。比例臂R2和R3不宜取的很小，可取R2R3500。（3）先将电源电压取最小值，限流电阻取最大值。（4）调节电桥平衡：先加一小电压，间断的接通电键KG，试探电桥是否平衡。如不平衡

32、，调节比较臂至检流计偏向另一方，则先后两阻值间必有一值恰能值电桥趋于平衡。此后，逐渐增大电源电压或减小限流电阻，细调平衡。且以多次接通 电键时检流计指针是否稳定不动，为平衡的依据。电桥平衡后，读出R4，计算Rx，并估计不确定度。2测量电桥的相对灵敏度参照式（7）拟定测量步骤。3使用箱式惠斯通电桥测电阻参照箱式惠斯通电桥的使用说明书。4参照下列要求进行探索并记录结果（1）RG和RE取最小和最大时的差别（2）R2、R3取5000和50时的情况（3）对调检流计和电源的位置时的情况思考题1电桥由哪几部分组成？电桥的平衡条件是什么？2当电桥平衡后，若互换电源与检流计的位置，电桥是否平衡？ 3怎样消除比例

33、臂两只电阻不准确而造成的系统误差？ 4是否可以用电桥来测量电流表内阻？测量的精度主要取决于什么？ 5电桥的灵敏度是否越高越好？4、霍尔效应实验装置简介HL-IV型霍尔效应实验组合仪由实验仪和测定仪两大部分组成。本套仪器可以测量霍尔电压随霍尔电流变化的曲线，霍尔电压随励磁电流变化的曲线，也可以测量X方向磁场分布曲线，Y方向磁场分布曲线，以及磁场强度电磁铁芯的磁导率等。实验原理（1）如图1一个导体和半导体薄片，设在X方向通有工作电流Is，Z方向加一磁场，则在与Is和都垂直的Y方向便会出现一个横向电位差，这种现象称为“霍尔效应”，横向电位差称为“霍尔电压”。霍尔效应可用洛仑兹力来解释。设导电薄片宽、

34、厚、长分别为a,b和l，设电流Is和磁场B分别沿x方向和z方向，这时电荷为q的载流子以速度v运动而所受的洛仑兹力为a= （1） y A a Is xb B A z l b 图1霍尔效应示意图在FB的作用下，带正电的载流子q便向A端聚集，而在A端则聚集了与q符号相反的电荷，A,A两端聚集的正负电荷将建立一个电场，称之为霍尔电场，所以载流子除受到洛仑兹力作用外，还受电场力 （2） 的作用，此力将阻止载流子q向A端偏转，直至即或时，载流子受力达到平衡，由图1可见，霍尔电场与霍尔电压的关系为 = = (3)设薄片中载流子的浓度为n（单位体积内载流子数），则Isabvnq,所以 （4）代入（3）式得 （

35、5）令，并称为霍尔系数，它的正负取决于载流子的符号，令并称它为霍尔灵敏度，对给定的导电薄片，它是一个常数，由于半导体的载流子浓度n小于金属中的载流子（自由电子）浓度，所以半导体的霍尔灵敏度比金属大，即半导体的霍尔效应比金属显著，代入后，（5）式可写成 （6）由此可见，若，已知，则只需测出霍尔电压，就可算出磁感应强度B的值。霍尔元件负效应的影响及其消除在产生霍尔电压UH的同时，还伴生有四种负效应，负效应产生的电压叠加在霍尔电压上，造成系统误差，因此需要根据其机理予以消除。1、额廷格森效应：从微观的和统计的概念可知，在半导体中流动的载流子（例如n型材料中的电子），其速度有大有小，并不相等，因此，它

36、们受到的洛仑兹力并不相等，速度大的电子受力大，更多的聚集到e面，快速电子动能大，致使e面的温度高于c面，由于温差电效应，ce之间将产生电势差，记为,的方向决定于电流IH和磁场B二者的方向，并可判知的方向始终与相同，因此不能用换向法把它与分离开来。2、能斯脱效应：如图2，“1-2”这对电极在a,b面上的接触电阻不可能制作得完全相等，因此，当电流IH流过不等的接触电阻时，将产生不等的热量，致使a,b面温度不相等，热处电子动能大，扩散能力强，动平衡的结果是电子从热端扩散到冷端，形成附加的热电子流，这附加电流也受磁场偏转而在“3-4”端产生电势差记为，可看出的方向与IH的方向无关，只随磁场方向改变而改

37、变，这样，我们就可以采用“对称测量法”（改变方向，各测一次“3-4”端的电热差，取其平均值，因此又称换向法）消去。3、里纪-勒杜克效应：在能斯脱效应的该热电子流也与一样具有额廷格森效应附加电势差，记为URL，其方向也与方向无关，只与磁场B方向有关，即与UH同方向，所以可用同样方法消去URL。4、不等势电压降Ua：电极3和4应该做在同等势面上，但制造时很难做到，如图四所示，因此，即使未加磁场，当IH流过时，在“3-4”端也具有电势差，记为UO，其方向只随方向改变而改变，而与磁场方向无关，这样也可以采用对称测量法（也是换向法），改变磁场方向，消去Ua。因此为了消除负效应的影响，在操作时我们需要分别

38、改变的方向和B的方向，记下四组电势差的数据：取、B均为正向，测得的电热差记为U1，此时令各种电压均为正（取电压的标量），则有：U1=UH+UE+UN+URL+UO (1)再使IH为负，B仍为正，此时UH、UE和UO换向，而UN、URL不换向，测得的电势差记为U2，则U2=-UE-UH+UN+URL-UO (2)再使、B皆负，此时UH、UN又换为正，UO仍负，UN、URL换向为负，测得的电势差记为U3，则U3=UH+UE-UN-URL-UO (3)再改为正B为负，测得的电势差记为U4，则：U4=-UH-UE-UN-URL+UO (4)然后求其代数平均值，即可消去UN、URL和UO UH+UB=（

39、U1-U2+U3-U4）/4 (5)UE由于方向始终与UH相同，所以换向法不能消除它，幸好一般UE199.9mV，则电压表出现溢出现象。4、注意事项（1）有时调节电位器或调节电位器起点不为零，将出现电流表指示末位数不为零，亦属正常。（2）在实验过程中实验仪上的VH开关自始至终应保持闭合，否则VH显示为“1”或数字跳动现象。（3）在改变或霍尔元件位置过程中应断开实验仪上的换向开关以防线包长时间通电而发热，导致霍尔元件升温影响实验结果。六、霍尔效应实验仪X、Y调节 样品架 霍尔片 电磁铁 IH换向 VH、VO换向 IM换向 IH输入 VH、VO输出 IM输入 XX、Y、Y调节 样品架 霍尔片 IS

40、换向 VHVO换向 IM换向 IS输入 VHVO输出 IM输入 1、电磁铁：规格为5025，磁铁线包顺时针绕制，根据绕制方向及励磁电流IM流向、绕制线径、匝数可确定磁感强度B的方向和大小。2、霍尔元件：仪器用的材料为N型半导体硅单晶片，样品的几何尺寸如下（图二所示）。霍尔片共有二对电极，其中c、e用于测量霍尔电压，a、b为工作电流电极，各电极与双刀换向开关的接线见实验仪上图示说明。霍尔元件装在样品架上，样品架具有x、y调节功能及读数装置，霍尔元件放置的位置如图二所示。IH Z B 3 c X d 1 V 2 UHa b eY 43、和IM换向开关及VH、V0测量选择开关。七、实验内容和步骤1、按照图一连接好测量线路，检查线路，确保线路的正确，否则会烧坏霍尔片（图中由霍尔片引出的四条线的连接方式已经给出）。2、将霍尔片置于电磁铁缺口中心处，合上的双向闸刀（、VH双