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1、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
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
3、 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
4、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
5、-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
6、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
7、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；
8、(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
9、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
10、(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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、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：使用模拟法描绘静电场的等势线，就可以把难于直接测量的物理量一一静电场的电势，转化为对能够方便进行精确测量的稳恒电流场电压的测量。而两者具有相同的数学表达形式。1-6 设计性实验基础知识1.设计性实验的性质与任务：
18、(1)设计性实验的定义：设计型实验是在学生完成了一定的基础实验训练后，对学生进行的介于基础型实验与实际科学实验之间的，具有对科学实验全过程进行初步训练特点的教学实验。这类实验课题一般由实验室提出，是基础性、验证性及综合性实验的延伸。具有综合性、典型性、探索性和部分设计性等特点，要求学生根据相关理论，确定实验方法，选择配套仪器设备(或实验室给定设备)进行实验，最后写出比较完整的实验报告。(2 )设计性实验的核心任务：设计性实验的核心是设计、选择实验方案，并在实验中检验实验方案的正确性与合理性。设计内容一般包括：根据研究的要求、实验的精度和现有的主要仪器，以及所选择的实验方法与测量方法，选择测量条
19、件与配套设备，并对测量数据的合理处理等。(3)设计性实验的实验过程：在进行设计性实验时，主要是完成实验任务，同时应考虑各种误差出现的可13能性，分析其产生的原因，以及从大量的测量数据中发现和检验系统误差的存在,估计其大小，并消除或减小系统误差的影响。2.实验方案的选择和实验仪器的配套：(1 )实验方法的选择：根据课题所要研究的内容，收集各种可能的实验方法，即根据一定的物理原理，确定被测量与可测量之间关系的各种可能方法。然后比较各种方法能达到的实验准确度、各自适用条件及实施的可能性。以确定“最佳实验方法”。要在实验室所提供的实验条件基础上，通过分析，确定一个误差相对较小，测量方法相对完善的实验方
20、案。(2)测量方法的选择：实验方法选定后，为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来源及误差传递的分析，并结合可能提供的仪器，确定合适的具体测量方法。因为测量同一个物理量，往往有好几种测量方法可供选择。在仪器已确定的情况下，对某一量的测量，若有几种测量方法可供选择时，则优先选择测量结果误差最小的那种方法。(3 )测量仪器的选择：选择测量仪器时，一般考虑以下四个因素：1 ：分辨率；2：准确度；3:量程;4：价格。由于量程由待测物理量大小决定，在满足测量要求情况下应选择较小的量程。在能满足分辨率和精度要求的条件下，应尽可能选择价格较低的仪器。(4 )测量条件的选择：确定测量的最有利条件，也就是
21、确定在什么条件下进行测量引起的误差最小。这个条件可以由各自变量对误差函数求导并令其为零而得到。电学仪表在准确度等级选定以后，还要注意选择合适的量程进行测量，才能使相对误差最小。一般应使测量值在接近满量程处测量(读数)。(5 )数据处理方法的选择：参阅有关的数据处理方法，选用一种既能充分利用测量数据，又符合客观数据的数据处理方法。(6)实验仪器的配套：需要使用多种仪器时，仪器的合理配套问题比较复杂，一般规定各仪器的分误差对总误差的影响都相同，即按等作用原理选择、配套仪器。由于物理实验的内容十分广泛，实验的方法和手段非常丰富，同时还由于误差的影响是错综复杂的，是各种因素相互影响的综合结果，因此，要
22、很概括地分析或总结出一套选择实验方案和分析系统误差的普遍适用的方法是不现实的。应该通过设计性实验的实践、积累和总结，逐步培养进行科学实验的能力和提高进行科学实验的素质。(7)设计实验方案要求：1 写出实验原理及测量公式；2 .拟出实验步骤；实验方案自行设计;实验仪器自主选制;实验过程自觉实施.不限定实验方法，不固定实验步骤，实验结果归纳不定向.3 .列出数据表格。多角度、深入、细致观察，分析实验现象与数据，开放性归纳总结实验结论。14第二部分电磁学实验2-1基础性实验准备知识 控制电路与分压电路 基本目的:1.了解基本仪器的性能和使用方法；2.掌握限流与分压两种基本电路的连接方法,性能和特点，
23、3.学习检查电路故障的一般方法；4.熟悉电磁学实验的操作规程和安全知识.仪器和材料:毫安表，伏特表,直流稳压电源，滑线变阻器，电阻箱，开关，导线.知识预习与储备:阅读 1-1,1-2,1-3.原理:电路可以千变万化，但每个电路一般可以分为电源,控制和测量三个部分.测量电路是先根据实验要求而确定好的，例如校正电压表,需选一标准的电压表和它并联，即为测量电路,它相当于一个负载;另外需要一个合适的电源.而控制电路的作用就是控制负载的电流和电压，使其数值和范围达到预定的要求.常用的是限流和分压电路.控制元件主要是用滑线变阻器和电阻箱.(1)限流电路：如图2-1-1所示CRI A R2 BE图 限 流
24、电 路 电 路 图图中E 为直流稳压电源,Rz为负载(此处为阻阻箱),Ro为滑线变阻器,A 为电流15表,K为开关.电路中改变Ro大小即可改变电路电流I.E&+AC当电路中的E,RR。确定后，电路中电流变化A I与 产成正比，因此电路电流越大,越难进行细调.而要使经过负载上的电流在大电流和小电流情况下都能实现细调，就必须使 I的绝对值变小,为了同时保证可调电阻Ro在体积不至于太大的情况下满足一定的阻值,可采用二级限流,如下图212所示：R20图 21一2 二级限流电路电路图图中,Rio阻值较大，作粗调用;R20阻值较小，作细调用夫20 一般为Rio的1。左右.(2)分压电路：分压电路如图所示:
25、2-1-3图21 3分压电路可以清楚的看到分压电路的几个特点:16(1)不 论 Ro的大小，负 载 Rz的电压调节范围均可从0-E;(2)令 K=R2/R1,K越小电压调节越不均匀；(3)K 越大电压调节越均匀，因此取K1比较合适，实际上取到R1WR2即可达到测量要求.(4)若一般分压达不到细调的要求，可进行如下布局，如 图 2-1-4所示214 二段分压电路图1.分流与分压方式的差别与选择(1)调节范围分压电路的电压调节范围大，而限流电路的电压调节范围小.(2)细调程度前者在使用范围内调节基本均匀，但可调范围小;后者负载上电压小，但在电压增大时较难细调.(3)功率损耗采用同一组变阻器,分压电
26、路的功耗比限流电路要大.基于以上差别，当负载电阻较大，调节范围较宽时可选分压电路;反之，当负载功耗较大，电阻较小，调节范围不大时则选用限流电路.采用二级电路可满足一级电路无法达到的细调要求.实验内容:1.仔细观察电表的刻度盘，记录表盘上的符号和数字，说明其意义?说明所用电表的最大引用误差是多少？2.记下所用电阻箱的级别,如果电阻箱的示值是400欧姆，它的最大容许电流是多17少？3.限流电路特性研究：按照限流电路进行实验,注意根据所使用的毫安表的量程和负载的最大容许电流，来确定实验时的最大电流以及电源电压值.连接电路,设置电源电压和电路中各电阻的值.复查一遍电路无误后,闭合电源开关K,移动C 点
27、观察电流表的示值变化是否符合设计要求.移动变阻器滑动头C,在电流从最小到最大变化过程中，测 量 8-1 0 次电流值及相应C 在标尺上的位置L,记下变阻器绕线部分的长度Lo以 L/L。为横坐标，电流为纵坐标作图.同时，测量在I 为最大和最小时,C 移动一小格时电流值的变化 I.取 K=l,重复上述测量并绘图.4.分压电路的研究按照图示进行实验，用电阻箱作为负载Rz取 K=2确定Rz值，参照变阻器的额定电流和负载的容许电流,确定电源电压E 之 值.移动变阻器滑动头C,使加到负载上的电压从最小变化到最大，测 量 8-1 0 次电压值U 及 C 点在标尺上的位置L,用 L/L。为横坐标,U 为纵坐标
28、作图.同时，测量当电压值最小和最大时,C 移动一小格时电压的变化 U.取 K=0.1,重复上述测量并绘图.5.参照二段限流与二段分压电路,再测量C 移动一小格时的 U和 I.18实验一 RC RLC电路暂态特性研究 实验目的:1、考 察 R C （必做）、RL（选做）电路的暂态过程，加深对电容和电感特性的认识；2、考察R L C 串联电路的暂态过程，加深对阻尼运动规律的理解；3、掌握和熟悉函数发生器、示波器等仪器设备的使用技术。实验仪器:标准电感箱、标准电容箱、函数发生器、示波器、电阻箱等 实验原理：1、RC电路的暂态过程；*2.RL电路的暂态过程（选做）；3.RL C串联电路的暂态过程一一电
29、路阻尼运动规律研究。实验内容:1.观察RC电路的暂态过程（1）观 RC电路暂态过程，并测量电路的时间常数T。仿真图如下图所示,图(a)图(b)190.000 0.002 0.004 0.006X Axis Title(c)正脉冲宽度RC时间常数RC(R=lKQ,C=0.1 PF)(d)正脉冲宽度R C 时间常数RC(R=lKQ,C=0.1 uF)20(e)正脉冲宽度4 RC时间常数RC(R=l()KQ,C=0.1 U F)正脉冲宽度*RC时间常数RC(R=1()KQ,C=0.1 PF)X Axis TitleI data II SCP|X Axls Title(g)正脉冲宽度 RC时间常数RC
30、(R=1OOKQ,C=O.I U F)(h)正脉冲宽度 RC时间常数RC(R=100KQ,C=0.1 PF)注意在进行硬件实验时，示波器的地线与函数信号发生器的地线必须接在一起。步 骤 1一一检查仪器，连接电路，检查无误后通电试验；步骤2调整仪器参数，观察、记录实验现象：如图(a),取 电 容 C=0.1 U F,调节方波发生器输出频率，使函数发生器输出电压Vo=5V,频率固定在户500Hz,21先调节电阻箱使R=OQ,示波器上可观测到两个近似方波波形，记录并确认波形属性；然后调节R,示波器上显示如图(c)所示的充放电波形，记录此时的R值。其中，方波为，其幅值等于方波电源的幅值U o。充放电波
31、形中充电段为，放电段为 o充电最高电压等于电源电压U o。再 调 节 R，使之逐渐增加，可以发现图形发生明显变化，出现类似三角波，充电电压最大值小于U o,如图(e)步骤3 一记录三种典型的波形，并参照教材内容分析说明为什么会产生这三种波形。(2)固定电阻箱阻值在R=1 0 k Q,改变函数发生器的频率/,示波器上可再次显示三种典型波形，记录产生上述三种波形时的频率力并说明产生相应波形的原因。(3)测量RC串联电路的时间常数T 步 骤 1选择充放电充分的波形，即从记录的图形中找出充电最大值U o,放电最小值为零的图形(在测量0.5 T 时，应利用示波器时基调节开关，使示波器上显示的波形宽一些，
32、以减小估读不确定度。记录0.5 T 值)。步骤2 一由公式0.5 T=R C ln2=0.6 9 3 R C由此计算电路的时间常数T ,将此数值与电阻箱、电容箱标称值计算结果进行比较，结果计入下表：波形名称参 数波形图RC暂态分析电容电压Uc的波形信号源半周期t p/m s(1)R/K QC/HFT/m s标称值测量值(4)观察RC电路积分波形与微分波形。步 骤 I 按照图(b)连接电路，调整其中R=1O K Q,C=O.1 u F,电源频率f=5 00H z,可观察到图(f)。步骤2 调节R C O.ltpo观察并记录&电压微分波形;波形名称参 数波形图RC暂态分析电阻电压UR的波形信号源半
33、周期t p/m s(1)R/K QC/u F22T/ms步骤3一一按照图(a)连接电路，调整RC10tP)观察并记录Uc电压积分波形;波形名称参 数波形图RC暂态分析电容电压Uc的波形信号源半周期tp/ms(1ms)R/KCC/uFT/ms(102*.观察R L 电路的暂态过程(选做)步骤和观察R C 电路的暂态过程类似。观察电感两端的电压U L随时间变化的规律，并作出解释。3.观察RLC电路的暂态过程。(1)RLC串联电路暂态特性测试电路仿真电路图如下图所示：实验步骤1检查仪器，连接电路，检查无误后通电试验；实验步骤2按图接线，调整仪器参数：取 L=0.1H,C=0.01 口 F,适当调节方
34、波发生器的频率为，同时可以调节电阻箱R,产生下图所示RLC串联电路阻尼振荡过程。23i-5I-a I_ coaXABTo XAxis Tltta XAxeTBe欠阻尼 临界阻尼 过阻尼由于：Uc(t)=q(t)/C所以，q(t)的波形与Uc的波形完全相似，于是在示波器上就能观察到在不同R下的q(t)随时间变化的三种状态。实验步骤3一将临界阻尼状态时回路总电阻的实验值(包括电阻箱R、电感的损耗电阻R L和函数发生器的内阻r)与理论值R=比较。*提示：函数发生器的内阻r 可采用半偏法测量。实验步骤4一一测量欠阻尼振荡周期T,T=A t/n,其中，A t为波形某两点之间的时间间隔，n 为 时 间 内
35、 波 形 的 周 期 数，将 T 与理论值TO比较。实验步骤5利用示波器时基调节开关显示出欠阻尼状态放电波形若干个峰值,记录连续多个峰值对应时刻L、t2、t3t,对进行拟合处理后，求出时间常数一并与 理 论 值 户 二 进行比较。R24实 验 二 RLC串联谐振电路特性研究 实验目的:1.进一步学习通用示波器的工作原理和使用方法；2.学习RLC串联谐振电路工作原理；3.使用示波器观察RLC串联谐振电路相频、幅频特性.实验仪器和材料:YB4328型示波器,CA5020型示波器；HG1021型低频信号发生器,HG1630型函数发生器，CA1640型函数发生器；电阻箱，标准电容箱，导线若干.实验原理
36、:将简谐交流电压加在由电阻，电感，电容组成的电路，电路中的电流和电压将随着电源的频率的不同而改变.这种关系称作幅频特性.1.R C 串联电路：3 表示电源的圆频率,U,I,UR,U c分别电源电压，电流，电阻上的电压，电容C 上的电压的有效值.如图1所示：I=U/、R2+(1/0 0 2UR=IRUc=-a)C由上式可知，当电源频率增加时，电流的幅度和电阻R 上的电压幅度均有增加,而电容上的电压幅度有所下降.利用电路的这种特性,可以将不同频率的信号在不25同的元件上分开，组成各种滤波器.2.R L串联电路:如图2 所示：有：I=U/J/?2+3-)2UR=IRUL=I3LRL串联电路的幅频特性
37、正好与RC 电路相反.当3增加时,1和UR均减小，而5.Z 则增大.这样的幅频特性同样可以组成滤波器.3.RLC串联电路:如图3 所示：LRC电路回路中电流I 为:26,u u1=LZ(R+R)2+(LS)V Cat当 L 3=L 时,电流最大，称此时的状态为谐振状态，回路中的信号频率与角频Cco率分别表示为fo和 0o-1 F-1豌-卮，。一 瓦 辰3与回路电流I 的关系如下图4 所示：图 4 实验内容:1.测量串联电路的谐振曲线；(1)选 择 L=0.1H,C=0.05微法,R=100欧姆，电源电压有效值取IV,用交流毫伏表测量R上的电压值,即可算出I 值.(2)测量范围从1400-340
38、011Z,每 隔 100Hz测一次电压值,在谐振点附近应多测几个点.注意保持电源输出电压的稳定.(3)谐振点测量Uc,Ui的值.观察它们的电压值大小情况.(4)改变R值为500欧姆，再测一条曲线.272.测量并联电路的谐振曲线:参照上面步骤进行测量，电源电压保持在0.4V3.数据列表处理，得出结论.4、仿真实验部分图 5 RLC串联谐振回路幅频特性测试电路图(仿真图)*仿真结果：用波特图仪测得的幅频特性曲线(2)、RLC串联谐振回路相频特性测试电路，如图2 所示:28RLC串联谐振*仿真结果:用（虚拟）示波器观察总电压和总电流谐振时的波形为同相位观察谐振时电感电压和电容电压的波形为两者反相29
39、R L C串 联 电 路 的 幅 频 特 性 和 相 频 特 性（波 特 图）实验三使用示波器测定信号基本电学参量 引言:示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，既能直接测量电信号的波形（电压与时间关系），能测量电压信号的幅度、周期、频率和相位等参数。配合各种传感器，一切可以转化为电压的电学量（如电流、电功率、电抗等）和非电学量（如温度、位移、速度、压力、光强、磁强等）都可以用示波器来观测。实验目的:1、学习通用示波器的结构和工作原理，初步掌握示波器的调节过程和方法；2、学习使用示波器观察电信号的标准波形，定标方法以及使用利萨如图形法测量电压和频率的方法；3、学习使用示波器测量非电压量的方法.实验
40、仪器和材料:YB4328型示波器,CA5020型示波器；HG1021型低频信号发生器,X F D-6 型低频信号发生器；CA1640型函数发生器；电阻箱 实验原理:详见实验教材之实验十四内容中原理部分，结合实验过程在实验报告中写出1、示波器基本结构（含示波器结构示意图图、示波管结构示意图，要求写出图中各单元的名称）；示波器的构造和工作原理:示波器的电路结构原理图如图1所示：图 1示波器结构示意图示波器的基本组成包括示波管、y 轴和x 轴衰减器、扫描同步电路及电源电路.其中示波管的结构如图2 所示：31图 2示波管结构示意图示波管主要结构由电子枪、管颈、锥体和荧光屏组成.电子枪由灯丝、阴极射线管
41、、控制栅极、加速阳极及聚焦极构成，作用是发射电子至荧光屏.电子束由电子枪出发,受到阳极吸引，同时穿过聚焦电极形成的聚焦电场，最终在荧光屏上形成亮点.在其前进方向上,正交的y轴和x轴向偏转电场使电子束发生偏转，采用特殊工艺可使得偏转在荧光屏上的投影即光点偏转距离与所加电压近似成正比.着也就是可以使用电子示波器测量信号电压的工作机制.2、示波器显示信号原理（图273、图274）,阅读P181 182页内容对这两幅图物理意义进行解释由上面叙述可知，电子束所成光点在示波器面板上的运动轨迹，实际上有横向和纵向两个独立的运动方向.在这两个方向上，光点扫过的距离与对应方向上所施加的电压成正比.首先使用标准信
42、号对这两个方向进行定标操作，就可以方便的利用上述线性关系进行测量了.如图3所示：图 3%=KY工作示意图实际上，使用示波器可直接测量电压值，如果要测量其它物理量,首先要将待测物理量转换为电压量，再行测量.例如:首先在示波器横轴向输入一线性波，其对电子32束的作用如图4 所示:图 4 用示波器还原信号工作示意图这种波形称作锯齿波，它驱动电子束在横向作周期性振荡，因其电压变化与时间成正比，而示波器横向电压与扫描距离成正比，所以这种波可以使示波器的横向展开成均匀的时间轴.这对得到纵向信号的标准波形是不可或缺的.如 图 4 所示:即为横向锯齿波将纵向正弦波展开的过程示意图.用这种方法，就可以进行横向时
43、间轴向的定标，从而测算待测信号的周期或频率了.3、写出使用示波器测量非电压量的机制实际上，使用示波器可直接测量电压值，如果要测量其它物理量，首先要将待测物理量转换为电压量，再行测量.实验内容:1.观察波形与定标.操作：示波器使用前的调整与定标.（1）打开示波器电源，使用示波器配备的带衰减探头，（用红、兰两色色环标识，根据个人使用习惯分别代表两通道。例如：红色接通道1,蓝色接通道2）连接通道 1和通道2；探头一端挂钩连接示波器面板上1kHz标准方波信号输出端，接地夹子夹 住 面 板 上 提 供 的（接地）接线柱。（2）两探头衰减置于“X 10”位置，此时送入信号被衰减到原信号大小的l/10o33
44、(3)调整示波器显示功能，在两通道得到标准信号波形，根据具体情况调整“亮度”、“聚焦”、“t I”、“一*”、“光迹旋转”以及横轴扫描分度率“(S/div)”、两通道的显示分度率“(V/div)”、“触发”等旋钮，在示波器屏幕上得到稳定、清晰的方波波形，根据波形对示波器屏幕网格进行定标。2.对待测信号进行测量.(1)将信号源输出信号送入示波器Y 通道，调节示波器显示其波形，读取其纵向峰值对应格数y；读取横向整数个周期波形对应的格数x；将 y 与 x 分别与各自通道显示的“V/div”和“S/div”作运算，所得的乘积即为电压峰峰值与时间间隔，经过简单运算即可得到信号电压有效值、周期值以及频率值
45、.(2)调整信号源频率范围和示波器显示设置，可 实 现“交替”、“断续”、“叠加”等功能。3.利用利萨如图形进行测量.(1)将两信号源的信号分别送入示波器的两通道Y,和 丫 2,将示波器显示方式从“Y-Y”方式转换为“X-Y”方式，两信号共同驱使电子束在荧光屏上进行迭加运动,产生的波形称作利萨如图形.如下图5 所示：(2)依据示例图形，显示5 7 种比例的利萨如图形。图 5不同相位和频率比的利萨如图形示例34实验四惠斯登电桥测电阻 引言:电阻是一切电学元件的重要参数之一。电阻的测量，是关于材料的特性和电器装置性能研究的最基本工作。由于电阻这个电学量与其它许多非电学量（如形变、温度、压力等）有直
46、接关系，因而可以通过电学方法对材料电阻的测量来确定材料的这些非电学量。待测电阻的大小，只能通过它对电路的影响来反映，一般都是根据欧姆定律来测量（如伏安法测电阻）。由于利用欧姆定律测电阻要使用电表读数，测量准确度受到电表准确度的限制，不可避免地带来误差。在伏安法线路的基础上经过改进的电桥电路克服了这些缺点，它不使用电表读数，而是将待测电阻与标准电阻简单地进行比较来测量电阻。由于标准电阻制作误差很小，可达到很高精度，故使用电桥测量可达到较高的准确度。电桥电路不仅可精测电阻，而且可以用于测量电感、电容、频率、压力、温度、形变等许多物理量，并广泛地应用于自动控制之中。根据用途不同，电桥有多种类型，它们
47、的性能、结构各异，但其基本原理却是相同的。惠斯登电桥只是其中最简单的一种。实验目的:1.掌握惠斯登电桥测电阻的原理；2.学会正确自组电桥测量电阻的方法；3.了解提高电桥灵敏度的几种途径.实验仪器和材料:直流稳压电源，滑线变阻器，电阻箱，直流镜式检流计，待测电阻箱式成品电桥.实验原理:“电桥”是很重要的电磁学基本测量仪器之一.它主要用来测量电阻器的阻值,线圈的电感量和电容器的电容及其损耗.为了适应不同的测量目的，设计了多种不同功能的电桥.最简单的是单臂电桥，亦即惠斯登电桥,用来精确测量中等量值电阻（几十欧姆至几十万欧姆）.此外还有测量低值电阻的双臂电桥，亦即开耳文电桥;还有测量电感,电容及其损耗
48、的交流电桥等.各种电桥的工作原理和实验思想方法大致相同.惠斯登电桥的工作原理如图1所示.35R2ARi图1惠斯登电桥测量电路图图中AB,BC,CD,DA四条支路分别由电阻R1,R2,R3,R4组成，称为电桥的四条桥臂.通常，桥臂A D接待测电阻Rx,其余各臂均是可调节的标准电阻，在B D两对角间接入检流计.在A C两对角间接入电源，开关和分压电阻.电路接通后，检流计比较BD间的电势电桥之名由此而来.适当调节各臂电阻阻值，可使流过检流计的电流为零,即IG=O.此时，称电桥达到平衡状态.电桥平衡时B,D点间电势相等.有如下关系成立:U BC=UAC 叫+&平衡时,UBC二U DC，即&/?1+R)
49、&+R 4经整理简化后得：6=孰=呢/236通常，称上式中R2,R3之比为电桥比例，两电阻所在桥臂为比例臂，相应得尽 所在桥臂为比较臂.电桥可以看作四臂，检流计与电源三部分组成.就像使用天平称量物质质量的实验，测量的精密度主要取决于天平的灵敏度一样，使用电桥测量电阻时的精密度也主要取决于电桥的灵敏度.当电桥平衡时，若使比较臂思 改变一微小量A R4,电桥将随之偏离平衡状态，检流计发生偏转，偏转的格数为n个格，用S来表示电桥灵敏度：实验和理论证明，电桥灵敏度与下面因素有关：1 .与检流计的电流灵敏度S i成正比.但是S i过高，电桥就不易稳定，平衡调节也比较困难;S i小测量精确度低.因此要选用
50、适当灵敏度的检流计.2 .与电源的电动势成正比.3 .与电源内阻和电路中限流电阻的阻值有关.增加限流电阻阻值可以降低电桥的灵敏度,而这对于快速寻找电桥平衡点有利.调节过程中，应随着平衡逐步接近，干路电阻值应逐渐降低到最小.4 .与检流计内阻有关.RG越小,电桥的S越高，反之则低.*5.与检流计和电源所在的位置有关.实验内容:1 .用电阻箱,检流计，电源，滑线变阻器开关组成单臂电桥测量电阻.2 .电桥比例(R/R2)分别取为1/5,5/1和1/1,注意桥臂上的电阻阻值不宜选的过大或过小应照顾到各电阻均有合适的调节范围和精度.测量数据进行对比，判断同样实验条件下电桥比例对测量灵敏度的影响.3 .测