大学物理实验指导手机版精Word文档格式.docx
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dmVm2π4==ρ数据记录及处理:
1、铜圆柱体的质量:
m=g;
m是单次测量量,只计算B类不确定度。
所用物理天平(TW-1B示值变动性小于0.1g,同时忽略天平不等臂误差和砝码误差等,可认为仪器最大误差为:
0.1g,则质量m的不确定度:
∆m=∆B=∆仪=0.1g。
2、铜圆柱体的直径d和高度h,考虑到铜圆柱体不是
绝对规则,要在不同位置做多次测量。
螺旋测微器的零点读数为d0=mm,
3、==∑=iidnd1
mm;
d的A类不确定度:
=-=∆1(95.0Antn
Sdmm,
螺旋测微器的误差mm004.0=∆仪,d的B类不确
定度来源于直接测量量d0、d'
易得:
mm004.0222B⨯=
∆=∆仪,合成不确定度:
=∆+∆=∆2
B2
Admm。
4、==∑=n
iihnh1
1mm;
h的A类不确定度:
Shmm,游标卡尺的误差mm02.0=∆仪,h的B类不确定度
来源于直接测量量h0、h'
mm02.0222B⨯=
Ahmm。
5、铜圆柱体密度的测量平均值:
==hdm2π4ρ3cmg。
6、密度的合成不确定度:
=∆+∆+∆=∆222(2((
dmhdmρρ3cmg。
7、密度的测量结果:
ρρρ∆±
=,95.0≥p。
思考题:
1、与游标卡尺读数原理相似的仪器还有哪些?
2、测量数据中,铜圆柱体的直径d和高度h的不确定
性主要来源是什么?
实验讨论:
描述实验中观察到的异常现象及可能的解释,分析实验误差的主要来源,对实验仪器和方法的建议以及本实验在其它方面的应用等,还可以谈谈实验的心得体会。
附录:
长度、质量测量的基本仪器
1、螺旋测微器(千分尺
测砧测微螺杆螺母套管(主尺锁紧装置
(1测量前确保测砧和测微螺杆的测量面洁净。
(2被测物或测量面被夹紧前一定要转棘轮旋进,以免损坏测微螺杆。
(3测量前要记录零点读数,因为d=0时,读数不一定为零。
一般,读数为正值,若微分套管(分度尺0刻度线在主尺线下方,读数为负值,即-0.5mm+分度尺正读数(负+正后总体是负。
被测物的读数减零点读数才是其实际长度。
(4测量完毕,不要夹紧测量面,应留有缝隙,以免受热膨胀损坏测量面和测微螺杆。
2、游标卡尺
d
(1测量前确保测量面(或刀口洁净。
(2测量前要记录零点读数,因为d=0时,读数不一定为零。
一般,读数为正值,若游标0刻度在主尺0mm刻度左边,读数为负值,即-1mm+游标正读数。
(3读数时,毫米以上,看游标0刻度停在主尺多少毫米;
毫米以下,看游标第几条刻线和主尺刻线对齐,就读几倍0.02mm(此处0.02mm为最小分度,即游标刻线间距比主尺刻线间距少0.02mm。
(4用量爪测外径(长,量刃测内径(长。
3、物理天平
中央刀口横梁操作要点:
(1水平调节。
在天平底座上装有气泡水平仪,调节底座脚钉,使气泡位于水平仪中心。
有的天平利用铅垂线来调节水平。
(2平衡调节。
天平止动时,天平横梁被两个螺钉支撑,比较稳定。
先将托盘挂钩挂到两边刀口上,拨动游标至零刻线。
旋转升降旋钮,天平被启动,观察天平横梁是否平衡,指针是否指向零点(或平衡位置。
若不指零,反向旋转升降旋钮,天平被止动,调节平衡螺母。
再次启动天平,观察横梁或指针,反复调节。
若天平不能静止下来,只要指针左右摆幅近似相等,便可认为天平达到平衡。
(3称量。
止动天平,将被测物体放入左盘,合适的砝码放入右盘,启动天平,观察横梁或指针。
止动天平,增减砝码使天平平衡(注意,为了避免天平刀口受到冲击,在取、放砝码时,都必须使天平止动。
如果天平还未平衡,就要使用游码,移动游码也要使天平止动。
当天平达到平衡时,止动天平,记录砝码和游码的总质量,即被测物体的质量。
(4还原天平。
将托盘挂钩从两边刀口取下,取回被测物体和砝码,游码归零。
二比较法测量液体粘度
1、测量酒精的粘度。
2、掌握泊肃叶公式及其应用。
实验仪器:
奥斯特瓦尔德粘度计、支架、烧杯、容量瓶、量筒、滴管、天平、秒表、温度计。
实验原理:
奥斯特瓦尔德粘度计为一
U型玻璃管,左边管口较小较
短,管口下有一小玻璃泡,右边管口较大较长,靠底部有一大玻
璃泡,两玻璃泡之间由毛细直管和粗弯管连通。
实验中,先用将液面吹(吸至m刻线以上,待液面降至m
处开始计时,降至n处停止计
时。
由于两边玻璃泡的作用,液
面升降速度很慢,毛细管上下端
的压强差(21pp-可用流体静
压强计算。
若液体密度为ρ,两边液面距毛细管上下端点的高
度分别是h1、h2,则:
(2121hhgpp-=-ρ
(1若液面从m降至n所需时间为t,粘度计m、n之间的容积为V,根据泊肃叶公式:
⎰-+=ttLhhLgrV0214d8(πηρ(2
1
p2
p
式中η为液体的粘度,r为毛细管的半径。
如果用相同体积的酒精和水先、后注入粘度计中,分别测出下降时间,由(2得:
⎰-+=酒精酒精酒精ttLhhLgrV0214d8(πηρ(3⎰-+=水水水ttLhhLgrV0
214d8(πηρ(4实验中虽然h1、h2不断变化,但对于这两种液体,变化情况完全相同,因此,由(3、(4可得:
水
水水酒精酒精酒精ttηρηρ=(5即:
酒精水酒精水酒精tt⋅=ρρηη(6对于相同体积的两种液体,可以用质量比代替密度比。
即:
酒精水酒精水酒精ttmm⋅=ηη(7数据记录及处理:
3、==∑=iitnt1
水水s;
水t的A类不确定度:
=-=
∆1(95.0Antn
St水
s,
B类不确定度等于秒表的最小分度:
=∆Bs,
=∆+∆=∆2B2A水ts。
iitnt11酒精酒精s;
酒精t的A类不确定度:
St酒精
=∆+∆=∆2B2A酒精ts。
5、水温:
℃,该温度下水的粘度水η=sμPa⋅。
6、酒精粘度的平均值:
=⋅=水酒精水酒精水酒精tt
mmηηsμPa⋅。
7、2222(
(
水
酒精
酒精水水酒精酒精酒精tmtmtmtm∆+∆+∆+∆=∆ηη
=μPas⋅。
8、酒精粘度的测量结果:
酒精酒精酒精ηηη∆±
思考题:
1、液体在粘度计的毛细管部分作什么运动?
2、实验过程中粘度计倾斜了影响测量结果吗?
3、实验中如何更准确地测量液面下降时间?
实验讨论:
-3
三扭摆法测量物体转动惯量
1、熟悉扭摆的结构和转动惯量测试仪的使用方法。
2、测量不同形状刚体模具的转动惯量J和弹簧的扭转
系数K。
刚体模具、转动惯量测试仪、游标卡尺。
弹簧原长M=0弹簧卷曲M向外弹簧伸展M向里
扭摆的螺旋弹簧部分如上图所示,其外圈端点固定
不动,内圈端点与转轴连接。
r为转轴的半径,F为弹簧因扭转而产生的回复力,F的作用点在内圈端点与转轴连接处,M为F产生的回复力矩。
转轴上的物体在M的作用下,可以绕转轴作简谐摆动。
根据胡克定律,回复力矩M与弹簧扭转的角度q成正比,即:
qKM-=
(1(1式中,K为弹簧的扭转系数,根据转动定律:
22ddt
JJMq
α==(2
(2式中,J为转轴上的物体绕转轴的转动惯量,α为角加速度,令:
J
K=2ω(3
忽略轴承的摩擦力矩,由(1、(2、(3得:
0dd222=+qωq
t
(4(4的解是:
cos(ϕωq+=tA
(5
摆动周期:
K
JTπ
2π
2==
ω(6
测量金属载物转盘空载时的摆动周期T0,由(6得其转
动惯量为:
2
200π
4KTJ=(7将塑料圆柱体安放在转盘上,测量摆动周期T1,总转
210π4K
TJJ=+柱(8
塑料圆柱体转动惯量理论值为:
28
mDJ=柱(9
联立(7、(8、(9,求出:
J0、K。
如果将其它刚体模具安放在转盘上,测出摆动周期Tx,则模具转动惯量为:
02
2π4JKTJxx-=(10
1、实验中为什么要测量J0、K?
2、实验中如何更准确地测量刚体模具的几何尺寸?
四气体比热容比的测定
1、测定空气的比热容比。
2、理解振动法测量原理。
FB212型气体比热容比测定仪、电子天平、螺旋测微器。
热容是物质的重要参量,在研究物质结构、确定相变、鉴定物质纯度等方面起着重要的作用。
气体的定压摩尔热容Cp与定容摩尔热容CV之比称为比热容比γ,它在热力学过程特别是绝热过程中是一个很重要的参数。
γ的测定方法有多种,本实验通过测定物体在特定容器中的振动周期来计算γ值。
r2p0
r2p
如图所示,储气瓶的柱形玻璃管中悬浮着一个光滑的钢球,钢球直径等于玻璃管内径,管壁铅直,钢球可以在玻璃管中上下无摩擦运动。
设钢球的质量为m,半径为r,当瓶内气压p满足:
20πr
mgpp+=(1
时(式中0p为大气压强,钢球处于受力平衡状态。
若钢球偏离平衡位置一个较小位移x,瓶内气压也会有一个微变dp,钢球所受合外力f不再为零,由牛顿第二定律可得:
222dddπtxmprf==(2因为钢球运动过程相当快,气体来不及传热,若忽
略漏气、摩擦等损耗,此过程可以看作理想气体的绝热过程,即:
常数=γpV(3
对(3式求导得:
VVppddγ-=(4将(4式代入(2式得:
0πdd4222=+xmVprtxγ(5求解(5式得钢球振动的位移方程:
cos(ϕω+=tAx(6
其中:
mV
prTγω42ππ2==(7则:
4242644pd
TmVprTmV==γ(8数据记录及处理:
=储气瓶容积V=m3
大气压0p=Pa
比热容比
4π(π642402dmgdpTmV+=γ=思考题:
1、若振动过程中气体有少量吸热放热,在p-V图上画
出等温线、绝热线和过程曲线示意图。
2、实验中哪个物理量的测量对比热容比的计算误差
影响较大?
五示波器的使用
1、了解示波器的原理。
2、掌握示波器和信号发生器的使用方法。
示波器、信号发生器。
1、熟悉示波器的面板功能和基本使用方法。
参考示波器操作手册(OscilloscopeSS-7802AInstructionManualsection1、section2。
2、观察李萨如图形(Lissajouswaveforms。
参考section
3、光标测量和频率计,参考section3。
1、若显示屏上波形垂直方向幅度太大,如何调节?
2、若显示荧光屏上波形的周期数太多,如何调节?
3、请查阅相关资料,谈谈什么是同步电路?
六声速的测定
1、了解超声波的产生和接收的原理。
2、学会用几种方法测量声波在空气中的传播速度u。
3、学习用逐差法处理数据。
SV-DH-5A声测试仪、SVX-5声速测试仪信号源、示波器、温度计等。
声波传播的速度u和其波长λ以及频率f之间的关系为:
fu⋅=λ;
时差法测量声速:
txu∆∆=。
数据记录及处理:
1、空气中的声速理论值。
室温t=℃;
该温度下水的饱和蒸汽压e=Pa;
室内空气的相对湿度H=%;
s/mPa
10013.13192.0115.273C/1331.455
⨯+⋅+=eH
tu理论=。
2、调节声速测试仪到最佳工作频率f=Hz。
先按振幅极值法连接线路,再移动接收面S2到刚好接触发射面S1,但不要相互挤压,然后调节发射频率,直到接收波形的振幅最大,此时的发射频率就是压电陶瓷换能器的谐振频率,即最佳工作频率f。
3、振幅极值法,接收波形为振幅极大即逐差为λ/2时,
=⋅=fuλ
m/s,=⨯-%100理论
理论
uuu。
4、相位比较法,
=-⨯=∑=+10
101010iiixxλmm,
=⋅=fuλm/s,=⨯-%100理论
5、时差法,设置声速测试仪信号源的测试方式为脉冲
=-==∑∑==10
11010iiiiittvum/s,
=⨯-%100理论
1、固定S1和S2之间的距离,改变发射频率,以此来
测量声速,是否可行?
2、比较这三种测量方法,那种测量方法误差小?
描述实验中观察到的异常现象及可能的解释,分析实验误差的主要来源,对实验仪器和方法的建议以及本
实验在其它方面的应用等,还可以谈谈实验的心得体会。
七用迈克耳逊干涉仪测量光源波长
1、用迈克耳逊干涉仪观察干涉条纹。
2、测量激光源波长λ。
SGM-1型迈克耳逊干涉仪。
取1=空气n,
k
xkd∆∆=∆∆=2022λ,注意M1移动距离d∆是M1
位置读数差x∆的1/20。
仪器操作方法:
1、挪开扩束镜L,开启激光器,调节激光器高度及水平,使激光束两次穿过铜柱体小孔后,投射到平面镜M1。
2、转动平面镜M1和
M2背面的两个倾角调节螺钉,直到光
屏P上最亮的两组
光斑完全重合。
3、调节扩束镜L,使激光束穿过扩束镜L后,投射到
平面镜M1、M2中部,则激光和干涉图样也会落在光屏中部。
若看不到干涉图样,先挪开扩束镜L,再返回到2。
4、微调平面镜M1或者M2背面的倾角调节螺钉,使干
涉圆环的环心落在光屏中部。
5、为了防止出现回程误差,必须朝一个方向转动M1
位置调节手轮,同时观察干涉圆环的变化。
每冒出(缩进50个干涉圆环,记录一次M1位置读数,直到第450环为止。
置的误差得mm004.0B=∆=∆x。
2、250=∆k时,对应的M1位置读数差x∆的平均值:
(2004501504001003505030002505
5
51xxxxxxxxxxxii
-+-+-+-+-=∆=∑=
x∆的A类不确定度:
1(95.0A-=
∆∆ntn
Sx
;
x∆的B类不确定度来原于x,且:
4mm00.0222B⨯=∆=∆x;
x∆的合成不确定度:
2B2A∆+∆=∆∆x。
3、=∆∆=
kx
202λnm,=∆⨯=∆∆=∆∆=∆∆∆∆xxxkx250
202202d(d(λλnm。
4、波长:
λλλ∆±
1、光屏上干涉条纹的最高级次在哪里?
2、朝一个方向转动M1调节手轮,发现干涉圆环一直
缩进突然变成不断冒出,解释原因。
3、测量数据中,M1位置读数差x的不确定性主要来
源是什么?
八测量平凸透镜的曲率半径
钠光灯
读数显微镜
1、观察光的等厚干涉现象,了解干涉条纹特点。
2、测量牛顿环仪中平凸透镜的曲率半径R。
牛顿环仪、读数显微镜、钠光灯。
牛顿环仪中空气膜上下表面两次反射光的光程差d与干涉极值条件:
⎪
⎩
⎨⎧=+==+=暗纹明纹,,3,2,1,0212(,,3,2,122kkkkneλλλd
根据等厚干涉原理,干涉条纹为同心圆环,称为牛顿环,各级牛顿环对应的空气膜厚度为:
⎪⎩
⎪⎨⎧==-=暗纹明纹,,3,2,1,02,,3,2,121(2kn
kkknekλλk
k222(eRrRk-+=,Reerk222=+
⎪⎪⎩⎪⎪⎨
⎧==-=≈暗纹明纹,,3,2,1,0,,3,2,1212(2knkRknRkRerkkλλ
则,n
mRrrkmkλ
=-+22;
取空气折射率n=1,则:
λ
λmrrrrmrrRkmkkmkkmk((22-+=-=+++
mAABARkmkkmk((--=++λmBBABkmkkmk
((--=++
实验数据记录及处理:
为了防止出现回程误差,要一趟(鼓轮旋转方向不变测完所有数据(A41->
A40->
A26->
B26->
B40表:
叉
iRi[R1(A40、A30、B30…R6(B40、B30、A30…];
Ri是对同一个物理量的多次测量,可以计算A类不确定度;
同时,Ri是间接测量量,其B类不确定度来源于Ak+m、Ak、Bk+m、Bk,但是比A类不确定度小很多,可以忽略。
==∑=niiRnR11mm;
=-=∆≈∆1(95.0AntnS
RRmm。
曲率半径:
RRR∆±
=,95.0≈p。
1、证明:
叉丝交点不过环心,不
影响曲率半径R的计算结果。
2、测量数据中,R的不确定性主
要来源是什么?
与牛顿环仪上三颗螺钉的松紧有关吗?
九分光计的调节
抓小灯座或镜筒去转动望远镜!
:
小灯电源底
1、可,以后不要再转动此手轮。
分划板上刻有分划线的一面称为分划面。
透光十目镜视场中的分划面
绿十
锁紧螺钉分划板套筒
2、将分划面移至物镜焦平面:
开小灯,手握平面镜紧
贴物镜口,松开分划板套筒锁紧螺钉,推拉套筒,直到目镜中的绿十字像最清晰且与分划面无视差,然后锁紧套筒。
如下图所示,透光十字是刻在分划面上,当分划面在物镜焦平面,透光十字发出的光线经过物镜射出是平行光束,再由平面镜反射回来还是平行光束,射入物镜后又清晰聚焦于焦平面(分划面。
小灯电源
底3、将平面镜按下图所示放置在载物台中心,载物台上
的3条分划线必须对齐下面3颗螺钉,平面镜底边
和螺钉3对应的分划线重合。
2
螺钉3
望远镜
载物台
4、粗调望远镜和平行光管的光轴、载物台,使它们垂
直于分光计的公共轴:
俯身目测,需要调节的螺钉
是望远镜和平行光管的倾斜调节螺钉、载物台下面
平面镜钠光
像。
若看不到绿十字像,请返回第4步重新做粗调。
若还是看不到,按下图所示,稍微转动游标盘,使平面镜不正对望远镜,直接用眼睛从平面镜里找到绿十字像,这时眼睛高度可能比目镜中心高度偏高(偏低,则绿十字像偏低(偏高。
转动望远镜倾斜调节螺钉和载物台下面螺钉1(分半调节,使得绿十字像上移(下移,同时跟踪绿十字像,直到眼睛与目镜中心等高,再使平面镜正对望远镜,就可以在目镜中看到绿十字像。
转动游标盘180°
用同样的办法在平面镜B面也找到绿十字像。
(2调节载物台,使平面镜镜面平行于公共轴:
若平面
镜A面正对望远镜时绿十字像和上分划横线高度差为h1,B面正对望远镜时此高度差为h2。
调节载物台下面的螺钉1或2,使一面正对望远镜时此高度差为(h1+h2/2,则另一面自然变为(h1+h2/2。
(3调节望远镜光轴垂直于公共轴:
只转动望远镜倾斜调节螺钉,使绿十字像与上分划横线重合
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