大学物理实验指导书

《普通物理学实验》

实验指导书

机械建筑学院 2011年10月

实验一 落球法测定液体粘滞系数

一、实验目的

1、观察液体的内摩擦现象，学会用落球法测量液体的粘滞系数。 2、掌握基本测量仪器（如游标卡尺、螺旋测微计、秒表）的用法。 二、实验内容

1、将玻璃圆筒装入液体，调节圆筒，使其中心轴处于铅直位置。用游标卡尺测量圆筒的内直径D 。用米尺量出圆筒上标号线A 、B 之间的距离S 。

2、用螺旋测微计测小钢球的直径d 、在三个不同的方向上测量，取其平均值。共测试5个小球，记录测量结果，编号待用。

3、用吸棒吸起小钢球，为使其表面完全被所测的油浸润，先将小球在油中浸一下，然后放入玻璃管中。用秒表测出小球匀速下降通过路AB 所需的时间t ，则v=s/t（5个小球分别测量）。

4、小球的密度由实验室给出，液体的密度可测定或给出。记下油的温度。 5、根据每个小球的数据，按照公式④计算η，然后求η平均值及其 误差。 注意:实验中常用的液体为蓖麻油或甘油。为了减少实验误差，采用小直径的钢球（钢球直径1mm ）。

三、

实验设备、仪器

1、粘滞系数实验仪、甘油。

2、游标卡尺、螺旋测微计、秒表、钢球。 四、实验原理

小球在液体中运动时，将受到与运动方向相反的摩擦阻力的作用。这种阻力即为粘滞力，是由于粘附在小球表面的液层与邻近液层的摩擦而产生的，它不是小球和液体之间摩擦阻力。则根据斯托克斯定律，小球受到的粘滞力为：

f=6πηrv ①

其中，η是液体的粘滞系数，r 是小球的半径，v 是小球的运动速度。

在装有液体的圆筒形玻璃管的导管D 处让小球自由下落。小球落入液体后，受到三个力的作用，即重力ρVg ，浮力ρ0Vg 和粘滞力f 的作用，其中V 是小球的体积，ρ和ρ分别为小球和液体的密度。在小球刚落入液体时，垂直向下的重力大于垂直身上的浮力和粘滞力之和，于是小球作加速运动。随着小球运动速度的增加，粘滞力也增加，当速度增加到一值v 0时，小球所受的合力为零。此后小球就以该速度匀速下落。

前面说过，式①只适用于小球在无限广延的液体内运动的情形。而在本实验中，小球是在半径为R 的装有液体的圆形管内运动。如果只考虑管壁对小球运动的影响，则式①应修改为： f=6πηrv 0（1+kr/R） ②

式中v 0是小球在圆筒内的收尾速度，即达到匀速运动的那个速度；k 是一个常数，其值由实验室给定。由于小球以v 匀速下降，根据力的平衡方程得：

6πηrv 0（1+kr/R）=ρVg －ρ0Vg ③

故液体的粘滞系数为：

η＝2g r (ρ－ρ0)/9v0（1+kr/R）=gd (ρ－ρ0)/18v0（1+kr/D）④

在小球的密度ρ、液体的密度ρ0和重力加速度g 已知的情况下，只要测出小于的直径d ，圆筒的直径D 和小球的速度v 0就可以算出液体的粘滞系数η。式中各量的单位：g 用

2

2

N/kg,d、D 用 kg/m ,v 0用m/s,则η的单位为N.s/m 即Pa.s 。

32

1、数据与处理：

g=____N.kg -1 ρ=_____kg.m ρ0=____kg.m K=____N/m S测=____ⅹ10m

-3-3

-3

表1 测D 值（10m ）

3

3

表2 测D 及td （10m ）、t(s)

∆ηE ==[2∆d /d +∆t /t +kd (∆d /d +∆D /D ) /(D +kd )] r η

∆η=∙E =________(Pa.s)

r

η=±∆η=_______(Pa ⋅s )

实验二 三线摆测定刚体转动惯量

一、实验目的

1、学习用三线摆法测量物体的转动惯量，测量相同质量的圆盘和圆环，绕同一转轴扭转时，其转动惯量不相同说明转动惯量与质量分布有关。 2、验证转动惯量的平行轴定理。

3、学习用激光光电传感器精确测量三线摆扭转运动的周期。 二、实验内容

1、测定下圆盘对于o 1o 2 轴的转动惯量J 0和理论值进行比较。理论值公式为：

21

J =mD

8 圆盘： （D 为直径）

122J =m (D 内+D 外)

8 圆环：

2、测圆环或圆盘对于o 1o 2 的转动惯量J ，和理论值比较。

3、验证平行轴定理。将两个直径为D 的圆柱体，使它们的间距为2d 。D 为圆柱中心轴

线与转轴间距离，两圆柱中心连线通过转轴，测得J 和J ，按公式④计算md 值，

并与理论值进行比较。

三、

实验设备、仪器

1、新型转动测定仪平台、米尺、游卡尺、计时计数仪、水平仪，试件为圆盘、圆环及圆柱体3种 四、实验原理

三线摆是将一个匀质圆盘，心等长的三条线线对称地悬挂在一个水平的小圆盘下面构成。这上下两个圆盘各自的悬点之间是等距的，各自构成等边三角形的三个顶点。当底圆盘B 调成水平，三线等长时，B 盘可以绕垂直于其盘面并通过两圆盘中心的轴线作扭转摆动，扭转的周期与下圆盘的转动惯量有关，三线摆法正是通过测量它的扭转周期去求任一已知质量的物体的转动惯量。在摆角很小、三悬线很长且等长，线的张力相等，上下圆盘平行，只绕轴扭转的条件下，下圆盘B 对轴o 1o 2的转动惯量J 0为：

2

m gRr J =

4πH

2

T

20

①

式中m 0为下圆盘B 的质量，r 和R 分别为上圆盘A 和下圆盘B 上线悬点到各自圆心o 1和o 2的距离，H 为两圆之间的垂直距离，T 0则仅为下圆盘扭转的周期。若测量质量为m 待测物体对于o 1o 2轴的转动惯量J ，只须将待测物体置于圆盘上，设此时扭转周期为T ，则共同的对

于o 1o 2轴的转运惯量为：

(m +m ) gRr

J =J +J =

1

4πH

②

2

T

2

于是得到待测物体于o 1o 2轴的转动惯量为：

(m +m ) gRr J =

4πH

③

上式表明，各物体对同一转轴的转动惯量具有相叠加的关系，这是三线摆法的优点。为了将测量值和理论值比较，安置待测物体时，要使其质心恰和下圆盘B 的轴心和重合。

验证平行轴定理，设两柱体质心离开o 1o 2 轴距离均为d 时，对于o 1o 2 轴的转动惯量为J 3，设一个圆柱体质量为m ，则由平行轴定理可得：

2

-J

m d =

2

J

3

2

-J

2

④

由此测得的d 值和用长度器实测的值比较，在实验误差允许范围允许范围内两者相符的话，就验证了转动惯量的平等轴定理。

实验三 霍尔效应实验

一、实验目的

1、了解霍尔效应原理及测量霍尔元件有关参数。

2、测绘霍尔元件的VH －Ix ，VH －IM 曲线了解霍尔电势差VH 与霍尔元件控制电流Ix ，励磁电流IM 之间的关系。

3、学习利用霍尔效应测量磁感应强度B 及磁场分布。 4、判断霍尔元件载流子的类型，并计算其浓度和迁移率。 5、学习用“对称交换测量法”消除负效应产生的系统误差。 二、实验内容

（1）研究霍尔效应及霍尔元件特性

1、测量霍尔元件灵敏度KH, 计算载流子浓度n 。 2、测定霍尔元件的载流子迁移率μ。

3、判定霍尔元件半导体类型或者么推磁感应强度B 的方向。 4、研究VH 与励磁IM 、工作电流I 之间的关系。 （2）测量电磁铁气隙中磁感应引强度B 的大小及分布

1、测量一定IM 条件下电磁铁气隙中必的磁感应强度B 的大小。 2、测量电磁铁气隙中磁感应强度B 的分布。 三、

实验设备、仪器

1、霍尔效应试验仪、霍尔效应测试仪。 四、实验原理

霍尔效应从本质上讲是运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用而引起的偏转。当带电粒子被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场的方向上产生正负电荷在不同侧的聚积，从而形成附加的横向电场。磁场B 位于Z 的正向，与之垂直的半导体薄片上沿X 正向通以电流I ，假设载流子为电子，它沿着与电流I 相反的X 负方向运动。 设霍尔元件宽度为l ，厚度为d ，载流子浓度为n ，则霍尔元件的控制电流为：

I =neld V x （1）

当达到动态平衡时：

f

由（1）（2）两式可得：

L

=-f

E

V B =V

H

/l

（2）

V

H

=E

H

l =

1IB IB =R

H d （3） ne d

1

即霍尔电压VH 与I 、B 的乘积成正比、与霍尔元件的厚度成 反比，比例系数RH=ne 称为

霍尔系数，它是反映材料霍尔效应强度的重要参数，根据材料的导电率ϭ=neɥ的关系，还可以得到：

R

H

=μ/σ=μρ

（4）

当霍尔元件的材料和厚度确定时，设：

K

将（5）式代入（3）式中得：

H

=R

H

/d =1/ned

（5）

V

H

=K

I B

H x （6）

若需测量霍尔元件两之间的电势差，E 为由V 产生的电场强度，L 、l 分别为霍尔元件的长度和宽度。由于金属的电子浓度n 很高，所以它的RH 或KH 都不大，因此不适宜作霍尔元件，此外元件厚度d 愈薄，KH 愈高，所以制作时，往往采用减小d 的方法来增加灵敏度，但不能认为d 愈薄愈好，因为此时元件的输入和输出电阻将会增加，这对锗元件是不希望的。 五、实验步骤 （1）按仪器面板上的文字和符号提示将ZKY —HS 霍尔效应实验仪与ZKY —HC 霍尔效应测试仪正确连接。

1、ZKY —HC 霍尔效应测试面板右下方为提供励磁电流IM 的恒流源输出端，接霍尔效应测试仪上电磁铁线圈电流的输入端。

2、“测试仪”左下方为提供霍尔元件控制电流IM 的恒流源输出端，接“实验仪”霍尔元件工作电流输入端。

3、“实验仪”上霍尔元件的霍尔电压VH 输出端，接“测试仪”中部下方的霍尔电压输入端。

4、将测试仪与220V 交流电压接通。 （2）测量霍尔电压VH 与励磁电流IM 的关系霍尔元件仍位于气隙中心，调节Ix=10.00mA，调节IM=100、200......1000mA ，分别测量霍尔电压VH 值填入表，并绘出IM ——VH 曲线，验证线性关系的范围，分析当IM 达到一定值以后，IM ——VH 曲线斜率变化的原因。

表I M ——V H I=10.00mA

实验四 验证动量守恒定律

一、实验目的

1、在弹性碰撞和完全非弹性碰撞两种情形下，验证动量守恒定律。 二、

实验设备、仪器

1、气垫导轨、计时计数测速仪。

2、滑行器2个、砝码若干、非弹性碰撞器1对、弹性碰撞器2个、相同尺寸的挡光片2个。

三、实验原理

在水平导轨上放两个滑行器，以两个滑行器作为系统，在水平方向不受外力，两滑行器碰撞前、后的总动量就保持不变。设两滑行器的质量分别为m A 、m B , 相碰撞的速度为V A 和

'和V B ', 则根据却是守恒定律有： V B ，相碰撞后的速度为V A

'+m B V B ' ① m A V A +m B V B =m A V A

只要测出两个滑行器在碰撞前后的速度，称出两个滑行器的质量，即可验证上述动量守恒定律。弹性碰撞：两滑行器在相碰端装有弹性碰撞器，它们相碰撞时可看作是弹性碰撞。设两个滑行器质量相等，即m A =m B =m ，并令A 滑行器静止不动，（即V A ＝0），B 滑行

'=V B '，V B '=0即两滑器以速度V B ，接近A 滑行器并与之相碰，可以测出在这种条件下V A

行器交换速度。若两滑行器质量不等，仍令V A ＝0，m B 以速度V B 与m A 相碰撞则①式变为：

'+m B V B ' ② m B V B =m A V A

四、实验内容

（1）两滑行器质量相等V A ＝0

1、次两滑行器的碰撞端各装好弹性碰撞器。 2、将导轨调成水平状态。

3、将两个质量相等的滑行器放置导轨上，A 滑行器静止放置在两个光电门之间，给B 滑行器以一定的初速度，其速度可由光电门G 2测定，两滑行器相碰后B 滑行器静止，而A 滑行器获得速度V' ，其速度可由光电门G 1测定，计算B 滑行器在碰撞前的速度与A 滑行器碰撞后的速度是否相等。

（2）两滑行器质量不相等V A ＝0 1、令A 滑行器静止（V A ＝0），B 滑行器两侧加上配重块，给B 滑行器以一定的初速度其大小可由光电门G 2测定。

2、相碰后两滑行器的速度V A 和V B ，分别由光电门G 1测定。

3、用天平称出两滑行器的质量m A 、m B 4、计算碰撞前后的总动量，验证公式②。

实验五 电表改装与校准

一、实验目的

1、测量表头内阻及满度电流。

2、掌握将1mA 表头改成较大量程的电流表和电压表的方法。

3、设计一个R 中＝1500Ω的欧姆表，要求E 在1.3～1.6V 范围内使用能调零。

4、用电阻器校准欧姆表，画校准曲线，并根据校准曲线用组装好的欧姆表测本知电阻。 5、学会校准电流表和电压表的方法。 二、实验内容

1、中值法测出表头的内阻。 2、改装为大量程电流表。 3、改装为电压表。 三、

实验设备、仪器

1、DH4508型电表改装与校准实验仪。 四、实验原理

常见的磁电式电流计主要由放在永久磁场中的由细漆包线绕制的可以转动的线圈、用来产生机械反力矩的游丝、指示用的指针和永久磁铁所组成。当电流通过线圈时，载流线圈在磁场中就产生一磁力矩M 磁，使线圈转动，从而带动指针偏转。线圈偏转角度的大小与通过的电流大小成正比，所以可由指针的偏转直接指示出电流值。

1、电流计允许通过的最大电流称为电流计的量程，用Ig 表示，电流计的线圈有一定的内阻，用Rg 表示，Ig 与Rg 是两个表示电流计特性的重要参数。

中值法测量内阻Rg ：测量原理见图当被测电流计接在电路中量，使电流计满偏，再用十进电阻箱与电流计并联作为分流电阻，改变电阻值即改变分流程度，当电流计指针指示到中间值，且标准表读数仍保持不变，可通过调电源电压和Rw 来实现，显然这时分流电阻值就等于电流计的内阻。

2、改装为大量程电流表

根据电阻并联规律可知，如果在表头两端并联上一个阻值适当的电阻R 2，如图所示，可使表头不能承受的那部分电流从R 2上分流通过。这种由表头和并联电阻R 2组成的整体就是改装后的电流表。如需将量程扩大n 倍，则不难得出

R =R /(n -1)

2

g

图为扩流后的电流表原理图。用电流表测量电流时，电流表应串联在被测电路中，所以要求

电流表应有较小的内阻。另外，在表头上并联阻值不同的分流电阻，便可制成多量程的电流表。

3、改装为电压表

一般表头能承受的电压很小，不能用来测量较大的电压。为了测量较大的电压，可以给表头串联一个阻值适当的电阻R M , 如图所示，使表头上不能承受的那部分电压降落在电阻R M 上。这种由表头和串联电阻R M 组成的整体就是电压表，串联的电阻 RM 叫做扩程电阻。选取不同大小的R M ，就可以得到不同量程的 电压表。可得扩程电阻值为：

R =

M

U I

g

-R

g

②

五、实验步骤

仪器在进行实验前应对毫安表进行机械调零。 1、用中值法测出表头的内阻，R g =_______Ω

2、将一个量程为1mA 的表头改装成5mA 量程的电流表

（1）根据式①计算出分流电阻值，先将电源高到最小，R W 调到中间位置。

（2）慢慢调节电源，升高电压，使改装表指满量程，这时记录标准表读数。注意：RW 作为限流电阻，阻值不要调至最小值。然后调小电源电压，使改装表每隔1mA 逐步减小计数直至零点；再调节电源电压按原间隔逐步增大改装表计数到满量程，每次记下标准表相应的计数于下表。

表 1

以改装表读数为横坐标，标准表由大到小及由小到大调节时两次读数的平均值为纵坐标，在坐标纸上作出电流表的校正曲线，并根据两表最大误差的数值定出改装表的准确度级别。 3、将一个量程为1mA 的表头改装成1.5量程的电压表。

（1）根据式 计算扩程电阻RW 的阻值，可用R 1、R 2进行实验。

（2）连接校准电路。用量程为2V 的数显电压表作为标准表来校准改装的电压表。调节电源电压，使改装表指针指到满量程，记下标准表读数。然后每隔0.3V 逐步减小改装读数直至零点，再按原间隔逐步增大至满量程，每次记下标准表相应的读数于下表：

表 2

纵坐标，在坐标纸上作出电压表的校正曲线，并根两表最大误差的数值定出改装表的准确度级别。