大学物理仿真实验报告概要.docx

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大学物理仿真实验报告概要

大学物理仿真实验报告

姓名：

学号：

班级：

实验-----利用单摆测量重力加速度

实验目的

利用单摆来测量重力加速度

实验原理

单摆的结构参考图1单摆仪,一级近似的周期公式为

由此通过测量周期摆长求重力加速度

实验仪器

单摆仪、摆幅测量标尺、钢球、游标卡尺

实验内容

一.   用误差均分原理设计一单摆装置,测量重力加速度g.

设计要求:

（1） 根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法.

（2） 写出详细的推导过程,试验步骤.

（3） 用自制的单摆装置测量重力加速度g,测量精度要求△g/g<1%.

可提供的器材及参数:

游标卡尺、米尺、千分尺、电子秒表、支架、细线（尼龙线）、钢球、摆幅测量标尺（提供硬白纸板自制）、天平（公用）.

假设摆长l≈70.00cm;摆球直径D≈2.00cm;摆动周期T≈1.700s;

米尺精度△米≈0.05cm;卡尺精度△卡≈0.002cm;千分尺精度△千≈0.001cm;秒表精度△秒≈0.01s;根据统计分析,实验人员开或停秒表反应时间为0.1s左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为△人≈0.2s.

二. 对重力加速度g的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求.

三. 自拟实验步骤研究单摆周期与摆长,摆角,悬线的质量和弹性系数,空气阻力等因素的关系,试分析各项误差的大小.

四. 自拟试验步骤用单摆实验验证机械能守恒定律.

实验数据

摆线长+小球直径L=91.50cm

D（平均）=（1.750+1.752+1.744+1.740+1.749+1.748）÷6=1.747m

R=D/2=0.850cml=L-R=91.05cmt=95.91s，周期数n=50，周期T=1.92s

所以g=9.7512ΔT/t=0.0022，ΔL/l=0.0005，所以Δg/g=0.27%，Δg=0.026所以：

g=（9.751±0.026）

实验结论与误差分析：

结论：

g=（9.751±0.026），Δg/g=0.27%<1%,所以达到设计要求。

误差分析:

1.若θ＞5°（即角度过大）因为T与θ相关，当θ越大时T也越大，所以θ偏大，测量值比值偏小。

2.空气阻力的影响相当于重力加速度减小使摆动周期变大且m越小，相对误差E越大。

3.若摆线太粗或摆球太轻，，则系统重心上移，实验值减小，故g测＜g0。

窗体顶端

窗体底端

实验二-----磁控管法测定电子荷质比

实验目的

1.了解电子在真空二极管内径向电场和轴向磁场中的运动规律；

2.掌握利用磁控条件测量电子荷质比的原理及方法。

实验原理

磁控二极管的结构如图3示，最外圈是个圆筒形的阳极，被两根支杆固定。

阴极是一根直立于圆筒中心的钨丝，由通过它的电流直接加热，发射电子。

在装配过程中，尽量保持阳极和阴极同轴。

如果在阳极和阴极之间加上直流电压，就会在两极之间形成一个轴对称的径向电场。

若在磁控管外套上一个同轴的长直螺线管，并给螺线管通以电流，就会形成一个轴向的均匀磁场，磁场分布如图4所示。

图3真空二极管的构造图4真空管内的电磁场分布

电子从阴极发射出来以后，在径向电场的作用下加速奔向阳极，但电子在奔向阳极的过程中同时又受到轴向均匀磁场的作用，使电子运动轨迹发生弯曲，磁场越强，轨迹弯曲得越厉害。

当磁感应强度B达到某个临界值时，电子束就不可能到达阳极，阳极电流急剧减小，并突然截至（见图5和图6）。

图5电子运动轨迹示意图图6不同磁场的电子轨迹的弯曲程

电子运动状态如图7所示，

是阴极半径，

是阳极半径，在图7中，电子运动的运动方程为：

（12）

图7柱坐标系中电子运动状

假定磁场沿着z轴正方向，电子受到的洛仑兹力为

（13）

它的各个分量为

（14）

径向电场力的方向是沿着r的方向，因此

方向唯一的力是磁场力的

分量（

），设电子刚离开阴极表面时的初速度很小，可以忽略，则

时，电子在

方向上的运动方程为

（15）

由上式可解得：

（16）

电子的动能来源于电场力对电子做功，考虑到z轴方向上电子的初速度为0，电子到达阴极时，电场力对电子所做功为

。

所以电子动能为

（17）

在临界情况下，即当磁场增加到恰好是阳极电流截止时的临界磁场值

时，在

处应有

，且

，可得出磁场的临界值

为：

（18）

进而可得出电子的荷质比

（19）

所以，只要在实验中测出在一定的阳极电压V及使阳极电流截止的临界磁场

，就可以求出电子的荷质比，这种测定电子荷质比的方法称为磁控管法。

下面讨论式（19）中

的测量原理和方法。

长直螺线管轴线上某一点P的磁场有下式确定：

（20）

式中I是螺线管的激磁电流，

，R是螺线管的半径，

是螺线管的长度，N是螺线管的匝数，

是单位长度的匝数，

是P点到螺线管中心处的距离。

当P点在螺线管的中心部位时，

，则（20）式可简化为

（21）

代入式（19），则

（22）

式中

是阳极电流截止时螺线管的励磁电流。

图8阳极电流与磁场的关系

从理论上看，阳极电流和磁场（或励磁电流）的关系应如图8所示，在

（或

）时，阳极电流截止。

实际上，由于电子从阴极逸出时初速度不为0，阳极装配时也可能产生偏心，导致阳极电流的截止不是突变而是渐变的，如图中虚线所示。

在这种情况下，可以把临界励磁电流取在初始阴极电流减半的

为

实验仪器

电子束实验仪、电子束实验仪、显示屏、电流表、电压表

实验方法

1.分别将安培表、微安表、电压表接到钨灯逸出功仪器的相端上；将螺线管套在真空二极管外（注意同轴问题），并将稳压电源接到螺线管上，以提供励磁电流。

2.打开逸出功仪器测定仪及直流稳压源的电源，预热3分钟。

在灯丝电压保持一定的情况下，至少测出5组不同阳极Ua时的励磁电流IS与阳极电流Ia的变化关系曲线。

3.作出Ia—Is曲线，分别求出每条曲线的临界磁场BC时的励磁电流Ic。

再作Ua—Ic2的曲线，根据作图法并由（6）式求出e/m值。

4．求出e/m值，并与标准值比较求出误差。

实验数据

由结果我们可知,测量得到的Ua—Ic2曲线斜率K为69.273，e/m平均值为1.7444*10e-11,误差大小为0.89%.

思考题

1．调节螺线管的励磁电流，改变磁感应强度B观察三次以上磁聚焦现象，并解释此现象。

由于

，当B增加时，周期T减小，所以当调节电流I使得B增加3倍时，周期T变为原来的三分之一。

又

，所以一个周期只能运行在原来三分之一的距离，因此便有了三次聚焦。

2．如何利用上述各电流值计算电子荷质比。

由于L，D，N，d均为已知，所以可以把K＝

当成常数，那么

＝K

，可以作

图，那么可得斜率P，便得

这样便求得电子荷质比。

3．如何消除地磁场对实验结果的影响。

为了消除地磁场对实验结果的影响，可以在实验前调整螺线管的角度，使其间的磁场方向和地磁场在当地的方向相同。