综合设计性实验讲义2011.8(1)Word文件下载.doc

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实验结束需要分析总结的内容有：

（1）对实验结果进行讨论，进行误差分析；

（2）讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法；

（3）写出完整的实验报告（4）总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。

实验结束后的总结非常重要，是对整个实验的一个重新认识过程，在这个过程中可以锻炼学生分析问题、归纳和总结问题的能力，同时也提高了文字表达能力。

在完成综合性、设计性实验的整个过程中处处渗透着学生是学习的主体，学生是积极主动地探究问题，这是一种利于提高学生解决问题的能力，提高学生的综合素质的教学过程。

在综合设计性实验教学过程中学生与教师是在平等的基础上进行探讨、讨论问题，不要产生对教师的依赖。

有些问题对教师是已知的，但对学生是未知的，这时教师应积极诱导学生找到解决问题的方法、鼓励学生克服困难，并在引导的过程中帮助学生建立科学的思维方式和研究问题的方法。

有些问题对教师也是一个未知的问题，这时教师应与学生共同思考共同解决问题。

二．实验报告书写要求

实验报告应包括：

1实验目的；

2实验仪器及用具；

3实验原理；

4实验步骤；

5测量原始数据；

6数据处理过程及实验结果；

7分析、总结实验结果，讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法，总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。

三．实验成绩评定办法

教师根据学生查阅文献、实验方案设计、实际操作、实验记录、实验报告总结等方面综合评定学生的成绩。

（1）查询资料、拟定实验方案：

占成绩的20%。

在这方面主要考察学生独立查找资料，并根据实验原理设计一个合理、可行的实验方案。

（2）实施实验方案、完成实验内容：

占成绩的30%。

考察学生独立动手能力，综合运用知识解决实际问题的能力。

（3）分析结果、总结报告：

主要考察学生对数据处理方面的知识运用情况，分析问题的能力，语言表达能力。

（4）科学探究、创新意识方面：

考察学生是否具有创新意识，善于发现问题并能解决问题。

（5）实验态度、合作精神：

占成绩的10%。

考察学生是否积极主动地做实验，是否具有科学、严谨、实事求是的工作作风，能否与小组同学团结合作。

四．综合设计性实验上课要求

1．实验题目分为3个模块：

A、B、C，要求每个同学完成三个模块中各1个题目，完成3个实验题目

说明：

（1）在一个实验模块中只能选择一个题目，不能多选；

（2）每个题目的实验人数不能超过该题目的限选人数；

（3）必须完成3个题目，否则无成绩。

2．做每个实验前要做实验前的开题报告，开题报告应包括：

（1）实验的目的、意义、内容；

（2）对实验原理的认识、拟定的测量方案等；

（3）对实验装置工作原理、使用方法等方面的了解；

（4）对实验的原理、测量方法、仪器使用等方面存在的问题、需进一步研究的内容等。

3．实验结束要求做实验总结报告，总结报告应包括：

（1）阐述实验原理、测量方法；

（2）介绍实验内容，分析测量数据、实验现象，总结测量结果；

（3）实验的收获、实验的改进意见，对实验教学工作提出意见和建议等。

（1）选择相同实验模块的同学在一起参加开题报告和总结报告，要求选择同一题目的同学一起准备开题报告和总结报告，每个同学担任不同的任务，共同合作完成。

（2）在报告过程中要求每个同学积极参与讨论。

实验1液体表面张力系数的测定

实验目的

1．用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度,学习传感器的定标方法。

2．观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象,并用物理学基本概念和定律进行分析和研究,加深对物理规律的认识。

3．测量纯水和其它液体的表面张力系数。

4．测量液体的浓度与表面张力系数的关系（如酒精不同浓度时的表面张力系数）

实验原理

一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值为

（1）

式中：

、分别为圆环外径和内径，为液体表面张力系数，为重力加速度，所以液体表面张力系数为：

（2）

实验中，液体表面张力可以由下式得到：

（3）

为力敏传感器灵敏度，单位V/N。

分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数。

实验仪器

实验仪器主要由液体表面张力系数测定仪主机（数字电压表）以及实验调节装置以及镊子、砝码组成。

实验前准备工作及实验注意事项：

1．吊环须严格处理干净。

可用NaOH溶液洗净油污或杂质后，用清洁水冲洗干净，并用热吹风烘干。

2．须调节好吊环水平。

3．议器开机需预热15分钟。

4．在旋转升降台时，尽量使液体的波动要小。

5．工作室不宜风力较大，以免吊环摆动致使零点波动，所测系数不正确。

6．若液体为纯净水。

在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。

特别注意手指不要接触被测液体。

7．力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。

过大的拉力传感器容易损坏。

8．实验结束须将吊环用清洁纸擦干，用清洁纸包好，放入干燥缸内。

9．对力敏传感器定标时，加砝码前应首先对仪器调零，安放砝码时应尽量轻。

实验内容

1．硅压阻力敏传感器定标，得到力敏传感器的灵敏度

要求自己设计定标方案，拟定实验过程。

2．水和其它液体表面张力系数的测量

要求自己设计液体表面张力系数测量方案，拟定实验过程。

（1）水的表面张力系数

要求测量“纯净水”和“矿泉水”的表面张力系数，比较“纯净水”和“矿泉水”的表面张力系数是否有差别，并解释原因。

（2）乙醇的表面张力系数

（3）甘油的（丙三醇）的表面张力系数

3．研究温度对表面张力系数的影响

要求测量不同温度下水的表面张力系数，分析解释测量结果。

参考资料

1．贾玉润　等.　大学物理实验[M].复旦大学出版社，1987.

2．A.W．亚当林.表面的物理化学[M].科学出版社，1984.

3．顾惕人，等.　表面化学[M].　科学出版社，1994.

4．沈元华　陆申龙.　基础物理实验[M].北京：

高等教育出版社.2003

5．焦丽凤　陆申龙.　用力敏传感器测量液体表面张力系数.物理实验.第22卷第7期.2002.7：

40—42

6．沈易陆申龙曹正东.新型半导体应变计液体表面张力系数测定仪的研制.实验技术与管理.第20卷第1期.2003.2：

39—4

实验报告要求

1．液体表面张力产生的原因；

2．阐明测量表面张力系数实验的原理、方法；

3．介绍力敏传感器的工作原理和方法；

4．记录实验中出现的各种实验现象，对其进行分析讨论；

5．记录实验数据，并对结果分析讨论；

总结收获和体会，提出对教学工作的意见和建

实验2非平衡电桥的原理和应用

一．实验目的、意义和要求

电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥，非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥。

利用非平衡电桥可以测量一些变化的非电量，如温度、压力、形变等，在工程测量和科学实验中有广泛的应用。

本实验要求用DHQJ-5型非平衡电桥和DHW-2型温度传感实验装置，达到下列实验目的：

1．掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同

2．掌握利用非平衡电桥的输出电压来测量变化电阻的原理和方法

3．设计一个数显温度计，掌握非平衡电桥测量温度的方法，并类推至测其它非电量。

二．实验仪器及配件

1．DHQJ-5型非平衡电桥

2．DHW-2型温度传感实验装置

三．实验原理

非平衡电桥的原理图见图1。

图1

非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似，但测量方法上有很大差别。

平衡电桥是调节R3使I0=0，从而得到，，非平衡电桥则是使R1、R2、R3保持不变，RX变化时则U0变化。

再根据U0与RX的函数关系，通过检测U0的变化从而测得RX。

由于可以检测连续变化的U0，所以可以检测连续变化的RX，进而检测连续变化的非电量。

（一）非平衡电桥的桥路形式

1、等臂电桥

电桥的四个桥臂阻值相等，即R1=R2=R3=RX0；

其中RX0是RX的初始值，这时电桥处于平衡状态，U0=0。

2、卧式电桥也称输出对称电桥

这时电桥的桥臂电阻对称于输出端，即R1=R3，R2=RX0，但R1≠R2

3、立式电桥也称电源对称电桥

这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称相等即

R1=R2RX0=R3但R1≠R3

4、比例电桥

这时桥臂电阻成一定的比例关系，即R1=KR2，R3=KRX0或R1=KR3，R2=KRX0，K为比例系数。

实际上这是一般形式的非平衡电桥。

（二）非平衡电桥的输出

非平衡电桥的输出接负载大小分类又可分为两种。

一种是负载阻抗相对于桥臂电阻很大，如输入阻抗很高的数字电压表或输入阻抗很大的运算放大电路；

另一种是负载阻抗较小，和桥臂电阻相比拟。

后一种由于非平衡电桥需输出一定的功率，故又称为功率电桥。

根据戴维南定理，图1所示的桥路可等效为图2（a）所示的二端口网络。

图2（a）图2（b）

其中U0C为等效电源，Ri为等效内阻。

由图1可知，在RL=∞时，等效电源电压值为：

根据戴维南定理，将E电源短路，得到图2（b）电路，据此可求出电桥等效内阻：

根据图2（a）电路，得到电桥接有负载RL时输出电压：

（1）

电压输出的情况下RL→∞，所以有

（2）

根据

（1）式，可进一步分析电桥输出电压和被测电阻值关系。

令Rx=RX0+ΔR，Rx为被测电阻，ΔR为电阻变化量。

根据

（1）式，

因为RX0为其初始值，此时电桥平衡，有，所以

（3）

当RL=∞时，

因为，所以，代入上式有

（4）

（3）、（4）式就是作为一般形式非平衡电桥的输出与被测电阻的函数关系。

特殊地，对于等臂电桥和卧式电桥，（4）式简化为

（5）

立式电桥和比例电桥的输出与（4）式相同。

被测电阻的ΔR<

<

RX0时，（4）式可简化为

（6）

（5）式可进一步简化为

（7）

这时U0与△R成线性关系

（三）用非平衡电桥测量电阻的方法

习惯上，人们称RL=∞的非平衡应用的电桥叫非平衡电桥；

称具有负载RL的非平衡应用的电桥叫功率电桥。

下述的“非平衡电桥”都是指RL=∞的非平衡应用的电桥。

1、将被测电阻（传感器）接入非平衡电桥，并进行初始平衡，这时电桥输出为0。

改变被测的非电量，则被测电阻发生变化，这时电桥输出电压，开始作相应变化。

测出这个电压后，可根据（4）式或（5）式计算得到ΔR。

对于ΔR<

RX0的情况下可按（6）式或（7）式计算得到ΔR值。

2、根据测量结果求得Rx=RX0+△R，并可作U0—△R曲线，曲线的斜率就是电桥的测量灵敏度。

根据所得曲线，可由U0的值得到△R的值，也就是可根据电桥的输出U0来测得被测电阻Rx值。

（四）用非平衡电桥测温度方法

1、用线性电阻测温度

一般来说，金属的电阻随温度的变化，可用下式描述：

Rx=RX0（1+αt+βt2）（8）

如铜电阻传感器RX0=50Ω（t=0℃时的电阻值）

α=4.289×

10-3/℃

β=-2.133×

10-7/℃

一般分析时，在温度不是很高的情况下，忽略温度二次项βt2，可将金属的电阻值随温度变化视为线性变化即

Rx=RX0（1+αt）=RX0+αtRX0

所以△R=αRX0Δt，代入（4）式有

（9）

式中的αRX0值可由以下方法测得：

取两个温度t1、t2，测得RX1，RX2则

这样可根据（9）式，由电桥的输出U0求得相应的温度变化量Δt，从而求得t=t0+Δt。

特殊地，当ΔR<

RX0时，（9）式可简化为

（10）

这时U0与Δt成线性关系

2、利用热敏电阻测温度

半导体热敏电阻具有负的电阻温度系数，电阻值随温度升高而迅速下降，这是因为热敏电阻由一些金属氧化物如Fe3O4、MgCr2O4等半导体制成，在这些半导体内部，自由电子数目随温度的升高增加得很快，导电能力很快增强；

虽然原子振动也会加剧并阻碍电子的运动，但这种作用对导电性能的影响远小于电子被释放而改变导电性能的作用，所以温度上升会使电阻值迅速下降。

热敏电阻的电阻温度特性可以用下述指数函数来描述：

（11）

式中A是与材料性质的电阻器几何形状有关的常数。

B为与材料半导体性质有关的常数，T为绝对温度。

为了求得准确的A和B，可将式（11）两边取对数

（12）

选取不同的温度T，得到不同的RT。

根据（12）式，当T=T1时有：

lnRT1=lnA+B/T1；

T=T2时有：

lnRT2=lnA+B/T2

将上两式相减后得到

（13）

（14）

常用半导体热敏电阻的B值约为1500～5000K之间。

不同的温度时RT有不同的值，电桥的U0也会有相应的变化。

可以根据U0与T的函数关系，经标定后，用U0测量温度T，但这时U0与T的关系是非线性的，显示和使用不是很方便。

这就需要对热敏电阻进行线性化。

线性化的方法很多，常见的有：

①串联法。

通过选取一个合适的低温度系数的电阻与热敏电阻串联，就可使温度与电阻的倒数成线性关系；

再用恒压源构成测量电源，就可使测量电流与温度成线性关系

②串并联法。

在热敏电阻两端串并联电阻。

总电阻是温度的函数,在选定的温度点进行级数展开，并令展开式的二次项为0，忽略高次项,从而求得串并联电阻的阻值，这样就可使总电阻与温度成正比，展开温度常为测量范围的中间温度。

详细推导可由学生自己完成。

③非平衡电桥法。

选择合适的电桥参数，可使电桥输出与温度在一定的范围内成近似的线性关系。

④用运算放大的结合电阻网络进行转换，使输出电压与温度成一定的线性关系

这里我们重点讲述一下用非平衡电桥进行线性化设计的方法。

在图一中，R1、R2、R3为桥臂测量电阻，具有很小的温度系数，Rx为热敏电阻，由于只检测电桥的输出电压，故RL开路，根据

（2）式有

式中

可见U0是温度T的函数，将U0在需要测量的温度范围的中点温度T1处，按泰勒级数展开

（15）

其中

式中U01为常数项，不随温度变化。

为线性项，Un代表所有的非线性项，它的值越小越好，为此令=0，则Un的三次项可看做是非线性项，从Un的四次项开始数值很小，可以忽略不计。

（15）式中U0的一阶导数为

将代入上式并展开求导可得：

U0的二阶导数为

令=0，可得：

=0

即

也就是（16）

根据以上的分析，将（15）改为如下表达式

U0=λ+m（t-t1）+n（t-t1）3（17）

式中t和t1分别T和T1对应的摄氏温度，线性函数部分为

U0=λ+m（t-t1）（18）

式中的λ为U0在温度T1时的值：

将代入上式，可得

（19）

（18）式中m的值为在温度T1时的值

将代入上式，可得：

（20）

非线性部分为n（t-t1）3是系统误差，这里忽略不计。

线性化设计的过程如下：

根据给定的温度范围确定T1的值，一般为温度中间值，例如设计一个30.0~50.0℃的数字表，则T1选313K，即t1=40.0℃。

B值由热敏电阻的特性决定,可根据（13）式所述求得。

根据非平衡电桥的显示表头适当选取λ和m的值，可使表头的显示数正好为摄氏温度值，λ为测温范围的中心值m·

t1（mV）。

这样λ为数字温度计测量范围的中心温度，m就是测温的灵敏度。

确定m值后，E的值由公式（20）可求得：

（21）

由公式（16）可得：

R2的值可取T1温度时的RXT1值计算：

（22）

由公式（19）可得：

（23）

这样选定λ值后，就可求得R1与R3的比值。

选好R1与R3的比值后，根据R1与R3的阻值可调范围，确定R1与R3的值。

四．实验内容和方法

实验前请仔细阅读非平衡电桥使用说明书及操作注意事项。

（一）、用非平衡电桥测量铜电阻

1、预调电桥平衡

起始温度可以选室温或测量范围内的其他温度。

选等臂电桥或卧式电桥做一组U0、ΔR数据。

将DHW-2型温度传感实验装置“铜电阻”端接到非平衡电桥输入端。

调节合适的桥臂电阻，使U0=0，测出RX0，并记下初始温度t0。

2、调节控温仪，使铜电阻升温，根据数字温控表的显示温度，读取相应的电桥输出U0