大学物理创新实验论文

大学物理创新实验论文大学物理创新论文电场磁场强的测量与场强测量仪的制作成员：蒋博，韩鲁斌，张林林班级：电气工程及其自动化（卓越）1307立项依据：大学物理课程中磁场、电场、电磁波的相关内容以及本专业课程，如模拟电子技术，电路的相关知识：1）电场电场是电荷及变化磁场周围空间里存在的一种特殊物质。电场这种物质与通常的实物不同，它不是由分子原子所组成，但它是客观存在的，电场具有通常物质所具有的力和能量等客观属性。电场的力的性质表现为：电场对放入其中的电荷有作用力，这种力称为电场力。电场的能的性质表现为：当电荷在电场中移动时，电场力对电荷做功（这说明电场具有能量）。真空中点电荷场强公式：E=k×q/r^2。匀强电场场强公式：E=U/d。任何电场中都适用的定义式：E=F/q。介质中点电荷的场强：k×q/r^2。2）磁场磁场是一种看不见、摸不着的特殊物质，磁场不是由原子或分子组成的，但磁场是客观存在的。磁场具有波粒的辐射特性。磁铁周围存在磁场，磁体间的相互作用就是以磁场作为媒介的。电流、运动电荷、磁体或变化电场周围空间存在的一种特殊形态的物质。由于磁体的磁性电流，电流是电荷的运动，因而概括地说，磁场是由运动电荷或电场的变化而产生的。用现代物理的观点来考察，物质中能够形成电荷的终极成分只有电子（带单位负电荷）和质子（带单位正电荷），因此负电荷就是带有过剩电子的点物体，正电荷就是带有过剩质子的点物体。运动电荷产生磁场的真正场源是运动电子或运动质子所产生的磁场。例如电流所产生的磁场就是在导线中运动的电子所产生的磁场。磁荷意义下，磁场强度的定义为：与电场强度类似。在介质中，磁场强度则通常被定义为：3）电磁波电磁波产生（手机拨号辐射）后，电流在电路中往复振荡时，两端出现正负交替的等量异号电荷，称为振荡偶极子。振荡偶极子能够发射电磁波并向周围空间传播。由于这个磁场是变化的，会在周围空间激发感应电场。变化的感应电场和磁场相互激发，闭合的电场线和磁感应线就像链环一样一个个地套链下去，在空间传播开来，形成电磁波。且电磁波沿着各个不同的方向向外传播。研究内容：对变化的电磁场的电磁感应强度的测量方法进行了一系列的讨论，并根据电磁波和电路知识制作了简易的磁场测量仪。器件：自制简易天线、检波二极管、电容、电阻、三极管等。研究目的：定性地测量磁场强弱的变化。实物图技术方案：磁场测量仪由接收器、检波、放大器、输出四部分组成。1)由天线TX、二极管D1、电容C1构成的电路接收到高频信号；2）2)经D2、C2检波后产生直流电压；3)在经过三极管Q1、Q2放大电流信号,推动LED发光指示;4)调节滑动变阻器W控制基极电压，进而改变LED发光强弱，从而达到调节灵敏度作用。电路原理图电磁波接收原理：电磁波产生（手机拨号辐射）后，电流在电路中往复振荡时，两端出现正负交替的等量异号电荷，称为振荡偶极子。振荡偶极子能够发射电磁波并向周围空间传播。由于这个磁场是变化的，会在周围空间激发感应电场。变化的感应电场和磁场相互激发，闭合的电场线和磁感应线就像链环一样一个个地套链下去，在空间传播开来，形成电磁波。且电磁波沿着各个不同的方向向外传播。接收天线将接收的电磁波能量变为高频振荡能量送入电路。由于天线只能接收频率一定范围的电磁波，且电磁波的方向是任意的，因此信号输出LED显示间歇亮暗。又因电磁波的能量w=1/2（εE2+μH2）,这样就可以通过观察灯亮暗得到能量变化，进而得到电场E和H的变化。电路的改进:在定性测量的基础上，可以根据电路的分析定量地测出电磁场变化幅度。由：iC1=βiB1；iE1=（1+β）iB1;iB2=iE1；112622711海洋测绘专业赵宗力学一.无摩擦平衡计一轻木杆一端系细线使其悬在空中，另一端放置在泡沫上使其浮在水上，將泡沫移置于水面任意一點，观察系统最后平衡时的状态实验原理：轻木和泡沫的重力与细线的拉力和水的支持力三者抵消，使整个系统达到平衡状态。1.若不改变实验的任何部分，只在轻木杆上增加小砝码但不至于木杆下沉，实验结果会如何?同样达到平衡状态2.如果将细绳换成轻弹簧，实验结果会如何？同样达到平衡状态二.球棒重心实验原理：球棒握把端较细长，在力矩的概念里，距支点越远力矩越大，故较细的一端可以和教重的一端保持平衡，是因为彼此的力矩为反方向的等值。1.更改切割球棒的方式能否使两侧的重量都相等？不会三.依斯克里奇摆后，分別观察摆的周期是否产生改变。实验原理：本次实验使用的摆为复摆，在本实验中，复摆的周期与角度θ有关關.1.当把摆的角度固定时加速度的不同能否使摆的周期不变？不能四.餐桌物理学---惯性实验实验原理：首先铅笔会落入红葡萄酒瓶內乃是因为惯性的关系。惯性定律，也就是牛顿第一运动定律。说明物体若不受外力，或其所受外力之合力及合力矩为零时，则静者恒静，动者恒沿一直线作等（角）速度运动。此实验中，快速將名片弹开就是这个原理，同时也为了使铅笔受到较少的横向摩擦力。1.如果把名片更换为餐巾纸或者是抹布，铅笔是否能落入酒瓶中？为什么？较难，摩擦力太大了热学浙江海物理创新设计实验报告实验名称：利用霍尔效应法测量空间的磁场分布指导教师：鲁晓东专业：数学与数学应用班级：B10数学实验者：于祥雨吴联帅学号：100601108100601118实验日期：xx年12月01日洋学院利用霍尔效应法测量空间的磁场分布实验者：于祥雨同组实验者：吴联帅指导老师：鲁晓东（B10数学100601108654495;B10数学100601118670903）【摘要】通过霍尔效应法测量霍尔电流和励磁电流的方法，并使用“对称测量法”消除副效应的影响，最终通过多组数据的处理，得出空间磁场分布。【关键词】霍尔效应；霍尔电流；对称测量法；磁场分布一、引言空间磁场实际存在，但是人眼看不到，因此用直接的方法测量是行不通的。本实验正是考虑了这点，通过测量霍尔电流和励磁电流的方式，通过霍尔电流、励磁电流和磁场强度的关系，间接的测出磁场强度。并结合多组数据的处理，最大程度减小误差，使实验更加科学、严谨，从而使得实验方法具有可实施性和借鉴性。二、设计原理2．1简介置于磁场中的载流体，如果电流方向与磁场垂直，则在垂直于电流和磁场的方向会产生一附加的横向电场，这一现象是霍普金斯大学研究生霍尔于1879年发现的，后被称为霍尔效应。如今霍尔效应不但是测定半导体材料电学参数的主要手段，而且利用该效应制成的霍尔器件已广泛用于非电量的电测量、自动控制和信息处理等方面。在工业生产要求自动自动检测和控制的今天，作为敏感元件之一的霍尔器件，将有更广泛的应用前景。掌握这一富有实用性的实验，对日后的工作将有益处。2.2霍尔效应霍尔效应是磁电效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这个电势差就被叫做霍尔电势差。导体中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷积累，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。正交电场和电流强度与磁场强度的乘积之比就是霍尔系数。平行电场和电流强度之比就是电阻率。因此，对于一个已知霍尔系数的导体，通过一个已知方向、大小的电流，同时测出该导体两侧的霍尔电势差的方向与大小，就可以得出该导体所处磁场的方向和大小。2.3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伦兹力作用而引起的偏转。当带电粒子（电子或空穴）被约束在固体材料中，这种偏转就导致在垂直电流和磁场方向上产生正负电荷的聚积，从而形成附加的横向电场，即霍尔电场EH。如图2-1所示的半导体式样，若在X方向通以电流IH，在Z方向加磁场B，则在Y方向即试样2-4电极两侧就开始聚集异号电荷而产生相应的附加电场。电场的指向取决于试样的导电类型。对图2-1所示的N型试样，霍尔电场为?Y方向。显然，霍尔电场EH是阻止载流子继续向侧面偏移，当载流子所受的横向电场力eEH与洛伦兹力相等，样品两侧电荷的积累就达到动态平衡，故：（2.3.1）eEH?其中EH为霍尔电场，是载流子在电流方向上的平均漂移速度。图2-1霍尔片示意图霍尔效应是运动的载流子在磁场中受到洛伦兹力发生偏转而产生的，利用霍尔效应原理。作出来的电子元件统称为霍尔元件，本实验所用的的霍尔元件是一个长方形的均匀半导体薄片，称为霍尔片。如图所示，其宽为b，厚度为d。如果把元件置于垂直于元件平面的磁场B中，当通入电流I（与B方向垂直）时，载流子（N型半导体为带负电荷的电子，P型半导体为?带正电荷的空穴）在磁场中受洛伦兹力Fm的作用而偏转，从而在侧面形成电势差UB（霍尔电压）。设载流子平均速率为vd每个载流子的电荷量为e，当载流子所受洛伦兹力与霍尔元件表面电荷产生的电场力相等时。则VH达到稳定：VH?evdB(2.3.2)b若自由电子的浓度为n，则霍尔片的工作电流I可表示为dQ?envdS?envdbd(2.3.3)I?dte所以：VH?EHb?即：B?IHBIB?SHH(2.3.4)neddVHdd（2.3.5）?kIHSHSH1为霍尔系数；只要证明ne其中VH为霍尔电压，B为外磁场，d为霍尔片厚度；SH?霍尔电压与磁场强度成正比，便可以通过测得电压的分布来分析磁场分布。设定电流IH和磁场B的正方向，分别测量由IH和B组成的四个不同方向的组合（即“+IH，+B”、“+IH，-B”、“-IH，+B”、“-IH，-B”），为了提高实验精度，实验时应注意副效应的影响，根据副效应的特点作电流和电压的换向处理，并对测得的四组数据（“+B-I”）（“-B-I”）V1、（“+B+I”）V3、（“-B+I”）V4的作代数平均值，可得：V2、VH?VE?V1?V2?V3?V4（2.3.6）4由于VE符号与IH、B两者方向关系和VH是相同的，故无法消除，但是电流IH和电场B较小时，VH?VE，因此VE可略去不计，所以霍尔电压为：VH?V1?V2?V3?V4（2.3.7）42.4实验仪器KL—10霍尔效应实验组合仪测试仪包括两路直流稳定电源。±1000mA供给电磁铁的励磁电流和±10.0mA供给霍尔元件的工作电流。全套HL—10型霍尔效应实验组合仪由：实验装置部分和测试部分组成。图2-2霍尔效应实验组合仪1图2-3霍尔效应实验组合仪21、将霍尔效应组合实验仪上的励磁电流调节螺钮和工作电流调节螺钮旋到底。2、将励磁电流输出端接入双掷开关K1下边的两接线柱上。将霍尔电压输入与K3的下边的两接线柱相连，将工作电流输出与K2左边的两接线柱相连。3、将K3置于空挡，合上K1、K2，将工作电流调至10mA，测定VH的值，（若为VH负值，改变K3使VH为正值），此时的霍尔电压为剩磁所对应的霍尔电压VH。4、开机前，测试仪电源的“IH电流调节”和“IM电流调节”旋钮均置零位（即逆时针旋到底）。5、按图13-6连接测试仪与实验仪之间的各组导线，将三个换向开关掷向任一侧（例如都掷向上方），并把这一方向定为IH、VH和IM的正向。注意：1）样品各电极引线与对应的双刀开关之间的连线已由厂家连接好，请勿再动！2）严禁将测电仪电源的“IM励磁电流”输出误接到实验仪的“霍尔电流”输入或“霍尔电压”输出处，否则，一旦通电，霍尔样品即遭损坏!3）霍尔片性脆易碎，电极审细易断，严防撞击或用手去摸，否则即遭损坏!4）霍尔片放置在电磁铁空隙中间，在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变y轴方向的高度，以免霍尔片与磁极面摩擦而受损！6、接通电源，预热数分钟。置“测量选择”于IH档（放键），电流表所示的值即随“IH电流调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为0～10mA。此时电压表所示读数为“不等势”电压VO值，它随IH增大而增大，IH换向，VO极性改号，说明IH输出和输入工作正常。7、置“测量电流选择”于IM档（按键），电流表所示的值即随“IM电流调节”旋钮顺时针转动而增大，其变化范围为0～1A。此时电压表随IM增大而增大，IM换向，VH极性改号，说明IM输出和输入工作正常。8、最后将试