导图社区 基础物理实验
复旦大学基础物理实验2024年知识纲要,《基础物理实验》是一本系统介绍与大学物理实验相关的数据处理知识、常用仪器设备的原理和使用方法、以及基本测量方法的教材。内容丰富、系统性强、实用性高的物理实验教材,适合作为高等理工院校各专业的实验物理课程的教材或参考书,也适合涉及物理学的实验技术人员参考。
编辑于2024-06-16 23:53:17This is a mind map about 细胞生物学,Main content: 细胞中的分子,能量代谢,基因表达调控,细胞骨架,细胞生物学研究方法,细胞信号转导与细胞通信,癌细胞,免疫细胞,细胞衰老与凋亡,细胞周期,内膜系统,细胞膜与表面。
This is a mind map about 随机过程导论,Main content: Brown运动,Galton-Watson 分支过程,Markov过程,Poisson过程,随机过程基本概念。
复旦大学基础物理实验2024年知识纲要,《基础物理实验》是一本系统介绍与大学物理实验相关的数据处理知识、常用仪器设备的原理和使用方法、以及基本测量方法的教材。内容丰富、系统性强、实用性高的物理实验教材,适合作为高等理工院校各专业的实验物理课程的教材或参考书,也适合涉及物理学的实验技术人员参考。
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复旦大学基础物理实验2024年知识纲要,《基础物理实验》是一本系统介绍与大学物理实验相关的数据处理知识、常用仪器设备的原理和使用方法、以及基本测量方法的教材。内容丰富、系统性强、实用性高的物理实验教材,适合作为高等理工院校各专业的实验物理课程的教材或参考书,也适合涉及物理学的实验技术人员参考。
基础物理实验
数据处理
不确定度,可以参照直流电桥理解
不确定度的类型
A类不确定度(多次测量)
B类不确定度
B1 类不确定度:仪器造成的单次测量的测量不确定度
d为仪器的分度值
B2 类不确定度:仪器“做工”不确定度
a为仪器的不确定度限值
c称为“置信因子,在本课程中一般取
不确定度的计算:注意A类和B1类不确定度是互斥的
直接测量
单次测量
多次测量
间接测量,通过公式进行换算
举例
不确定度的表示方法
一般表示法
百分比表示法
不确定度只取一位有效数字,但在运算过程中一般要取两位或更多
有效数字
加减法
尾数对齐,即小数点后的位数相同
乘除法
位数对齐,即有效数字的个数相同
修约规则
小于5舍、大于5入,刚好是5时,若前一位为奇数则入,为偶数则舍,也就是说,如果修的那一位是5,修完后最后一位小数肯定是偶数
不确定度的小数位数等于修约后的小数点位数
液氮比汽化热的测量
实验原理
比汽化热
在一定压强下,保持温度不变时(注意条件),单位质量的液体转化为气体所需吸收的热量。同时也等于该气态物质转化为同温度的液体时所放出的热量。
温度升高,比汽化热减小,这是由于随着温度升高,液相与气相差别变小。
间接测量Q
引入铜柱和水,利用铜柱来作为中间体,利用水的高比热容规避比热容随温度变化的影响
动态称衡法测m
通过取中点作竖直线近似认为铜柱热交换造成的气化质量是瞬间完成的,以排除液氮本身固有的因为吸收空气热量而气化的液氮质量
a-b 段、c-d 段斜率不同是因为液面下降吸热变得困难
实验内容
测量m-t的变化情况
莱顿弗罗斯特效应是指液体在接触高温表面时,会在液滴和表面之间形成一层绝缘的蒸汽,使液滴悬浮且蒸发变慢的现象,所以出现两次白雾,刚开始投入时和铜柱温度低到某个值使该效应消失时,即热传递完成时
测Q
θ3选最低温的原因:量热筒中水与铜柱发生热交换的同时水也在从空气中吸热,所以铜柱与水同温后体系还会继续从空气中吸收热量
水不能太多,否则容易溅出,水不能太少,否则无法浸没
转动惯量
实验原理
转动惯量
通过扭摆间接测量转动惯量
平行轴定理
实验内容
实验的这个模型要成立核心假设是K为常数,所以主要会产生的误差就是来自弹簧自身的摩擦力矩,所以在实验过程中我们要求把仪器给调水平,放置圆筒的时候要水平放置,在平行轴定理实验中要放两个滑块
验证平行轴定理的实验拟合出的直线的斜率的意义是两个滑块的总质量,截距的意义是理论上在d等于0时两个滑块的转动惯量的和
扭摆在摆动时,摆角取60度-90度
LCR串联谐振电路
实验原理
回路中电流与谐振电路两端总电压和输入信号频率的关系
总电压和电流的相位差
当阻抗等于容抗时,电路中总阻抗Z最小,电流I达到最大值,整个电路星现电阻性,电流的大小只决定于回路中总电阻的大小。LCR串联电路的这种状态称为串联谐振,对应的信号频率称为谐振频率
在正弦波的频率达到谐振频率时,电路的电流达到最大值Io
品质因数Q
Q值越大,即频带宽度越窄,谐振曲线就越尖锐,频率选择性越好
Q值的大小还反映了谐振时电路中储能与耗能之比
实验内容
判断谐振:U1(回路中的总电压)达到最小值,U2(电阻两端的电压)达到最大值
直流电桥
实验原理
单臂电桥(惠斯通电桥)测中值电阻,双臂电桥(开尔文电桥)测低值电阻
万用表示数为0,电桥平衡
平衡条件
推导
直流电桥的灵敏度:电桥桥臂有单位不平衡值时引起的电压表相应改变量(以改变多少个最小分度来体现)
M越大,电桥越灵敏
实验内容
各个因素对电桥灵敏度的影响
Rs的有效数字由电阻箱的最小分度值决定,为0.1Ω
电桥桥臂比的影响
等于1时最大,向两边递减
电源电压的影响
呈线性关系,电源电压越大灵敏度越高
Rs改变量与桥臂检测电压的关系
呈线性关系,改变量越大检测电压越大
都可以用上面的表达式解释
不确定度评定
误差
电阻较大时在调电阻箱最后一位时示数不变,取平均
Rx浮动
数字示波器的使用
实验原理
数字示波器
核心元件:模拟-数字转换芯片(也叫模数转换器,Analog-to-Digital Converter,ADC)
示波器按键说明
3万能旋钮
有很多功能,比如移动光标的位置
10触发系统
为了实时稳定地显示信号波形,示波器必须重复地从存储器中读取数据并显示。为使每次显示的曲线和前一次重合,必须采用触发技术,通过调整触发电平整步。触发将确定示波器开始采集数据和显示波形的时间。
电平可以理解为信号的强度,达到这个强度的那个点示波器就将其作为信号的起始点显示在屏幕上,对于比如说一个正弦波如果规定了是上升沿还是下降沿那就相当于是对齐了相位
12水平系统
改变时间分度值,使图像在水平方向发生形变或移动的系统
13外触发输入端
当输入信号超量程时,使用衰减器,如无源补偿探头
14垂直系统
形象地理解就是可以使图像在竖直方向发生形变或移动的系统
示波器屏幕说明
9触发电平
这里就是0mV
10触发类型
是通道和触发电平数值中间的那个符号,这里就是上升沿触发
13VOLTS/DIV档位
意思是一个小格代表几伏,这里的小格是屏幕上有五个最小格构成的单位
14耦合方式
直流(Direct Current,DC),图上就是直流耦合
交流(Alternative Curent,AC)
可用于解决DC偏差,即信号量大值与量小值的平均值与实际岺电位有偏差
实验内容
认识数字示波器的三个系统
垂直系统
顺时针分度值变小图像变大
按“伏/格”可调节的最小分度值变小
按“位置”复位
水平系统
顺时针分度值变小图像变大
按“秒/格”延迟扫描,放大局部位置
按“位置”复位
触发系统
三种测量方法
Auto
示波器可以直接测量的数据:电压峰峰值,电压平均值,周期,频率,电压分度值,时间分度值
屏幕估读
示波器屏幕读数要求:估读到最小分度格的下 一位,采用五分之一估读,估读精度为0.04DIV, 读取的格数应为0.04的整数倍。
光标
李萨如图形的观测
用计算机实测技术研究冷却规律
实验原理
对流
自然对流
由于发热体周围的流体因温度升高而密度变化,从而形成的流动,m=1.25
强迫对流
由外界的强迫作用来维持发热体周围流体的流动
在强迫对流时,若流体的流动速度足够快而使发热体周围流体的温度始终保持为0不变,则m=1
自然冷却的m大于强迫冷却不代表温度下降得比强迫冷却快(因为k不同),而可能意味着自然冷却时温度差对于冷却的影响的权重大于强迫冷却时
实验内容
校准温度计,测定室温
温度传感器的电流和温度呈线性关系,此处近似为正比例关系,温度传感器的量程有限,温度超过一百二十度可能直接失灵
加热
注意到100度左右的时候就关闭变压器用余热加热到110度左右
注意保持空间中流体的稳定
数据处理
初始温度较高时,温度下降速度很快,采样点不足,造成初始段误差
最终温度接近室温时,记录到的温度上下浮动,点分散,造成末端误差
计算机实测物理实验
实验内容
采样时间和采样频率的影响
音频输出:由计算机声卡输出音频信号(Sin&Triangular wave)
模拟输出:输出方波(Square wave),程序中应设置为“Dev*/A00”
模拟输入1:理序中应设置为“Dev*/AI4”
模拟输入2:理序中应设置为“Dev*/AI5”
显然,采样时间和采样频率越高,采集到的波形越接近真实的波形,FFT后得到的频率越接近真实频率
Nyquist's theorem:为了准确地重建一个频率为 f 的信号,其采样频率必须至少是信号频率的两倍,即 2f
测量RC串联电路的相位差
理论值
双正弦曲线
李萨如图形
FFT的应用
破译电话号码
光的衍射
实验原理
可基于矢量叠加法得出,具体参见光学
实验内容
光路调节
反射板前后移动光点在白屏上的位置不改变,调完之后再看一眼光点是不是在传感器上,注意用白屏调完之后就不能动激光器的俯仰就不能再动了,上下偏就动传感器
激光波长的测量
读取的x坐标是电脑屏幕上的像素值,六个点分别对应-3到3的极次k,我们实际需要的是各个条纹的物理距离,所以通过转换系数换成mm
透镜焦距测量
实验原理
粗测法
当物体放在无穷远的位置时,u=∞,v=f,无穷远的物体成像在焦平面上
二次成像法(贝塞耳法)
保持物屏与像屏之间的距离D不变,且 D>4f。沿光轴方向移动凸透镜,可以在像屏上观察到两次成像:一次成倒立缩小实像,一次成倒立放大实像
自准直法
当物体放在透镜的焦平面上,从物上A处发出的任意方向上的光线经过凸透镜后必成平行光。平行光经反射镜反射后,再经过凸透镜后一定聚集在焦平面上,通过找到与原物大小相等的倒立实像得到一倍焦距的位置
凹透镜的焦距测量(组合透镜法)
用一个凸透镜先成一个缩小的实像,凹透镜以这个实像为虚物再通过凹透镜成实像
实验内容
二次成像法
通过调整凸透镜的高度使光学系统共轴,要求前后移动凸透镜像在相屏上的高度不变
D过小不能成两次实像,D过大缩小的实像太小
自准直法
反射镜尽可能靠近凸透镜将全部的光反射回去
为了消除透镜中心位置与调节架刻度线不在同一平面造成的误差,旋转180度再测一次,旋转后不能再动平面镜的俯仰角度
仪器的不确定度限值取1
组合透镜法
凹透镜的位置变化像的变化很明显,所以通过固定像屏移动凹透镜来确定目标位置
X射线透视与NaCl晶体结构分析
实验原理
高速运动的带电粒子与靶原子的相互作用
连续谱(轫致辐射):高速电子接近原子核时,原子核会使它偏转并产生电磁辐射
短波极限:假设被电压加速的电子带有的能量转化为辐射出的X线的能量,可以得到以此方式产生的X光的最短波长
标准谱(特征辐射):把原子第一层电子给激发了,第二层或第三层电子跃迁,逸出光子
透射像的观察
X光入射后,对X光吸收多的区域亮度暗,吸收少的区域亮度亮,从而会在荧光屏上显示出物体的图像
X射线衍射分析晶体结构
X射线的波长很小,可以和晶体内的原子间距相比拟,所以可以产生衍射,衍射进去再被反射的光又和一开始反射的光形成干涉
布拉格公式
实验内容
观察X光的透射像
管电压管电流越大越清晰,管电压影响更大
管电压减小既减少光子数量也减小光子能量(见轫致辐射公式)
管电流只减少光子数量
调校测角器的零点
目的:初始时光缝、靶台、传感器应该在同一条水平线上
方法:用已知原子间距的晶体NaCl入射角为3.6度时计数率最大,找到后把靶台回调7.2度即归零
测量衍射曲线
峰成对出现:l,m层的电子都会向内跃迁产生x射线
管电压管电流的影响
基于原理特征辐射的波长始终不变,轫致辐射中短波极限只在管电压减小时增大右移,由于光子数量减少图像都整体下降
仪器上的不同模式
SENSOR 模式:用于控制和监测传感器的角度位置。在此模式下,可以手动调整传感器的位置或设置传感器的自动扫描范围,显示器显示当前的传感器角度
TARGET 模式:用于控制和监测靶台的角度位置。在此模式下,可以手动调整靶台的位置或设置靶台的自动扫描范围,显示器显示当前的靶台角度
COUPLED 模式:用于同步控制靶台和传感器的位置。在此模式下,传感器的角度自动保持为靶台角度的两倍。可以手动调整或设置靶台的自动扫描范围,显示器显示当前的靶台角度,用于测量衍射曲线
量子论实验
实验原理
实验内容
观察氖管的发光现象
UG过小时电子不易从阴极被拉出,UG过大氖气在强电场作用下电离,会发生“击穿”现象
UA增大,电子获得同样的能量所需要的能量减小,发光区向阴极移动,当电子足以被多次加速到可以达到非弹性碰撞的速度,就出现了多个发光区
氖原子第一激发态产生的光子不在可见光范围内,所以看到的不是第一激发态
电子的发射有角度,越靠近阴极的发光区尺寸越小
用示波器观察电流曲线
UG增加,从阴极被拉出的电子变多,电流曲线上移
UE增加,电子到达收集电极的阻力变大,电流峰值变小,波峰更加明显,电子到达阳极的能量差变大
选择一二峰对应电压的差值为第一激发电位(单位改成eV),二三峰可能包含更多其他能级的跃迁
测量电压的方法:找到峰值对应的UA的大小,通过光标测量两个点的时间差,又有UA的总量程和变化时间已知,可以得出UA变化的速率(要乘以10)从而换算出两个点的电压差
锑化铟磁阻传感器特性测量
实验原理
常磁阻效应
产生的原因:在磁场中,半导体载流子收到洛伦兹力发生偏转,产生霍尔电场,使载流子将发生偏转,电场方向的载流子减少,导致电阻增大
倍频效应
所以实际上是施加的电磁铁两端信号源和锑化铟电阻(也即锑化铟两端的电压)的变化之间存在二倍的频率关系
实验内容
研究锑化铟电阻随磁场的变化规律
要先调零矫正电磁铁没有通电流磁感应轻度
大致上有磁感应强度在0-60时为较弱磁场,在60-120时为过渡区,大于120时为较强磁场(mT)
要先粗测确定测量范围和步长再进行细测,因为存在热漂移,不可以回测
误差均分原理:外接电阻设为500Ω,和锑化铟的电阻值相近
设置恒流源电流为1mA防止电阻的热效应过大
实验电路采用单刀双掷的串联电路,双掷开关可令电压表测量两个 部分电路的电压
观察磁阻倍频效应
Vpp设置为20V使得磁阻的变化明显,进而使得锑化铟两端的电压变化更明显
f设置为5Hz,过高电路中的感抗过大,过低来源于仪器精度的不确定度占比较大,5Hz图像比较清晰
交流耦合锑化铟的信号以过滤直流分量
制作:蒋知澄 2024.6.16