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电磁学实验指南电子书 电磁学系列实验报告篇一
实验一 制流电路与分压电路 实验内容 1、仔细观察电表和万用表的度盘，记录下度盘下侧的符号及数字，说明其意义？说明所用电表的最大引用误差是什么？ 2、记下所用电阻箱的级别，如果该电阻箱的示值是 400ω时，它的最大容许电流是多少？ 3、用万用表测一下所用滑动变阻器的全电阻是多少？检查一下滑动端 c 移动时，r ac 的变化是否正常？ 4、制流电路特性的研究 a.按电路图 1-1 联结电路，r z 用 zx25a 电阻箱，其额定功率为 1w，r 0 用 10ω滑线变阻器，请计算以下数值后，确定电流表 a 用 档毫安表，e≤r z i max。预习时计算下表数据。
k 值 r z 大小(ω)r z 容许电流(ma)最大总电流 i max(ma)电源电压 e(v)0.1 1 b.联结好电路好，取好电源电压 e 与 r z 的值，r ac 取最大值，复查一次电路无误后，闭合开关 k，如无异常，移动 c 点观察电流值是否符合设计要求。
c.移动变阻器滑动头 c，在电流从最小到最大过程中，测量 11 次电流值及 c 在标尺上的位置 l，并记下变阻器绕线部分的长度 l 0，以 l/l 0 为横坐标，电流 i 的纵坐标作图。记录 l 0 =k 值 l l 0 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0.1 i(ma)1 其次，测一下当电流值 i 在最小和最大时，c 移动一小格时电流值的变化，记录 i 最小时δi=，i 最大时δi= 取 k=1，重复上述测量并绘图。
5、分压电路特性的研究 a.按图 1-4 联结电路，r z 用 zx25a 电阻箱，其额定功率为 1w，r 0 用 10ω滑线变阻器，电压表 v 用 档，请计算以下数值，电路中最小总电阻 r 总，最大总电流 i 总。r 总 ＝00rrrrzz，i 总 ＝i z + i 0，e＝i 总 r 总，k 值 r z 大小(ω)r z 容许电流(ma)r z 容许端电压 uz(v)最大总电压 u max(v)电源电压 e(v)2 0.1 b.联结好电路，取好电源电压 e 与 r z 的值，r ac 取最小值，复查一次电路无误后，闭合开关 k，如无异常，移动c 点观察电压值是否符合设计要求。
c.取 k=2，移动变阻器滑动头 c，在电压从最小到最大过程中，测量 14 次电压值及 c 在标尺上的位置 l，并记下变阻器绕线部分的长度 l 0，以 l/l 0 为横坐标，电压 u 的纵坐标作图。记录 l 0 = k 值 l 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 l 0 2 u(v)0.1 其次，测一下当电压值 u 在最小和最大时，c 移动一小格时电压值的变化，记录 u 最小时δu=，u 最大时δu= 取 k=0.1，重复上述测量并绘图。
6、使用万用表检查电路故障，在实验结束时把拆除负载电阻 r z，变成以下电路，找一个同学帮忙设置故障，让电压表没有指示，自己用万用表检查出故障原因。
v 检查故障电路 v 二段分压电路 r z
直流指针式检流计 指针保护锁 调零旋钮
实验二 二 静电场的描绘 实验内容 首先按右图的电路图连接电路 一、二共轴无限长均匀带电圆柱体间等势线分布的模拟。
1、按图连接电路，注意仪器上红接线柱代表正端。
2、把圆柱形电极板插入描迹仪下电极座中。
3、将坐标纸置于上层载纸板上压紧(不允许有松动)。
4、将下探针与电极板上的电极接通，调节二电极间电压 u a =u 0 =10v, u b =0v。
5、右手平稳地移动探针座。观察电表，分别找出与二极间电压相应为 2、4、6、8 伏的四条等势线，每条等势线最少均匀地描出 8 个等势点 6、取下坐标纸，将电势值相同的点连成光滑的曲线。
二、取下圆柱体电极板，换上两平行长直圆柱体电极进行等势线描绘，步骤同上。
三、
把所有等势线描绘好后，按课本 48 页标题 2 的内容算出圆柱形电极板的极 a 和极 b 的半径。方法如下：
1.用游标卡尺测出圆柱形电极板各等势线的半径及算出 lnr 和 u/u 0。
极间电压 1 2 3 4 5 6 7 8平均 lnr u/u 0 2 伏 4 伏 6 伏 8 伏 2、以 x=(u/u 0)为横坐标，y=(lnr)为纵坐标作图，得出一条直线，如果把 u a =u 0，u b =0，代入 49 页的 b aabrb aa b b au urruu ur u r urlnln lnln(4-6)，则有， ab rrruur r ln ln ln0式中 u r 为实验中测出的等势线的平均半径，u 0 为 a、b 两极间电势，因此得知 lnr b 为直线的截矩，ln(r a /r b)为直线斜率，从图看出截矩 lnr b = 斜率 ln(r a /r b)= 经计算得：
r b =，r a /r b =，r a = 四、用游标卡尺直接测量圆柱形电容器的极半径，把测量结果与计算结果作比较，以判断你做的实验的准确程度，并分析其产生误差的原因。
直接用游标卡尺测 两电极的直径 d 根据等势线的半径 推算出两电极的半径 r 计算出相对误差 e=(d-2r)/d 极 a 直径为 r r p v g e 静电场描绘仪 k c b a +-a b 两平行长直圆柱体电极电场的等势线
极 b 直径为 思考题：
(要求通过实验研究再回答以下问题)1、如果二电极间电压 u 增强一倍，等位线，电力线的形状是否会变化？ 2、如果将二电极间电压极性变换，所作等位线是否变化？实验 三、用惠斯通电桥测电阻 实验内容 首先记录所有仪器的名称、型号、规格、等级。
稳压电源 滑线变阻器 1 滑线变阻器 2 箱式电桥 检流计 型号 量程 注意记录所用电阻箱各档的等级。
电阻箱 型号 量程 ×10000 ×1000 ×100 ×10 ×1 ×0.1 ×0.01 r 2 r 3 r 4 一、用电阻箱 检流计组成惠斯通电桥测量电阻。
1.按 53 页图 5-1 连接线路，r 1 为待测电阻，r 2、r 3、r 4 为电阻箱。
r g 为 100ω、r e 为 1000ω滑线变阻器，电源电压选 6v 2、测量时，先看清待测电阻标称值，然后根据其阻值和计算公式 r x =(r 2 ÷r 3)×r 4 选好比例臂(r 2 ／r 3)倍率及比较臂 r 4 阻值。
r 4 =(r 3 ÷r 2)×r x 标称值，3、把各电阻箱的阻值预置好后，先把 r e 和 r g 电阻调到最大值，按下检流计电计开关，看指针偏向哪一边，然后调节 r 4 的阻值使检流计指针无偏转(按下松开电计开关时指针不动)，然后把 r g 和 r e 减到最小值，再按下检流计电计开关看指针是否偏转，如有偏转，则再调节 r 4 直到指针无偏转为止，才记录 r 2、r 3、r 4 的实际阻值。
4、将 r 2 和 r 3 交换再重新测量(换臂测量)参照课本 56 页测量举例测量标称值为 220ω或 3600ω的待测电阻的阻值。估算其不确定度(参照课本 56-59 页计算)二、测量组装电桥的相对灵敏度(参照课本 54 页最后一段“相对灵敏度 s 的测量”的内容)在以上步骤的测量中把电桥调平衡后，再检查滑线变阻器 r g 和 r e 调到最小值电桥也平衡时，记录下 r 4 的电阻值，然后把 r 4 电阻值增大或减小一定值，例如 4ω或 1ω，按下检流计的电计开关，看指针偏离“0”刻度线多少格，记下改变 r 4 的值δr 4 和指针偏离“0”线的格数 n，然后根据课本 54 页公式(5-4)就可算出电桥的相对灵敏度 s，用自组电桥测量电阻及其灵敏度的数据记录表格 电桥换臂前测量数据 电桥换臂前测量数据 1 2 3 4 1 2 3 4 r 3 /ω r 2/ ω r 4 /ω 偏转格数 n/span δr 4 /ω 计算出 r x /ω 相对灵敏度 s 三、参照下列要求进行探索并记录结果：
（1）rg 和 re 取最小和最大时的差别。
（2）r2、r3 取 5000ω 或 50 时的情况。
（3）对调检流计和电源的位置时的情况。
四、用箱式电桥测量 8 个电阻(先要看清仪器盒盖内外的说明再进行测量)记录好待测电阻 r x 标称值为 750ω 序数 1 2 3 4 5 6 7 8平均值平均值
5 倍率示数 标准差 u(a)测量盘示数 测得电阻实际值 注意：测量盘示数必须有四位数，即大于 1000ω，因此测量前要根据待测电阻称值考虑好比例臂和倍率该选多大值，根据待测电阻标称值=测量盘示数×倍率，把测量盘示数和倍率预置好才开始测量。
预习思考题：
1、在图 5-1 中，如 r 4 和 r x 调换位置，计算公式将怎样改变？ 2、假如在测量过程中检流计指针始终偏到某一边，或总不偏转，无法调到平衡试找出其可能的原因。
预习要求：
1、看完课本 53~55 页原理部分，掌握电桥平衡的条件。
2、画好预习表格。
3、完成预习思考题。
下面是箱式电桥的面板图和使用说明书仪器各旋钮的名称 1、指零仪零位调整器 2、指零仪 3、内、外接指零仪转换开关 4、外接检流计接线端端钮 5、量程倍率变换器 6、测量盘 7、外接电源接线端钮 8、内、外接电源转换开关 9、测量电阻器接线端钮 10、指零仪开关(g)11、电源开关(b)12、指零仪灵敏度调节旋钮 使用方法 1、把待测电阻接到项 9(测试电阻接线端钮)。
2、根据待测电阻值标称值选择好“5 倍率”和“6 测量盘”的数值。
被测电阻值标称值=测量盘×倍率 且要“测量盘”保证有四位有效数字(现在的取值不要记录)3、把“内、外接指零仪转换开关”拔向“内接”，调节“调零” 旋钮将指零仪指针调至零位。
4、逆时针调节“灵敏度” 旋钮降低一点指零仪灵敏度。
5、把“内、外接电源转换开关”拔向“内接”，先按下电源开关“b”按钮然后同时按下指零仪开关“g”，这时指零仪指针偏向一边，这时要先松开指零仪开关“g”，再松开源开关“b”。调节测量盘旋钮，使指零仪指针重新对零。
6、顺时针调节“灵敏度” 旋钮提高指零仪灵敏度，再调节“测量盘”旋钮，使指零仪指针再重新回到零位 7、这时才记录下“5 倍率”和“6 测量盘”的数值 8、把新的待测电阻接到“测试电阻接线端钮”，重复 4、5、6、7 四点操作。
实验结束把“内、外接指零仪转换开关”和“内、外接电源转换开关”都拔向“外qj23a 型直流单臂电桥 2 12 1 4 3 11 9 10 5 6 7 8
6 实验四 四 磁场的研究 实验目的：
1、研究载流圆线圈轴线上各点的磁感应强度，把测量的磁感应强度与理论计算值比较，加深对毕奥-萨伐尔定律的理解;2、在固定电流下，分别测量单个线圈（线圈 a 和线圈 b）在轴线上产生的磁感应强度 b（a）和 b(b)，与亥姆霍兹线圈产生的磁场 b(a+b）进行比较，3、测量亥姆霍兹线圈在间距 d=r／2、d=2r 和 d=2r,（r 为线圈半径），轴线上的磁场的分布，并进行比较，进一步证明磁场的叠加原理； 4、描绘载流圆线圈及亥姆霍兹线圈的磁场分布。
实验仪器 ：
(1)圆线圈和亥姆霍兹线圈实验平台，台面上有等距离 1.0cm 间隔的网格线；(2)高灵敏度三位半数字式毫特斯拉计、三位半数字式电流表及直流稳流电源组合仪一台；(3)传感器探头是由 2 只配对的 95a 型集成霍尔传感器(传感器面积 4mmx 3mmx 2mm)与探头盒(与台面接触面积为 30mmx 20mm)组成。
abc d12345678910霍耳元件传感器2.0cm2.0cm3.0cm 1．毫特斯拉计 2．电流表 3．直流电流源 4．电流调节旋钮 5．调零旋钮 6．传感器插头 7．固定架 8．霍尔传感器 9．大理石 10．线圈 注：abcd 为接线柱 图 1 亥姆霍兹线圈实验仪器简图
7 实验原理：
（1)根据毕奥一萨伐尔定律，载流线圈在轴线(通过圆心并与线圈平面垂直的直线)上某点的磁感应强度为：
2 3 2 220)(2 x rn r ib(4-1)式中μ 0 为真空磁导率，r 为线圈的平均半径，x 为圆心 o a 到该点的距离，n 为线圈匝数，i 为通过线圈的电流强度。因此，圆心处的磁感应强度 b 0 为：
rinb20（4-2）轴线外的磁场分布计算公式较为复杂，这里简略。
(2)亥姆霍兹线圈是一对彼此平行且连通的共轴圆形线圈，两线圈内的电流方向一致，大小相同，线圈之间的距离 d 正好等于圆形线圈的半径 r。这种线圈的特点是能在其公共轴线中点附近产生较广的均匀磁场区，所以在生产和科研中有较大的使用价值，也常用于弱磁场的计量标准。
设：z 为亥姆霍兹线圈中轴线上某点离中心点 o 处的距离，则亥姆霍兹线圈轴线上任意一点的磁感应强度为：
o a x
8 23222322 202 2 21zrr zrr nir b （4-3）而在亥姆霍兹线圈上中心 o 处的磁感应强度 b 0 ′为 rnib02 / 3058 （4-4）实验步骤：
(1)将两个线圈和固定架按照图 1 所示简图安装。大理石台面(图 1 中 9 所示有网格线的平面)应该处于线圈组的轴线位置。根据线圈内外半径及沿半径方向支架厚度，用不锈钢钢尺测量台面至线圈架平均半径端点对应位置的距离(在 11．2cm 处)，并适当调整固定架，直至满足台面通过两线圈的轴心位置；(2)开机后应预热后，再进行测量；(3)调节和移动四个固定架(图 1 中 7 所示)，改变两线圈之间的距离，用不锈钢钢尺测量 两线圈间距；(4)线圈边上红色接线柱表示电流输入，黑色接线柱表示电流输出。可以根据两线圈串接或并接时，在轴线上中心磁场比单线圈增大还是减小，来鉴别线圈通电方向是否正确；(5)测量时，每次将探头盒底部的霍尔传感器对准台面上的被测量点时，都要在两线圈断电情况下，调节调零旋钮(图 1 中 5 所示)，使毫特斯拉计显示为零，然后通电记录此时毫特斯拉计显示的数字大小；(6)本毫特斯拉计为高灵敏度仪器，可以显示 1×10-6 t 磁感应强度变化。因而在线圈断电情况下，台面上不同位置，毫特斯拉计所显示的最后一位略有区别，这主要是地磁场(台面并非完全水平)和其他杂散信号的影响。因此，应在每次测量不同位置磁感应强度时调零。实验时，最好在线圈通电回路中接一个单刀双向开关，可以方便电流通断，也可以插拔电流插头。
实验方法：
载流圆线圈和亥姆霍兹线圈轴线上各点磁感应强度的测量。
(1)必做内容：
1)按图 1 接线，直流稳流电源中数字电流表已串接在电源的一个输出端，测量电流 i=100ma 时(实验时可以用其他电流值)，单线圈 a 轴线上各点磁感应强度 b(a)，每隔 1．00cm 测一个数据。实验中，随时观察毫特斯拉计探头是否沿线圈轴线移动。每测量一个数据，必须先在直流电源输出电路断开(i=0)调零后，才测量和记录数据；填写在下面数据表 1(注意：此时坐标原点在单个通电线圈的中心，如右图)中 表 1 载流圆线圈轴线上各点磁感应强度的测量 x/cm-1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 b(a)/mt 实验值 理论值 实验值与理论值的相对偏差 z/cm 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 11.00 12.00 b(a)/mt 实验值 理论值 实验值与理论值的相对偏差 2)将测得的圆线圈轴线上的磁感应强度与理论计算结果进行比较；计算两者的相对偏差，分析实验结果：
相对偏差=│实验值-理论值│÷理论值；理论值用上面原理部分的公式(4-1)计算，理论公式中的(i=100ma, r=10.00cm, n=500 μ 0 =4π×10-7 h/m),最后写出实验结论。
3)在轴线上某点转动毫特斯拉计探头，观察一下该点磁感应强度的方向； 4)将两线圈间距 d 调整至 d=10.00cm，这时，组成一个亥姆霍兹线圈； 5)取电流值 i=100ma，分别测量两线圈单独通电时，轴线上各点的磁感应强度值 b(a)和 b(b)，然后测亥姆霍兹线圈在通同样电流 i=100ma，在轴线上的磁感应强度值 b(a+b)，把实验数据记录在下表 2 中(注意：此时不管是测单个通电线圈时的磁场或者测两个通电线圈时的叠加磁场坐标原点都是在两个通电线圈的中心，如右图)表 2 亥姆霍兹线圈轴线上各点磁感应强度的测量 z/cm-7.00-6.00-5.00-4.00-3.00-2.00-1.00 0.00 b(a)/mt b(b)/mt(b(a)+b(b))/mt b(a+b)/mt [b(a+b)]-[b(a)十 b(b)] 相对偏差 z/cm 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 0 z 0 z o a x
9 b(a)/mt b(b)/mt(b(a)+b(b))/mt b(a+b)/mt [b(a+b)]-[b(a)十 b(b)] 相对偏差 证明在轴线上的点 b(a+b)=b(a)十 b(b)，即载流亥姆霍兹线圈轴线上任一点的磁感应强度是两个载流单线圈在该点上产生磁感应强度之和；相对偏差=│[b(a+b)]-[b(a)十 b(b)]│÷b(a+b)；写出实验结论：
(2)选做内容：
1)分别把亥姆霍兹线圈间距调整为 d=r／2、d=2r, 测量在电流为 i=100ma 轴线上各点的磁感应强度值； 2)作间距 d=r／2、d=r 和 d=2r 时，亥姆霍兹线圈轴线上磁感应强度 b 与位置 z：之间关系图，即 b－z图，证明磁场迭加原理。
3)载流圆线圈通过轴线平面上的磁感应线分布的描绘。
把一张坐标纸粘贴在包含线圈轴线的水平面上，可自行选择恰当的点，把探测器底部传感器对准此点，然后亥姆霍兹线圈通过 i=100ma 电流。转动探测器，观测毫特斯拉计的读数值，读数值为最大时传感器的法线方向，即为该点的磁感应强度方向。比较轴线上的点与远离轴线点磁感应强度方向变化情况。近似画出载流亥姆霍兹线圈磁感应线分布图。
注意事项 ：
(1)实验探测器采用配对 ss95a 型集成霍尔传感器，灵敏度高，因而地磁场对实验影响不可忽略，移动探头测量时须注意零点变化，可以通过不断调零以消除此影响；(2)接线或测量数据时，要特别注意检查移动两个线圈时，是否满足亥姆霍兹线圈的条件；(3)两个线圈采用串接或并接方式与电源相连时，必须注意磁场的方向．如果接错线有可能使亥姆霍兹线圈中间轴线上磁场为零或极小。
-15-10-5 0 5 10 15 两线圈间距不同时的比较 d=2r d=r d=r/2 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 z(cm)b(mt)
电磁学实验-电与磁
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