实验预备知识

• 电学实验预备知识

普通物理学电学实验的目的是使同学们通过自己的实际操作和观测，深入认识和掌握电磁理论的基本规律，掌握电磁测量的基本方法和基本技术，学会常用电磁仪表和电磁仪器的使用方法，了解电学元件的性能及其在实际电路中的应用。初步具备分析和设计简单电路的能力，为今后做好其它有关实验和实际测量打下良好基础。

这里对组成测量电路的基本元素电源、电表（包括电流表和电压表）、变阻器和电阻箱做一简单的介绍，还将对电学实验中一般应遵循的操作规则做了说明。

一、   电源

电源是把其它形式的能转化为电能的一种装置。它分为交流电源和直流电源两种。常用的交流电源一般用符号～（或AC）表示，例如（～220V）或（AC220V）表示电动势为220V的交流电源。交流电表的读数指示的是其有效值，例如～220V是指其电压有效值为220V。对正弦波来说，其峰值为有效值的倍。直流电源一般用符号―（或DC）表示，例如（-12V）或（DC12V）表示电动势为12V的直流电源。实验室常用的直流电源有晶体管直流稳压电源、干电池和直流稳流电源。晶体管稳压电源电压稳定，内阻小，使用方便，其输出电压有固定的，也有连续可调的。干电池电压稳定，内阻也小，但其容量有限，要注意经常更换。直流稳流电源在一定的负载阻值范围内，能给出一定的恒定电流，电流大小连续可调。

选用电源时除了应注意它的输出电压是否符合需要外，还需注意取用的电流或负载电阻是否在电源的额定值之内。如果电流过大，超过其额定值，电源将急剧发热而损坏，使用电源时特别要防止短路。

二、   直流电表

实验室用的直流电表大多是磁电式仪表，目前数字仪表的应用也日益广泛。直流电表的主要规格指量程、准确度等级和内阻。量程指电表可测的最大电流或电压值。电表内阻一般在仪表说明书上已给出，或由实验室测出，设计线路或使用电表时必须了解电表的规格。

国家标准规定，电表一般分为7个准确度等级，即0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。其定义为：

         级数=仪器最大允许误差/量程

所以，电表的最大允许误差=级数%×量程。由此可见，电表的最大可能误差决定于使用的量程和电表的准确度等级。只要量程、级数一定，不论指针位于何处（示值多大），最大可能误差都相同。由于示值等于或小于量程，故对于某一示值，仪器的最大可能相对误差大于或等于级数%，示值越大，其相对误差越小。因此，为了提高测量的准确度，选择电表量程时应使示值尽量靠近满刻度。

在使用直流电表时还要注意电表的极性，正端应接高电位处，负端应接低电位处，在线路中电流表应串联，电压表则应并联，若接错，将会损坏仪表。

电气表盘上常用一些符号表明电表的技术性能和规格，表1给出了一些常见电气仪表面板上的标记及意义。

数字式仪表的量程、准确度、输入电阻等都在仪器说明书或有关实验说明书中写出。使用前应先阅读这些材料。

三、   滑线变阻器

滑线变阻器是将电阻丝均匀绕在绝缘瓷管上制成的，它有两个固定的接线端，并有一个滑动端可在电阻线圈上滑动。在线路中常用它作为可变阻值的串联电阻器或组成分压电路，分别起控制电流或调节电压的作用。

变阻器的主要规格是总阻值和额定电流。额定电流指变阻器允许通过的最大电流。使用时通常应根据外接负载来选取规格适当（即阻值及额定电流合适）的变阻器。

四、   电阻箱

电阻箱一般是由电阻温度系数较小的锰铜线绕制的精密电阻串联而成，通过十进位旋钮可使阻值改变。电阻箱的主要规格有总电阻、额定电流（或额定功率）和准确度等级。如实验室常用的ZX21型六位十进式电阻箱，它的六个旋钮下的电阻全部使用上则总电阻为99999．9Ω。如果只需要0．1-0．9（或9．9）Ω的阻值变化，则应该接“0”和“0．9”（或“9．9Ω”）

两接线柱，这样可避免电阻箱其余部分的接触电阻对低电阻带来的不可忽略的误差。ZX21型电阻箱各档电阻值的额定电流如下：

有些电阻箱或变阻器上只标明了额定功率P，其额定电流可用I=（P/R）^1/2算出。

在通常的教学实验条件下，0．1级电阻箱的阻值不确定度可用下式表示：

                        Δ_R=0．1%R +bM

式中，M是所用的十进位电阻盘的个数，例如，用“0”和“9．9Ω”两接线柱时M值取2；b是每个旋钮允许的最大接触电阻，对0．1级电阻箱来说，要求每个旋钮的接触电阻不大于0．002Ω。

五、   电学实验接线规则

1、合理安排仪器。接线时必须有正确的线路图。参照线路图，通常把需要经常操作的仪器放在近处，需要读数的仪表放在眼前，根据走线合理、操作方便、实验安全的原则布置仪器。

2、按回路接法接线和查线。按线路图，从电源正极开始，经过一个回路回到电源负极，再从已接好的回路中某段的高电位点出发接下一个回路，然后回到低电位点。这样一个回路、一个回路地接线。查线时也这样按回路查线。这是电学实验和查线的基本方法。接线时还要注意走线美观整齐。

3、预置安全位置。在接通电源前，应检查变阻器滑动端（或电位器旋钮）是否已放在安全位置，例如使电路中电流最小或电压最低的位置。有些电磁学实验还需要检查电阻是否已放到预估的阻值等。自己检查线路和预置安全位置后，应请教师复查，才能接通电源。

4、接通电源时作瞬态试验。先试通电源，及时根据仪表示值等现象判断线路有无异常。若有异常，应立即断电进行检查。若情况正常，就可以正式开始做实验，调节线路至实验的最佳状态。

5、拆线时应先切断电源再拆线，严防电源短路。最后将仪器还原，导线扎齐。

2.2光学实验预备知识

光学实验是普通物理实验的一个重要部分，它所使用的仪器、涉及的仪器操作及维护方法均有其特殊之处。光学实验的主要特点有：（1）在基本技能的训练上，着重于光学仪器的调节技术和光路的调整技术；（2）通常要先对实验中的光学现象进行认真的观察、比较、思考和判断，然后才能进行定性的分析或定量测量。（3）实验中使用的光学仪器一般较为精密和贵重，光学元件大都为玻璃制品，较易损坏。在做光学实验以前，必须对光学实验的有关基本知识有一定的了解。

一、光学元件和仪器的维护

透镜、棱镜等光学元件，大多数是用光学玻璃制成的。它们的光学表面都是经过仔细的研磨和抛光，有些还镀有一层或多层薄膜。对这些元件或其材料的光学性能（例如折射率、反射率、透射率等）都有一定的要求，而它们的力学性能和化学性能可能很差，若使用和维护不当，则会降低光学性能甚至损坏报废。造成损坏的常见原因有：摔坏、磨损、污损、发霉、腐蚀等。为了安全使用光学元件和仪器，必须遵守以下规则：

（1）  必须在了解仪器的操作和使用方法后方可使用。

（2）  轻拿轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，特别要防止摔落。不使用的光学元件应随时装入专用盒内并放在桌子的里侧。

（3）  切忌用手触摸元件的光学面。如必需用手拿光学元件时，只能接触其磨砂面，如透镜的边缘、棱镜的上下底面等（如图1）。

图1  手持光学元件的方式

Ⅰ－光学面   Ⅱ－磨砂面

（4）  光学面上如有灰尘，用实验室专备的干燥脱脂棉轻轻拭去或用橡皮球吹掉。光学面上若有轻微的污痕或指印，用清洁的镜头纸轻轻拂去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭。若表面有较严重的污痕或指印，应由实验室人员用丙酮或酒精清洗。所有镀膜面均不能触碰或擦拭。

（5）  防止唾液或其它溶液溅落在光学面上。

（6）  对于光学狭缝，不允许狭缝过于紧闭，否则由于狭缝过紧造成刀刃口互相挤压而受损。若狭缝处不清洁，可将狭缝调到适当宽度，用折叠好的软白纸在狭缝内由上而下滑动一次，切不要往复滑动。

（7）  调整光学仪器时，要耐心细致，一边观察一边调整，动作要轻、慢，严禁盲目及粗鲁操作。

（8）  仪器用毕应放回箱（盒）内或加罩，防止灰尘玷污。

（9）  在暗室做实验时，首先要熟悉有关仪器用具的安放位置，做好各种准备，拿取或放回各种物件时一定要小心谨慎，以免损坏东西。另外，做实验时一定要注意人身安全。

二、 消视差

视差是指观察两个静止物体，当观察者的观察位置发生变化时，一个物体相对于另一个物体的位置有明显的移动。实验表明，要测准物体的大小，必须将量度标尺与被测物体紧贴在一起，使其处于同一平面内。如果标尺远离被测物体，读数将随眼睛位置的不同而有所改变，难以测准，如图2所示。

图2   视差示意图

光学实验中经常要用目镜中的十字叉丝或标尺测量像的位置和大小，为了测准，也必须使像与十字叉丝或标尺处于同一平面上，否则就会产生视差，而且我们还能判断像的位置，若像在十字叉丝与眼睛之间时，当观察者的眼睛移到右边时，像就移到十字叉丝左边；若像在十字叉丝之前，即像距眼睛要比十字叉丝距眼睛远时，当观察者的眼睛同样移到右边时，像却也移动到十字叉丝的右边。这样就能帮助我们，欲使像与十字叉丝平面相重合，进一步聚焦时，像应向那个方向移动，通过调焦使像平面与十字叉丝所在平面相重合。否则测量时就会引入误差。

三、共轴调节

光学实验中经常要用多个透镜成像。为了获得质量好的像，必须使各个透镜的主光轴重合，即共轴，并使物体位于透镜的主光轴附近。此外透镜成像公式中的物距、像距等都是沿主光轴计算长度的，为了测量准确，必须使透镜的主光轴与光具座的刻度尺相平行，故有平行共轴之称，我们简称共轴调节。调节方法如下：

（1）  粗调  使光源、光阑、物或物屏和透镜在光具座上垂直导轨并彼此靠拢，调节它们的高低左右位置，凭眼睛观察，使得它们中心的连线和光具座导轨上的标尺相平行。此调节步骤称为粗调。通常应进行细调。

（2）  细调  此步要靠其它仪器或成像规律来判断和调节。不同的装置可能有不同的具体调节方法。下面介绍物与单个凸透镜共轴的调节方法。

使物与单个凸透镜共轴实际上是指将物上的某一点调到透镜的主光轴上。要解决这一问题，首先要知道如何判断物上的点是否在透镜的主光轴上。根据凸透镜成像规律即可判断。如图3所示，

图3   共轴调节的光路图

当物AB与像屏之间的距离b大于4f时，将凸透镜沿光轴移到O₁或O₂位置都能在屏上成像，一次成大像A₁B₁一次成小像A₂B₂。物点A位于光轴上，则两次像的A₁和A₂点都在光轴上而且重合。物点B不在光轴上，则两次像的B₁和B₂点一定都不在光轴上，而且不重合。但是，小像的B₂点总是比大像的B₁点更接近光轴。据此可知，若要将B点调到凸透镜的光轴上，只需记住像屏上小像的B₂点的位置，调节透镜（或物）的高低左右，使B₁向B₂靠拢。这样反复调节几次直到B₁和B₂重合，即说明B点已调到透镜的主光轴上了。

若要调多个透镜共轴，则应先将物上B点调到一个凸透镜的主光轴上，然后，同样根据轴上物点的像总在轴上的道理，逐个增加待调透镜，调节它们使之逐个与第一个透镜共轴。

附件：

• 螺旋测微器的使用方法