电机学课后习题

大学物理实验答案

实验一转动惯量的测定

转动惯量的测定一扭摆法测定物体转动惯量

【预习思考题】

1．如何测量任意形状物体对特定轴的转动惯量？

答：先在载物盘上装上几何规则的物体，测量其摆动周期，计算出弹簧的扭转常数K值。再将任意形状物体装在载物盘上或直接装在垂直轴上，绕特定轴转动，测量出转动惯量。

若绕过质心轴转动，测量出过质心轴转动惯量，利用平行轴定理计算出绕特定轴转动惯量。

2．扭摆启动时摆角要在90°左右，为什么？

答：由于弹簧的扭转常数值不是固定常数，它与摆动角度略有关系，在小角度时变小，摆角在90°左右基本相同。

【分析讨论题】

1．扭摆在摆动过程中受到哪些阻尼？它的周期是否会随时间而变？

答：空气的阻尼，转轴与轴承间的摩擦阻尼。由于弹簧的扭转常数值不是固定常数，在小角度时变小，因此它的周期会随时间而变。

2．扭摆的垂直轴上装上不同质量的物体，在不考虑阻尼的情况下分析对摆动周期大小的影响。

答：同样形状、同样质量分布的物体，质量大的物体，其摆动周期大。

转动惯量的测定二三线摆法测定物体转动惯量

【预习思考题】

1．对下圆盘的摆角有何要求？为什么？

答：下圆盘的摆角要小于10°。因为在三线摆法测定物体转动惯量公式推导过程中应用了。

2．怎样启动三线摆才能防止下圆盘出现晃动？

答：让已调水平的三线摆保持静止，用手轻轻扭动上圆盘上的扭动杆，使下圆盘摆动角度小于10°，随后将扭动杆退到原处。

【分析讨论题】

1．三线摆在摆动过程中要受到空气的阻尼，振幅越来越小，它的摆动周期是否会随时间而变化？

答：它的摆动周期是不会随时间而变化。

2．加上待测物体后三线摆的摆动周期是否一定比空盘的周期大？为什么？答：加上待测物体后三线摆的摆动周期不一定比空盘的周期大。由下圆

盘对中心轴转动惯量公式可知，若J/m>J0/m0 加上待测物体

后三线摆的摆动周期变大；若J/m<J0/m0 加上待测物体后三线摆的摆动周期变

小。

3．如何用三线摆验证转动惯量的平行轴定理？

答：将两个完全相同的小圆柱体m分别置于下圆盘的中心，测出绕圆柱体质心的转动惯量J；再将两个完全相同的圆柱体对称置于下圆盘的中心两侧，圆柱体质心与下圆盘的中心l，测出两个圆柱体对中心轴的转动惯量Jˊ。验证式子Jˊ=2ml2+2J 成立。

实验二用模拟法测绘静电场

【预习思考题】

1．用电流场模

拟静电场的理论依据是什么？模拟的条件是什么？

用电流场模拟静电场的理论依据是：对稳恒场而言，微分方程及边界条件唯一地决定了场的结构或分布，若两种场满足相同的微分方程及边界条件，则它们的结构也必然相同，静电场

与模拟区域内的稳恒电流场具有形式相同的微分方程，只要使他们满足形式相同的边界条件，则两者必定有相同的场结构。模拟的条件是：稳恒电流场中的电极形状应与被模拟的静电场中的带电体几何形状相同；稳恒电流场中的导电介质是不良导体且电导率分布均匀，并满足σ极>>σ介以保证电流场中的电极（良导体）的表面也近似是一个等势面；模拟所用电极系统与被模拟电极系统的边界条件相同。

2．等势线和电场线之间有何关系？

等势线和电场线处处相互垂直。

3．在测绘电场时，导电微晶边界处的电流是如何流动的？此处的电场线和等势线与边界有什么关系？它们对被测绘的电场有什么影响？

在测绘电场时，导电微晶边界处的电流为0。此处的电场线垂直于边界，而等势线平行于边界。这导致被测绘的电场在近边界处受边界形状影响产生变形，不能表现出电场在无限空间中的分布特性。

【分析讨论题】

1．如果电源电压增大一倍，等势线和电场线的形状是否发生变化？电场强度和电势分布是否发生变化？为什么？

如果电源电压增大一倍，等势线和电场线的形状没有发生变化，但电场强度增强，电势的分布更为密集。因为边界条件和导电介质都没有变化，所以电场的空间分布形状就不会变化，等势线和电场线的形状也就不会发生变化，但两电极间的电势差增大，等势线的分布就更为密集，相应的电场强度就会增加。

2．在测绘长直同轴圆柱面的电场时，什么因素会使等势线偏离圆形？

测绘长直同轴圆柱面的电场时测到的等势线偏离圆形，可能的原因有：电极形状偏离圆形，导电介质分布不均匀，测量时的偶然误差等等。

3．从对长直同轴圆柱面的等势线的定量分析看，测得的等势线半径和理论值相比是偏大还是偏小？有哪些可能的原因导致这样的结果？

⑴偏大，可能原因有电极直径测量偏大，外环电极表面有氧化层产生附加电阻，电压标示器件显示偏大等；⑵偏小，可能原因有电极直径测量偏小，中心电极表面有氧化层产生附加电阻，电压标示器件显示偏小等。

实验三分光计的调整与使用

【预习思考题】

1. 分光计由哪几部分组成，各部分的作用是什么？

答：分光计由平行光管、望远镜、载物

台和读数装置四部分组成。

（1）平行光管用来提供平行入射光。

(2) 望远镜用来观察和确定光束的行进方向。

(3) 载物台用来放置光学元件。

(4) 读数装置用来测量望远镜转动的角度。

2. 调节望远镜光轴垂直于仪器中心轴的标志是什么？

答：通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“”形叉丝的上十字重合。

3. “+”字像、狭缝像不清晰分别如何调整？

答：（1）“+”字像不清晰说明分划板没有位于物镜的焦平面上，应松开目镜紧锁螺钉，前后伸缩叉丝分划板套筒，使“+”字像清晰并做到当眼睛左右移动时，“+”字像与叉丝分划板无相对移动，然后锁紧目镜紧锁螺钉。

（2）狭缝像不清晰说明狭缝没有位于平行光管准直透镜的焦平面上，应松开狭缝紧锁螺钉，前后伸缩狭缝套筒，当在已调焦无穷远的望远镜目镜中清晰地看到边缘锐利的狭缝像时，然后锁紧狭缝紧锁螺钉。

【分析讨论题】

1. 当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于“”形叉丝的上十字上下对称位置时，说明望远镜和载物台哪部分没调好？当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于叉丝分划板同一水平位置时，说明望远镜和载物台哪部分没调好？应怎样调节？

答：（1）当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于“”形叉丝的上十字上下对称位置时，说明载物台没调好，望远镜已水平。应调载物台下调平螺钉b或c，使双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“”形叉丝的上十字重合。

（2）当通过目镜观察到双面镜正反两面反射回来的“+”字像处于叉丝分划板同一水平位置时，说明望远镜不水平，双面镜镜面法线已水平。应调节望远镜倾角螺钉，使双面镜正反两面反射回来的“+”字像都与分划板上“”形叉丝的上十字重合。

2. 如何用反射法（一束平行光由三棱镜的顶角入射，在两光学面上分成两束平行光）测三棱镜的顶角？

解：如图所示，由平行光管射出的平行光束照射在三棱镜顶角上，分别射向三棱镜的两个光学面AB和AC，并分别被反射。由反射反射法光路图

定律和几何关系可证明反射光线1、2的夹角与棱镜顶角关系为

先使望远镜接收光线1，记下两个角游标的读数和，然后，再转动望远镜使望远镜接收光线2，记下两个角标读数和，两次读数相减即得，故

实验四灵敏电流计特性研究

【预习思考题】

1. 灵敏电流计与普通电流计的构造有何不同？说明其灵敏度高的原因。

答

：电流常数的倒数称为灵敏电流计的电流灵敏度

为了提高灵敏电流计的灵敏度，灵敏电流计与普通电流计的构造不同，其读数系统采用多次反射光学系统（即在光路中增加反射镜），这相当于增大了式中的值，而且结构也不因此而庞大。

2. 本实验采用两次分压电路（参见图5.1-6）的目的是什么？

答：由于灵敏电流计只能通过极小电流，因此，实验电路采用两次分压电路以获得灵敏电流计允许的低电压。

【分析讨论题】

1. 说明力矩M磁、M弹、M阻产生的原因以及它们对线圈的作用。

答：线圈的竖直两边所在处磁场的磁感应强度大小相等、方向始终在线圈本身的平面内，从而它们受到的安培力大小相等、方向始终与线圈平面垂直，这一对力产生的磁力矩即为M磁。线圈偏转使得悬丝发生扭转而产生反方向的弹性恢复力矩M弹。M磁和M弹决定了线圈最后到达的平衡位置。线圈在转动时，还要受到电磁阻尼力矩M阻的作用，电磁阻尼力矩的大小决定线圈的运动特性。

2. 阻尼开关的作用是什么？简述其工作原理。

答：阻尼开关的作用是使线圈处于欠阻尼状态下在“0”点附近振动时，当“光指针”经过零点时按下此开关，光标就会停在零点，这就大大方便了我们的调节。

其工作原理主要是利用过阻尼状态，即当R外较小（P较大）时，电磁阻尼力矩M阻较大，此时线圈将缓慢地趋向平衡位置。

实验五用惠斯通电桥测电阻的温度系数

【预习思考题】

1. 电桥的平衡与工作电流I的大小有关吗？为什么？

答：电桥的平衡与工作电流I的大小无关。电桥接通后，一般在桥路上应有电流流过，检流计的指针会发生偏转。适当调节R1、R2、Rs的值，使检流计中的电流Ig等于零，指针应指在零位，这时电桥达到了平衡。电桥达到平衡后应满足：

I1=I2 Ix=Is UAB=UAD UBC=UDC

即则——电桥的平衡条件

由电桥的平衡条件可知，电桥的平衡与工作电流I的大小无关。

2. 在调节比较臂电阻Rs使电桥平衡的过程中，若电流计相邻两次偏转方向相同或相反，各说明什么问题？下一步应该怎样调节Rs，才能尽快使电桥平衡？

答：电桥面板右上方为依次相差10倍的四个读数盘，联合使用，共同表示比较臂电阻Rs的值。在调节比较臂电阻Rs，使电桥平衡的过程中，若电流计相邻两次偏转方向相同，且指针的摆幅减小或摆速减慢，说明该读数盘调整的方向正确，下一步应继续沿这个方向调整该盘；若电流计相邻两次偏转方向相反，说明该读数盘数值调过了，需要倒回一挡，然后

调整减小10倍的另一读数盘。这样依次调整，直至电桥达到平衡。

【分析讨论题】

1. 若电桥内所用干电池已使用很久，你认为会影响测量的准确度吗？为什么？

答：若电桥内所用干电池已使用很久，会影响测量的准确度。电桥的灵敏程度直接影响了测量结果的准确度。电桥的灵敏度愈高，测量误差愈小。提高电桥灵敏度是减小测量误差的一个重要方法。在电桥偏离平衡时，应用基尔霍夫定律，可以推导出电桥灵敏度为

其中ε为电源电动势。由上式可以看出电桥灵敏度和电源电动势的大小有关，干电池使用久了，电源电动势减小，会降低电桥的灵敏度，影响测量结果的准确度。

2. QJ23型电桥中按钮“B”和“G”的作用是什么？应按怎样的顺序操作？为什么？

答：QJ23型电桥面板的右下方处，B和G是两个按钮开关，分别控制电源回路和检流计回路。测量时B、G开关应采用点接法。接通电路时，应先按下B，再按G；断开时，先断G，再断B。按这样的顺序操作，是为了保护检流计，以免在电源接通和断开时产生较大的感应电流，而造成检流计的损坏。

实验七热导率和对流传热系数的测量

【预习思考题】

1．热导率的物理意义是什么？对流传热系数是什么？

热导率的物理意义为：当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传导的热量。对流传热系数是在对流传热条件下，单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1－T2和表面积S的比例。

2．如果用本实验装置测定良导体的热导率，样品的形状应有何改变？为什么？

若要测量良导体样品，则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。因为良导体的导热性能好，样品只有做的比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差，而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。

3．用式（5.3-6）或式（5.3-14）测热导率要求哪些实验条件，在实验中如何保证？

需要热电偶的冷端保持温度恒定，实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃；需要尽可能减小样品侧面散热的影响，因此将样品做成薄圆盘状；需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量，实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、下表面分别密切接触；需要易于散热，实验中采用风扇对散热盘吹风来保证；等等。

【分析讨论题】

1．为什么能将数字电压表的示值当作温度值直接代入式（5.3-6）或式（5.3-14）中计算热导率κ？

因为热电偶冷端温度为0℃，所以通过热电偶测得的电压。所以有，而这就是式（5.3-6）中所包含的全部和温度相关的项。由此可见可以将数字电压表的电压示值当作温度值直接代入式（5.3-6）中进行计算。

2．对环境温度的测量为什么要在实验的最后一步而不是在较靠前的步骤进行？

理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的，但是从实际情况分析还是后测量比较准确，这是从减小实验误差的角度考虑的。实验进行前，由于还没有进行实验，实验过程中的散热也没有影响，因而实验前的环境温度与实验后相比必然有一定程度的偏低。而实验中对散热过程的测量是在实验靠后的步骤进行的，此时实验过程中的散热必然已经使环境温度有一定程度的变化，因此最后测量环境温度，测得的结果更接近散热过程测量所需的环境温度。因此，对环境温度的测量放在了实验的最后一步进行。

实验八示波器的使用

【预习思考题】

1．荧光屏上无光点出现，有哪些可能的原因？怎样调节才能使光点出现？

可能的原因有：电源没有打开、亮度太小或没有、光点的位置偏离了显示屏。首先检查电源开关是否打开，（看电源指示灯是否亮）然后将亮度旋钮调至较大，（顺时针方向调节）将Ｘ轴、Ｙ轴输入端接地，调节水平位移和竖直位移，直至亮点出现在显示屏上。

2．如果被观测的图形不稳定，出现向左移或向右移的原因是什么？如何使之稳定？

由波形显示原理知：原因是其扫描电压的周期与被测信号的周期不相等或不成整数倍，以致每次扫描开始时波形曲线上的起点均不一样所造成的。要想使显示屏上的图形稳定，必须使扫描电压的周期与被测信号的周期之间满足Tx/Ty=n（n＝1，2，3，…），n是屏上显示完整波形的个数。

3．什么是同步？实现同步有几种调整方法？如何操作？

用?Y轴信号频率去控制扫描发生器的频率，使信号频率准确地等于扫描频率或成整数倍，该电路的控制作用，称为同步。这样，屏上将稳定地出现?n?个周期的?函数波形。

实现同步可用手动调节的方法和自动调节的方法。

手动调节：示波器上设有“扫描时间”（或“扫描范围”）、“扫描微调”旋钮，用来调节锯齿波电压的周期Tx（或频率fx），使之与被测信号的周期Ty（或频率fy）成合适的关系，从而在示波器屏上得到稳定被测波形。但输入Y轴的被测信号与示波器内部的锯齿波电压是互相独立的。由于环境或其它因素的影响，它们的周期（或频率）可能发生微小的改变。这时，虽然可通过调节扫描旋钮

将周期调到整数倍的关系，但过一会儿又变了，波形又移动起来。故常用自动调节的方法。

自动调节：让锯齿波电压的扫描起点自动跟着被测信号改变，就能保证图形稳定。示波器内装有扫描同步装置，将扫描同步选择开关调至AUTO挡，扫描电路处于自动状态，调节电平触发旋钮，使被测信号稳定地显示在示波管屏幕上。

【分析讨论题】

1．若被测信号幅度太大（在不引起仪器损坏的前提下），则在示波器上看到什么图形?要想完整地显示图形，应如何调节？

若被测信号幅度太大时看到的是不完整的波形。要想完整地显示图形，应将示波器的VOlTS/DIV垂直输入灵敏度选择开关根据被测信号的电压幅度，选择适当的档级以利观察，

2．观察李萨如图形时，能否用示波器的“同步”把图形稳定下来？

不能。因为示波器的同步装置控制的是扫描发生器的频率，即所谓内触发。而观察李萨如图形时，用的是外触发信号，故调节同步不起作用。

3．示波器能否用来测量直流电压？如果能测，应如何进行？

能。要测量直流电压，所用示波器的Y通道应采用直流耦合方式（如果示波器的下限频率不是0，则不能用于测量直流电压）。进行测量前，必须校准示波器的Y轴灵敏度，并将其微调旋钮旋至“校准”位置。

测量方法：将垂直输入耦合选择开关置于“⊥”，采用自动触发扫描，使荧光屏上显示一条扫描基线，然后根据被测电压极性，调节垂直位移旋钮，使扫描基线处于某特定基准位置（作０V电压线）；将输入耦合选择开关置于“DC”位置；将被测信号经衰减探头（或直接）接入示波器Y轴输入端，然后再调节Y轴灵敏度（V/cm）开关，使扫描线有较大的偏移量。设荧光屏显示直流电压的坐标刻度为H（cm），仪器的Y轴灵敏度所指档级为SY(V/cm)，Y轴探头

衰减系数K，则被测直流电压值为UX=H(cm)·SY(V/cm)·K。

附最佳答案

大学物理示波器实验思考题

1.如果被观测的图形不稳定，出现向左移或向右移的原因是什么？如何操作才能使之稳定？

2.什么是同步？实现同步有几种调整方法？如何操作

3.若被测信号幅度太大（不引起仪器损坏条件下），则在示波器上能看到什么图形？要完整地显示图形，应如何调节

4.示波器能否用来测量直流电压？如果能测，应如何进行测量

1、观测的信号没有被触发住，可以调节示波器上面的触发电平旋钮

2、同步就是用一个与被测信号有关联的信号来作为触发信号，比如时钟信号和锁存信号等等，将这两个信号分别接入到示波器的2个通道ch1、ch2，其中的一个作为被测信号的输入，

如ch1，而ch2接那个同步信号，触发源选择ch2，调解触发电平，使信号稳定的显示即可

3、只能看到信号中的一部分，调节垂直灵敏度即可

4、可以，先将示波器的输入耦合方式设为接地，然后记下此时迹线的位置，这时将耦合方式设为直流，接入被测信号，观测此时迹线的位置，通过这两个位置之间的刻度和现在的垂直灵敏度就可以测出此时的直流电压的值

实验九光电效应测定普朗克常量

【预习思考题】

1．一般来说，光电管的阳极和阴极的材料不同，它们的逸出功也不同，而且阴极的逸出功总是小于阳极的逸出功，因此它们之间的接触电势差在K-A空间形成的是一个反向阻挡电场，试定量说明接触电势差对光电管伏安曲线的影响？

答：接触电势差使光电管伏安曲线向右平移。

2．什么是遏止电势差Uc？影响遏止电势差确定的主要因素有哪些？在实验中如何较精确地确定遏止电势差？

答：在阴极光电效应中，当光电管两端加上反向电压时,阴极光电流迅速减小,但直到反电压达到某个Uc时阴极光电流才为零, Uc称为阴极光电流遏止电势差。影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有二：1.当光照射到阴极时，必然有部分光漫反射至阳极，至使阳极产生光电效应并发射光电子，这些光电子很易到达阳极而形成阳极光电流；2.当光电管无任何光照时，在外加电压作用下仍会有微弱电流流过，我们称之为光电管的暗电流。在实验中较精确地确定阴极光电流遏止电势差的方法是：拐点法

3．如何由光电效应测出普朗克常量h？

答：由实验得到遏止电势差Uc和照射光的频率的直线关系，由直线斜率可求出h

【分析讨论题】

1．根据遏止电势差Uc与入射光频率的关系曲线，请大致确定阴极材料逸出功与阳极材料逸出功之间的差值？

答：

2．在用光电效应测定普朗克常量的实验中有哪些误差来源？在实验中是如何减小误差的？你有何建议？

答：在用光电效应测定普朗克常量的实验中的误差来源主要来自单色光不够严格以及阴极光电流的遏止电势差的确定，而影响阴极光电流遏止电势差确定的主要因素有光电管的阳极光电流和光电流的暗电流。在实验中主要通过分析阳极光电流和暗电流的特点(阳极光电流在反向区域几乎呈饱和状态,而暗电流很小,且电流随电压线性变化，它们均对阴极光电流在Uc 显著拐弯的性质无影响)，在实验中通过对实际光电流测定,找到曲线拐点的方法来精确地求得Uc的。

单色光的获得尽可能用精度较高的单色仪获得,而不用滤色(片)的方法获得；此外应尽量减小

反射到阳极的散射光，适当提高光电管的真空度以及二电极之间的距离，以减小暗电流的大小。

3．作为比较，试用交点法确定遏止电势差Uc，并由此利用作图法求出普朗克常量h，讨论两种方法的优点以及误差因素。

答：交点法：交点易找，也能比较精确确定，但由于暗电流与电压大小有关；阳极光电流的饱和电流与光强有关，故由交点法确定的遏止电势差Uc，不再仅仅与光的波长有关,而且也将与光的光强以及反向电压的大小有关,由此误差很大,也难以分析以加于剔除。

拐点法：确定的遏止电势差Uc，仅仅与光的波长有关,而与光的光强以及反向电压的大小无关，缺点是拐点的确定不易,有一定的误差。