创新思维与科学实验方法简述

目录(讲义)创新思维与科学实验方法简述力学实验实验1动力学系列实验实验2转动系列实验（pasco转动装置+转动实验实验装置）实验3钢丝转动惯量和弹性扭力系数的测量（转动综合）振动与波实验4弦振动的研究实验5谐振管的实验研究实验6微波光学系列实验热学实验实验7热辐射系列实验实验8绝热气体定律的验证实验9热导率的测量实验10热引擎及气体定律电磁学实验实验11电极附近的电场和电位分布实验12综合电路实验实验13磁悬浮系列设计实验实验14变压器设计与特性研究实验15电流平衡仪的原理与应用光学实验实验16精密干涉仪设计与组装实验17光学综合实验实验18分光光度计基本常数的测量实验19光速测量实验20密立根油滴实验实验21普朗克常数测量附录一：科学工作站和数据采集软件简介附录二：传感器简介变压器特性的设计与特性研究引言电磁感应定律深刻地揭示了电与磁之间的本质联系，为电磁场理论奠定了基础。爱因斯坦认为：场的思想是昀有创造性的思想，是自牛顿以来昀重要的发现。电磁感应定律使人类找到了机械能和电能之间的转换方法，引发了第二次世界性技术革命的浪潮，开创了电气化时代的新纪元。以电机为动力的电气化工业体系，如电力生产和输送等相关企业如雨后春笋般地建立起来，电报、电话、电视等信息技术得到了飞速发展。电能成为与人类的科学研究、工农业生产、人们日常生活息息相关的基本能源，在现代社会没有电，世界将陷入黑暗，电力技术的发展将给人们带来更加光明、美好和多姿多彩的生活。变压器是利用电磁感应效应来升高或降低电压的一种电器，它可以把电能由某一种电压变成同频率的另一种电压，还可以用来改变电流、变换阻抗、改变相位，进行隔离。广泛用于输配电系统、工农业生产、科学研究及人们的日常生活中之中。变压器的基本结构是两组线圈，利用软铁芯等高导磁的物体使它们耦合起来。交流电输入原线圈，所产生的变化磁场使副线圈内产生感生电动势，连接输出。通过改变原线圈和副线圈的匝数比例，可以使副线圈输出的电压大于或小于输入的电压，从而达至升压或降压的目的。1876年俄国雅勃洛契柯夫用电磁线圈做成了一台变压器，并首次把变压后的低压交流电供给照明用的“电烛”。1883年法国人高拉德与英国人吉布斯共同研制成开磁路铁心变压器。1885年匈牙利的电气发明家造出了可在输配电系统中实际应用的变压器。与此同时，美国威斯汀豪斯预见到交流输电的光明前途，买下了高拉德与吉布斯发明变压器的专利，并加以改进，由电器专家斯坦利设计了具有实用性的变压器，于1886年首先用于配电系统。由于铁心材料直接关系到变压器的效率以及成本等问题，很多变压器厂商都大力的研制新的变压器铁心材料。比如日本开发成功一种新型变压器材料——铁铌硼合金材料，据有关资料报道，该材料的铁损只有现有铁心材料——硅钢片铁损的1/10，比非晶合金的铁损也低得多。高温超导技术的发展，高温超导材料在变压器铁心上的应用也得到重视。日本研制成功了1000kVA的高温超导变压器，该变压器用-196。C的液氦作为冷却剂，用铋的氧化物制成的超导材料作为绕组的导磁材料，该变压器节能效果显著，效率达99.4%。各种材料的不断更新一方面提高了工艺性，降低了成本，也使变压器的性能日益得到提高。线圈与磁场的研究就是使我们重走先辈们研究电磁现象走过的道路，学习他们的思维方法、工作方法、科学态度，使我们的科学素质有所提高，动手能力有所增强，对电磁感应原理有一个更加深入的理解。基础设计实验实验内容1简易变压器的设计【仪器和元器件】PASCOSF-8616基本线圈四个：200匝1个、400匝2个、800匝1个，PASCOSF-8614U型铁芯，低压交流电源（0-6V，0-1A），电压表，带有香蕉插头的导线【实验设计要求】1、用上述仪器和元件设计组装一套简单变压器装置。12、研究在空载时，不同的结构对变压器的输出特性的影响。【实验原理和设计思路】A变压器基本原理图1是变压器的原理简体图，当一个正弦交流电压U1加在初级线圈两端时，导线中就有交变电流I1并产生交变磁通ф1，它沿着铁心穿过初级线圈和次级线圈形成闭合的磁路。在次级线圈中感应出互感电势U2，同时ф1也会在初级线圈上感应出一个自感电势E1，E1的方向与所加电压U1方向相反而幅度相近，从而限制了I1的大小。为了保持磁通ф1的存在就需要有一定的电能消耗，并且变压器本身也有一定的损耗，尽管此时次级没接负载，初级线圈中仍有一定的电流，这个电流我们称为“空载电流”。如果次级接上负载，次级线圈就产生电流I2，并因此而产生磁通ф2，ф2的方向与ф1相反，起了互相抵消的作用，使铁心中总的磁通量有所减少，从而使初级自感电压E1减少，其结果使I1增大，可见初级电流与次级负载有密切关系。当次级负载电流加大时I1增加，ф1也增加，并且ф1增加部分正好补充了被ф2所抵消的那部分磁通，以保持铁心里总磁通量不变。如果不考虑变压器的损耗，可以认为一个理想的变压器次级负载消耗的功率也就是初级从电源取得的电功率。变压器能根据需要通过改变次级线圈的圈数而改变次级电压，但是不能改变允许负载消耗的功率。B变压器特性交流供电系统中用电设备通常要通过变压器介入电源。在变压器原边接入额定电压、副边开路时，副边的开路电压为，这个数值是变压器副边的额定电压，即U20U202UN=。变压器副边接入负载后，有电流输出，在副边绕组产生压降，输出电压为U。变压器副边输出电压U随输出电流改变的关系，即U关系称为变压器的外特性，根据U关系绘制的曲线称为变压器的外特性曲线。图122)(22If=2I)(22If=NU22N2C几个相关物理量电压调整率ΔU%指变压器原边为额定频率和额定电压下，副边空载电压（即额定电压）与额定电流时的副边电压U之差，相对于副边额定电压U的百分比。%100%222×−=ΔNNUUUU变压器在传输电能的同时，要消耗一部分能量，主要是铁耗和铜耗。所有损耗在变压器内部的能量都转化为热量，一部分使变压器的温度升高，另一部分则散发到周围的介质中去。若产生的热量等于散发的热量，变压器就处于热平衡状态。为了使变压器能长期正常工作，变压器各部分都不应该达到使绝缘损害的温度。因此，要根据容许发热情况来决定变压器的尺寸和结构，规定变压器的容量。也就是说，为使变压器具有规定的额外容量，就必须有适当的尺寸和结构，从而限制损耗值，保证变压器在额定条件下各部分的温升不超过极限值。2变压器的额定容量是由额定电压和额定电流的乘积即视在功率表示的，因此变压器的整体尺寸决定于视在功率。其中，额定电压决定变压器铁心磁通的多少，因而决定铁心的截面；额定电流决定绕组导线的截面。变压器运行时有铜损耗以及铁损耗，这时变压器原边输入的电功率要比副边输出的电功率大。变压器输出有效功率与输入有效功率的百分比称为变压器效率，用1P2P2P1Pη表示，即%10012×=ηPP。我们的目的就是设计一系列实验来观察变压器的特性，并计算其功率和效率。【实验装置的调试和测量】1、如图1安装好线圈和铁芯，左边的为初级线圈，右边的为次级感应线圈，记下初级线圈中输入电压的大小，读出感应线圈中输出电压大小。2、用一个400匝线圈为初级线圈，另一个400匝为次级线圈，输入6V交流电压，测出电压的输出值。3、在两线圈中插入直铁芯（即是U型铁芯上可拆卸的那一部分），然后重复步骤2，并记录下结果。（见图2）图24、把线圈放入开口的U型铁芯的两边，重复步骤2，记下结果。5、昀后，把直芯装上，重复步骤2，记下结果，6、用有昀大输出电压的那种方式分别测所有线圈组合。让输入电压恒为6V。【数据和结果分析】1、对于一个匝数不变的初级线圈，做出输出电压与次级线圈的匝数的关系图。2、分析不同的铁芯结构对输出电压的影响，试着用文中提到的原理和参考资料解释原因。【问题与思考】1、哪种结构的铁芯能够使输出电压昀大？试用理论解释其不同处。2、线圈匝数和电压两者间存在什么数学关系？理想吗？为什么？3、考虑对你的变压器做进一步的改进。为了使输出增大，你有什么其他办法？实验内容2变压器输入输出电流和电压的关系的研究【仪器和元器件】PASCOSF-8616基本线圈共四个：200匝1个、400匝2个、800匝1个，PASCOSF-8614U3型铁芯，低压交流电源（0-6V，0-1A），1或2个交流安培表（0-2A），3个电阻：10Ω,2W；100Ω,2W；1000Ω,2W，带有香蕉插头的导线。【实验设计要求】在这个实验中，我们将研究影响变压器工作的另外几个因素。实验1中我们是在次级线圈没有负载（也就是阻抗无穷大）的情况下得到输出电压的。而在此实验中我们将在次级线圈上加负载电阻，以研究输入输出电流和电压的关系。【实验装置的调试和测量】1、如图3连线，电阻为1000Ω。左边的为初级线圈，右边的为次级线圈。记下在某一电压下的输入电流，读出输出电流。图32、用400匝线圈做初级和次级线圈。输入6V电压，次级线圈接1000Ω的负载，测量输入电流和输出电压、电流，将数据记入表2.1中。3、将负载换成100Ω，重复步骤2。4、将负载换成10Ω，重复步骤2。5、改变次级线圈，重复步骤2-4。直至测完所有的线圈组合。6、将次级线圈换成大直径导线，并绕5-6圈（见图4）。在初级线圈上加6.0V的输入电压，然后在次级线圈上接入安培表，不加其他负载，测量此时的输入输出电流；再去掉安培表，测量输出电压。图4图57，如果有SF-8617线圈装置的话，按图5放置初级和次级线圈，重复步骤2-4。记录相同的数据项目。8，如果有更多的线圈装置的话，可以组成一系列的变压器，如图6所示。测量不同地方的输入输出电压、输入输出电流，记录结果，并基于这些结果试写出你的结论。4图6【数据和结果分析】1、计算表2.2中要求的量。注意所给出的建议。如果能够算出步骤7中的修正，那么你需要建立一个独立的数据表。2、对于同一电阻，不同线圈，输入电流和输出电流的关系如何？对于两个一定的线圈，不同的电阻是如何改变输入输出电流关系的？这个影响对所有线圈组合均一样吗？试拟一个假说（elaborateandmakeaneducatehypothesis）解释实验现象为什么会这样。3、理想的电压增益决定于次级线圈与初级线圈匝数的比例关系。分析你测得的数据，看看实际的电压增益（Vout/Vin）与理想电压增益对比如何？4、理想状态下，变压器在转换交流电的时候，它的功率损耗很小（几乎是0%）。看你的实际功率增益（Pout/Pin），与理论值相比如何？5、如果次级线圈的匝数很少（第6步），那么我们会得出什么样的电压、电流关系？6、分析E型铁芯中的与U型中的线圈的运作（步骤7），看哪一个有更明显的优点？为什么？我们能不能用其他的方法来达到目的？7、在步骤8中，如果初级线圈和终级线圈具有同样的匝数，试比较输入输出电压。整个装置的输入输出功率有何关系？这个实验的原理与以前的相同吗？表2.1线圈匝数试验#初级次级负载R输入V输入I输出V输出I表2.2试验#输入P输出P电压增加功率增加实验内容3中间变压器【仪器和元器件】PASCOSF-8617线圈组合，低压交流电源（0-6V，0-1A），交流电压表（0-6V），交流5电流表（0-2A），示波器，两个二极管（1A，反向击穿电压（PIV）昀小为50），电阻（1000Ω,2W），电容器（470μF），带有香蕉插头的导线。【实验设计要求】研究用作直流供电的附加铁芯结构，通过实验分析其作用。【实验装置的调试和测量】1、如图7安装线圈和铁芯。在图中，左边的线圈为初级线圈，而中间的是次级线圈。2、用200匝线圈作初级线圈，800匝为次级线圈,调节交流输入电压到6.0V。将次级线圈连接一个1000Ω的电阻，然后测量输入电流，输出电压和输出电流。在表4.1中记下你的结果。图7图83、现在用两个400匝线圈来代替800匝的线圈,并按图8所示连接电路。在次级线圈上接入1000欧姆的负载，测量输入输出电流和电压。在表4.1中记下你的结果。4、将其中一个400匝线圈上的两个接线反接，然后重新测量电流和电压，并记录结果。5、现在把两个400