应用物理综合性设计性实验大型训练报告

应用物理综合性设计性实验大型训练报告本文简介：《综合性设计实验》实习报告题目：综合性设计性实验大型训练院系：数理学院专业年级：应用物理学11231班学生姓名：陈涛学号：201131802014年7月9日21目录一、设计性实验项目11、能量转换-热电效应12、能量转换-太阳能装置53、能量装换-量热器装置74、能量转换-电热等效装置10二、综合性

应用物理综合性设计性实验大型训练报告本文内容：

《综合性设计实验》

实习报告

题

目：

综合性设计性实验大型训练

院

系：

数理学院

专业年级：

应用物理学11231班

学生姓名：

陈涛

学号：

20113180

2014年7月9日

21

目录

一、设计性实验项目1

1、能量转换-热电效应1

2、能量转换-太阳能装置5

3、能量装换-量热器装置7

4、能量转换-电热等效装置10

二、综合性实验项目13

5、能量转换-发电机装置13

6、能量装换-飞轮装置17

三、实验体会21

一、

设计性实验项目

1、

能量转换-热电效应

（1）、实验目的

1、了解温差发电的基本原理

2、利用热电效应装置验证热力学第一定律

3、学会使用PASCO

Capstone软件及850接口记录处理实验数据

（2）、实验原理

一、温差发电

温差热发电技术是一种利用高、低温热源之间的温差，采用低沸点工作流体作为循环工质，在朗肯循环基础上，用高温热源加热并蒸发循环工质产生的蒸汽推动透平发电的技术。主要是利用塞贝尔效应，将热能直接转换为电能。以半导体温差发电模块为基础制造的半导体发电机,只要半导体两端存在温差即可发电，如下图1.1。

图1.1

温差发电示意图

二、热电效应

热电效应装置主要设备如下图：

图1.2

热电效应装置

PASCO

Capstone软件将测量两个块温差片（Thot和Tcold）的温度，负载电阻两端的电压U，通过负载电阻的电流I。从这些测量结果就会使两个计算，温度差（△T）和输出功率（P），利用下面的公式：

（1-1）

（1-2）

三、热力学第一定律

在热力学中，系统发生变化时，设与环境之间交换的热为Q（吸热为正，放热为负），与环境交换的功为W（对外做功为负，外界对物体做功为正），可得热力学能（亦称内能）的变化为

（1-3）

（3）、实验器材

热电效应装置、电源（18V

DC、5A）、电压电流传感器、四端口温度传感器、快响应温度探头、导线若干、850接口、PASCO

Capstone软件

（4）、实验内容

1、输入电源：将热泵/热机切换到空挡位置（垂直向上）。使用香蕉跳线到电路板的输入电源端子连接电源，注意极性；

2、温度：连接从温度端口的电缆连接到四路温度传感器。连接冷侧通道1的传感器和热端的通道2；

3、电压：连接电压电流传感器的电压导致主板上的电压端口。注意极性。

4、电流：从电压电流传感器的电流输入连接单独的红色和黑色的香蕉跳线到主板上的当前端口。注意极性；

5、计算机：通过PASCO

Capstone接口连接传感器到计算机；

6、设置在电源电压至约6伏。将开关设置为热泵模式约2秒钟，然后将其返回到中立位置。如果电压/电流传感器会发出哔声，则电流过高(I>1A)，应该降低电压；

图1.3

实验电路图

7、点击开始按钮。PASCO

Capstone软件中会显示实时温度读数的数字显示，但它不会开始录制，观察温差片的两侧的温度;双方应接近室温；

8、将输出负载跳线连接到端子D（此时电阻约为0Ω），点击记录并及时将开关设置为热泵模式。观看的两个块温差片之间的温度差△T；

9、当△T达到35℃时，改变开关到热机模式。温差将开始减少，当△T低于5°C，停止数据记录；

10、断开开关，拆下绝热棉，将温差片冷却至室温；

11、改变输出负载为10Ω、30Ω，重复实验步骤7、8、9、10。

（5）、数据记录与处理

实验数据记录如下图：

图1.4

实验数据记录

由图中可知

1、在电路的I-t曲线中，在开关处于热泵模式时电路中电流I>0，电流随着时间的增加逐渐减小；在电路开关处于热机模式时电路中电流I0，电压随着时间的增加趋于稳定，此段时间温差片作为负载消耗能源，因此两端电压趋于稳定；在电路开关处于热机模式时电路中负载电压U>0，此段时间，温差片作为电源为负载电阻提供电源，电压随着时间的增加逐渐减小，随着温差的减小而趋于0。

3、在△T-t曲线中，在开关处于热泵模式时，温差逐渐增大，当△T大于35°时，将开关调至热机模式，此后随着时间的增加，温差逐渐的减小。

当R=30Ω时

开关处于热泵模式时

由P-t曲线可得

当开关处于热机模式时

由P-t曲线中可得：

在实验误差允许的情况下

所以由实验验证了热力学第一定律。

2、

能量转换-太阳能装置

（1）、实验目的

1、了解太阳能热能的基本原理

2、练习使用PASCO

Capstone软件及850接口记录处理实验数据

（2）、实验原理

太阳热能简称太阳能，太阳能一般指太阳光的辐射能量。在太阳内部进行的由“氢”聚变成“氦”的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，并不断向宇宙空间辐射能量，这种能量就是太阳能。

太阳能装置中的能量变化

有盖子：

(2-1)

无盖子：

(2-2)

其中c代表空气的比热容，m代表装置内空气的质量，△t代表装置内温度的变化。

（3）、实验器材

太阳能装置、温度传感器、小型三角支架、导线若干、850接口、PASCO

Capstone软件

（4）、实验内容

1、将太阳能装置固定到小型三角支架上；

2、按照下图所示，连接实验电路；

3、打开PASCO

Capstone软件，设置数据采集装置：新建表T-t，数据采集频率为1Hz。

4、在装置有盖子的情况下开始实验并开始记录数据，待装置内温度趋于稳定时停止实验；

5、去掉装置的上盖，重复步骤3、4。

图2.1

实验装置图

（5）、数据记录与处理

数据记录如下图

图2.2

数据记录

图中分析：

红色线代表有盖子时的装置内温度曲线，由此曲线可得随着时间的增加装置内的温度逐渐的增加，当温度到达32°左右时温度趋于稳定，此时装置吸收的热能与装置向周围传递的能量达到动态平恒，温度趋于不变；棕色曲线代表装置不加盖子时的T-t曲线，由此曲线可以得出随着时间的增加装置内的温度逐渐的增加，当温度到达30.5°左右时温度趋于稳定，此时装置吸收的热能与装置向周围传递的能量达到动态平恒，温度趋于不变。在t<8.37min时，棕色曲线在红色曲线的上南方，这是因为盖子可以反射掉部分入射光，在刚开始的时间段内，单位时间入射到装置内的能量无盖子的能量大于有盖子的情况；在8.37min之后红色曲线又高于棕色曲线，这是因为，有盖子时装置的保温效果要高于无盖子的情况，所以红色曲线要高于棕色曲线且平衡温度红色曲线也要高于棕色曲线。

3、

能量装换-量热器装置

（1）、实验目的

1、将内能的变化和输入的电能作对比

2、练习使用PASCO

Capstone软件及850接口记录处理实验数据

（2）、实验原理

实验所用量热器如下图所示

图3.1

量热器结构

电路中的负载电阻在通过电流时，可以产生电压降，随着时间的积累并消耗电源产生热量W

(3-1)

其中U为电阻两端电压降，I为流过电阻的电流，t为电阻通电的时间。

将电阻放入水中，电阻产生的热量就可以转移到水中，宏观表现为水温的升高，所以我们只要测出水温的升高即可通过计算求出电能与热能之间的转化关系。

(3-2)

其中c为水的比热容，m为水的质量，△T为水中温度的变化

实验中量热器装置中的双层铝质量杯保证了良好的绝热。用10Ω电阻丝对系统加热，用直流稳压电源供电。电压、电流、功率和最终的温度升高都被连续记录并显示。

在功率时间曲线下的面积等于用于加热水的电能。传递给水的热量可以通过温度升高和水的质量计算。通过对比电能和热可以得知焦耳和卡路里的比值。

（3）、实验器材

量热器、温度传感器、电压电流传感器、三柱秤、蒸馏水、导线若干、850接口、PASCO

Capstone软件

（4）、实验内容

1、用三柱秤称量双层铝的质量并记录，向铝制容器内注入50g的蒸馏水；

2、按下图示连接实验器材；

图3.2

实验电路图

3、打开PASCO

Capstone软件，设置数据采集装置：新建四张图表I-t、U-t、P-t、T-t，数据采集频率为1Hz。

4、开始实验，待水温基本趋于恒定时停止记录，结束实验。

（5）、实验数据记录与处理

数据记录如下图所示

图3.3

实验数据记录

结果分析

1、实验中电路中电流电压均为恒定值，不随时间而改变，因为实验中只有线性负载10Ω电阻R，电阻在实验中不改变，因此电流电压均为恒定值；

2、实验中温度变化可分为三个阶段。第一阶段0-33s，温度趋于稳定，因为电路接通时间短，电阻产生的热量少且热量传递缓慢，水温没有明显的变化；第二阶段，33-180s，电路不断有电流流过，电阻不断的消耗电能，长生热量传递到水中，水温表现为稳定上升，在180-209s的时间段内电路中不再有电流流经，但水温持续增加，因为能量在水中传递缓慢，所以当电阻没有电流流经的时候，水温还会持续有段时间的升温；第三阶段209s之后，水温开始下降，因为电阻不在产生热量，装置的隔热性能一般，水温也会表现为缓慢的下降。

水吸收的热量

电阻消耗的能量

效率

4、

能量转换-电热等效装置

（1）、实验目的

1、将内能的变化和输入的电能作对比

2、练习使用PASCO软件及850接口记录处理实验数据

（2）、实验原理

实验主要仪器如下图所示

图4.1

电热等效装置

仪器主要部分为一发光发热灯泡，电路中的灯泡再通过电流时，不仅可以以发光的形式传递能量，还可以以热能的形式向外传递能量。其中以热能的形式辐射的能量可以通过，将灯泡放入水中，用测量水吸收的热量来等效灯泡所发出的的热量的方式来测量。水吸收的热量可以由公式

(4-1)

来求得，其中c为水的比热容，m为水的质量，△t为水中温度的变化。

灯泡所消耗的总的电能可以由

(4-2)

求得，其中U为灯泡两端的电压，I为电路中的电流，t为灯泡有电流流经的时间。

（3）、实验器材

电热等效装置、蒸馏水、三柱秤、数字万用表2个（电压表、电流表）、温度传感器、导线若干、850接口、PASCO

Capstone软件

（4）、实验步骤

1、测量并记录室温；

2、用三柱秤称量装置质量记录，向设备中注入200g蒸馏水；

3、按下图示连接实验器材；

图4.2

实验电路图

4、打开PASCO

Capstone软件，设置数据采集装置：新建一张图表T-t，数字时间、温度显示窗口，数据采集频率为1Hz。

（5）、数据记录与处理

数据记录如下图

图4.3

数据记录

由图可知，随着灯泡通电时间的增加，水中的温度也在逐渐的上升。在556s内水吸收的热量为

灯泡消耗的电量

效率

数据分析：在实验中，电能一小部分用于电路的损耗，这一部分占据电能的极小部分；主要部分用于灯泡消耗，其中灯泡消耗可分两部分，一部分用于灯泡发热，产生热量，并将热量传递到水中，使水中温度升高，另一部分用于灯泡发光，以光能的形式将电能传递出去。

二、

综合性实验项目

5、

能量转换-发电机装置

（1）、实验目的

利用发电机研究重力势能与电能之间的转换关系。

（2）、实验器材

发电机，带钩的砝码组，大型支架底座，钢支架（90cm），消弹底板，电压电流传感器，850接口、PASCO

Capstone软件

（3）、实验原理

发电机的核心构造为两个400匝的线圈中置有一1.91cm的铷磁块，通过磁块的转动使其中的磁场发生变化。由法拉第电磁感应定律可知，在变化的磁场中，导线圈内磁通发生周期性变化，导线内将产生周期性电流。该电流大小与磁块的运动速度有关。

实验所用发电机如图5.1所示，在磁块一端连接套有不同直径的同心滑轮，滑轮上固定适当长度悬线并在线底端固定砝码。使砝码自由下落，此时砝码通过悬线带动滑轮即带动磁块转动使磁感线圈磁通发生变化，产生电流，完成重力势能→机械能→电能的转化过程。

图5.1

发电机构造图

图5.2

实验原理电路

为了探究该发电机装置与重力势能的转化效率，构造如图5.2原理电路，其中I（A）,U（V）均由传感器测得。

已知砝码的重力势能

(5-1)

产生的电功率

(5-2)

实验时间内产生的总电能

(5-3)

重力势能转化为电能的转化效率

(5-4)

（4）、实验内容

（1）将实验组件组装好：绑好长度为L的悬线的多径滑轮安在发电机上，并将发电机固定在钢支架上并固定于支架底座。

（2）将LED灯泡组件接入发电机接口，转动滑轮，通过灯泡发亮与否确定发电机正常工作后，将LED灯组件卸下，按照原理电路图将阻值为100Ω的电阻负载、电压电流传感器、数据采集器连接好。组装完成如图5.3所示。

图5.3

组装好的实验装置

（3）选定一个滑轮直径径，将悬线完全缠绕在该直径部分上，悬线下端悬挂质量为10g的砝码并用手托住保持其悬空状态。

（4）打开PASCO

Capstone软件，如图5.4设置数据采集装置：新建三张图表，横坐标均为时间（s），纵坐标待测数据分别设为电压（V）、电流（A）、功率（W），采集频率为200Hz。

图5.4

PASCO

Capstone软件设置

（5）点击记录，接着托举砝码的手将砝码释放使其自由落体，待落至最低点后点击停止完成数据采集。

（6）缠绕的滑轮直径不变，将砝码质量依次换成20g、40g、60g、80g、100g、150g、200g，重复3-5步骤，分别记录数据。

（7）选定质量为50g，改变悬线缠绕的滑轮半径，重复3-5步骤，分别记录数据。

（5）、数据记录与处理

在不同砝码的试验中实验测得功率结果如下图所示

表1

转化效率与质量的关系

质量（g）

10

20

40

60

80

100

150

200

重力势能（J）

0.16

0.32

0.***

0.96

1.28

1.60

2.40

3.20

电能（J）

0.05

0.08

0.12

0.09

0.18

0.17

0.12

0.14

转换效率

31.25%

25%

18.75%

9.38%

14.06%

10.63%

5%

4.38%

图5.5转换效率与滑轮直径的关系

6、

能量装换-飞轮装置

（1）、实验目的

1、观察了解飞轮装置存储能量的现象。

2、研究飞轮与发电机结合后的存储能量的特性。

3、练习使用PASCO软件及850接口记录处理实验数据

（2）、实验器材

大型底座及支架、飞轮、能量转换发电机、轻绳、导线若干、带100欧姆的导线插头、带LED的导线插头、电压电流传感器、850接口、PASCO

Capstone软件。

（3）、实验原理

安装在机器回转轴上的具有较大转动惯量的轮状蓄能器。当机器转速增高时，飞轮的动能增加，把能量贮蓄起来；当机器转速降低时飞轮动能减少，把能量释放出来。

能量转换-飞轮装置是用于观察飞轮在转动时存储能量的装置。飞轮也可以和其他配件结合起来研究能量转换传动装置和转动惯量。飞轮类似于一个转动惯量很大的圆盘，通过转轴连接到发电机。

本实验基于能量守恒定律，砝码从高处下降所释放的机械能通过发电机转换为电能。通过数据采集器采集数据，对实验结果进行分析研究。

（4）、实验过程

1、将发电机固定在水平放立的高铁架台上。

2、松动能量转换发电机的三阶旋钮。

3、将飞轮安装到发电机的旋转轴上。用金属旋钮固定在轴的另一端以固定飞轮。

4、将一重量为50g的砝码绑到飞轮上。

5、将绳子打两个结固定到飞轮前端的凹槽处。旋转飞轮将砝码吊起。

图6.1

实验装置图

（5）、实验步骤

1、将电压传感器并联在负载两端，电流传感器串联入电路。传感器与数据采集器连接，打开PASCO

pastone软件。准备好记录数据的图表。

2、测量初始条件即负载电阻和砝码高度。

3、采集数据。点击开始按钮，放开砝码，让其自由落下，数据开始记录入图表。

（6）、数据记录与处理

负重为50g砝码时

图6.2

软件采集数据截图

数据采集频率为200Hz，所以表格中的数据非常多。但是软件可以根据采集的数据自行绘图。由于采集的数据非常多，因此具有较高的准确性。还可以根据表中的数据在图中进行计算。

图6.3

电流、电压随时间的变化曲线

发电机所发的电为交流电，以电压为例，刚开始，飞轮旋转较慢，电压电流很小，随着砝码的下降，飞轮越转越快，电压也随之增大。当砝码降到最低点时，电压达到峰值，紧接着飞轮继续转动，将砝码吊起，当砝码最高时，电压降低为零。之后重复此运动直到飞轮不再转动。可以读出，50g时能量转换发电机所能输出的最大电流为40mA，最大电压为5.5V。

图6.4

发电机输出功率与负载消耗的功率

功率变化与电压电流变化规律相同。功率对时间的积分为能量，即曲线所包围的面积为所做的功。面积可以用软件直接读出。

可知发电机输出能量W1=0.27J，负载所消耗的能量W2=0.23J。

可得出发电机效率为

整个实验过程中重力做的功为：

本次实验中m=50g，g=10m/s2，h=150cm。

能量转换效率公式为

计算可得50g砝码时，机械能转换为电能的效率为

2.

负重为20g和50g时，不同重量下的特性曲线

图6.5

不同重量下的电压电流曲线

图6.6

不同重量下的功率曲线

由公式

当m=20g时

当m=100g时

三、

实验体会

此次认识设计性实验课即将结束了，尽管只有十天的时间，在这短短的几天里不仅丰富了我们的视野，还使我们学到了很多的知识。

从这次的实践课中收获很多，首先是学会使用了PASCO

Capstone软件、Xplorer

GLX数据采集器，并能够结合850接口、传感器进行数据记录、处理分析；通过对不同实验的探究，也更加多的了解到了不同形式能量之间的转换，丰富了自己的视野，扩展了自己的知识面。不同形式的能量之间可以相互转换，利用特制的实验器件不同形式的能量也都可以转换成电能，可以将产生的电能输出，用于给负载提供电源等。这次的实践也使我认识到，无论我们在所学到的书面知识多么深厚，理论掌握的多么牢固，最重要的还是需要有一定的实践动手能力，操作能力，只有自己动手操作过，我们才能发现问题，同时分析和解决实际问题，通过不断地发现问题、解决问题，才能更加牢固的了解掌握所学习过的知识。

这次实践，不仅培养了我们的学习兴趣，同时也拓展了我们的知识面；学习方向与奋斗目标更加清晰，学习态度更加端正，也极大地激发了对后续专业课程学习的热情。这次实验课实习，也使的自己认识到我自身的不足，争取在未来通过努力学习，使得自己各方面的能力得到提高，进一步完善自己提高自身素质；而且要理论联系实际，注重自己的实践操作的能力，将书本上的知识，带到实践中去学习、掌握。这次实验实践，使我眼界得到了拓宽，学会了很多课本外的知识，相信这次实践给我们带来的经历一定可以为我们将来的学习和生活提供很大的帮助。