物理仿真实验 (2)

大学物理仿真实验实验名称:声速的测定目的要求:1．了解超声波的发射和接收方法。

2．加深对振动合成、波动干涉等理论知识的理解。

3．掌握用驻波法和相位法测声速。

实验原理:由波动理论可知，波速与波长、频率有如下关系：v = f λ，只要知道频率和波长就可以求出波速。

本实验通过低频信号发生器控制换能器，信号发生器的输出频率就是声波频率。

声波的波长用驻波法（共振干涉法）和行波法（相位比较法）测量。

下图是超声波测声速实验装置图。

驻波法测波长设沿x 方向入射波的方程为:沿x 负方向反射波方程为:两波相遇干涉时，在空间某点的合振动方程为(驻波方程):12cos 2()cos 2()x xy y y A ft A ft ππλλ=+=-++(2cos 2)cos 2xA ft ππλ=当2/λn x =;(n =1,2,…)位置时，声振动振幅最大,为2A ,称为波腹，当4/)12(λ-=n x ,(n =1,2，…)位置上声振动振幅为零,这些点称为波节。

其余各点的振幅在零和最大值之间。

两相邻波腹(或波节)间的距离为λ/2即半波长。

相位比较法测波长从换能器S1发出的超声波到达接收器S 2，所以在同一时刻S 1与S 2处的波有一相位差：其中λ是波长，x 为S 1和S 2之间距离)。

因为x 改变一个波长时，相位差就改变2π。

利用李萨如图形就可以测得超声波的波长。

仪器用具:1.声速的测量实验仪器包括超声声速测定仪、函数信号发生器和示波器。

2.超声声速测定仪主要部件是两个压电陶瓷换能器和一个游标卡尺。

3.函数信号发生器1cos 2()xy A ft πλ=-2cos 2()x y A ft πλ=+提供一定频率的信号，使之等于系统的谐振频率。

4.示波器示波器的x, y轴输入各接一个换能器，改变两个换能器之间的距离会影响示波器上的李萨如图形。

并由此可测得当前频率下声波的波长，结合频率，可以求得空气中的声速。

实验内容:1．调整仪器使系统处于最佳工作状态。

实验简介：液体表层指液体与气体、液体与固体以及不相混合的液体之间的界面。

液体表层分子有从液面挤入液体内部的倾向，这使得液体的表面自然收缩，就整个液面来说，如同拉紧的弹性薄膜，这种沿着表面，使液面收缩的力称为表面张力。

表面张力在船舶制造、水利学、化学化工、凝聚态物理中都能找到它的应用。

测量液体（例如水）的表面张力系数有多种方法，如最大泡压法、平板法（亦称拉普拉斯法）、毛细管法、焦利氏秤法、扭力天平法等。

这里只介绍焦利氏秤法。

本实验首先利用逐差法测量焦利氏秤弹簧的倔强系数，然后利用拉脱法测量液体的表面张力系数。

实验原理1、液体分子受力情况液体表面层中分子的受力情况与液体内部不同。

在液体内部，分子在各个方向上受力均匀，合力为零。

而在表面层中，由于液面上方气体分子数较少，使得表面层中的分子受到向上的引力小于向下的引力，合力不为零，这个合力垂直于液体表面并指向液体内部，如图1所示。

所以，表面层的分子有从液面挤入液体内部的倾向，从而使得液体的表面自然收缩，直到达到动态平衡(即表面层中分图1 液体分子受力示意图子挤入液体内部的速率与液体内部分子热运动而达到液面的速率相等)。

这时，就整个液面来说，如同拉紧的弹性薄膜。

这种沿着表面，使液面收缩的力称为表面张力。

想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用。

这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数称为表面张力系数。

2、矩形金属框架测量原理将一表面清洁的矩形金属薄片竖直浸入水中，使其底面水平并轻轻提起。

当金属片底面与水面相平，或略高于水面时，由于液体表面张力的作用，金属片的四周将带起一部分水，使水面弯曲，呈图2所示的形状。

这时，金属片在竖直方向上受到(1)金属片的重力mg；(2)向上的拉力F；(3)水表面对金属片的作用力——表面张力。

图2 金属框受力示意图其中为水面与金属片侧面的夹角，称为接触角。

如果金属片静止，则竖直方向上合力为零，有（1）在金属片临脱离液体时，，即,则F应当是金属丝重力mg与薄膜拉引金属丝的表面张力之和,则平衡条件变为：(2)显然表面张力f是存在于液体表面上任何一条分界线两侧间的液体的相互作用拉力，其方向沿着液体表面，且垂直于该分界线。

仿真实验 / 落球法测定液体的粘度一、实验目的（1）观察液体的粘滞现象；（2）用落球法测量不同温度下蓖麻油的粘度；（3）巩固使用基本测量仪器的技能；（4）了解PID温度控制的原理。

二、实验仪器变温黏度测量仪，ZKY-PID温控实验仪，停表，螺旋测微器，钢球若干，金属镊子。

三、实验原理1.落球法测定液体黏度原理一个在静止液体中下落的小球受到重力、浮力和黏滞阻力3个力的作用，如果小球的速度v很小，且液体可以看成在各方向上都是无限广阔的，则从流体力学的基本方程可以导出表示黏滞阻力的斯托克斯公式：（1）（1）式中d为小球直径。

由于黏滞阻力与小球速度v成正比，小球在下落很短一段距离后，所受外力达到平衡，小球将以匀速下落，此时有：（2）式中ρ为小球密度，ρ为液体密度。

由（2）式可解出黏度η的表达式：（3）本实验中，小球在直径为D的玻璃管中下落，液体在各方向无限广阔的条件不满足，此时黏滞阻力的表达式可加修正系数(1+2.4d/D)，而（3）式可修正为：（4）当小球的密度较大，直径不是太小，而液体的黏度值又较小时，小球在液体会达到较大的值，奥西思-果尔斯公式反映出了液体运动状态对中的平衡速度v斯托克斯公式的影响：（5）其中，Re称为雷诺数，是表征液体运动状态的无量纲参数。

（6）当Re小于0.1时，可认为（1）、（4）式成立。

当0.1<Re<1时，应考虑（5）式中1级修正项的影响，当Re大于1时，还须考虑高次修正项。

考虑（5）式中1级修正项的影响及玻璃管的影响后，黏度η1可表示为：（7）由于3Re/16是远小于1的数，将1/（1+3Re/16）按幂级数展开后近似为1－3Re/16，（7）式又可表示为：（8）已知或测量得到ρ、ρ、D、d、v等参数后，由（4）式计算黏度η，再由（6）式计算Re，若需计算Re的1级修正，则由（8）式计算经修正的黏度η1。

在国际单位制中，η的单位是Pa·s（帕斯卡·秒），在厘米，克，秒制中，η的单位是P（泊）或cP（厘泊），它们之间的换算关系是：1Pa·s=10P=1000cP （9）2.PID条件控制PID调节是自动控制系统中应用最为广泛的一种调节规律，自动控制系统的原理可用图1说明。

课程名称：大学物理实验（二）实验名称：卡门涡街的Comsol仿真图3.1卡门涡街仿真图四、实验内容及步骤：4.1建模本实验的的建模与仿真可分为八步：1.模型向导2.参数定义3.几何建模4.材料设置5.层流设置6.划分网格7.研究求解8.结果分析操作步骤：1.模型向导1)打开COMSOL软件，在新建窗口中单击模型向导；2)在模型向导窗口中，单击二维；3)在选择物理场树中双击流体流动单相流层流；4)单击添加，然后单击下方的研究；5)在选择研究中选择一般研究瞬态；6)单击底部的完成；2.参数定义1)在左侧模型开发器窗口的全局定义节点下，单击参数1；2)在参数的设置窗口中，定位到参数栏；3)在表中输入以下设置：图4.1 设置示范图4)在左侧主屏幕工具栏中单击f(x)函数，选择全局阶跃；5)在阶跃的设置窗口中，定位到参数栏；6)在位置文本框中输入0.1；3.几何建模1)在上方的几何工具栏中单击矩形；图4.2 建模完成后图材料设置在模型开发器窗口的组件(comp1)节点下，右键单击材料并选择空材料；在材料的设置窗口中，定位到材料属性明细栏；图4.3 设置示范图图层流设置在模型开发器窗口的组件1(comp1)节点下，右键单击层流(spf)并选择入口；在入口的设置窗口中，边界选择栏里选择边界1（单击右侧图形窗口里矩形的左边界即可）在入口的设置窗口中，定位到速度栏，在U0文本框中输入图4.4 划分网格后的图形在模型开发器窗口的研究节点下，单击步骤1: 瞬态；图6.3升力系数随时间的变化由图5.1可知，升力系数的大小在前0.5s几乎为0，0.5s到3.5s升力系数大幅不断变大然后减小，同时升力系数的峰值和谷值的绝对值都在变大，而且峰值和谷值的绝对值近似相等，3.5s到5.0s力系数的峰值和谷值的绝对值缓慢增大，直到5.0s时都取到最大约0.89，此后5.0s到7.0s升力系数在峰值和谷值的绝对值的最大值之间波动。

作出曳力系数随时间变化图图6.4 曳力系数随时间的变化由图5.2可知，曳力系数在0.5s前就从0急剧变大至约3.1，随后在0.5s到3.5s缓慢且小幅减小再增大至约3.17，在3.5s到7.0s时，曳力系数仅在3.17之间微小波动。

大学物理仿真实验实验报告_分光计.大学物理仿真实验实验报告分光计土木21班2120702008崔天龙..验项目名称:分光计一、实验目的1(使学生深入了解分光计的构造和设计原理，学会调整分光计的正确方法;2(了解用最小偏向角法测棱镜材料折射率的基本原理;3(完成测量折射率实验，并正确分析实验误差。

二、实验原理1(分光计的结构分光计主要由三部分:望远镜，平行光管和主体(底座、度盘和载物台)组成。

附件有小灯泡、小灯泡的低压电源以及看度盘的放大镜。

望远镜的目镜叫做阿贝目镜，如图1所示。

2(分光计的调整原理和方法调整分光计，最后要达到下列要求:(1)平行光管发出平行光;(2)望远镜对平行光聚焦(即接收平行光);(3)望远镜、平行光管的光轴垂直仪器公共轴。

分光计调整的关键是调好望远镜，其他的调整可以以望远镜为标准。

在调整望远镜时，可以先将小灯泡的光引入分划板，当分划板的位置刚好在望远镜的焦平面上时，从载物台上放置的平面镜上反射回来的光正好落在分划板上形成一个清晰的十字象。

利用这个原理可以将望远镜调好(出射平行光以及使望远镜的主轴与仪器主轴垂直)，当望远镜调好后就可以利用望远镜调节平行光管，此时就可以进行光线的角度的测量了。

3(用最小偏向角法测三棱镜材料的折射率..如下图，一束单色光以角入射到AB面上，经棱镜两次折射后，从AC面射出来，出射角为。

入射光和出射光之间的夹角称为偏向角。

当棱镜顶角A一定时，偏向角的大小随入射角的变化而变化。

而当=时，为最小(证明略)。

这时的偏向角称为最小偏向角，记为。

由上图可以看出，这时设棱镜材料折射率为n，则故..由此可知，要求得棱镜材料的折射率n，必须测出其顶角A和最小偏向角。

三、实验仪器图 1 : 分光计仪器分光计是一种基本的光学测量仪器，能准确快捷地测量各种角度，该仪器配上棱镜、光栅等可用于光谱测量。

配上偏振片、波片等，可作为椭偏仪使用。

图 2 : 分光计分光计中心为载物台，外围为刻度盘和游标盘，双游标的作用是为了消除刻度盘和游标盘中心不重合造成的偏心误差。

大学物理仿真实验报告单摆测量重力加速度一、实验目的本实验的目的是学习进行简单设计性实验的基本方法，根据已知条件和测量精度的要求，学会应用误差均分原则选用适当的仪器和测量方法，学习累积放大法的原理和应用，分析基本误差的来源及进行修正的方法。

二、实验原理单摆的结构如实验仪器中所示，其一级近似周期公式为：由此公式可知，测量周期与摆长就可以计算得到重力加速度g三、实验内容一用误差均分原理设计一单摆装置,测量重力加速度g.设计要求:(1) 根据误差均分原理,自行设计试验方案,合理选择测量仪器和方法.(2) 写出详细的推导过程,试验步骤.(3) 用自制的单摆装置测量重力加速度g,测量精度要求△g/g < 1%.可提供的器材及参数:游标卡尺、米尺、千分尺、电子秒表、支架、细线(尼龙线)、钢球、摆幅测量标尺(提供硬白纸板自制)、天平(公用).假设摆长l≈70.00cm;摆球直径D≈2.00cm;摆动周期T≈1.700s; 米尺精度△米≈0.05cm;卡尺精度△卡≈0.002cm;千分尺精度△千≈0.001cm;秒表精度△秒≈0.01s;根据统计分析,实验人员开或停秒表反应时间为0.1s左右,所以实验人员开,停秒表总的反应时间近似为△人≈0.2s.二. 对重力加速度g的测量结果进行误差分析和数据处理,检验实验结果是否达到设计要求.三. 自拟实验步骤研究单摆周期与摆长,摆角,悬线的质量和弹性系数,空气阻力等因素的关系,试分析各项误差的大小. 四. 自拟试验步骤用单摆实验验证机械能守恒定律.四、实验仪器实验仪器单摆仪，摆幅测量标尺，钢球，游标卡尺五、实验操作1. 用米尺测量摆线长度；测量摆线长度；测量摆线长度；2. 用游标卡尺测量小球直径；用游标卡尺测量小球直径；用游标卡尺测量小球直径；用游标卡尺测量小球直径；用游标卡尺测量小球直径；3. 把摆线偏移中心不超过把摆线偏移中心不超过把摆线偏移中心不超过5度，释放单摆开始计时过度，释放单摆开始计时过度，释放单摆开始计时过度，释放单摆开始计时过度，释放单摆开始计时过度，释放单摆开始计时过50 个周期后停止计时，个周期后停止计时，个周期后停止计时，记录所用时间；记录所用时间；六、实验结果七、数据处理D(平均)=（1.722+1.702+1.732+1.662+1.682+1.692）/6=1.698cm摆线长度+摆球直径=92.00cm摆长L=(摆线长度+摆球直径)-摆球半径=92.00-D/2=91.15cm=0.9115mT1=57.55/30=1.918sT2=76.77/40=1.919sT3=96.00/50=1.920sT=(T1+T2+T3)/3=1.919s由得：g=(4**)*L/(T*T)=9.77m/s*s=9.80-9.77=0.03m/s*sE=/g*100%=0.31%<1% 满足实验要求八、误差分析、心得体会及实验建议误差分析：1、周期的测量存在较大误差，摆线来回摆，刚开始计时以及最后一次摆结束的时刻，由于人眼的反应速度会造成或大或小的偏差；2、摆长的测量存在误差，由于不是亲手拿测量仪器测量，故而有些读数不准确，由此引起一部分误差。

大学物理实验教案
（2）补偿法
由于本实验仪器的特点，在测量各谱线的截止电压Ua 时，可不用难于操作的“拐点法”，而用“补偿法”。

补偿法是调节电压U AK 使电流为零后，保持U AK 不变，遮挡汞灯光源，此时测得的电流I 为电压接近遏止电压时的暗电流和本底电流。

重新让汞灯照射光电管，调节电压UAK 使电流值至I ，将此时对应的电压U AK 的绝对值作为截止电压Ua 。

此法可补偿暗电流和本底电流对测量结果的影响。

对于测量所得到的实验数据，可用以下三种方法来处理以得出ν-U 直线的斜率k ，来进一步得出普朗克常数h 。

（1）线性回归法
根据线性回归理论，ν-U 直线的斜率k 的最佳拟合值为
2
2a a
U U k νννν⋅-⋅=-，其中
表示频率的平均值, 表示频率ν的平方的平均值, 表示截止电压Ua 的平均值, 1
1n a i i i U U n νν=⋅=⋅∑表示频率ν与截止电压Ua 的乘积的平均值。

（2）逐差法
根据ai aj a i i j
U U U k ννν-∆==∆-，可用逐差法从数据中求出一个或多个k i ，将其平均值作为所求k 的数值。

（3）作图法
可用数据在坐标纸上作Ua-ν直线，由图求出直线斜率k 。

由以上三种方法求出直线斜率k 后，可用h=ek 求出普朗克常数，并与h 的公认值h 0比较求出百分偏差：00
h h h δ-=，式中电子电荷量1
1n i i n νν==∑221
1n i i n νν==∑1
1n
a ai i U U n。

物理仿真实验报告——液体表面张力系数的测定实验简介：液体表层指液体与气体、液体与固体以及不相混合的液体之间的界面。

液体表层分子有从液面挤入液体内部的倾向，这使得液体的表面自然收缩，就整个液面来说，如同拉紧的弹性薄膜，这种沿着表面，使液面收缩的力称为表面张力。

表面张力在船舶制造、水利学、化学化工、凝聚态物理中都能找到它的应用。

测量液体（例如水）的表面张力系数有多种方法，如最大泡压法、平板法（亦称拉普拉斯法）、毛细管法、焦利氏秤法、扭力天平法等。

这里只介绍焦利氏秤法。

本实验首先利用逐差法测量焦利氏秤弹簧的倔强系数，然后利用拉脱法测量液体的表面张力系数。

实验原理1、液体分子受力情况液体表面层中分子的受力情况与液体内部不同。

在液体内部，分子在各个方向上受力均匀，合力为零。

而在表面层中，由于液面上方气体分子数较少，使得表面层中的分子受到向上的引力小于向下的引力，合力不为零，这个合力垂直于液体表面并指向液体内部，如图1所示。

所以，表面层的分子有从液面挤入液体内部的倾向，从而使得液体的表面自然收缩，直到达到动态平衡(即表面层中分图1 液体分子受力示意图子挤入液体内部的速率与液体内部分子热运动而达到液面的速率相等)。

这时，就整个液面来说，如同拉紧的弹性薄膜。

这种沿着表面，使液面收缩的力称为表面张力。

想象在液面上划一条线，表面张力就表现为直线两侧的液体以一定的拉力相互作用。

这种张力垂直于该直线且与线的长度成正比，比例系数称为表面张力系数。

2、 矩形金属框架测量原理将一表面清洁的矩形金属薄片竖直浸入水中，使其底面水平并轻轻提起。

当金属片底面与水面相平，或略高于水面时，由于液体表面张力的作用，金属片的四周将带起一部分水，使水面弯曲，呈图2所示的形状。

这时，金属片在竖直方向上受到(1)金属片的重力mg ；(2)向上的拉力F ；(3)水表面对金属片的作用力——表面张力。

图2 金属框受力示意图其中为水面与金属片侧面的夹角，称为接触角。

2023年河北省衡水市中考物理仿真模拟试卷（二）一、单选题（本大题共11小题，共22.0分）1. 用分子的观点解释下列现象，正确的是( )A. 水结成冰——温度降低，分子停止运动B. 汽油挥发——分子体积变大C. 热胀冷缩——分子的大小随温度的改变而改变D. 轮胎充气——分子间有间隔2. 人们在生活和生产中为了防止发生事故，常需要采取一些安全措施。

下列对安全措施的解释错误的是( )A. 乘客乘车时需要系好安全带，是为了减小汽车行驶中人的惯性B. 油罐车的下面拖着一条铁链，可以避免静电放电带来的危害C. 冬天用煤炉生火取暖需要通风，是为了防止煤气中毒D. 加油站、面粉厂等地严禁烟火，是为了防止发生爆炸3. 分类是认识和研究问题的重要方法。

下列分类正确的是( )A. 导体：铅笔芯、铜、橡胶B. 非晶体：食盐、松香、沥青C. 单质：金刚石、石墨、煤D. 混合物：医用酒精、空气、碘酒4. 下列探究实例中，运用了控制变量法的是( )A. 探究杠杆平衡的原理B. 研究电流大小时，根据电流产生的热效应大小来判断电流的大小C. 探究铁生锈的条件D. 探究酸碱是否发生反应5. 逻辑推理是学习的常用思维方法，下列推理正确的是( )A. 平衡力大小相等、方向相反，则大小相等、方向相反的两个力一定是平衡力B. 酸溶液pH<7，但pH<7的溶液不一定是酸溶液C. 有机物中都含有碳元素，则含有碳元素的化合物一定是有机物D. 钢铁制成的轮船可以漂浮在海面上，则钢铁的密度一定小于海水的密度6. 下列对如图所示内容的解释错误的是( )A. 甲：微小压强计是连通器B. 乙：紫色小花喷水的部分变红，未喷水的部分不变色，说明CO2能与水反应C. 丙：为了验证“导体电阻跟长度是否有关”，应选用的导体是b、cD. 丁：通入氧气后水中的白磷燃烧，说明燃烧需要氧气7. 下列数据中，符合实际的是( )A. 一支全新2B铅笔的长度约为18dmB. 一个篮球的质量约为500gC. 我国高速公路的最高限速为120m/sD. 按照国家规定，夏天公共建筑内的空调温度应控制在10℃左右8. 下列关于声和电磁波的说法正确的是( )A. 物体振动越快，发出声音的响度越大B. 地震、火山喷发等自然灾害会伴有超声波的产生C. 在主干道旁设置噪声监测设备或隔音板，都是为了减弱噪音D. 倒车雷达与军事雷达传播的媒介是不同的9. 下列有关物态变化的说法正确的是( )A. 昆虫身上露珠的形成是液化现象，会吸热B. 夏天从冰箱中取出的冰块“冒白气”，是汽化现象，会放热C. 冬天窗户玻璃上出现的冰花是凝华现象，会放热D. 植物上雾凇的形成是凝固现象，会吸热10. “注意安全，珍爱生命”是同学们必备的意识，下列有关家庭用电的说法正确的是( )A. 电灯的开关应接在零线与电灯之间B. 在停电期间检修电器，不需要断开总开关C. 只有大功率的用电器才需要使用三孔插座D. 使用试电笔时，手要接触笔尾金属体11. 在“探究凸透镜成像规律”的实验中，光具座上各元件位置如图所示，此时在光屏上恰好成一个清晰的像，下列说法正确的是( )A. 幻灯机应用了这一成像规律B. 若只升高凸透镜，光屏上的像会向上移动C. 若凸透镜不动，光屏与蜡烛对调，光屏上不能承接到清晰的像D. 贴近凸透镜左侧放一老花镜，要想再次得到烛焰清晰的像，需向右移动光屏二、多选题（本大题共3小题，共9.0分）12. 下列说法正确的是( )A. 物体受到力的作用时，运动状态不一定发生变化B. 高速行驶的汽车不容易停下来，说明速度越大惯性越大C. 人用力推放在水平地面上的木箱，没推动，说明推力小于箱子受到的阻力D. 人造卫星绕地球沿椭圆轨道从远地点向近地点运动的过程中，势能转化为动能13. 下列有关电与磁的说法不正确的是( )A. 导体在磁场中做切割磁感线运动，不一定产生感应电流B. 电磁铁的磁性强弱只与电流大小有关C. 小磁针静止时N极所指的方向与该点的磁场方向相同D. 动圈式话筒的工作原理是磁场对电流有力的作用，工作时将电能转化成机械能14.如图所示的电路中，电源电压保持不变，a是电流表或电压表，R1和R2为定值电阻，R3为滑动变阻器，R1的阻值大于滑动变阻器的最大阻值。

西安交通大学
大学物理仿真实验
实验报告
利用单摆测量重力加速度
实验简介
单摆实验是个经典实验，许多著名的物理学家都对单摆实验进行过细致的研究。

本实验的目的是学习进行简单设计性实验的基本方法，根据已知条件和测量精度的要求，学会应用误差均分原则选用适当的仪器和测量方法，学习累积放大法的原理和应用，分析基本误差的来源及进行修正的方法。

实验原理
单摆的结构参考图1单摆仪,一级近似的周期公式为
T=2π√l
g
由此通过测量周期摆长求重力加速度。

实验仪器
单摆仪，摆幅测量标尺，钢球，游标卡尺，秒表，刻度尺实验过程及原始记录
测量内容及数据处理
T=1.825s
L=91.50cm
g=4π2L−D2⁄
T2
=4π2
(91.50−1.7462⁄)
1.8252
=10.74m s2
⁄
E g=
△D2⁄
L−D2⁄
=
0.022⁄
91.50−1.7462⁄
=0.11%△g=gE g=0.012m s2
⁄
所以实验结果：
g=10.74±0.012m/s2
误差分析
1.游标卡尺，直尺等读书误差；
2.钢球摆过平衡位置时未能及时计时；
总结反思
实验结果与实际结果存在一定偏差，实验过程检查无误，原理清晰，以后做类似实验需要设计更为精确的实验方案。