学生实验报告
学 院:软件与通信工程学院
课程名称:大学物理实验
专业班级:通信工程111班
姓 名:陈益迪
学 号:0113489
学生实验报告
一、实验综述
1、实验目的及要求
1.了解游标卡尺、螺旋测微器的构造,掌握它们的原理,正确读数和使用方法。
2.学会直接测量、间接测量的不确定度的计算与数据处理。
3.学会物理天平的使用。
4.掌握测定固体密度的方法。
2 、实验仪器、设备或软件
1 50分度游标卡尺 准确度=0.02mm 最大误差限 △仪=±0.02mm
2 螺旋测微器 准确度=0.01mm 最大误差△仪=±0.005mm
修正值=0.018mm
3 物理天平 TW-0.5 t天平感度0.02g 最大称量 500g △仪=±0.02g
估读到 0.01g
二、实验过程(实验步骤、记录、数据、分析)
1、实验内容与步骤
1、用游标卡尺测量圆环体的内外径直径和高各6次;
2、用螺旋测微器测钢线的直径7次;
3、用液体静力称衡法测石蜡的密度;
2、实验数据记录表
(1)测圆环体体积
仪器名称:50分度游标卡尺 准确度= 最大误差限Δ仪=±0.02 mm
(2)测钢丝直径
仪器名称:螺旋测微器(千分尺) 准确度= 估读到
误差限Δ仪=±0.005 mm 千分尺初读数(0点修正值)= mm
(3)测石蜡的密度
仪器名称:物理天平TW—0.5 天平感量: 0.02 g 最大称量500 g
Δ仪=±0.02 g 估读到0.01g 单位:g
3、数据处理、分析
(1)、计算圆环体的体积
1直接量外径D的A类不确定度SD ,SD=
SD=0.0161mm=0.02mm
2直接量外径D的B类不确定度ud. ud,=
Ud=0.0155mm=0.02mm
3直接量外径D的合成不确定度σσD=
σD=0.0223mm=0.2mm
4直接量外径D科学测量结果
D=(21.19±0.02)mm
5直接量内径d的A类不确定度Sd。Sd=
Sd=0.0045mm=0.005mm
6直接量内径d的B类不确定度ud ud=
ud=0.0155mm=0.02mm
7直接量内径d的合成不确定度σi σd=
σd=0.0160mm=0.02mm
8直接量内径d的科学测量结果
d=(16.09±0.02)mm
9直接量高h的A类不确定度Sh Sh=
Sh=0.0086mm=0.009mm
10直接量高h的B类不确定度uh d
uh=0.0155mm=0.02mm
11直接量高h的合成不确定度σh σh=
σh=0.0177mm=0.02mm
12直接量高h的科学测量结果
h=(7.27±0.02)mm
13间接量体积V的平均值:V=πh(D2-d2)/4
V =1277.8mm3
14 间接量体积V的全微分:dV=dh+dD- dd
再用“方和根”的形式推导间接量V的不确定度传递公式(参考公式1-2-16)
计算间接量体积V的不确定度σV
σV=0.7mm3
15写出圆环体体积V的科学测量结果
V=(1277.8±0.7) mm3
2、计算钢丝直径
(1)7次测量钢丝直径d的A类不确定度Sd ,Sd=Sd
Sd =0.0079mm=0.008mm
(2)钢丝直径d的B类不确定度ud ,ud=ud
ud=0.0029mm=0.003mm
(3)钢丝直径d的合成不确定度σ。σd=d
σd=0.0084mm=0.008mm
(4)写出钢丝直径d的科学测量结果
d=(2.169±0.008)mm
3、计算石蜡的密度
(1)以天平的感量为Δ仪,计算直接测量M1、M2、M3的B类不确定度uM
uM=0.0115g=0.01g
(2)写出直接测量M1、M2、M3的科学测量结果
M1=(2.44±0.01)g M2=(11.04±0.01)g M3=(8.50±0.01)g
(3)ρt以22.50C为标准查表取值,计算石蜡密度平均值:
ρ=0.9584(kg/m3)=0.958(kg/m3)
(4)间接量石蜡密度ρ的全微分:
dρ=dm1-dm2+dm3
再用“方和根”的形式推导密度的不确定度传递公式 (参考公式1-2-16)
计算间接量密度ρ的不确定度σρ
dρ=0.0076 kg/m3 =0.008 kg/m3
(5)写出石蜡密度ρ的科学测量结果
ρ=(0.958±0.008) kg/m3
三、结论
1、实验结果
实验结果即上面给出的数据。
2、分析讨论
(1)心得体会:
1、天平的正确使用:测量前应先将天平调水平,再调平衡,放取被称量物和加减砝码时一定要先将天平降下后再操作,天平的游码作最小刻度的1/2估读。
2、螺旋测微器正确使用:记下初始读数,旋动时只旋棘轮旋柄,当听到两声“咯咯”响时便停止旋动,千分尺作最小刻度的1/10估读。
(2)思考:
1、试述螺旋测微器的零点修正值如何确定?测定值如何表示?
答:把螺旋测微器调到0点位置,读出此时的数值,测定值是读数+零点修正值
2、游标卡尺读数需要估读吗?
答:不需要。
3、实验中所用的水是事先放置在容器里,还是从水龙头里当时放出来的好,为什么?
答:事先放在容器里面的,这样温度比较接近设定温度。
(3)建议
学校的仪器存放时间过长,精确度方面有损,建议购买一些新的。
四、指导教师评语及成绩:
评语:
成绩: 指导教师签名:
批阅日期:
天津大学
物理实验报告
姓名: 专业: 班级: 学号:
实验日期: 实验教室: 指导教师:
【实验名称】PN结物理特性综合实验
【实验目的】
1. 在室温时,测量PN结电流与电压关系,证明此关系符合波耳兹曼分布规律
2. 在不同温度条件下,测量玻尔兹曼常数
3. 学习用运算放大器组成电流-电压变换器测量弱电流
4. 测量PN结电压与温度关系,求出该PN结温度传感器的灵敏度
5. 计算在0K温度时,半导体硅材料的近似禁带宽度
【实验仪器】
半导体PN结的物理特性实验仪 资产编号:××××,型号:×××(必须填写)
【实验原理】
1.PN结的伏安特性及玻尔兹曼常数测量
PN结的正向电流-电压关系满足:
(1)
当时,(1)式括号内-1项完全可以忽略,于是有:
(2)
也即PN结正向电流随正向电压按指数规律变化。若测得PN结关系值,则利用(1)式可以求出。在测得温度后,就可以得到,把电子电量作为已知值代入,即可求得玻尔兹曼常数。实验线路如图1所示。
运算放大器的输入电压为:
(3)
式(3)中为输入电压,为运算放大器的开环电压增益,即图2中电阻时的电压增益(称反馈电阻)。因而有:
(4)
由(4)式可得电流-电压变换器等效输入阻抗为
(5)
由(3)式和(4)式可得电流-电压变换器输入电流与输出电压之间的关系式,即:
(6)
只要测得输出电压和已知值,即可求得值。
3、PN结的结电压与热力学温度关系测量。
当PN结通过恒定小电流(通常),由半导体理论可得与的近似关系:
(7)
式中为PN结温度传感器灵敏度。由可求出温度0时半导体材料的近似禁带宽度。硅材料的约为1.20。
【实验内容】
(一)关系测定,并进行曲线拟合计算玻尔兹曼常数()
1、在室温情况下,测量三极管发射极与基极之间电压和相应电压。的值约从至范围,每隔测一相应电压的数据,至达到饱和(变化较小或基本不变)。在记录数据开始和结束时都要记录下变压器油的温度,取温度平均值。
2、改变干井恒温器温度,待PN结与油温一致时,重复测量和的关系数据,并与室温测得的结果进行比较。
3、曲线拟合求经验公式:运用最小二乘法将实验数据代入指数函数。求出相应的和值。
4、玻尔兹曼常数。利用,把电子电量作为已知值代入,求出并与玻尔兹曼常数公认值()进行比较。
(二)关系测定,计算硅材料0时近似禁带宽度值。
1、通过调节图3电路中电源电压,使上电阻两端电压保持不变,即电流。同时用电桥测量铂电阻的电阻值,得恒温器的实际温度。从室温开始每隔5℃-10℃测一组值,记录。
2、曲线拟合求经验公式:运用最小二乘法,将实验数据分别代入线性回归、指数回归、乘幂回归这三种常用的基本函数(它们是物理学中最常用的基本函数),然后求出衡量各回归程序好坏的标准差。对已测得的和各对数据,以为自变量,作因变量,分别代入:(1)线性函数;(2)乘幂函数;(3)指数函数,求出各函数相应的和值,得出三种函数式,究竟哪一种函数符合物理规律必须用标准差来检验。办法是:把实验测得的各个自变量分别代入三个基本函数,得到相应因变量的预期值,并由此求出各函数拟合的标准差:
用最小二乘法对关系进行直线拟合,求出PN结测温灵敏度及近似求得温度为0时硅材料禁带宽度。
【注意事项】
1. 数据处理时,对于扩散电流太小(起始状态)以及扩散电流接近或达到饱和时的数据,在处理数据时应删去,因为这些数据可能偏离公式(2)。
2. 必须观测恒温装置上温度计读数,待TIP31三极管温度处于恒定时(即处于热平衡时),才能记录和数据。
3. 本实验,TIP31型三极管温度可采用的范围为0-50℃。
4. 仪器具有短路自动保护,一般情况集成电路不易损坏,但请勿将二极管保护装置拆除。
【数据记录】(数据仅供参考)
1、关系测定。 室温条件下: =25.90℃, =26.10℃,=26.00℃
2、电流I=100时,关系测定。
【数据处理】
1、曲线拟合求经验公式,计算玻尔兹曼常数:
根据要求用最小二乘法处理数据,假设PN结电流和电压的关系满足,所以先要对公式进行线性化处理。
由于U2和I是线性关系,即=A*U2,A可视为微小电流转换为电压的转换系数。首先以U2替换I,公式变化为A
两边取对数:-lnA,
令: lnU2=y,U1=x,lnIo-lnA=,e/Kt=b
上式变化为:
根据最小二乘法的计算公式: (P 27页)
列表计算:(双击该表可见计算过程)
由此可知,相关系数r=0.99972,指数拟合的很好,也就说明PN结扩散电流-电压关系遵循指
数分布规律。计算玻尔兹曼常数,由表中数据得
则:
2、求PN结温度传感器的灵敏度S,0时硅材料禁带宽度。
用作图法对数据进行处理:(图省略)所画的直线的斜率,即PN结作为温度传感器时
的灵敏度,表明PN结是负温度系数的。截距(0温度); 则电子伏特。
【实验结果】
1、测量值与公认值相当一致。
2、硅在0温度时禁带宽度公认值电子伏特,上述结果与实际大小基本吻合。由于PN结温度传感器的线性范围为-50℃--150℃,在常温时,非线性项将不可完全忽略,所以本实验测得电子伏特是合理的。
【问题讨论】
谈谈自己对本实验的体会与建议等。
禁带宽度(Band gap)是指一个能带宽度(单位是电子伏特(ev)).固体中电子的能量是不可以连续取值的,而是一些不连续的能带。要导电就要有自由电子存在。自由电子存在的能带称为导带(能导电)。被束缚的电子要成为自由电子,就必须获得足够能量从而跃迁到导带,这个能量的最小值就是禁带宽度。锗的禁带宽度为0.66ev;硅的禁带宽度为1.12ev;砷化镓的禁带宽度为1.43ev。禁带非常窄就成为金属了,反之则成为绝缘体。半导体的反向耐压,正向压降都和禁带宽度有关。
【大物实验】拉伸法测弹性模量http://hi.baidu.com/%CE%D2%B5%C4%D3%EE%D6%AE%D6%E6/…
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