应用物理综合性设计性实验大型训练报告.doc

《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、 综合性实验项目 135、 能量转换-发电机装置 136、 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I<0，电流随着时间的增加逐渐增大，随着温差的减小而趋于02、在电路的U-t曲线中，在开关处于热泵模式时温差片两端电压U>0，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03、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1Hz4、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1Hz4、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。