【摘要】本文根据我校大学物理实验室的现状，设计出电磁学组合实验仪，能够完成RC、RL、RLC串联电路的谐振及暂态特性、交流电桥等学生实验，能够进行电阻、电容、电感等物理量的测量。不仅给学生的学习以更大的选择空间，而且可以增强学生的综合实验和创新实验能力。
【关键词】组合实验仪；暂态；谐振；交流电桥
1.引言
电磁学是大学物理重要的组成部分，实验是学习电磁学的重要手段和兴趣来源。然而，由于实验条件的限制，在我校大学物理实验室，学生可做的电磁学实验仅有使用示波器测定电信号的基本参量、RLC串联谐振特性的研究及暂态特性的研究等项目，远远不能满足学生的学习需要。因此，我们运用学校现有的实验仪器，设计了电磁学组合实验仪器，能够完成RLC串联电路的谐振和暂态特性的研究，同时还可组合成电感电桥、电容电桥，分别进行交流电桥实验，可以实现对电阻、电感、电容值的测量。不仅提高了实验仪器的利用率，而且提高了学生的综合实验能力。
2.相关的实验原理
2.1 RLC串联电路暂态特性
RLC电路的暂态过程就是当电源接通或断开后的瞬间，电路中的电流和电压呈现非稳定的变化过程。实验研究RC串联电路、RL串联电路、LRC串联电路在暂态过程中的瞬时特性，研究与之相关联的过电压和过电流现象，对于学生进一步认识这种电路的工作机制，防止暂态过程产生损害，利用这一过渡过程获得更有用的高电压和大电流有不可替代的作用。
在电磁学实验中，往往是在RLC串联电路的暂态特性实验之前，先进行RC、RL暂态特性实验。它们实际上可以视为在RLC串联电路中、的特殊情况。
RC电路暂态过程中相应的方程（1）的解为：充电过程：，放电过程：。可见，RC串联电路中的过渡时间τ与RC有关，τ值大过渡时间长，电路电压变化缓慢。RL电路的暂态过程也可作相似的讨论。
2.2 RLC串联谐振电路特性实验原理
将简谐交流电压加在由电阻、电感、电容组成的电路，电路中的电流和电压将随着电源的频率的不同而改变。这种关系称为幅频特性。RLC串联电路如图1所示[1—2]：
RLC电路回路中电流I为：
由此可见，直流电桥实际上有两个平衡条件：一是复阻抗模的平衡，二是复阻抗幅角的平衡。只有这两个平衡条件同时被满足，交流电桥才能达到平衡。根据交流电桥的平衡原理，可连接出各种可行的电桥电路
当K断开时：
（1）将示波器连接在1、2位置，和调节适当，可以完成RLC串联谐振特性的研究；
（2）将示波器连接在2、3位置，调节，可以完成RC串联电路暂态特性的研究；
（3）将示波器连接在2、4位置，调节，可以完成RL串联电路暂态特性的研究；
（4）将示波器连接在2、3位置，和调节适当，可以完成RLC串联电路暂态特性的研究。
当K连接6或7时，都构成交流电桥电路，可以完成交流电桥实验，也可以完成对电阻进行的测量。
当K连接6时，构成交流电桥电路：
将示波器连接在2、5位置，调节，可以完成电阻、电感值的测量。
当K连接7时，构成交流电桥电路：
将示波器连接在2、5位置，调节，可以完成电阻、电容值的测量。
根据以上设计出的电路，我们进行了实际接线和操作，图8为实物接线图。
4.组合实验仪完成实验的情况
按照以上设计电路，我们进行了实际接线和操作，完成了RC、RL、RLC串联电路的谐振特性研究、暂态特性研究、交流电桥实验、电感、电容值的测量等学校规定的几个学生必做实验，取得了理想的实验结果。
4.1 RLC串联电路的暂态特性
按图7连线。K断开，将示波器连接在2、3位置，调节，实现RC串联电路的暂态特性的实验研究。选择电容，调节函数发生器使其输出方波信号，选择信号频率为f=500Hz，输出电压5V，的电阻值分别调整为1K、10K、100K，测得电容两端电压，观察并记录示波器显示的波形。
K断开，将示波器连接在2、4位置，调节，实现RL串联电路的暂态特性的实验研究。选择电容，调节函数发生器使其输出方波信号、信号频率为f=500Hz，输出电压5V，的电阻值分别调整为100、500、2K，测量电容两端电压，观察并记录示波器显示的波形。
K断开，将示波器连接在2、3位置，取，，实现RLC串联电路的暂态特性的实验研究。调节函数发生器使其输出方波信号、信号频率为f=500Hz，输出电压5V，测量电容两端电压，调节从500开始逐渐增大，观察并记录各种波形。可以得到欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种不同的状态。
4.2 RLC串联电路的谐振特性
按图7连线，K断开，将示波器连接在1、2位置，选择，，，电源电压峰峰值为2V，实现RLC串联电路的谐振特性的实验研究。调节信号发生器频率，使测量范围从估算中心频率向两侧，每隔50Hz测一次电压值，在谐振点附近应多测几个点，记录数据要求40组以上，可以得到较理想的幅频特性曲线。
4.3 交流电桥及相关测量实验
按图7连线。开关K打到6，构成交流电桥电路。将示波器连接在2、5位置，调节，构成电感电桥。
开关K打到7，也可以构成交流电桥电路，仍将示波器连接在2、5位置，调节，构成电容电桥。
以上两种电桥除了可以完成交流电桥实验，进行电阻测量外，还可以分别完成电感、电容的精确测量。
5.结语
同时，由于交流电桥可以通过测量电阻、电容、电感达到测量电阻率、电导率、介电常数、磁导率等物理量的测量，所以，我们设计的电磁学组合仪器除了本论文中提到的实验，还可以拓展到多个与以上物理量相关的多个学生实验，不仅可以增加实验的数量和质量，对于培养学生的综合实验能力、发散思维能力和创新能力都具有重要的意义。
参考文献
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[4]李蓉.基础物理实验[M].北京：北京师范大学出版社，2008：286—298.
资助项目：山东省教育科学“十二五”规划课题（2011JG442）；德州学院实验技术研究项目（SYJS—A11016）；德州学院教研项目（JGLX—B1104）。
作者简介：邹艳（1964—），女，山东平原人，硕士，教授，现供职于德州学院物理系，主要从事物理教学和量子信息学研究工作。
