大學(xué)物理實驗常見故障排除方法

張俊玲

(中國人民武裝警察部隊學(xué)院，河北廊坊 065000)

大學(xué)物理實驗是高等院校理工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課程，此課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力。在大學(xué)物理實驗過程中經(jīng)常會發(fā)生一些故障，實驗裝置或電路喪失設(shè)計時所規(guī)定職能使實驗數(shù)據(jù)或?qū)嶒灛F(xiàn)象不正確，甚至無法進行實驗。發(fā)生故障后，必須分析故障原因，查出故障部位或故障點并排除，才能繼續(xù)進行實驗。發(fā)生故障的原因既有實驗設(shè)備和實驗器件自身問題等方面的客觀因素，也有實驗者(學(xué)生)的主觀因素，特別是常識性和技術(shù)性操作錯誤是造成實驗故障的直接原因。本文根據(jù)大學(xué)物理實驗教學(xué)實踐，分析大學(xué)物理實驗常見故障的原因，提出排除故障的方法。

1 故障的原因

大學(xué)物理實驗中常見故障的原因除了有儀器設(shè)備損壞以外，更重要的原因有:實驗方法不正確、操作失誤、調(diào)試不到位等。

首先，實驗裝置安裝或電路連接錯誤是產(chǎn)生故障的主要原因。正確的安裝儀器設(shè)備或正確連接電路是保證儀器設(shè)備安全、保證順利完成實驗的前提條件。比如邁克爾遜干涉儀在使用前，應(yīng)將調(diào)整螺釘處于松緊合適的狀態(tài)。如果沒有足夠的調(diào)整量，使用時無法正確調(diào)整，誤以為其它部件問題;再比如，電路連接不正確或接觸不良，導(dǎo)線或元器件引腳短路或斷路，元器件、導(dǎo)線引腳相碰等，在測試過程中會發(fā)現(xiàn)儀表的讀數(shù)不穩(wěn)定，數(shù)值變化范圍較大，測試存在問題，對此學(xué)生往往無所適從。

其次，測試方法或儀器使用操作不當(dāng)、調(diào)試不正確是產(chǎn)生故障的另一主要原因。比如，示波器旋鈕檔級選擇不對造成波形異?；驘o波形。再比如，牛頓環(huán)實驗中，鈉光燈點燃后中途熄滅，應(yīng)稍等數(shù)分鐘方能重新點燃，否則不能點燃(因為鈉蒸氣壓太高，平均自由程太短)［1］。

最后，各儀器(元器件)間是否匹配或儀器的性能指標(biāo)是否合乎實驗的要求是產(chǎn)生故障的重要因素。比如，儀器的準(zhǔn)確度等級越高，對操作和實驗條件的要求也越高，如果選用不當(dāng)［2］，可能無法順利完成實驗，即產(chǎn)生故障。

2 排除故障的方法

2．1 直觀觀察法

直接觀察法是指不借助任何儀器設(shè)備，而只憑人的視覺、聽覺、嗅覺以及直接觸摸元器件作為檢查手段來發(fā)現(xiàn)問題，尋找和分析故障。首先檢查實驗裝置安裝是否正確，各部件調(diào)整的狀態(tài)是否符合要求;通電前主要檢查元器件引腳有無錯接、接反、短路，印刷板有無斷線等;通電后主要觀察直流穩(wěn)壓電源上的電流指示值是否超出電路額定值，元器件有無發(fā)燙，冒煙，變壓器有無焦味等。

例如，對分劃板調(diào)焦時或?qū)y站點調(diào)焦時有轉(zhuǎn)動不靈活，出現(xiàn)轉(zhuǎn)動困難，視場內(nèi)十字絲有晃動等現(xiàn)象。此原因是調(diào)焦螺旋和螺母螺紋部分的高粘度潤滑脂干涸、灰塵等雜質(zhì)侵入或固緊螺釘松動造成的。排除方法，先用煤油簡單清洗調(diào)焦螺紋，再用汽油浸泡一段時間后進行徹底清洗，待雜質(zhì)被徹底清除后，存放在清潔的容器里;待汽油揮發(fā)完，涂上高粘度潤滑脂，最后裝配好，旋緊固緊螺釘，使調(diào)焦平滑舒適、無過緊過松和晃動現(xiàn)象即可［3］。

2．2 原理分析法

根據(jù)實驗原理，通過追蹤與故障相關(guān)聯(lián)的信號，進行分析判斷，找出故障點，并查出故障原因。使用本方法要求實驗者對整個實驗原理或儀器的工作原理有清楚的高度理解的基礎(chǔ)上，有目的去調(diào)整或測試［4］。

例如，在電位差計的使用實驗(見圖1)中［5］，檢流計指針始終偏向一邊。經(jīng)檢查元器件，電路等都無誤。根據(jù)理論分析，只有當(dāng)電阻絲上的電壓降與被測的電動勢得到補償時，指針才能指零。此時應(yīng)調(diào)節(jié)電源電壓E或滑線變阻器R的阻值，來調(diào)節(jié)通過電阻絲上的電流大小，使電阻絲上的電壓降與被測的電動勢得到補償。

圖1 電位差計測電動勢原理圖

2．3 操作自檢法

這種方法主要對實驗過程中的操作進行檢查，檢查電路是否連接正確，同時對照儀器使用說明書，檢查儀器操作是否正確［6］。

在邁克耳遜干涉儀實驗中發(fā)現(xiàn)，其干涉條紋呈現(xiàn)如圖3(b)所示，上下左右對稱的雙曲線形狀，并且隨著反射鏡M1(圖2所示)的移近，水平方向的雙曲線形狀的條紋從中心吞入，而垂直方向的雙曲線條紋從中心冒出，繼續(xù)移動，出現(xiàn)長軸在水平方向的橢圓條紋(圖3(a))，向相反方向移動反射鏡時，雙曲線形狀的條紋逐漸變?yōu)殚L軸在垂直方向的橢圓條紋(圖3(c))［7］，這些現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為實驗故障，最后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，此干涉儀的半反半透分光板被前后倒置［8］，從而排除故障。

圖2 分光板被前后倒置后x-y平面的等效光路圖

圖3 分光板被前后倒置后由遠向近移動M1鏡時的干涉條紋的變化

2．4 參數(shù)觀測法(靜態(tài)和動態(tài))

參數(shù)觀測法是指利用測試儀器(萬用表或示波器)測量或觀察測量電路的工作電壓、電流、某一點的電阻或各個元器件參數(shù)以及波形。有的電路圖中標(biāo)出關(guān)鍵點的工作電壓、電流值或波形，有的可以根據(jù)電路圖，能判斷或估算出電路的參數(shù)。根據(jù)這些參數(shù)對電路進行觀測(觀察或測量)，來判斷故障點。

例如，要檢查晶體管放大器，可以測量它的基-射極電壓。如果放大器工作于放大狀態(tài)，對于PNP型三極管，基-射極間的電壓應(yīng)在-0．2V左右;對于NPN三極管，基-射極間的電壓應(yīng)在0．7V左右。利用示波器測量電路中的各參數(shù)(如幅度、周期、前沿、后沿等)，將其與理論計算或正常波形參數(shù)對照，如有出入，說明有故障，便可找出具體原因［9］。在惠斯頓電橋?qū)嶒炛校瑱z流計指針不偏轉(zhuǎn)(排除檢流計損壞的可能性)，其原因可能是電源回路不通，或者是橋支路不通，排除故障的方法是:先用萬用表檢查電源有無輸出，然后再接通回路，檢查電源與橋臂的兩個連接點之間有無電壓［10］。

2．5 等效替換法

等效替換法是指用功能正常的儀器或元器件、系統(tǒng)或單元去代替電路中有故障的或疑似有故障的功能相同(或相似)的儀器或元器件、系統(tǒng)或單元［11］。從而可縮小故障范圍，以便快速、準(zhǔn)確地找出故障點。方法是用工作正常的儀器或元器件、系統(tǒng)或單元替換被懷疑有故障的儀器或元器件、系統(tǒng)或單元，替換后，如果故障消除了，說明被替換的有故障;另外，也可將被懷疑有故障的儀器或元器件、系統(tǒng)或單元換到無故障儀器設(shè)備上，如有故障了，說明該儀器或元器件、系統(tǒng)或單元確實有故障。

圖4 555構(gòu)成的多諧振蕩

例如，如圖4所示為集成定時器555構(gòu)成的多諧振蕩器，供電電源為WYJ30V2A型雙路直流穩(wěn)壓電源(上海銀飛電器總廠)，學(xué)生在測試該電路時(用面包板)，發(fā)現(xiàn)接通電源，芯片溫度急劇升高，大約5 s冒煙燒毀。這時換用其他型號的直流穩(wěn)壓電流(電路參數(shù)不同)，結(jié)果恢復(fù)正常［12］。

3 結(jié)論

在進行物理實驗時，完全不出現(xiàn)故障幾乎是不可能的。而對于產(chǎn)生的實驗故障，如不采取有效措施排除，不僅實驗任務(wù)無法完成，嚴(yán)重時還會造成儀器設(shè)備的損壞。因此，要認(rèn)真對待實驗中的故障，深入分析其產(chǎn)生的原因，并運用所學(xué)知識去解釋實驗中的故障，采取有效措施排除故障。同時，排除故障的方法并不是唯一的，而是多種多樣的，上面僅列舉了幾種常用的方法。這些方法的使用可根據(jù)設(shè)備條件、故障情況靈活掌握，對于簡單的故障或許用一種方法即可查找出故障點，但對于較復(fù)雜的故障則需采用多種方法，并互相補充、互相配合，最后才能找出故障點。在一般情況下，排除故障的常規(guī)組合方法是:首先采用直接觀察法，排除明顯的故障;然后用等效替換法替換疑似故障的儀器、元器件、系統(tǒng)或單元，來排除儀器、元器件、系統(tǒng)或單元的故障;最后根據(jù)實驗原理分析，采用原理分析法、操作自檢法、參數(shù)觀測法做進一步的排除。

［1］ 鐘鼎．大學(xué)物理實驗［M］．天津:天津大學(xué)出版社，2007．

［2］ 吳桂璽．物理實驗［M］．成都:電子科技大學(xué)出版社，2006:220

［3］ 郭志和．光學(xué)對中器的檢驗、校正與故障排除方法［J］．計量與測試技術(shù)，2011，38(12):50．

［4］ 朱基珍．大學(xué)物理實驗［M］．武漢:華中科技大學(xué)出版社，2010．

［5］ 張捷民，劉漢臣．大學(xué)物理實驗［M］．北京:科學(xué)出版社，2007．

［6］ 金雪塵，宋紅燕．大學(xué)物理實驗［M］．南京:南京大學(xué)出版社，2009．1

［7］ 趙曉紅，楊江萍，李麗娟．邁克耳孫干涉儀異?，F(xiàn)象研究［J］．物理與工程，2003，13(4):27-29．

［8］ 吳平．理科物理實驗教程［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2010．

［9］ 邢南亮．?dāng)?shù)字電路實驗故障成因及排除方法［J］．廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2007，5(1):57．

［10］王鋒．大學(xué)物理實驗［M］．合肥:中國科技大學(xué)出版社，2009．

［11］李欣茂，黃家敏，陳飛勝．電工技術(shù)實驗裝置常見故障維修［J］．實驗室研究與探索，2012，31(4):241．

［12］周勝海，馬澤輝．電子電路實驗中的若干異?，F(xiàn)象研究［J］．信陽師范學(xué)院學(xué)報，2004，17(2):226-227．