大学物理实验常见故障排除方法

张俊玲

(中国人民武装警察部队学院，河北廊坊 065000)

大学物理实验是高等院校理工科专业的一门基础课程，此课程旨在培养学生的发现问题、分析问题和解决问题的能力。在大学物理实验过程中经常会发生一些故障，实验装置或电路丧失设计时所规定职能使实验数据或实验现象不正确，甚至无法进行实验。发生故障后，必须分析故障原因，查出故障部位或故障点并排除，才能继续进行实验。发生故障的原因既有实验设备和实验器件自身问题等方面的客观因素，也有实验者(学生)的主观因素，特别是常识性和技术性操作错误是造成实验故障的直接原因。本文根据大学物理实验教学实践，分析大学物理实验常见故障的原因，提出排除故障的方法。

1 故障的原因

大学物理实验中常见故障的原因除了有仪器设备损坏以外，更重要的原因有:实验方法不正确、操作失误、调试不到位等。

首先，实验装置安装或电路连接错误是产生故障的主要原因。正确的安装仪器设备或正确连接电路是保证仪器设备安全、保证顺利完成实验的前提条件。比如迈克尔逊干涉仪在使用前，应将调整螺钉处于松紧合适的状态。如果没有足够的调整量，使用时无法正确调整，误以为其它部件问题;再比如，电路连接不正确或接触不良，导线或元器件引脚短路或断路，元器件、导线引脚相碰等，在测试过程中会发现仪表的读数不稳定，数值变化范围较大，测试存在问题，对此学生往往无所适从。

其次，测试方法或仪器使用操作不当、调试不正确是产生故障的另一主要原因。比如，示波器旋钮档级选择不对造成波形异常或无波形。再比如，牛顿环实验中，钠光灯点燃后中途熄灭，应稍等数分钟方能重新点燃，否则不能点燃(因为钠蒸气压太高，平均自由程太短)［1］。

最后，各仪器(元器件)间是否匹配或仪器的性能指标是否合乎实验的要求是产生故障的重要因素。比如，仪器的准确度等级越高，对操作和实验条件的要求也越高，如果选用不当［2］，可能无法顺利完成实验，即产生故障。

2 排除故障的方法

2．1 直观观察法

直接观察法是指不借助任何仪器设备，而只凭人的视觉、听觉、嗅觉以及直接触摸元器件作为检查手段来发现问题，寻找和分析故障。首先检查实验装置安装是否正确，各部件调整的状态是否符合要求;通电前主要检查元器件引脚有无错接、接反、短路，印刷板有无断线等;通电后主要观察直流稳压电源上的电流指示值是否超出电路额定值，元器件有无发烫，冒烟，变压器有无焦味等。

例如，对分划板调焦时或对测站点调焦时有转动不灵活，出现转动困难，视场内十字丝有晃动等现象。此原因是调焦螺旋和螺母螺纹部分的高粘度润滑脂干涸、灰尘等杂质侵入或固紧螺钉松动造成的。排除方法，先用煤油简单清洗调焦螺纹，再用汽油浸泡一段时间后进行彻底清洗，待杂质被彻底清除后，存放在清洁的容器里;待汽油挥发完，涂上高粘度润滑脂，最后装配好，旋紧固紧螺钉，使调焦平滑舒适、无过紧过松和晃动现象即可［3］。

2．2 原理分析法

根据实验原理，通过追踪与故障相关联的信号，进行分析判断，找出故障点，并查出故障原因。使用本方法要求实验者对整个实验原理或仪器的工作原理有清楚的高度理解的基础上，有目的去调整或测试［4］。

例如，在电位差计的使用实验(见图1)中［5］，检流计指针始终偏向一边。经检查元器件，电路等都无误。根据理论分析，只有当电阻丝上的电压降与被测的电动势得到补偿时，指针才能指零。此时应调节电源电压E或滑线变阻器R的阻值，来调节通过电阻丝上的电流大小，使电阻丝上的电压降与被测的电动势得到补偿。

图1 电位差计测电动势原理图

2．3 操作自检法

这种方法主要对实验过程中的操作进行检查，检查电路是否连接正确，同时对照仪器使用说明书，检查仪器操作是否正确［6］。

在迈克耳逊干涉仪实验中发现，其干涉条纹呈现如图3(b)所示，上下左右对称的双曲线形状，并且随着反射镜M1(图2所示)的移近，水平方向的双曲线形状的条纹从中心吞入，而垂直方向的双曲线条纹从中心冒出，继续移动，出现长轴在水平方向的椭圆条纹(图3(a))，向相反方向移动反射镜时，双曲线形状的条纹逐渐变为长轴在垂直方向的椭圆条纹(图3(c))［7］，这些现象的出现是因为实验故障，最后经检查发现，此干涉仪的半反半透分光板被前后倒置［8］，从而排除故障。

图2 分光板被前后倒置后x-y平面的等效光路图

图3 分光板被前后倒置后由远向近移动M1镜时的干涉条纹的变化

2．4 参数观测法(静态和动态)

参数观测法是指利用测试仪器(万用表或示波器)测量或观察测量电路的工作电压、电流、某一点的电阻或各个元器件参数以及波形。有的电路图中标出关键点的工作电压、电流值或波形，有的可以根据电路图，能判断或估算出电路的参数。根据这些参数对电路进行观测(观察或测量)，来判断故障点。

例如，要检查晶体管放大器，可以测量它的基-射极电压。如果放大器工作于放大状态，对于PNP型三极管，基-射极间的电压应在-0．2V左右;对于NPN三极管，基-射极间的电压应在0．7V左右。利用示波器测量电路中的各参数(如幅度、周期、前沿、后沿等)，将其与理论计算或正常波形参数对照，如有出入，说明有故障，便可找出具体原因［9］。在惠斯顿电桥实验中，检流计指针不偏转(排除检流计损坏的可能性)，其原因可能是电源回路不通，或者是桥支路不通，排除故障的方法是:先用万用表检查电源有无输出，然后再接通回路，检查电源与桥臂的两个连接点之间有无电压［10］。

2．5 等效替换法

等效替换法是指用功能正常的仪器或元器件、系统或单元去代替电路中有故障的或疑似有故障的功能相同(或相似)的仪器或元器件、系统或单元［11］。从而可缩小故障范围，以便快速、准确地找出故障点。方法是用工作正常的仪器或元器件、系统或单元替换被怀疑有故障的仪器或元器件、系统或单元，替换后，如果故障消除了，说明被替换的有故障;另外，也可将被怀疑有故障的仪器或元器件、系统或单元换到无故障仪器设备上，如有故障了，说明该仪器或元器件、系统或单元确实有故障。

图4 555构成的多谐振荡

例如，如图4所示为集成定时器555构成的多谐振荡器，供电电源为WYJ30V2A型双路直流稳压电源(上海银飞电器总厂)，学生在测试该电路时(用面包板)，发现接通电源，芯片温度急剧升高，大约5 s冒烟烧毁。这时换用其他型号的直流稳压电流(电路参数不同)，结果恢复正常［12］。

3 结论

在进行物理实验时，完全不出现故障几乎是不可能的。而对于产生的实验故障，如不采取有效措施排除，不仅实验任务无法完成，严重时还会造成仪器设备的损坏。因此，要认真对待实验中的故障，深入分析其产生的原因，并运用所学知识去解释实验中的故障，采取有效措施排除故障。同时，排除故障的方法并不是唯一的，而是多种多样的，上面仅列举了几种常用的方法。这些方法的使用可根据设备条件、故障情况灵活掌握，对于简单的故障或许用一种方法即可查找出故障点，但对于较复杂的故障则需采用多种方法，并互相补充、互相配合，最后才能找出故障点。在一般情况下，排除故障的常规组合方法是:首先采用直接观察法，排除明显的故障;然后用等效替换法替换疑似故障的仪器、元器件、系统或单元，来排除仪器、元器件、系统或单元的故障;最后根据实验原理分析，采用原理分析法、操作自检法、参数观测法做进一步的排除。

［1］ 钟鼎．大学物理实验［M］．天津:天津大学出版社，2007．

［2］ 吴桂玺．物理实验［M］．成都:电子科技大学出版社，2006:220

［3］ 郭志和．光学对中器的检验、校正与故障排除方法［J］．计量与测试技术，2011，38(12):50．

［4］ 朱基珍．大学物理实验［M］．武汉:华中科技大学出版社，2010．

［5］ 张捷民，刘汉臣．大学物理实验［M］．北京:科学出版社，2007．

［6］ 金雪尘，宋红燕．大学物理实验［M］．南京:南京大学出版社，2009．1

［7］ 赵晓红，杨江萍，李丽娟．迈克耳孙干涉仪异常现象研究［J］．物理与工程，2003，13(4):27-29．

［8］ 吴平．理科物理实验教程［M］．北京:冶金工业出版社，2010．

［9］ 邢南亮．数字电路实验故障成因及排除方法［J］．广东水利电力职业技术学院学报，2007，5(1):57．

［10］王锋．大学物理实验［M］．合肥:中国科技大学出版社，2009．

［11］李欣茂，黄家敏，陈飞胜．电工技术实验装置常见故障维修［J］．实验室研究与探索，2012，31(4):241．

［12］周胜海，马泽辉．电子电路实验中的若干异常现象研究［J］．信阳师范学院学报，2004，17(2):226-227．