張俊玲

(中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)學(xué)院，河北廊坊 065000)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是高等院校理工科專(zhuān)業(yè)的一門(mén)基礎(chǔ)課程，此課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生一些故障，實(shí)驗(yàn)裝置或電路喪失設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定職能使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象不正確，甚至無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。發(fā)生故障后，必須分析故障原因，查出故障部位或故障點(diǎn)并排除，才能繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。發(fā)生故障的原因既有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)器件自身問(wèn)題等方面的客觀因素，也有實(shí)驗(yàn)者(學(xué)生)的主觀因素，特別是常識(shí)性和技術(shù)性操作錯(cuò)誤是造成實(shí)驗(yàn)故障的直接原因。本文根據(jù)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐，分析大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)常見(jiàn)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(shí)驗(yàn)中常見(jiàn)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(shí)驗(yàn)方法不正確、操作失誤、調(diào)試不到位等。

首先，實(shí)驗(yàn)裝置安裝或電路連接錯(cuò)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(shí)驗(yàn)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(méi)有足夠的調(diào)整量，使用時(shí)無(wú)法正確調(diào)整，誤以為其它部件問(wèn)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(cè)試過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)儀表的讀數(shù)不穩(wěn)定，數(shù)值變化范圍較大，測(cè)試存在問(wèn)題，對(duì)此學(xué)生往往無(wú)所適從。

其次，測(cè)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(jí)選擇不對(duì)造成波形異?；驘o(wú)波形。再比如，牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)中，鈉光燈點(diǎn)燃后中途熄滅，應(yīng)稍等數(shù)分鐘方能重新點(diǎn)燃，否則不能點(diǎn)燃(因?yàn)殁c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(shí)驗(yàn)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(jí)越高，對(duì)操作和實(shí)驗(yàn)條件的要求也越高，如果選用不當(dāng)［2］，可能無(wú)法順利完成實(shí)驗(yàn)，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(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)以及直接觸摸元器件作為檢查手段來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，尋找和分析故障。首先檢查實(shí)驗(yàn)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(wú)錯(cuò)接、接反、短路，印刷板有無(wú)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(wú)發(fā)燙，冒煙，變壓器有無(wú)焦味等。

例如，對(duì)分劃板調(diào)焦時(shí)或?qū)y(cè)站點(diǎn)調(diào)焦時(shí)有轉(zhuǎn)動(dòng)不靈活，出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)困難，視場(chǎng)內(nèi)十字絲有晃動(dòng)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(rùn)滑脂干涸、灰塵等雜質(zhì)侵入或固緊螺釘松動(dòng)造成的。排除方法，先用煤油簡(jiǎn)單清洗調(diào)焦螺紋，再用汽油浸泡一段時(shí)間后進(jìn)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(rùn)滑脂，最后裝配好，旋緊固緊螺釘，使調(diào)焦平滑舒適、無(wú)過(guò)緊過(guò)松和晃動(dòng)現(xiàn)象即可［3］。

2．2 原理分析法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，通過(guò)追蹤與故障相關(guān)聯(lián)的信號(hào)，進(jìn)行分析判斷，找出故障點(diǎn)，并查出故障原因。使用本方法要求實(shí)驗(yàn)者對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(cè)試［4］。

例如，在電位差計(jì)的使用實(shí)驗(yàn)(見(jiàn)圖1)中［5］，檢流計(jì)指針始終偏向一邊。經(jīng)檢查元器件，電路等都無(wú)誤。根據(jù)理論分析，只有當(dāng)電阻絲上的電壓降與被測(cè)的電動(dòng)勢(shì)得到補(bǔ)償時(shí)，指針才能指零。此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)電源電壓E或滑線變阻器R的阻值，來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)電阻絲上的電流大小，使電阻絲上的電壓降與被測(cè)的電動(dòng)勢(shì)得到補(bǔ)償。

圖1 電位差計(jì)測(cè)電動(dòng)勢(shì)原理圖

2．3 操作自檢法

這種方法主要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的操作進(jìn)行檢查，檢查電路是否連接正確，同時(shí)對(duì)照儀器使用說(shuō)明書(shū)，檢查儀器操作是否正確［6］。

在邁克耳遜干涉儀實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，其干涉條紋呈現(xiàn)如圖3(b)所示，上下左右對(duì)稱(chēng)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(dòng)，出現(xiàn)長(zhǎng)軸在水平方向的橢圓條紋(圖3(a))，向相反方向移動(dòng)反射鏡時(shí)，雙曲線形狀的條紋逐漸變?yōu)殚L(zhǎng)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?yàn)閷?shí)驗(yàn)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(yuǎn)向近移動(dòng)M1鏡時(shí)的干涉條紋的變化

2．4 參數(shù)觀測(cè)法(靜態(tài)和動(dòng)態(tài))

參數(shù)觀測(cè)法是指利用測(cè)試儀器(萬(wàn)用表或示波器)測(cè)量或觀察測(cè)量電路的工作電壓、電流、某一點(diǎn)的電阻或各個(gè)元器件參數(shù)以及波形。有的電路圖中標(biāo)出關(guān)鍵點(diǎn)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(duì)電路進(jìn)行觀測(cè)(觀察或測(cè)量)，來(lái)判斷故障點(diǎn)。

例如，要檢查晶體管放大器，可以測(cè)量它的基-射極電壓。如果放大器工作于放大狀態(tài)，對(duì)于PNP型三極管，基-射極間的電壓應(yīng)在-0．2V左右;對(duì)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(cè)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(jì)算或正常波形參數(shù)對(duì)照，如有出入，說(shuō)明有故障，便可找出具體原因［9］。在惠斯頓電橋?qū)嶒?yàn)中，檢流計(jì)指針不偏轉(zhuǎn)(排除檢流計(jì)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(wàn)用表檢查電源有無(wú)輸出，然后再接通回路，檢查電源與橋臂的兩個(gè)連接點(diǎn)之間有無(wú)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(diǎn)。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(shuō)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(wú)故障儀器設(shè)備上，如有故障了，說(shuō)明該儀器或元器件、系統(tǒng)或單元確實(shí)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(shí)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(cè)試該電路時(shí)(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(shí)換用其他型號(hào)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(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)時(shí)，完全不出現(xiàn)故障幾乎是不可能的。而對(duì)于產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)故障，如不采取有效措施排除，不僅實(shí)驗(yàn)任務(wù)無(wú)法完成，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成儀器設(shè)備的損壞。因此，要認(rèn)真對(duì)待實(shí)驗(yàn)中的故障，深入分析其產(chǎn)生的原因，并運(yùn)用所學(xué)知識(shí)去解釋實(shí)驗(yàn)中的故障，采取有效措施排除故障。同時(shí)，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(duì)于簡(jiǎn)單的故障或許用一種方法即可查找出故障點(diǎn)，但對(duì)于較復(fù)雜的故障則需采用多種方法，并互相補(bǔ)充、互相配合，最后才能找出故障點(diǎn)。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(lái)排除儀器、元器件、系統(tǒng)或單元的故障;最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理分析，采用原理分析法、操作自檢法、參數(shù)觀測(cè)法做進(jìn)一步的排除。

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