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关于张操老师有关问题的初步实验

已有 4703 次阅读 2016-4-29 20:45 |个人分类:科研笔记|系统分类:观点评述

2016-4-29实验情况简要说明

实验人:徐晓  敖黎铭  黄志凡

地点:徐晓的实验室

目的:复现张操老师的实验现象,并检验相关理论对应实验。

器材:泰克500MHz带宽示波器一台;信号发生器一台;1mm线径漆包线两只,分别长度为6.4m0.4m

 

1. 器材说明:

1)泰克示波器有数字处理功能,有两个通道,可以瞬态抓取图像,并有计算测量功能。信号观察可以使用20MHz带宽,150MHz带宽和全带宽即500MHz带宽。

2)信号发生器最高输出频率1.08MHz,有三个输出口,分别为输出CMOS电平(阻抗为CMOS标准阻抗,约1k欧姆)方波的输出,TTL方波(阻抗约300欧姆)的输出,和50欧姆输出阻抗的带有方波、锯齿波、和正弦波可选的输出。

2.实验设计及步骤

    张操老师和郑翊的争论焦点在于:张老师认为从6.4m0.4m两个输出铜导线输出的信号,是由似稳电场传播而得,因此,两铜线长度差与它们之间信号传递的时间差之比,就说明了似稳电场在铜线内的传播速度;郑翊认为两个铜线输出信号的时间差异,是由信号发生器的输出端及两个铜线输出端之间电磁波被端口反射,来回传播后的综合结果,因此两个铜线输出端的信号差异,可能在不同工况下出现完全不同的结果,有时会出现两个铜线之间信号完全同步,没有时间差异,有时还会出现长的线的信号比短的线的信号提前的情况。

我们认为:两者的理论都能说明相关实验现象,所以无法通过他们进行过的相关实验来争论谁对谁错。同时,我们意识到:如果另外使用一个信号输出端口,出了接地以外,和第一个信号端口完全独立,那么测量比较两个不同的信号输出端的结果,就可以作出判决。如果张老师的理论成立,那么加入长线后,我们在长线的信号输入一端来测量信号,并与另一信号输出端比较,应该几乎跟不加长线没有区别;反之,如果郑翊的理论成立,则我们测量的结果,应该是长线末端信号反射回来与输入端信号的叠加,这样信号比之另一通道将会有一个相对延迟,而且这个时间延迟应该接近(导线长度/光速)

因此,我们设计步骤如下(在一下步骤中,示波器探头都使用1M欧姆阻抗):

1)选用TTL口的方波输出和50欧姆阻抗口的方波输出,利用示波器测量其相对延时,如下图:

1. 输出口相对延时的校定

2)加入6.4m长导线于50欧姆口和通道2测量探针之间,以测量相对延时,以便探查加入导线后,是否影响TTL口与50欧姆口的独立性。如下图:

2 输出口独立性检查

3)在步骤2的基础上,将通道2的探针移至长线的信号发生器输出口一端,再测量相对延时。如下图:

 

3. 判决实验

4)复现张操老师的实验,将0.4m漆包线和6.4m漆包线都加上50欧姆口输出,输出口选用正弦波,并探测先对延时。但是在复现完成后,分别同时探测6.4m漆包线两端(如下图之第2探测位)和0.4m漆包线两端(如下图之第3探测位),检查信号对输入口端信号的影响。如下图:

 

4 复现实验

3.实验结果(正式实验的时候我会上传照片):

1)在一下实验中,信号的频率都为1.076MHz(最大有正负0.003MHz的跳动)。

2)完成实验步骤1观察到:两输出口信号反向,波形有差异,彼此有约40ns的延迟;

3)完成实验步骤2观察到:加入6.4m漆包线后,在漆包线末端测量信号比之TTL口信号波形有变化,但是可以较清楚看到60ns多一点的延迟,扣除原有的40ns延迟,那么20ns多一点的延时,考虑到信号的变形,可以认为延迟有30ns,应是6.4m线带来的信号延迟(一般电场在铜导线内传播速度为0.7倍真空光速),说明TTL口信号的独立性基本不受影响。

4)完成实验步骤3观察到:6.4m漆包线信号输入端比之TTL口也有60ns多一点的延迟,几乎与6.4m漆包线另一端的情况一样。考虑到此时6.4m漆包线另一端悬空,相当于接了一个大阻值电阻,这和接1M欧电阻的情况应该差别不大,那么,整个实验结果更靠近郑翊的解释,而不是张操老师的解释。

5)完成实验步骤4观察到:通过统计,无论在0.4m漆包线还是6.4m的各个接线端,都没有相位差,无法复现张老师的实验。但是,这个结果是接近郑翊的解释的。

4. 结论与讨论

 整个实验表明,面对新的实验现象,郑翊的解释有说服力,即导线内的各端口电位,是一个电磁波来回传递而产生的综合性结果,而不是张操老师认为的似稳电场逐步传递的结果。但是,使用郑翊用传输线理论来解释相关实验现象,依然是有疑问的:如果是波在端面来回反射,那么整个信号延迟至少应该是60ns,即要考虑波的来回走了12.8m,才能有明确的现象。但是我们的实验并不支持这一60ns的明确延迟。也许,一个合理的解释应该是波一边往前传输,一边向后反射:这也是似稳电场的理论支持的结论。

另外,我们还没有找到较高频率的信号发生器,部分复现实验还没有进行。这些工作,留待节后完成。




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