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6.4m，0.4m。

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6.4m和0.4m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：

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：

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：

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：

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。