大學物理實驗第二期

1、 綜合專題實驗與綜合專題實驗與 設計性實驗設計性實驗 n 什么是綜合專題實驗什么是綜合專題實驗 由幾個內(nèi)容相關的獨立實驗組合而成的系列實驗由幾個內(nèi)容相關的獨立實驗組合而成的系列實驗同一個物理量用不同的方法研究：如光源光譜；同一個物理量用不同的方法研究：如光源光譜；同一個物理現(xiàn)象的各種表現(xiàn)：如波的衍射；同一個物理現(xiàn)象的各種表現(xiàn)：如波的衍射；較復雜的實驗分多次進行：如超聲波原理及應用；較復雜的實驗分多次進行：如超聲波原理及應用； 光纖專題；光纖專題；用同一個儀器研究不同的物理現(xiàn)象：如邁克耳孫用同一個儀器研究不同的物理現(xiàn)象：如邁克耳孫干涉儀系列實驗干涉儀系列實驗 等等等等 n為什么要進行綜合專題實驗

2、為什么要進行綜合專題實驗 綜合實驗技能的訓練：在一個專題中使用綜合實驗技能的訓練：在一個專題中使用多種儀器，運用多種實驗方法；多種儀器，運用多種實驗方法； 對實驗結果進行歸納、綜合、分析能力的對實驗結果進行歸納、綜合、分析能力的訓練；訓練； 多角度、全方位、深入地對物理本質進行多角度、全方位、深入地對物理本質進行探討。探討。 綜合性專題實驗綜合性專題實驗超聲超聲電子電子波動波動光譜光譜原子核原子核光電子基礎光電子基礎培養(yǎng)實驗培養(yǎng)實驗綜合能力綜合能力磁共振磁共振激光激光光纖光纖1. 1. 棱鏡光譜與光柵衍射法測定光源光譜；棱鏡光譜與光柵衍射法測定光源光譜；2. 2. 小型棱鏡攝譜儀測氫原子光譜；

3、小型棱鏡攝譜儀測氫原子光譜；3. 3. 光柵光譜儀。光柵光譜儀。1. 1. 超聲波的產(chǎn)生與傳播；超聲波的產(chǎn)生與傳播；2. 2. 固體彈性常數(shù)的測量；固體彈性常數(shù)的測量；3. 3. 超聲波探測與成像基本原理。超聲波探測與成像基本原理。1.1.用密立根油滴儀測量電子電量；用密立根油滴儀測量電子電量；2.2.金屬逸出功的測定；金屬逸出功的測定；3.3.電子在電場、磁場中的運動及電子比荷的測定。電子在電場、磁場中的運動及電子比荷的測定。 q三個實驗同時預習，三個實驗同時預習，上課時到實驗室現(xiàn)場上課時到實驗室現(xiàn)場安排做實驗的順序。安排做實驗的順序。q第一次課帶本專題第一次課帶本專題三個實驗三個實驗的預習

4、報告，的預習報告，全部交給老師檢查。全部交給老師檢查。無預習報告不能做實無預習報告不能做實驗驗。q每次實驗完成后數(shù)據(jù)交教師簽字。每次實驗完成后數(shù)據(jù)交教師簽字。q最后一個實驗完成后，次周內(nèi)交三個實驗最后一個實驗完成后，次周內(nèi)交三個實驗報告及小論文（結合專題撰寫科技論文，報告及小論文（結合專題撰寫科技論文，而不是對實驗內(nèi)容的簡單復述。論文不少而不是對實驗內(nèi)容的簡單復述。論文不少于于1500字，字，嚴禁抄襲嚴禁抄襲）。）。專題實驗教學一般要求找共性、找差異、找聯(lián)系找共性、找差異、找聯(lián)系怎樣綜合？怎樣綜合？小論文：小論文： 題目題目 背景背景 理論理論 實驗方法實驗方法 總結現(xiàn)象和結果總結現(xiàn)象和結果

5、擴展：方法、應用領域、內(nèi)容擴展：方法、應用領域、內(nèi)容 不足與建議（關于內(nèi)容、方法方面）不足與建議（關于內(nèi)容、方法方面） 科技小論文的形式和內(nèi)容是開放科技小論文的形式和內(nèi)容是開放性的，學生可以從各自不同的角度來性的，學生可以從各自不同的角度來綜合表述實驗的內(nèi)容和結果，并展開綜合表述實驗的內(nèi)容和結果，并展開討論。討論。小論文格式示例小論文格式示例n（標題）（標題） n專業(yè)專業(yè) 姓名姓名 學號學號n（論文）摘要：（論文）摘要：n關鍵詞：關鍵詞：n（正文）背景（正文）背景n（正文）論述（包括理論和實驗方法）（正文）論述（包括理論和實驗方法）n（正文）結論（總結現(xiàn)象和結果，擴展，（正文）結論（總結現(xiàn)象和

6、結果，擴展，不足與建議等）不足與建議等）n（撰寫時間）（撰寫時間）n 參考文獻參考文獻1. 光的衍射發(fā)展史；2. 用金屬逸出功測量儀做設計性擴展實驗；3. 小議光纖實驗中的信號調(diào)制方式；4. 光波衍射與變換光學概論；5. 密立根油滴實驗過程的探討；6.棱鏡折射與光柵衍射的區(qū)別與聯(lián)系； .小論文小論文9三、設計性實驗三、設計性實驗 根據(jù)給定的實驗題目、要求和實驗條件，根據(jù)給定的實驗題目、要求和實驗條件，由學生自己設計實驗方案并基本完成全過程的由學生自己設計實驗方案并基本完成全過程的實驗。實驗。什么是設計性實驗什么是設計性實驗三種類型三種類型測量型實驗：測量型實驗：對某一物理量（如電容、折射率、對

7、某一物理量（如電容、折射率、靜態(tài)磁特性的測量等）進行測定，達到設計要靜態(tài)磁特性的測量等）進行測定，達到設計要求；求； 研究型實驗：研究型實驗：用實驗確定兩物理量或多物理用實驗確定兩物理量或多物理量之間的關系（電源特性研究），并對其物理量之間的關系（電源特性研究），并對其物理原理、外界條件的影響或應用價值等進行研究；原理、外界條件的影響或應用價值等進行研究； 制作型實驗：制作型實驗：設計并組裝或制作裝置，如萬設計并組裝或制作裝置，如萬用表的組裝、全息光柵制作等。用表的組裝、全息光柵制作等。主要設計內(nèi)容包括主要設計內(nèi)容包括 1.1.建立物理模型（多種）建立物理模型（多種）; ; 2. 2.物理模型

8、比較（選擇一種或幾種）物理模型比較（選擇一種或幾種）; ; 3. 3.確定實驗方法（由相應模型確定）確定實驗方法（由相應模型確定）; ; 4. 4.選擇儀器設備（根據(jù)設計要求）選擇儀器設備（根據(jù)設計要求）; ; 5. 5.選擇最佳參數(shù)（包括實驗測量條件）選擇最佳參數(shù)（包括實驗測量條件）; ; 6. 6.制定實驗步驟（包括實驗注意事項）。制定實驗步驟（包括實驗注意事項）。 q第一次為準備實驗，要求上課前先有設計方案（不第一次為準備實驗，要求上課前先有設計方案（不只一種）和參考資料列表。（設計方案包括：物理只一種）和參考資料列表。（設計方案包括：物理模型、實驗方法、實驗儀器、參數(shù)估算、實驗步驟模型

9、、實驗方法、實驗儀器、參數(shù)估算、實驗步驟等。）等。）無設計方案不能做實驗無設計方案不能做實驗。課內(nèi)了解所需實。課內(nèi)了解所需實驗儀器性能和操作方法，進行試做，研究設計方案驗儀器性能和操作方法，進行試做，研究設計方案的可行性。的可行性。q第二次帶修改過的第二次帶修改過的“可行的設計方案可行的設計方案”，粗做實驗。，粗做實驗。q第三次精做實驗，并完成實驗數(shù)據(jù)處理，第三次精做實驗，并完成實驗數(shù)據(jù)處理，下課時當下課時當堂交原始設計方案和正式實驗報告堂交原始設計方案和正式實驗報告（報告內(nèi)應包括（報告內(nèi)應包括實驗總結或體會以及建議等）。實驗總結或體會以及建議等）。設計性實驗一般要求設計性實驗一般要求建立建立

10、物理物理模型模型確定確定實驗實驗方法方法選擇選擇實驗實驗儀器儀器選擇選擇實驗實驗參數(shù)參數(shù)實驗實驗操作操作處理處理數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)撰寫撰寫實驗實驗報告報告制定制定實驗實驗步驟步驟設計性實驗的一般程序設計性實驗的一般程序1. 建立物理模型建立物理模型例：測量重力加速度例：測量重力加速度g。 什么物理現(xiàn)象或物理過程與g有關？ 自由落體運動自由落體運動/物體在斜面上的滑動物體在斜面上的滑動/拋體拋體運動運動/單擺單擺/ 根據(jù)實驗對象的物理性質，研究與實驗對根據(jù)實驗對象的物理性質，研究與實驗對象相關的物理過程原理及過程中各物理量之象相關的物理過程原理及過程中各物理量之間的關系、推導數(shù)學公式間的關系、推導數(shù)學公式

11、 。過程中的物理量有什么關系)(221211221ttt ttstsggdtdv gtvv0tvvg0gtvdtds 02021gttvs202ttvsg2110121gttvs2220221gttvsdtdsdsdvdtdvg svvg2202vdsdv 以以“自由落體自由落體”為為例例2.物理模型比較與選擇物理模型比較與選擇測量量值估計：當測量量值估計：當S=2m=2m，t 約為約為0.60.6秒。秒。 SS1S2哪個方案合適哪個方案合適？tvvg0202ttvsg)(221211221ttt ttst sgsvvg2202s速度測量速度測量：tsv如何提高準確度如何提高準確度？v斜面上的

12、滑動斜面上的滑動sinmgf 優(yōu)點：增大時間值，優(yōu)點：增大時間值， 方便測量；方便測量；缺點：？缺點：？ 2202svvgt 所有自由落體公式均所有自由落體公式均可套用：可套用：sin sin單擺模型單擺模型LTg2)2(估計估計 L=1m，T2s。限制：小擺角限制：小擺角sin 自由落體的變形自由落體的變形絕對重力儀絕對重力儀（美國）（美國）不確定度不確定度210-8 m/s2朱棣文朱棣文原原子干涉重力儀子干涉重力儀3.3.實驗方法的確定實驗方法的確定 用什么方法、裝置實現(xiàn)物理模型，每個物理用什么方法、裝置實現(xiàn)物理模型，每個物理量怎么測量。量怎么測量。q測轉動慣量時恒力矩怎么實現(xiàn)？測轉動慣量

13、時恒力矩怎么實現(xiàn)？ f 固定，半徑固定，半徑 r 固定，則力矩固定，則力矩f r固定；固定；q 速度怎么測？速度怎么測？ 用很短時間的平均速度近似瞬時速度；用很短時間的平均速度近似瞬時速度；fMq 電源的短路電流怎么測？電源的短路電流怎么測？AEBARgA、B間壓降間壓降I 0Rg0。Rg為電表內(nèi)阻。為電表內(nèi)阻。當當I0=I時時，UAB=0，AB間相當短路。間相當短路。ARI0GEEAB0II補償法補償法4. 實驗儀器的選擇與配套實驗儀器的選擇與配套q根據(jù)量值和準確度要求選擇儀器種類；根據(jù)量值和準確度要求選擇儀器種類； 例：例： 測時間用什么儀表？測時間用什么儀表？q對待測物理量的值進行估計，

14、以選擇儀表的對待測物理量的值進行估計，以選擇儀表的 量程；量程；q按不確定度均分原則選擇儀表的準確度。按不確定度均分原則選擇儀表的準確度。用什么儀器，準確度與量程。誤差分配計算用什么儀器，準確度與量程。誤差分配計算RdRUdUPdP 2222)()(2)(REUEPE E(P)2 (1%)2=0.00014E(U)20.00005， E(U)0.35%， 選選0.2級電壓級電壓表。表。E(R)2 0.00005，E(R)0.7%，選選0.5級電橋。級電橋。q舉例：舉例：測量功率。公式測量功率。公式RUP2 RUPlnln2ln 0.0001 0.00005 0.00005用電壓表測電壓，用電橋

15、測電阻。要求不確定度用電壓表測電壓，用電橋測電阻。要求不確定度1%。5. 5. 測量條件與最佳參數(shù)的確定測量條件與最佳參數(shù)的確定實驗方法、實驗儀器選定后，選擇有利的實實驗方法、實驗儀器選定后，選擇有利的實驗條件及參數(shù)范圍，以最大限度的減小誤差。驗條件及參數(shù)范圍，以最大限度的減小誤差。如如 單擺長度的測量（擺線、小球單擺長度的測量（擺線、小球） 指針式儀表量程選擇在滿度指針式儀表量程選擇在滿度 的的2/3處處 選擇合適的測量環(huán)境：溫度、濕度、氣壓、選擇合適的測量環(huán)境：溫度、濕度、氣壓、電磁場電磁場6. 6. 擬定實驗實施方案擬定實驗實施方案1) 根據(jù)物理模型及實驗方法，畫出相應根據(jù)物理模型及實驗

16、方法，畫出相應 的實驗裝置圖或電路圖、光路圖；的實驗裝置圖或電路圖、光路圖；2) 擬定詳細的實驗步驟；擬定詳細的實驗步驟；3) 設計實驗數(shù)據(jù)表格；設計實驗數(shù)據(jù)表格；4) 實驗儀器、設備的名稱，規(guī)格，使用實驗儀器、設備的名稱，規(guī)格，使用 條件等。條件等。7. 7. 撰寫設計方案撰寫設計方案（第一次課帶的預習方案）（第一次課帶的預習方案） 實實 驗驗 題題 目目 一、實驗任務一、實驗任務 二、實驗要求二、實驗要求 三、實驗方案三、實驗方案 1、物理模型的比較、物理模型的比較 2、實驗方法的比較、實驗方法的比較 3、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析）、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析） 1）誤差公式的推

17、導）誤差公式的推導 2）儀器的選擇）儀器的選擇 4、測量條件與最佳參數(shù)的設定、測量條件與最佳參數(shù)的設定 1）測量條件）測量條件 2）測量參數(shù)）測量參數(shù) 四、實驗步驟（簡略）四、實驗步驟（簡略） 五、實驗注意事項五、實驗注意事項 六、參考文獻六、參考文獻資料搜集資料搜集 在設計過程中要查閱足夠的參考資料：在設計過程中要查閱足夠的參考資料： 例如例如: 大學物理、物理實驗教科書（不同版本）；大學物理、物理實驗教科書（不同版本）； 有關測量、傳感器方面的教材和專著；有關測量、傳感器方面的教材和專著； 儀器、儀表、器件手冊；儀器、儀表、器件手冊； 儀器說明書；儀器說明書； 國家標準、行業(yè)標準、技術規(guī)范

18、等國家標準、行業(yè)標準、技術規(guī)范等。 完成實驗設計方案后，方可到實驗室實地考查完成實驗設計方案后，方可到實驗室實地考查儀器情況并進行準備性實驗。將實驗設計方案交給儀器情況并進行準備性實驗。將實驗設計方案交給指導老師檢查。指導老師檢查。 通過第一次實驗檢查設計方案是否可行，根據(jù)通過第一次實驗檢查設計方案是否可行，根據(jù)實驗室儀器設備情況、實驗條件，進一步完善設計實驗室儀器設備情況、實驗條件，進一步完善設計方案，即可進入實測。方案，即可進入實測。 實測一般分兩次進行：粗測、精測。粗測中根實測一般分兩次進行：粗測、精測。粗測中根據(jù)測量數(shù)據(jù)檢查是否滿足實驗要求，可再次調(diào)整實據(jù)測量數(shù)據(jù)檢查是否滿足實驗要求，

19、可再次調(diào)整實驗方案，最后精測，完成實驗。驗方案，最后精測，完成實驗。8. 8. 實驗操作實驗操作9.9.數(shù)據(jù)處理及撰寫報告數(shù)據(jù)處理及撰寫報告根據(jù)最終選定的實驗方案和實際實驗過程，根據(jù)最終選定的實驗方案和實際實驗過程，完成實驗報告，實驗報告包括前述實驗方案的內(nèi)完成實驗報告，實驗報告包括前述實驗方案的內(nèi)容（實驗任務、要求、方法、步驟、注意事項、容（實驗任務、要求、方法、步驟、注意事項、參考資料等）外，還應包括以下兩項：參考資料等）外，還應包括以下兩項： 數(shù)據(jù)處理與分析數(shù)據(jù)處理與分析 實驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計算、誤差估算、誤差分析實驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)計算、誤差估算、誤差分析 實驗總結實驗總結 包括對本實驗的總結；

20、實驗中的體會、包括對本實驗的總結；實驗中的體會、 收收獲；對實驗選題的建議、意見等。獲；對實驗選題的建議、意見等。10. 10. 最后完整的報告最后完整的報告 實實 驗驗 題題 目目 一、實驗任務一、實驗任務 二、實驗要求二、實驗要求 三、實驗方案（可行性方案）三、實驗方案（可行性方案） 1、物理模型的比較與選擇、物理模型的比較與選擇 2、實驗方法的比較與選擇、實驗方法的比較與選擇 3、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析）、儀器的選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析） 1）誤差公式的推導）誤差公式的推導 2）儀器的選擇）儀器的選擇 4、測量條件與最佳參數(shù)的設定、測量條件與最佳參數(shù)的設定 1）測量條件）測量條件

21、 2）測量參數(shù)）測量參數(shù) 四、實驗步驟（簡略）四、實驗步驟（簡略） 五、所測量的數(shù)據(jù)五、所測量的數(shù)據(jù) 六、數(shù)據(jù)處理，驗證是否符合設計要求。六、數(shù)據(jù)處理，驗證是否符合設計要求。 七、參考文獻七、參考文獻設計舉例一設計舉例一 測量型實驗測量型實驗任務：測定金屬材料的楊氏模量任務：測定金屬材料的楊氏模量E。要求：測量結果的相對不確定度不超過要求：測量結果的相對不確定度不超過5%。 物理模型的建立及比較：物理模型的建立及比較：1） 外力作用下，發(fā)生形變，在彈性限度內(nèi)有外力作用下，發(fā)生形變，在彈性限度內(nèi)有Ec 20436067. 1fdmlE LLEAF 2） 圓棒狀樣品用兩條細線懸吊起來，共振時圓棒狀

22、樣品用兩條細線懸吊起來，共振時 3） 聲波在連續(xù)媒質內(nèi)傳播，其聲速，則有聲波在連續(xù)媒質內(nèi)傳播，其聲速，則有 采用模型一。采用模型一。 采用金屬絲的伸長測楊氏模量采用金屬絲的伸長測楊氏模量E，反射鏡反射鏡杠桿架杠桿架SSdDmgLdE2218導出測量公式為導出測量公式為 22222212)()(2)()()()()(SEDELEdEdEmEEEu按均分原則，按均分原則，E(D)1%,其余約為其余約為2%。q鋼絲直 徑 ：鋼絲直 徑 ： 0.8mm， 千 分 尺 測 量 ， 保 證， 千 分 尺 測 量 ， 保 證 E(D)0.01/0.8=1.2。q彈性極限彈性極限200MPa,F100N。q逐

23、差法測量，中間分段，逐差法測量，中間分段，F(xiàn)m=50N。用多個。用多個1kg砝碼累加加載。砝碼累加加載。qE量級量級21011Pa，可以計算出，可以計算出 L/L0.0005。 取取L=1m，則，則L=0.5mm。 LLEAF 25/100004/100004/100004/100004/100004/100004/10000q 光杠桿放大光杠桿放大光杠桿望遠鏡豎尺SS0S1d2d1L放大倍數(shù)放大倍數(shù)=2d1/d2，取取d1=2m，d2=80mm，放大，放大50倍，倍，S=25mm。用尺讀。用尺讀。u(S)=0.5mm，E(S)=2%。q d1用卷尺測，用卷尺測，E(d1)=0.005/2=0

24、.25%2%；q L用卷尺測，用卷尺測， E(L)=0.005/1=0.5%2%；qd2用板尺測，用板尺測， E(d2)=0.5/80=0.6%2%；q校核：校核： 22222212)()(2)()()()()(SEDELEdEdEmEEEu%2)2 . 12(5 . 06 . 025. 05 . 0222222 %3 . 3 設計舉例二設計舉例二 研究型實驗研究型實驗任務：研究某二極管的伏安特性。任務：研究某二極管的伏安特性。要求：電流準確度在要求：電流準確度在0.5mA， 電壓準確度在電壓準確度在0.1V。AV1 2K2K1ED特點：二極管電阻為非線性、正反特點：二極管電阻為非線性、正反向

25、電阻不一樣。向電阻不一樣。方案一：伏安法測電阻方案一：伏安法測電阻根據(jù)阻值大小，確定采用根據(jù)阻值大小，確定采用內(nèi)接或外接法。圖中用內(nèi)接或外接法。圖中用K2 電鍵轉換。電鍵轉換。 I=ID DADDRRRVV 當當 RA RD， ID I。正向導通或高阻電壓表，近似用。正向導通或高阻電壓表，近似用ID I。用公式計算，。用公式計算， 需要先測電壓表內(nèi)阻需要先測電壓表內(nèi)阻 RV VAD1。I精度要求較高時用補償法測電壓精度要求較高時用補償法測電壓AGVR0REEI0I調(diào)調(diào)R使使G中無電流，中無電流， ID IA補償法測電壓，電壓表上不分流，補償法測電壓，電壓表上不分流，相當內(nèi)阻無窮大。相當內(nèi)阻無窮

26、大。 粗測曲線粗測曲線q電源輸出大于電源輸出大于15V， E選穩(wěn)壓電源。選穩(wěn)壓電源。0.6 U(V)I(mA) 808qR0通過分壓來調(diào)電壓。通過分壓來調(diào)電壓。 若選若選R0為為100，負載電流，負載電流0.1A， 加二極管負載，最大電流加二極管負載，最大電流0.2A， 要求電源輸出大于要求電源輸出大于0.5A。qI很小，很小，E選大電阻選大電阻 ，小電動勢，小電動勢 電源。電源。39直接測量量不確定度的評定直接測量量不確定度的評定 n1ii1xnx1 1）計算：）計算：3 3）計算：）計算：)(xsuA nxxxx.,321等精度多次測量等精度多次測量3mBu 和和4 4）22)(BAuuxu 2 2）計算：）計算：)(xs剔除壞值后，重復剔除壞值后，重復1 1）2 2）（已無壞值）（已無壞值）5) 5) 最終結果：最終結果：)(xuxx %100)()( xxuxE40某長度測某長度測6 6次次, ,分別為分別為29.18 29.19 29.27 29.18 29.19 29.27 29.25 29.26 29.24(cm) 29.25 29.26 29.24(cm) m m=0.02cm=0.02cmcm23.296161 iixx取一位取一位02. 00168. 01)()(612nnxxnxsxsiicmcm計算計算41 cm020u)