大学物理实验第二期.ppt

综合专题实验与 设计性实验,大学物理实验,什么是综合专题实验 由几个内容相关的独立实验组合而成的系列实验 同一个物理量用不同的方法研究：如光源光谱； 同一个物理现象的各种表现：如波的衍射； 较复杂的实验分多次进行：如超声波原理及应用； 光纤专题； 用同一个仪器研究不同的物理现象：如迈克耳孙干涉仪系列实验 等等,为什么要进行综合专题实验 综合实验技能的训练：在一个专题中使用多种仪器，运用多种实验方法； 对实验结果进行归纳、综合、分析能力的训练； 多角度、全方位、深入地对物理本质进行探讨。,综合性专题实验,超声,电子,波动,光谱,原子核,光电子基础,培养实验 综合能力,磁共振,激光,光纤,1. 棱镜光谱与光栅衍射法测定光源光谱； 2. 小型棱镜摄谱仪测氢原子光谱； 3. 光栅光谱仪。,1. 超声波的产生与传播； 2. 固体弹性常数的测量； 3. 超声波探测与成像基本原理。,1.用密立根油滴仪测量电子电量； 2.金属逸出功的测定； 3.电子在电场、磁场中的运动及电子比荷的测定。,三个实验同时预习，上课时到实验室现场安排做实验的顺序。 第一次课带本专题三个实验的预习报告，全部交给老师检查。无预习报告不能做实验。 每次实验完成后数据交教师签字。 最后一个实验完成后，次周内交三个实验报告及小论文（结合专题撰写科技论文，而不是对实验内容的简单复述。论文不少于1500字，严禁抄袭）。,专题实验教学一般要求,找共性、找差异、找联系,怎样综合？,小论文：,题目 背景 理论 实验方法 总结现象和结果 扩展：方法、应用领域、内容 不足与建议（关于内容、方法方面）,科技小论文的形式和内容是开放性的，学生可以从各自不同的角度来综合表述实验的内容和结果，并展开讨论。,小论文格式示例,（标题） 专业 姓名 学号 （论文）摘要： 关键词： （正文）背景 （正文）论述（包括理论和实验方法） （正文）结论（总结现象和结果，扩展，不足与建议等） （撰写时间） 参考文献,1. 光的衍射发展史； 2. 用金属逸出功测量仪做设计性扩展实验； 3. 小议光纤实验中的信号调制方式； 4. 光波衍射与变换光学概论； 5. 密立根油滴实验过程的探讨； 6.棱镜折射与光栅衍射的区别与联系； ,小论文,三、设计性实验,根据给定的实验题目、要求和实验条件，由学生自己设计实验方案并基本完成全过程的实验。,什么是设计性实验,三种类型 测量型实验：对某一物理量（如电容、折射率、静态磁特性的测量等）进行测定，达到设计要求； 研究型实验：用实验确定两物理量或多物理量之间的关系（电源特性研究），并对其物理原理、外界条件的影响或应用价值等进行研究； 制作型实验：设计并组装或制作装置，如万用表的组装、全息光栅制作等。,主要设计内容包括 1.建立物理模型（多种）; 2.物理模型比较（选择一种或几种）; 3.确定实验方法（由相应模型确定）; 4.选择仪器设备（根据设计要求）; 5.选择最佳参数（包括实验测量条件）; 6.制定实验步骤（包括实验注意事项）。,第一次为准备实验，要求上课前先有设计方案（不只一种）和参考资料列表。（设计方案包括：物理模型、实验方法、实验仪器、参数估算、实验步骤等。）无设计方案不能做实验。课内了解所需实验仪器性能和操作方法，进行试做，研究设计方案的可行性。 第二次带修改过的“可行的设计方案”，粗做实验。 第三次精做实验，并完成实验数据处理，下课时当堂交原始设计方案和正式实验报告（报告内应包括实验总结或体会以及建议等）。,设计性实验一般要求,建立 物理 模型,设计性实验的一般程序,1. 建立物理模型,例：测量重力加速度g。 什么物理现象或物理过程与g有关？ 自由落体运动/物体在斜面上的滑动/抛体运动/单摆/ ,根据实验对象的物理性质，研究与实验对象相关的物理过程原理及过程中各物理量之间的关系、推导数学公式 。,过程中的物理量有什么关系,以“自由落体”为例,2.物理模型比较与选择,测量量值估计：当S=2m，t 约为0.6秒。,哪个方案合适？,速度测量：,如何提高准确度？,斜面上的滑动,优点：增大时间值， 方便测量； 缺点：？,所有自由落体公式均可套用：,单摆模型,估计 L=1m，T2s。,限制：小摆角, 自由落体的变形,绝对重力仪 （美国）,不确定度 210-8 m/s2,朱棣文原子干涉重力仪,3.实验方法的确定 用什么方法、装置实现物理模型，每个物理量怎么测量。,测转动惯量时恒力矩怎么实现？ f 固定，半径 r 固定，则力矩f r固定；,速度怎么测？ 用很短时间的平均速度近似瞬时速度；,电源的短路电流怎么测？,A、B间压降I 0Rg0。 Rg为电表内阻。,当I0=I时，UAB=0，AB间相当短路。,补偿法,4. 实验仪器的选择与配套,根据量值和准确度要求选择仪器种类； 例： 测时间用什么仪表？ 对待测物理量的值进行估计，以选择仪表的 量程； 按不确定度均分原则选择仪表的准确度。,用什么仪器，准确度与量程。误差分配计算,E(P)2 (1%)2=0.0001,4E(U)20.00005，,E(U)0.35%，,选0.2级电压表。,E(R)2 0.00005，,E(R)0.7%，,选0.5级电桥。,举例：测量功率。公式,0.0001 0.00005 0.00005,用电压表测电压，用电桥测电阻。要求不确定度1%。,5. 测量条件与最佳参数的确定,实验方法、实验仪器选定后，选择有利的实验条件及参数范围，以最大限度的减小误差。,如 单摆长度的测量（摆线、小球） 指针式仪表量程选择在满度 的2/3处 选择合适的测量环境：温度、湿度、气压、电磁场,6. 拟定实验实施方案,1) 根据物理模型及实验方法，画出相应 的实验装置图或电路图、光路图； 2) 拟定详细的实验步骤； 3) 设计实验数据表格； 4) 实验仪器、设备的名称，规格，使用 条件等。,7. 撰写设计方案（第一次课带的预习方案） 实 验 题 目 一、实验任务 二、实验要求 三、实验方案 1、物理模型的比较 2、实验方法的比较 3、仪器的选择与配套（系统误差分析） 1）误差公式的推导 2）仪器的选择 4、测量条件与最佳参数的设定 1）测量条件 2）测量参数 四、实验步骤（简略） 五、实验注意事项 六、参考文献,资料搜集 在设计过程中要查阅足够的参考资料： 例如: 大学物理、物理实验教科书（不同版本）； 有关测量、传感器方面的教材和专著； 仪器、仪表、器件手册； 仪器说明书； 国家标准、行业标准、技术规范等。,完成实验设计方案后，方可到实验室实地考查仪器情况并进行准备性实验。将实验设计方案交给指导老师检查。 通过第一次实验检查设计方案是否可行，根据实验室仪器设备情况、实验条件，进一步完善设计方案，即可进入实测。 实测一般分两次进行：粗测、精测。粗测中根据测量数据检查是否满足实验要求，可再次调整实验方案，最后精测，完成实验。,8. 实验操作,9.数据处理及撰写报告 根据最终选定的实验方案和实际实验过程，完成实验报告，实验报告包括前述实验方案的内容（实验任务、要求、方法、步骤、注意事项、参考资料等）外，还应包括以下两项： 数据处理与分析 实验数据、数据计算、误差估算、误差分析 实验总结 包括对本实验的总结；实验中的体会、 收获；对实验选题的建议、意见等。,10. 最后完整的报告 实 验 题 目 一、实验任务 二、实验要求 三、实验方案（可行性方案） 1、物理模型的比较与选择 2、实验方法的比较与选择 3、仪器的选择与配套（系统误差分析） 1）误差公式的推导 2）仪器的选择 4、测量条件与最佳参数的设定 1）测量条件 2）测量参数 四、实验步骤（简略） 五、所测量的数据 六、数据处理，验证是否符合设计要求。 七、参考文献,设计举例一 测量型实验 任务：测定金属材料的杨氏模量E。 要求：测量结果的相对不确定度不超过5%。 物理模型的建立及比较： 1） 外力作用下，发生形变，在弹性限度内有,2） 圆棒状样品用两条细线悬吊起来，共振时,3） 声波在连续媒质内传播，其声速，则有,采用模型一。 采用金属丝的伸长测杨氏模量E，,导出测量公式为,按均分原则，E(D)1%,其余约为2%。 钢丝直径：0.8mm，千分尺测量，保证 E(D)0.01/0.8=1.2。 弹性极限200MPa,F100N。 逐差法测量，中间分段，Fm=50N。用多个1kg砝码累加加载。 E量级21011Pa，可以计算出 L/L0.0005。 取L=1m，则L=0.5mm。,光杠杆放大,放大倍数=2d1/d2， 取d1=2m，d2=80mm，放大50倍，S=25mm。用尺读。 u(S)=0.5mm， E(S)=2%。,d1用卷尺测，E(d1)=0.005/2=0.25%2%； L用卷尺测， E(L)=0.005/1=0.5%2%； d2用板尺测， E(d2)=0.5/80=0.6%2%； 校核：,设计举例二 研究型实验 任务：研究某二极管的伏安特性。 要求：电流准确度在0.5mA， 电压准确度在0.1V。,特点：二极管电阻为非线性、正反向电阻不一样。 方案一：伏安法测电阻 根据阻值大小，确定采用 内接或外接法。图中用K2 电键转换。,I=ID,当 RA RD， VD =V 。反向或正向初段，VD V 。用公式VD =V-I RA计算， 需要先测电流表内阻 RA,V=VD,当 RV RD， ID I 。正向导通或高阻电压表，近似用ID I 。用公式计算， 需要先测电压表内阻 RV,精度要求较高时用补偿法测电压,调R使G中无电流， ID IA 补偿法测电压，电压表上不分流，相当内阻无穷大。,粗测曲线,电源输出大于15V， E选稳压电源。,R0通过分压来调电压。 若选R0为100，负载电流0.1A， 加二极管负载，最大电流0.2A， 要求电源输出大于0.5A。,I很小，E选大电阻 ，小电动势 电源。,直接测量量不确定度的评定,1）计算：,3）计算：,等精度多次测量,和,4）,2）计算：,剔除坏值后，重复1）2）,（已无坏值）,直接测量量数据处理举例,某长度测6次,分别为29.18 29.19 29.27 29.25 29.26 29.24(cm) m=0.02cm,计算,不确定度保留1位,且与平均值的最后一位对齐.,取一位,取一位,间接测量结果不确定度评定,1、计算各直接量不确定度,2、计算,4、用 或,求出,间接测量量数据处理举例,测得某园柱体质量M，直径D，高度H值如下，计算其密度及不确定度。,代入数据,计算密度,计算密度,取对数:,微分:,相对误差,绝对误差,测量结果,