综合专题实验与设计性实验

Ⅱ 大学物理实验综合专题实验与设计性实验物理实验中心 2010年9月

本次课内容 • 本学期的教学安排 • 综合专题实验及小论文 • 设计性实验 • 本学期实验内容简介 • 本学期实验成绩考核 • 上学期实验存在的问题 • 不确定度计算复习

一、本学期的教学安排

1、上课内容（本学期计划学时28学时） 每位同学必须完成以下内容:

2、实验时间表(表格中数字为周次，共分4轮，每轮3周) 2、实验时间表(表格中数字为周次，共分4轮，每轮3周) 第一轮实验：中秋节放假按学校调课实际安排 3、上课时间安排：周一到周五下午 2：10～5：30（4学时）晚上 6：30～9：50 （4学时）周三晚上不开！一周有9个时间段可选。

http://211.71.70.120 4、选课（1）9月5日中午12：00点开始网上选课。（2）网上选实验时请注意：两类实验均需连续三周完成，不要和其他课程、活动冲突，选完实验一定要记好时间。（3）各实验要求见教材。（4）学生个人原因错选、漏选，速与实验室联系。平时实验选课问题咨询：周三下午2:00~5:00 7308 魏老师（5）本学期选课密码：学号 (请注意修改) 强调：由于本学期放假较多，课余量有限，不要随意退！

二、综合专题实验及小论文

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

本学期开设的综合专题实验题目 • 超声波原理及其应用专题： 1）超声波的产生与传播 2）固体弹性的测量 3）超声波探测与成像基本原理 • 电子特性专题： 1）金属电子逸出功的测定 2）用密立根油滴仪测量电子电量 3）电子在电场、磁场中的运动及电子比荷的测定 • 衍射专题 1) 透射光栅衍射 2) 光波的单缝及圆孔夫琅禾费衍射 3) 微波布拉格衍射

光源光谱专题 1）棱镜光谱与光栅光谱 2）小型棱镜摄谱仪测氢原子光谱 3）光栅光谱仪测光谱 • 迈克尔孙干涉仪专题 1）测量钠光的双线波长差 2）白光干涉现象测量平板玻璃的折射率 3）法布里-珀罗干涉仪测钠双线波长差 • 光纤技术专题 1）光源与光纤特性 2）光信号传输 3）光纤传感器

专题实验教学一般要求 • 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）。

怎样综合？ 小论文：找共性、找差异、找联系 • 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

小论文 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； ………………..

三、设计性实验

什么是设计性实验 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。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）。

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。

设计性实验一般要求 • 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）。

确定实验方法选择实验仪器选择实验参数撰写实验报告处理数据实验操作制定实验步骤设计性实验的一般程序建立物理模型

1. 建立物理模型 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。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/ ……

过程中的物理量有什么关系 以“自由落体”为例

S1 S S2 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。速度测量：哪个方案合适？如何提高准确度？

θ 斜面上的滑动 ——自由落体的变形限制：小摆角单摆模型所有自由落体公式均可套用：优点：增大时间值，方便测量；缺点：？估计L=1m，T≈2s。

绝对重力仪 （美国）不确定度 2×10-8 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。 • 速度怎么测？用很短时间的平均速度近似瞬时速度； • 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；

A A E E’ G A E I’ A Rg I0 R B B • 电源的短路电流怎么测？补偿法 A、B间压降I 0Rg≠0。 Rg为电表内阻。 ——当I0=I’时，UAB=0，AB间相当短路。

用什么仪器，准确度与量程。误差分配计算 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。

举例：测量功率。公式 用电压表测电压，用电桥测电阻。要求不确定度≤1%。 0.0001 0.00005 0.00005 E(P)2 ~(1%)2=0.0001 E(U)~0.35%， 4E(U)2~0.00005，选0.2级电压表。 E(R)2 ~0.00005，选0.5级电桥。 E(R)~0.7%，

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 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确定 1）测量条件 2）最佳参数四、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。

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

导出测量公式为 杠杆架反射镜 ΔS 采用模型一。采用金属丝的伸长测杨氏模量E， • 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,F~100N。 • 逐差法测量，中间分段，Fm=50N。用多个1kg砝码累加加载。 • E量级2×1011Pa，可以计算出 ΔL/L~0.0005。取L=1m，则ΔL=0.5mm。

S 1 D S q q q q S 望远镜光杠杆 D 0 L d d 2 1 竖尺 • 光杠杆放大放大倍数=2d1/d2，取d1=2m，d2=80mm，放大50倍， ΔS=25mm。用尺读。 u(Δ S)=0.5mm， E(Δ 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：

物理量 量值N u（N） E（N）物理量量值N u（N） E（N） m (kg) 1.000 ±0.005 0.5% D (×10-3m) 0.80 ±0.01 1.2% L (m) 1.000 ±0.005 0.5.% d2 (×10-3m) 80.0 ±0.5 0.6% d1 (m) 2.00 ±0.005 0.25% DS (×10-3m) 25 ±0.5 2% • 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。

1。 A V I D 2。 I A D V ID 物理量量值N u（N） E（N）物理量量值N u（N） E（N） m (kg) 1.000 ±0.005 0.5% D (×10-3m) 0.80 ±0.01 1.2% L (m) 1.000 ±0.005 0.5.% d2 (×10-3m) 80.0 ±0.5 0.6% d1 (m) 2.00 ±0.005 0.25% DS (×10-3m) 25 ±0.5 2% I=ID 当 RA <<RD，VD =V Ⅰ。反向或正向初段，VD ≈V Ⅱ。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 Ⅰ。正向导通或高阻电压表，近似用ID ≈I Ⅱ。用公式计算，需要先测电压表内阻 RV

I0 G E R’ A I’ R0 V E’ 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。

I(mA) 80 8 0.6 U(V) 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100Ω，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。

电流表最大量程0.1A，准确到0.5mA，用0.5级表。 • 正向电压表量程10V，准确到0.1V，用1级表。 • 检流计选量程为±250μA的1级电流表，误差在±5μA之内，完全符合要求。

四、本学期实验内容简介

01 超声波原理及其应用专题（共15套） • 1）超声波的产生与传播（7415室） • 2）固体弹性常数的测量（7415室） • 3）超声波探测与成像基本原理（7415室）介绍预习要求：认真阅读实验讲义，复习示波器的使用，写出三个实验的预习报告

超声波是频率在2104Hz1012Hz的声波。 超声波测试把超声波作为一种信息载体，在很多领域发挥着不可取代的独特作用： 1）探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探； 2）检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等； 3）进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。本专题简单介绍超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位了解超声波在检验和探测方面的应用。

02光源光谱专题（共15套） • 1）棱镜光谱与光栅光谱（5306室） • 2）小型棱镜摄谱仪测氢原子光谱（5306室） • 3）光栅光谱仪测光谱（5306室）介绍模拟的自然光光谱氢原子的可见光光谱预习要求：认真阅读实验讲义；复习分光计的使用。参考测量三棱镜最小偏向角的方法学习观察汞灯的三棱镜光谱。写出三个实验的预习报告

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