《大学物理实验指导》PPT课件.ppt

1,大学物理实验I,第二讲,2012.4. 7,2,本次课程内容,第一阶段实验小结 第二阶段实验介绍 下阶段选课安排和考试、考核说明 开放实验室介绍 物理实验竞赛介绍,3, 第一阶段 基础实验小结,一、力学实验 1、 杨氏模量的静态法测量 2、 刚体转动惯量的测量,二、电学实验 1、滑线变阻器特性研究及测量二极管伏安特性 2、示波器的使用,三、光学实验 1、等厚干涉测量与读数显微镜使用 2、分光计的调整与使用,4,一、力学实验,1、学习基本物理量长度（包括微小长度）、 质量、时间的测量。 2、学习数据处理的基本方法列表法、图解法。 3、学习误差处理方法直接测量、间接测量、测量结果的不确定度估算；有效数字及其运算。 4、学会使用基本测量仪器用钢卷尺、游标卡尺、千分尺测量长度；用秒表（机械表、数字表、电子毫秒计）测量时间；用物理天平测量质量。,5,1、电学基本仪器的使用 电流表、电压表、电阻箱、滑线变阻器、直流稳压电源、示波器、信号发生器。,指针式电表的仪器误差 m电表量程电表准确度等级,二、电学实验,6,电阻箱 四个接头的使用。,示波器 观察、测量电学量（电压）及非电学量（如交流电压的频率）。 信号发生器 产生不同频率、波形、幅度的电信号。 滑线变阻器 调节电压、电流。,7,三、光学实验,1、观察光波的干涉现象，学习利用光的干涉进行几何量测量的方法。,2、掌握读数显微镜的正确使用。,3、掌握测定透镜曲率半径的一种方法。,4、学习不确定度的计算。,等厚干涉测量与读数显微镜使用,8,分光计麻雀虽小，五脏俱全,1、了解分光计的结构，明确分光计的调整要求。,2、掌握阿贝自准直式望远镜的结构特点，学会根据自准直原理调整光路。,3、学习平行光的产生原理，检验平行光的方法。,4、了解读数系统的结构，学会读数。 5、应用：自准直法测量三棱镜的顶角和最小偏向角。,9,四、基本实验方法（4.1）,1、比较测量法 直接比较法：米尺、卡尺等测量长度、天平测质量 间接比较法：指针式电表测量电压、电流；频率的测量,10,2、放大测量法 力学放大法：千分尺、读数显微镜、迈克尔逊干涉仪的读数系统提高了仪器的分辨率。 电学放大法：电子放大电路的应用示波器中小信号的放大。 光学放大法：望远镜（分光计，杨氏模量）、光杠杆、显微镜等。, 延展法：单摆、简谐振动的周期测量，减小误差，连续测量50个周期的时间t，再计算1个周期T。,11,3、平衡测量法 力学平衡法：天平原理 电学平衡法：通过电流、电压等电学量之间的平衡 进行测量。如单臂、双臂电桥测电阻。 稳态测量法：当系统达到并保持稳定状态时，进行 物理量的测量。如不良导体导热率的测量。,12,4、补偿测量法：系统受某种作业产生两种效应。如果B效应的存在使A效应显示不出来，就称B对A进行了补偿。利用这一原理进行物理测量就是补偿测量法。 电流补偿：测量短路电流。 电压补偿：测量未知电势差 温度补偿：箱式电势差计 光路补偿：迈克尔逊干涉仪,13,5、模拟测量法：把不能或不易测量的物理量用与之类似的模拟量进行替代测量。 几何模拟法：按比例制成模型 物理模拟法：模型和原型变化服从同一物理规律 数学模拟法：模型和原型变化服从同一数学规律,14,6、转换测量法：利用变换原理将不能或不易测量的物理 量转换成能测或易测的物理量，实际上是 间接测量法的具体应用。 参数转换：间接比较法。 能量转换：声速测量压电效应；磁场测量霍耳效应： 光强测量光电效应。非电量的电测法。,15,每个实验实际都是各种实验 方法的综合应用，如在“杨氏模量 静态法测量”的实验中应用了比较 法、转换法、放大法。,16,五、基本调整技术（3.2）,1、零位调整：千分尺、电表零点调整：千分尺、 游标卡尺零点修正,2、水平、铅直调整：天平；力学实用的实验架 （杨氏模量测定仪）,3、消除视差的调整：指针式仪表读数；显微镜、 望远镜 （分划板）。,17,4、等高共轴调整： 用光学仪器测量待测物理量，要保证近轴成像，因此要求仪器装置中各个光学元件光轴重合 等高共轴调整 分光计中望远镜与平行光管的调整； 双棱镜干涉实验中光具座上各光学元件的调整。,5、逐次逼进法：快捷有效，特别是应用零视法的 实验或零视仪器。 天平调整；分光计的调整。,18,六、数据处理方法,1、列表法： 在预习实验的基础上，进行分析 、根据实验中的直接测量量列出数据记录表格，要求简单、明了，数据间关系明确。,金属杯体积测量数据(单位：mm),19,2、作图（图解）法： 直观，明确表示了数据之间的关系及变化规律 滑线变阻器特性研究、二极管伏安特性曲线。,图解得出待求物理量（间接测量量）刚体转动惯量 杨氏模量的静态法测量。用坐标纸作图或计算机作图。,3、最小二乘法一元线性拟合： 适用条件：自变量没有误差，或与因变量相比误差很小； 自变量与因变量为线性关系。,20,七、关于有效数字 从仪器上直接读取数据时，数字的最后1位为可疑数位： 1、 游标类（卡尺，分光计等）仪器的读数值位； 2、刻度类（米尺，千分尺、指针式仪表，示波器荧屏） 估计到分度值的1/2、1/4、1/5、1/10等。 注意：有效数字的估计位只取1位； 数值恰在刻线处应补“0”。 计算：按运算法则及舍入规则确定 误差：绝对误差取1位；相对误差可以取2位。,21,3、 数字类（数字电表，数字毫秒计，信号发生器） 记录到最后1个单位；,计算：直接测量量（如计算平均值）、间接测量量的 运算按运算法则及舍入规则确定。 误差：不确定度（绝对误差）取1位； 相对不确定度（相对误差）可以取2位。,22,1：滑动端回调，电流变小。原因：滑线变阻器的电阻变化了。操作注意：碳刷不要用力下压，不能快速滑动，要逐渐缓慢滑动。,接线柱,接线柱,接线柱,碳刷,缓慢滑动, 第一阶段实验中的问题,滑线变阻器与二极管伏安特性,23,2：测量过程中，电流不变或过小。原因：如果线路没问题，就是碰到其他的键。,检查：是否为Auto DC 按Auto/man键修正,检查:是否为A 按DCA键修正,24,3：限流，分压测试过程中，外接电阻箱的电阻值随时调节。 原因：未理解原理。 正确理解：同一比值下， RL保持不变。例，如果滑线变阻器的额定电阻R=400, 取RL/R=5，在此比例下的测试过程中，RL=2000 保持不变。,25,表,26,4：电阻箱的使用不当，电流过大或过小。 原因：换电阻时，如果瞬间全部是零电阻， 电流过大，危险！有些同学将电阻放在9万欧姆，忘记调回，会出现电流过小的现象。,接线柱,接线柱,27,等级,放置方式： 水平 垂直,5：指针式电流表的使用。合理选用接线端子，注意换量程。,28,交直流两用电流表,6：二极管电流过小。原因：极性接反，或接 线柱虚接。,交直流两用表，前面分度不均匀部分，要估计读数。,29,较好的报告：,预习,图,公式,30,预习,31,预习，原始数据表,签字,32,报告数据处理,描点符号不对,有效数字位数不对,IAC/I0,曲线名称,表格,分析结论,33,报告数据处理,描点符号不对,曲线名称,分析结论,表格,34,较好的报告之二,少曲线名称,描点,物理量,物理量,有效数字,原点,分度,35,VAC/V,缺少分析部分,RAC/R,描点符号不对,少坐标分度值 和曲线名称,少坐标分度值 和曲线名称,描点符号不对,不好的报告之一,36,时，,不好的报告之二,IAC/I,RAC/R,少坐标分度值和曲线名称,没有会聚到一点,37,示波器的使用,（1）仪器的初始状态，不一定是测量需要的状态。 （2）实验中分观察阶段和测量阶段。在测量阶段必须把各测量微调档位放在校准“CAL”位置。 （3）利用李萨茹图形测量频率时，一定是图形相对稳定时，信号发生器的读数与“切点数比”计算出来的结果。 （4）在电压和时间读数时档位不需要估读，波形格数需要根据最小刻度进行估读。 （5）触发源、触发模式和触发电平的选择对波形的调节很重要，要在预习时多做了解。,38,39,分光计的调整和使用,1.预习不好，只是机械的抄书， 2. 对于分光计的调整过程，即使看过视频，老师又讲过，但还有部分同学不清楚，说明有的同学没有仔细预习实验。 3.做实验时有的同学调不出来图样，不是自己动脑筋想办法，而是让同学帮助调，或是抱怨仪器不好用。 4.有的同学调节时，不注意保护前一步的调整结果；有的同学调整次序颠倒。,40,a,双面镜,41,预习较好,42,预习报告 不完整,43,1：读数时，标尺的 位置si 或si不变。原因：是光杠杆后足位置不对。,后足应放在可自由移动的圆柱平台上。,杨氏模量静态法测量,44,2: 注意有效数字的读取。钢卷尺估读到1mm下一位；游标卡尺不估读；千分尺需要估读到0.01mm的下一位，注意多数千分尺需要进行修正零点。 改掉数格数乘以最小分度值的读数习惯。,3：加减砝码动作要轻，更不能晃动桌面，否则 影响数据读取。,45,杨氏模量的静态法测量实验数据处理要求,计算斜率,，求杨氏模量,方法一：完成下面表格，用最小二乘法处理数据。,46,方法二：直接用不确定度理论处理数据。 1：计算 ，si=（ si+ si ）/2，s=(s7-s0)/7 2：将所得结果和砝码的质量M=400g， L、d1、 d2带入下面的公式,计算杨氏模量E。,思考：是否有A类不确定度？,3： 计算不确定度u(d1), u(d2), u(L), u( ), u(s)。 其中：,47,4：计算合成不确定度,并给出E的结果。,其中,最后比较两种方法得到的杨氏模量E。,结合不确定度理论考虑 为什么如此取值？,48,数据处理方法一,较好的报告,49,数据处理方法二,较好的报告,50,不好的报告,问题点： 1：缺少表格。 2：无最小二乘法处理数据过程。 3：无直接计算及不确定度理论及处理数据过程。,51,第二阶段 基本实验简介与 实验要求提示,自第10周至第14周为第二阶段基本实验，实验室开出12个实验，每个实验计划为3学时，每位学生选作4个实验。 同学们在写预习报告时，应按要求画出相应的原理图、写出原理公式，准备原始数据记录表格（画好表格），按要求的实验内容做实验。没有预习报告不能做实验。,52,下阶段开出的12个实验,53,1 实验4.7.2 F-H实验,预习提示：自行设计原始数据记录表格。,1914年，弗兰克（J.Franck）和赫兹（G.Hertz）用慢电子与稀薄气体原子碰撞的方法，观察测量到了汞的激发电位和电离电位，从而证明了原子能级的存在，为玻尔的原子结构理论假说提供了直接的而且是独立于光谱研究方法的实验证据。,54,2 实验4.4.2 用冲击电流计测螺线管内磁场,实验简介：,预习提示： 理论公式：,自行设计原始数据记录表格,55,3 实验4.4.1 软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线,实验简介： 铁磁性材料分为永磁材料和软磁材料。磁滞回线和基本磁化曲线是反映软磁材料磁性的重要特征曲线。矫顽力和饱和磁感应强度Bs、剩磁Br、初始磁导率e、最大磁导率m、磁滞损耗P等参数是磁性材料研制、生产、应用时的重要依据。,本实验：基本磁化曲线及其特征点的测量,56,预习提示：复习示波器的使用方法。 本实验使用的是数字示波器（可在实验导学系统上查阅仪器介绍），准备课上画图用的坐标纸。自行设计原始数据记录表格。,57,测量内容选择螺线管位置：以中心为坐标原点0， 各坐标值取2、4、6、8、9、10、11、11.5、12、12.5、至螺线管边缘，测量螺线管轴线上的磁场分布，（每点左、右各测1次）。,数据处理： 作nL图线，由图线确定螺线管 中心、边缘处n的平均值，再计算B值。并与螺线管中心、边缘处的理论值比较（用表示）。,58,4 实验4.3.1 电桥法测电阻,预习提示：阅读讲义中相关内容，自行设计原始数据记录表格。,电桥法测电阻与伏安法测电阻比较： 电桥法测电阻 伏安法测电阻 1：平衡法与比较方法 欧姆定律（伏安法） 2：准确度由标准电阻决定 准确度由电流表、电压表 （较准） 及其内阻决定（不准）,测量小于1的电阻；四端接入法，P1-P4为电压接点，C1-C4为电流接点。,59,5 实验4.2.2 共振法测杨氏模量,预习提示： 复习示波器的使用（重点为利萨如形），阅读实验3.4.4有关杨氏模量的内容。自行设计原始数据记录表格。,实验简介： 静态法：由于荷载大、加载速度慢、存在弛豫过程，不仅不能真正反映材料内部结构的变化，且不适于测量脆性材料（如石墨、玻璃、陶瓷等），更不能测量不同温度下的杨氏模量。 动态法：又称共振法或声频法，不仅可以克服上述缺点，而且简便准确 。,图4.2-8共振法测杨氏弹性模量,60,6 实验4.2.1 声速的测定,预习提示： 复习示波器的使用（重点为利萨如形）； 自行设计原始数据记录表格。,共振：当一个振动系统受到另一系统周期性的激励，若激励系统的激励频率与振动系统的固有频率相同，振动系统将获得最多的激励能量，产生共振。利用共振现象测量振动系统的固有频率可以达到很高的准确度。 超声波：频率高于20kHz的声波，具有波长短、易于定向发射、 不易被干扰等优点 。,图4.2-1 声速测量原理图,图4.2-3 压电晶体换能器,61,7 实验4.5.1 不良导体导热率的测量,预习提示：阅读附录仪器介绍，自行设计原始数据记录表格。,简介：热导率（导热系数）是反映材料导热性能的物理量。它不仅是评价材料的重要依据，而且是应用材料时的一个设计参数。,62,8 实验4.7.1 光电效应,预习提示：阅读附录中仪器工作原理及操作说明，自行设计原始数据记录表格。,光电效应:光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化,63,9 单色仪的定标和应用,预习提示：本实验讲义教材中没有，请在选课网通知查看栏下载，预习时自行设计原始数据记录表格。,简介： 单色仪是一种常用的分光仪器，利用色散元件把复色光分解为准单色光，能输出一系列独立的、光谱区间足够窄的单色光，可用于各种光谱分析和光谱特性的研究，如测量介质的光谱透射率曲线、光源的光谱能量分布、光电探测器的光谱响应等，应用相当广泛。 本实验了解棱镜单色仪的构造、原理和使用方法；以汞灯的主要谱线为基准，对单色仪在可见光区进行定标；掌握用单色仪测定滤光片中心波长的方法；学会测量发光二极管的波长。,64,10 实验4.6.1 双棱镜干涉测量光波波长,预习提示：自行设计原始数据记录表格。,实验简介：1818年，法国科学家菲涅耳巧妙地设计出菲涅耳双棱镜和双面镜实验，再次验证了光的波动性质，为波动光学奠定了坚实的基础。,条纹间距,65,11 实验4.6.2 迈克耳孙干涉仪测量激光波长,预习提示：自行设计原始数据记录表格。,迈克尔逊干涉仪：解决了当时关于“以太”的争论 ，实现了长度单位的标准化，光源干涉条纹可见度随光程差变化的规律，并依此推断光谱线的精细结构。,66,12 4.6.4 利用超声光栅测定液体中声速,预习提示：复习分光计的调整和使用。 自行设计原始数据记录表格。,简介：当透明介质中有超声波存在时，会引起介质的密度产生周期性变化，以致介质的折射率也相应地作周期性变化。当光波通过这样的介质时，将产生衍射效应，就像光通过普通光栅那样。 利用超声光栅测量声波在液体中传播速度。,67,3 下阶段实验安排及选课说明,68,下阶段实验安排：,(1)必做内容 基本实验4个：每个3学时，共12学时。 考试实验1个：4学时。 (2) 实验时间表(表格中数字为周次,共分3段),第9周实验室更换仪器准备实验，不排课，第10周4月16日开始第二阶段实验,“五一” 放假按学校调课实际安排，请关注网上通知。,69,第二阶段实验选课注意事项,选课时间： 4月8日中午12:00选课开始，可选定第二阶段的4个实验（顺序不分先后，每周只能做1个实验）。资源有限，请尽早选定。 实验选定后可在网上自行调整(可退、可选），但不能退两天之内的实验，特殊原因需持医院证明或学院教学科签字盖章的证明，到7308魏老师处办理。 选课后记清自己所选的实验名称和时间段，做好预习，按时上课。无病事假证明未做实验补做成绩按7折计。,70,第二阶段实验室开放时间（10-14周）：每周12个时段，每次3学时,注意：周三也有课！,71,全英语物理实验,目的：为提高同学们科技英语的应用水平，增强用英语进行学习和科研活动的能力，扩展国际化视野，第二阶段特别推出2个实验项目进行全英语授课，共8次，欢迎广大同学（特别是国际班的同学）选做。 教师：均为具有1年以上国外研究工作经历的优秀教师。 方式：讲义、预习报告、课堂讲授、课堂交流、课后完成报告均采用全英文的方式。 选课 ： 按照一般实验的选课方式，选择下述实验 电桥法测电阻（英语） 教师：梁生 第10、11周 声速测量（英语） 教师：朱亚彬 第13周 英文讲义在选课网下载。 考虑英语实验难度，英语实验平均成绩将略高于其他实验项目,72,考试实验选课注意事项,考试实验选课时间： 5月13日中午12:00选课开始，5月20日中午12:00选课截止。 选课功能开放的一周内每人选定1个考试实验。 选课后记清自己所选的实验名称和时间段，做好预习，按时考试。考试实验错过时间不能补做。 考试实验选定后不能退选，特殊原因需持医院证明或学院教学科签字盖章的证明，到7308魏老师处办理。,73,考试实验时间（15、16周）： 每周10个时段，每次4学时,请同学们务必注意考试时间， 迟到20分钟将不能参加考试！,74,考试实验安排及要求,考试时间为4学时，学生自行上网选1个未做过的实验参加考试，要求写好预习报告,考试完成后当堂交报告. 考试开卷，可带实验书及参考书，但在考试过程中不能互相交流，不能带事先准备的本实验数据进入考场，否则按作弊处理。 考试时没有实验讲解，不播放视频，监考老师只根据实验讲解实验要求、仪器使用方法、注意事项及必要的实验提示。 除“软磁材料磁滞回线和基本磁化曲线”实验外，其它实验会增加一道误差计算或画图的附加题，希望同学们作好相关内容的复习。 带好学生证、一卡通和必要的学习用具（计算器及画图用具、坐标纸等），考试过程中不能使用任何通讯工具，请同学们遵守考试纪律，如发现替考一律按作弊处理。,75,平时成绩：每个实验10分，包括第1次课的作业共90分。 期末考试：50分。 学期总成绩：总计140分，折合为百分制报出。,注意： 严禁替做实验和考试，一经发现双方均按作弊处理！实验课没有补考，不及格只能在下一年重修！,关于实验成绩考核,76,注意：做实验不交报告，该实验成绩不及格！,第一阶段实验报告请于第9周末（4月15日）前交齐，包括第一次的作业、4个基础实验报告。请于10周在实验选课网上查看未交实验报告学生名单。 第二阶段实验报告请于第15周末（5月27日）前交齐。包括4个基本实验报告。请于16周在实验选课网上查看未交实验报告学生名单。 第15周、16周，全体同学分两周进行期末操作考试（每人只考1次），当堂交报告。,交报告要求,77,选课网址：20,点击：物理实验教务系统,78,从这里登录选实验,从这里可下载新讲义、大课PPT、可查看各种通知，包括放假调课通知、未交报告学生名单、开放实验室开放时间等，请经常浏览。,79,通知查看页面,80,物理实验好帮手：导学系统,实验预习复习时可以参阅“物理实验导学系统” 的相关内容。8/dxxt,81,目的：既为正常实验课完成实验困难的学生提供一个实验学习的额外机会，也为热爱实验基础好能力强的学生提供一个施展才干的全新平台。 地点：7312 时间：第5周到第13周，每周7个时段 每周二、四：下午2:00-5:00，晚上6:30-9:30 周六：上午8:30-11:30，下午2:00-5:00，晚上6:30-9:30 形式：无需预约，持本人学生证进入,开放实验室,82,开放实验室,内容：包括大学物理实验课程内的所有实验项目和相关仪器设备操作。 方式： 补缺。实验课上未完成实验或选课后错过的实验，可在开放实验室继续完成，由值班老师签字确认，报告交到原选课教师报告箱，由原任课教师给出成绩。（注：成绩实验成绩0.7） 提高。热爱实验、基础好能力强的学生，采用固定场所和时间开放实验设备，学生阅读设备说明书，自行进行实验操作，并随时得到值班老师的实验指导。 创新。鼓励同学们基于开放实验室