设计性研究实验概要.ppt

设计性研究实验 重力加速度的测定转动惯量的测定电阻的测量电表的设计制作电位差计的使用薄膜干涉应用的研究投影仪 显微镜和望远镜的设计与组装 设计性研究实验是一种介于基础教学实验与实际科学实验之间的 具有对科学实验全过程进行初步训练特点的教学实验 它具有科学性 综合性 典型性 探索性和可行性 设计性研究性实验在提高学生的实验素质和科学研究工作的能力 查阅文献资料的能力 设计实验的能力 发现问题 分析问题 解决问题的能力 总结 归纳和撰写实验报告的能力等 进行创造性能力的培养等方面起着非常重要的作用 设计性研究实验的核心是设计和选择实验方案 设计性研究性实验设计的原则是 实验方法的选择遵从最优化原则 测量方法的选择遵从误差最小原则 测量仪器的选择遵从误差均分原则 测量条件的选择遵从最有利原则 本章所列的5个设计性研究性实验由学生查阅文献资料自行推证有关理论 根据具体要求自行确定实验原理和实验方法 自行选择和组合配套仪器设备 自行拟订实验步骤和实验的注意事项等 并写出较为完整的实验报告 实验23 重力加速度的测量 实验的意义和目的 重力加速度是一个重要的地球物理常数 准确地测定它的量值在科学研究和工程技术方面都具有重要意义 由于同一物体在地面上不同地区所受的重力不相同 因而重力加速度g也不相同 重力加速度是由物体所在地区的纬度 海拔高度及矿藏分布等因素决定的 通过本实验使学生掌握用单摆装置和复摆装置来测量重力加速度的方法以及学习研究减小该实验误差的方法 参考资料 1 沈元华 陆申龙 基础物理实验 2003 北京 高等教育出版社2 梁为民 李建新 熊维德 大学物理实验 2001 北京 航空工业出版社3 上海大学电子设备厂新型单摆实验仪产品说明书 2001 与实验相关的知识点 1 什么叫单摆 在什么条件下单摆的运动可看作是简谐振动 2 单摆作简谐振动时 其振动周期T等于什么 4 如果摆线的质量不可忽略 单摆的周期与一般公式的表达式相比数值有变化吗 如有变化 怎样变化 5 什么叫复摆 其振动周期T的表达式是什么 6 什么叫霍耳效应 什么是霍耳传感器 实验的主要器材 1 GM 1单摆实验仪1台 2 激光定位装置2只 3 集成霍耳传感器1只 4 复摆1个 测量米尺1把 5 连接导线若干 实验提示 一 用单摆测量重力加速度1 测量单摆摆线的长度 调节 测量和记录 2 测量单摆振动的周期 1 连接集成霍耳开关和HTM 3电子计时器 2 调节集成霍耳开关的位置 使它正好在摆球所处的竖直位置时磁钢的正下方 并使集成霍耳开关输出低电平 多功能毫秒仪面板上的低电平指示灯亮 3 预置开关次数 4 改变摆角 用激光光电传感器测量在不同摆角时单摆振动的周期 将摆球拉开一定距离 并用水平直尺量出此距离 利用三角函数算出摆角 每拉开一定距离测量五次两倍周期 然后取平均值 并把数据填入所设计的表格中 3 求重力加速度 2 比较在不同摆角时 对计算重力加速度g带来的影响 式中J为物体对转轴的转动惯量 m为物体的质量 L为物体的重心与转轴间的垂直距离 二 用复摆测量重力加速度用以上类似方法测量复摆振动的周期 并代入复摆的周期公式 求出重力加速度 复摆的周期公式为 实验报告的要求 1 写明实验的目的和意义 2 阐明实验的基本原理 3 记录实验所用的仪器 材料的规格和型号 数量等 4 写出实验步骤 画出实验图示 记录各种实验现象和数据等 5 分析实验结果 讨论实验中出现的各种问题 6 得出实验结论 并提出改进意见 实验讨论思考题 1 试从误差分析来说明为什么测量周期T时不直接测量往返一次摆动的周期 2 单摆在摆动中受到空气阻尼 振幅越来越小 试问它的周期是否会变化 通过实验观察问答 并用理论加以阐明 实验24转动惯量测定的研究 实验的意义和目的 转动惯量是刚体转动的一个重要物理量 它是物体转动惯性大小的量度 在许多工业设计和研究领域中都要考虑物体转动惯量的大小 因此 测定物体的转动惯量具有非常重要的实际意义 测定刚体的转动惯量的方法很多 对于形状规则的物体 可用数学方法计算出它的转动惯量 对于形状不规则的物体 一般采用实验方法测定 可采用转动定律法 物理摆 扭摆和三线摆 法 刚体转动仪等测定转动惯量 通过本实验使学生研究和掌握测量物体转动惯量的几种方法 参考资料 1 杜义林 大学实验物理教程 2002 合肥 中国科学技术大学出版社2 葛松华 唐亚明 大学物理实验教程 2004 北京 电子工业出版社3 赵青山等 大学物理实验 1993 合肥 中国科学技术大学出版社4 陈早生 任才贵等 大学物理实验 2003 上海 华东理工大学出版社5 梁为民等 大学物理实验 2001 北京 航空工业出版社6 赵文杰 工科物理实验教程 2002 北京 中国铁道出版社7 马文蔚等 物理学 2000 北京 高等教育出版社 与实验相关的知识点 1 物体的转动惯量的大小与哪些因素有关 2 刚体绕定轴转动的转动定律 3 三线扭摆经什么位置时开始计时误差最小 为什么 测量周期时测量太少和太多次数所用的时间有什么不好 4 如果三线扭摆三线不等长 有什么影响 下圆摆为什么要调整水平 5 本实验中引起系统误差和随机误差的原因有哪些 如何避免 6 用扭摆法测量转动惯量时 采取什么措施减小该实验的系统误差 7 用刚体转动实验仪测转动惯量的实验中如何保证的条件 8 如何调整刚体转动惯量仪 实验的主要器材 三线摆 扭摆 停表 米尺 游标尺 刚体转动实验仪 法码 刚体转动惯量测试仪 试验器 物理天平 气泡水准器 数字毫秒表 光电测量系统 样品若干 实验提示1 用转动定律法测定转动惯量2 用物理摆法测定转动惯量 1 用三线摆法测定转动惯量 2 用扭摆法测定转动惯量 实验报告的要求 1 写明实验的目的和意义 2 阐明实验的基本原理 3 记录实验所用的仪器 材料的规格和型号 数量等 4 写出实验步骤 画出实验图示 记录各种实验现象和数据等 5 分析实验结果 讨论实验中出现的各种问题 6 得出实验结论 并提出改进意见 1 三线扭摆在摆动中受到空气阻尼 振幅越来越小 它的周期怎样变化 为什么 2 放上待测物体后 三线扭摆的周期是否一定比空盘的周期大 为什么 3 如何用刚体转动实验仪测量任意形状的物体绕定轴的转动惯量 实验讨论思考题 实验25电阻的测量 实验的意义和目的 电压 电流和电阻是应用最广的三个电学量 在一段电路里 三者遵循欧姆定律 学会合理地设计电路 正确地选择和使用最基本的电学仪器 不仅在技术工作中 而且在日常生活中也是非常必要的 通过此实验使学生能够正确地选择和使用常见的基本电学仪器 学会简单的电路设计 并能分析实验中的系统误差 与实验相关的知识点 1 什么是伏安法 2 电表级别怎么选择 3 电压表量程及取值范围怎么选择 4 电流表量程及取值范围怎么选择 5 电阻的电功率与哪些因素有关 6 额定电流与哪些因素有关 实验主要器材直流毫安表 直流电压表 变阻器 直流稳压电源 电阻盒 导线 开关 实验提示 1 提出该实验的设计方案 即测量原理 测量线路 仪器和测量条件的选择等 实验报告的要求1 写明实验的目的和意义 2 阐明实验的基本原理 3 记录实验所用的仪器 材料的规格和型号 数量等 4 写出实验步骤 画出实验图示 记录各种实验现象和数据等 5 分析实验结果 讨论实验中出现的各种问题 6 得出实验结论 并提出改进意见 实验讨论思考题怎么减小实验误差 实验26电表的设计制作 实验的意义和目的 电表是常用的电学测量仪器 它在电学测量中应用很广泛 常用的直流电流表和直流电压表都有一个共同的部分 即表头 表头是一只磁电式微安表 只能测量很小的电流和电压 如果要测量较大的电流和电压就必须对表头进行改装 经过改装调试后的电表 具有测量较大的直流电流 直流电压 交流电压和电阻等多种功能及多个量程 通过此实验 使学生学会电表的设计制作方法 进一步了解电表的测量原理和电路结构 参考资料 1 杜义林 大学实验物理教程 2002 合肥 中国科学技术大学出版社2 葛松华 唐亚明 大学物理实验教程 2004 北京 电子工业出版社3 赵青山等 大学物理实验 1993 合肥 中国科学技术大学出版社4 陈早生 任才贵等 大学物理实验 2003 上海 华东理工大学出版社5 梁为民等 大学物理实验 2001 北京 航空工业出版社 与实验相关的知识点 1 怎样测量表头的内阻和量程 2 在电路中串联电阻和并联电阻何作用 3 怎样扩大电流表 电压表的量程 4 怎样将表头改装成电流表 电压表和电阻表 5 怎样对制作的电表进行校正 6 怎样制作多量程电表 实验的主要器材 具有不同量程为的电流表头 电阻箱 滑线变阻器 直流电源 或干电池 电阻 标准电流表和电压表 开关等 实验提示 测量表头的内阻和量程 可采用 半值法 或 替代法 测量 1 欧姆表的设计制作 1 欧姆表是用来测量电阻大小的表 它由表头 电池和电阻串联而成 如图1所示 图1欧姆表的构造 2 因为欧姆表只在中值电姐的0 2 5倍的刻度范围内 测量结果才满足精度要求 所以欧姆表都做成多量程的 而相邻两量程的比值均取为10 所以三个量程档分别为 改变量程即是改变欧姆表的中值电阻 在原来的中值电阻的基准上 并联一个分流电阻 使新的中值电阻为原中值电阻的1 10 图2欧姆表的电路图 电路图如图2所示 2 电流表的设计制作 在表头的两端并联一个电阻 就构成一个电流表 在表头的两端并联不同阻值的电阻 可制成多量程的电流表 而在实际中多量程的安培表是在表头上并联一串低值电阻 如图3所示 图3电流表的构造 在表头上串联一个分压电阻就构成一个电压表 在表头上串联不同的分压电阻 就可制成多量程的电压表 如图4 3 电压表的设计制作 4 电表的校正 电流表校正和路图分别如图5和图6 校正电表的方法 将制作的电表同一准确度等级图5电流表校正连接电路图图6电压表校正连接电路图较高的标准电表进行比较 校正的结果得到电表各个刻度的绝对误差 其中最大的绝对误差与标准表的仪器误差之和为校正的最大绝对误差 最大绝对误差除以其量程即为该表的标称误差 可根据误差的大小 将电表分成不同的准确度等级 电表的等级常用一个圆圈标在电表的面板上 例如 表示该表为1等级 其标称误差不大于1 通常在校准刻度时 还画出其相应的校准曲线 即 以改装表的读数I为横坐标 以修正值为纵坐标 可通过校准曲线来修正读数 得到较为准确的结果 实验报告的要求 1 写明实验的目的和意义 2 阐明实验的基本原理 3 记录实验所用的仪器 材料的规格和型号 数量等 4 写出实验步骤 画出实验图示 记录各种实验现象和数据等 5 分析实验结果 讨论实验中出现的各种问题 6 得出实验结论 并提出改进意见 实验讨论思考题 1 在校正电流表时 如果发现改装表的读数相对于标准表的读数都偏低 问改装表的分流电阻应怎样调整才能达到标准表的数值 2 在校正电压表时 如果发现改装表的读数相对于标准表的读数都偏高 问改装表的分压电阻应怎样调整才能达到标准表的数值 3 试说明用欧姆表测电阻时 如果表头指针正好指在满刻度的一半处 则从标尺上读出的电阻值就是欧姆表的内阻值 4 欧姆表电池长期使用会使电压下降 调零电阻有时短路会使表头烧毁 为此 对调零电阻有何要求 又如何利用欧姆表中值电阻扩大欧姆表的量程 实验27电位差计的使用 实验的意义和目的 电位差计是精密测量中应用最广的仪器之一 不但用来精确测量电动势 电压 电流和电阻等 还可用来校准电表和直流电桥等直读式仪表 在非电参数量 如温度 电压 位移 和速度等 的电测法中也占有重要地位 箱式电位差计是利用补偿法原理制作的一种精密而使用方便的仪器 它可以直接用来测量电压或待测电动势 也可通过间接的方法测量电流 电阻以及校准电表 与实验相关的知识点 4 UJ31型电位差计测量电压的原理 5 UJ31型电位差计测量电流的原理 6 UJ31型电位差计测量电阻的原理 7 电路参数的选择 使用电位差计测量的电压 170mv 8 电路参数的选择 使流过电路的电流不超过电流表量程 9 校准微安表同一刻度线时 两次测量时 外电路中滑线变阻器阻值应相同 实验的主要器材 1 测量范围为0 1微伏至170毫伏的UJ31型电位差计1台 包括标准电池1个 检流计1台 输出为6伏的直流稳压电源1台 2 1号电池1节 作测量回路的电源 3 变化范围为1至9999欧的电阻箱1台 作标准电阻用 4 滑线变阻器1个 用1至99999 9欧的电阻箱代替 5 待测电阻盒 6 100 A的微安表一个 7 开关1个 8 导线若干 实验提示 1 用电位差计测量电阻阻值 多次测量 自行设计表格 记录相应数据并计算出结果 1 被测电阻阻值为几百欧 2 在进行测量前 应根据实验室所提供的仪器设备的规格参数设计出合适的测量电路 标准电阻Rs的选择 应使标准电阻两端的电压降Us 170mv 写出相应的计算公式 2 用电位差计测量电流表内阻 多次测量 自行设计表格 记录相应数据并计算出结果 1 被测微安表量程为100 A的微安表 2 在进行测量前 应根据实验室所提供的仪器设备的规格参数设计出合适的测量电路 标准电阻Rs的选择 应使标准电阻两端的电压降Us 170mv 并写出相应的计算公式 3 用电位差计校准电流表 1 被校电流表量程为100 A的微安表 2 在进行测量前 应根据实验室提供的仪器设备的规格参数 设计出合适的校准电流表的电路图 要求设计的测量电路应能满足流过电流表的电流在0 100 A范围内变化的要求 合理选择电阻R0的阻值 使得电阻R0上的电压应 170mV以及流过电阻R0的电流应小于该电阻的额定电流 写出相应的计算公式 3 对电流表标尺上每处标有数字的刻度线示值进行校正 并重复两次 取两次平均值作为实际值 按下表进行记录和计算 4 然后计算出各修正值C I标 I表 以C为纵坐标 对应的电流表示值为横坐标作图 得到电流表的修正曲线 折线 5 找出各次测量的实际值I标与I表之间的最大差值的绝对值作为电流表的基本误差 定出电流表的级别 最大示值误差是指在所测得的数据中 电位差计读数所计算出的电流与电表示数差值最大的一个数值 我国国家标准规定电表准确度等级为0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0等七个等级 若上式计算的结果为1 2 则此电表等级为1 5级 提示 在测量电路里 将电流表与一个已知阻值的电阻箱R0串联 如果用电位差计测得电阻箱R0两端的电压U0 那么流过电阻R0的电流可以算得 此电流也就是流过电流表的标准电流I标 实验报告的要求1 写明实验的目的和意义 2 阐明实验的基本原理 3 记录实验所用的仪器 材料的规格和型号 数量等 4 写出实验步骤 画出实验图示 记录各种实验现象和数据等 5 分析实验结果 讨论实验中出现的各种问题 6 得出实验结论 并提出改进意见 实验讨论思考题若用箱式电位差计校准电压表 电路及参数如何选取 实验28薄膜干涉应用的研究 实验的意义和目的 利用薄膜干涉不仅可以测定光的波长 介质的折射率 薄膜的厚度 固体的线膨胀系数 微小物体的线度等 而且可利用薄膜干涉对光学元件的球面度 材料的平整度 光洁度等进行检验 也可以用它来研究机械零件内应力的分布以及在半导体技术中测量硅片上氧化层的厚度等 还在制备光学薄膜如增透膜和增反膜等方面有着重要的应用 通过本实验使学生学习研究薄膜干涉在实际中的应用方法 参考资料 1 贾玉润 王公治 凌佩玲 大学物理实验 1985 上海 复旦大学出版社2 章电鸣 沈元华 陈惠芬 光学 第二版 2000 北京 高等教育出版社3 赵文杰 工科物理实验教程 2002 北京 中国铁道出版社4 马文蔚等 物理学 2000 北京 高等教育出版社5 马文蔚等 物理学原理在工程技术中的应用 2000 北京 高等教育出版社6 杜义林 大学实验物理教程 2002 合肥 中国科学技术大学出版社7 葛松华 唐亚明 大学物理实验教程 2004 北京 电子工业出版社 与实验相关的知识点 1 什么是光的干涉现象 相干光应满足什么条件 在光的干涉区域是否一定出现明暗相间的条纹 2 什么叫劈尖 薄膜干涉是怎样产生的 3 什么叫光程 什么叫半波损失 怎样计算光程差 4 形成干涉加强 明纹 的条件和干涉减弱 暗纹 的条件是什么 两束光发生相长干涉或相消干涉时 光能还守恒吗 5 什么是等厚干涉和等倾干涉 它们分别在什么条件下出现 6 光线斜入射到薄膜时 光在薄膜中的光程与正入射相比是变长了还是变短了 薄膜两表面反射的两相干光的光程差是变大了还是变小了 7 在劈尖干涉中 相邻两明纹所对应的厚度差等于多少 8 空气劈尖的厚度每变化半个波长的m倍 条纹数移动多少条 9 如何用等厚干涉的方法检验某加工光学工件表面的质量 10 干涉膨胀仪的原理是什么 11 怎样测定薄膜的厚度 12 迈克耳孙干涉仪的原理是什么 迈克耳孙干涉仪各部件起什么作用 13 牛顿环的明环半径和暗环半径 实验的主要器材 1 干涉膨胀仪 2 玻璃基板 毛玻璃片 3 单色仪 4 钠灯 汞灯 白炽灯 氦氖激光器等光源 5 读数显微镜 6 透镜 各种颜色的滤光片等 7 牛顿环实验装置 8 迈克耳孙干涉仪 9 宽度可调的光缝 直径可调的光孔 10 米尺 游标卡尺 千分尺等常用长度测量仪器 11 其它材料和光学实验常用元器件 实验提示 1 用迈克耳孙干涉仪测量介质的折射率或光波的波长 1 设计实验 观察已知波长的光的干涉图样 仪器调整 仪器水平调节 读数系统调整 光路调节 2 在迈克耳孙干涉仪的一臂光路上插入一块薄平行玻璃片 调节两反射镜的相对角度和位置 观察干涉图样的变化 并记下干涉图样的移动数m 用千分尺测出玻璃片的厚度d 根据即可求出玻璃片材料的折射率n 根据同样的原理也可测得光波的波长 2 用劈尖干涉法测量微小物体的线度 1 将待测薄片 或细丝 夹在两块平玻璃板的一端 另一端直接接触 形成劈尖 然后置于读数显微镜载物台上 2 调节显微镜叉丝方位和劈尖放置的方位 使显微镜筒移动方向与干涉条纹相垂直 以便准确测出条纹的间距b 选用适当的数据处理方法减小误差 3 用显微镜测读出叉丝越过20条明 暗 条纹时的距离X 可得到两相邻明条纹间的距离再测出两块玻璃接触处到细丝的总长度L 将测出的数据代入式 4 重复步骤 3 五次 自拟表格 记录多次测量的数据 求细丝的直径的平均值 3 用牛顿环测量平凸透镜的半径将测量数据代入即为待测平凸透镜的半径 4 利用干涉膨胀仪测定固体线膨胀系数 由学生选做 自己设计 5 利用劈尖干涉法检查工件表面的平整度 由学生选做 自己设计 实验报告的要求 1 写明实验的目的和意义 2 阐明实验的基本原理 3 记录实验所用的仪器 材料的规格和型号 数量等 4 写出实验步骤 画出实验图示 记录各种实验现象和数据等 5 分析实验结果 讨论实验中出现的各种问题 6 得出实验结论 并提出改进意见 实验讨论思考题 1 牛顿环等厚干涉和劈尖等厚干涉的条纹特征有什么不同 2 牛顿环等厚干涉和劈尖等厚干涉的条纹各形成在哪一个面上 定域在何处 3 调节和使用读数显微镜时应注意哪些问题 4 试解释迈克耳孙等倾干涉圆环为什么内疏外密 实验29投影仪 显微镜和望远镜的设计与组装 实验的意义和目的 投影仪是把一定大小的物体用光源照明以后 成像在屏幕上进行观察或测量 它在实际中有着广泛的应用 望远镜和显微镜是常用的助视光学仪器 望远镜主要是用来观察和测量远距离目标的一种目视光学仪器 望远镜在天文观测 工程测量 国防等科学技术领域中被广泛应用 显微镜主要用来帮助人们观察近处的微小物体 它在电子学 生物学和医学等领域中起着非常重要的作用 通过本实验使学生了解透射式投影仪 望远镜和显微镜的构造及工作原理 并掌握它们的调节使用 学会望远镜和显微镜放大率的测量并掌握光学系统的共轴调节方法 参考资料1 沈元华 设计性研究性物理教程 2004 上海 复旦大学出版社2 章志鸣 沈元华 陈惠芬 光学 第二版 2000 北京 高等教育出版社3 吴泳华 霍剑青 熊永红 大学物理实验 2001 北京 高等教育出版社4 汪风雄 现代教育技术简明教程 1998 四川 四川大学出版社 与实验相关的知识点 1 投影仪由哪两部分组成 照明系统由哪几部分构成 反射式投影仪和透射式投影仪的主要区别在哪里 2 对投影物镜的焦距怎样选择 3 银幕上的影像模糊不清和形状畸变应怎样调整 4 如何调整和使用投影器 5 通过哪些方法可测定透镜的焦距 并比较这些方法的优缺点 6 显微镜的放大倍数与哪些因素有关 如果显微镜的镜筒距离改变 它的放大倍数会如何改变 7 哪些因素限制了显微镜的放大倍数 如何测定显微镜的放大率 8 如果用一台显微镜来测量微小物体的大小 调节的步骤如何 9 组装显微镜时如何选择物镜和目镜 如何将各元件调成等高同光轴 10 组装望远镜时如何选择物镜和目镜 是否可选用组装显微镜时所用的目镜 11 如何测定望远镜的放大率 12 是否能用物镜框作为物测出望远镜的视角放大率 13 试从结构 用途 视角放大率以及调焦方法等几个方面比较望远镜和显微镜的异同 14 评价天文望远镜时 一般不讲它是多少倍的 而是说物镜口径多大 你能说明为什么吗 实验的主要器材 光源 箭孔屏 光具座 透镜架 两块平凸透镜 凸透镜若干块 平面镜 米尺及透明尺 可变光阑 投影片 屏等 实验提