中学物理实验与研究

1、中学物理实验分析与研究中学物理实验分析与研究第一讲第一讲 分析和测量物体的重心位置一、测量物体重心的位置一、测量物体重心的位置目的：确定任意薄板形状重心的位置目的：确定任意薄板形状重心的位置器材：支架、细线、重锤、薄板、铁钉、器材：支架、细线、重锤、薄板、铁钉、刻度尺等刻度尺等1.1.薄板状物体：薄板状物体：方法方法：将细线与薄板边缘某处固定后将细线与薄板边缘某处固定后并使薄板自然下垂，见右图并使薄板自然下垂，见右图(a)(a)。在薄板上画出下垂线。在薄板上画出下垂线。取薄板边缘不同点位置，重复取薄板边缘不同点位置，重复以上做法分别画出几条下垂线。以上做法分别画出几条下垂线。得到几条下垂线的交

2、点得到几条下垂线的交点C C，即，即为薄板的重心位置。为薄板的重心位置。用一根铁钉支撑起薄板，使其用一根铁钉支撑起薄板，使其达到平衡状态，即铁钉的支撑达到平衡状态，即铁钉的支撑点为薄板的重心位置。点为薄板的重心位置。 2、杆状物体: 目的：测定杆状物体的重心目的：测定杆状物体的重心 器材：杆状物体器材：杆状物体方法：方法：用两手指（或用两相同材质用两手指（或用两相同材质的细杆）平端起杆状物，见的细杆）平端起杆状物，见右图（右图（b b）。）。当两手指（或用两相同材质当两手指（或用两相同材质的细杆）相互逐渐靠近时，的细杆）相互逐渐靠近时，则摩擦力小的一边先滑动。则摩擦力小的一边先滑动。当两手指（

3、或用两相同材质当两手指（或用两相同材质的细杆）相遇时，则相遇点的细杆）相遇时，则相遇点即为杆状物体的重心处。即为杆状物体的重心处。思考的问题思考的问题1.1.如何确定任意薄板形状重心的位置如何确定任意薄板形状重心的位置2.2.如何确定杆状物体重心的位置如何确定杆状物体重心的位置第二讲第二讲压强的分析与测量方法 压强的定义：压强的定义： 物体单位面积上受到的压力称作压强物体单位面积上受到的压力称作压强 即：即： 垂直作用在物体表面上的力称作压力，垂直作用在物体表面上的力称作压力， 压力的单位是牛，受力面积的单位是米压力的单位是牛，受力面积的单位是米2 2， 压强的单位即为牛压强的单位即为牛/ /

4、米米2 2 。 牛牛/ /米米2 2有一个专门名称，为帕斯卡，简称帕，有一个专门名称，为帕斯卡，简称帕， 用用PaPa表示。表示。 1 1帕帕=1=1牛牛/ /米米2 2SFp 液体压强与液体的密度和深度有关液体压强与液体的密度和深度有关液体的压强与流速的关系液体的压强与流速的关系气体压强与流速的关系气体压强与流速的关系DIS DIS 实验实验 探究一定质量的气体，探究一定质量的气体，在体积不变的情况下，其压在体积不变的情况下，其压强与温度的关系。强与温度的关系。思考的问题思考的问题1.1.测量压强有哪些方法测量压强有哪些方法? ?2.2.液体压强与液体的密度和深度间的关系如何液体压强与液体的

5、密度和深度间的关系如何? ?3.3.液体的压强与流速间的关系如何液体的压强与流速间的关系如何? ?4.4.气体压强与流速气体压强与流速间的关系如何间的关系如何? ?第三讲第三讲分析各种测量长度的方法1. 1. 用工具直接测量长度量用工具直接测量长度量-米尺米尺（直尺）（直尺）注意事项 米尺的刻度线紧贴被测物体，以某一刻度线为起点，多次测量取平均。温度误差的消除方法 被测物与米尺的温度不同，被测物与米尺的线膨胀系数不同。 L=La2(t2-20)-a1(t1-20)2. 2. 游标卡尺游标卡尺 一般使用的游标n为10，20，50，其游标精度分别为0.1mm，0.05mm，0.02mm。 主尺的一

6、分格宽为x，则游标的一分格宽为(n1)Xn ，两者的差x=xn 为游标精度。 3. 3. 螺旋测微器螺旋测微器 常用的螺旋测微器量程为25mm，精确度为0.01mm，即千分之一厘米。4. 4. 用光杠杆法测量长度用光杠杆法测量长度 钢丝伸长 L=K(y y0)/2D 称A=2D/K,为光杠杆的放大倍数。5. 5. 用霍尔传感器法测量位移用霍尔传感器法测量位移 变化量变化量 霍尔原理如左图所示，通过测定霍尔传感器上输出的电压大小来判断霍尔元件在磁场中的位移变化量。右图为实验的装置图。6. 6. 用声速法测量长度用声速法测量长度 共振干涉法 = , |l1l2|= /2 相位比较法 =2l/， 由

7、于= ，则 =2l/。 当 2l1/2l2/ 时, l1l2=/2 时差法 =(L1L2)/(T1T2) 8.8.用测电阻的方法测量位移变化量用测电阻的方法测量位移变化量 电阻上电阻上b b点的位移即引起电阻值的变化；反之，点的位移即引起电阻值的变化；反之，通过测定电阻的变化则能得到位移的变化量。通过测定电阻的变化则能得到位移的变化量。9.9.用测电容的方法测量位移变化量用测电容的方法测量位移变化量 电容上两极板间的间距变化即引起电容量的变化；反之，通过测定电容的变化则能得到位移的变化量。10.10.用测电感的方法测量位移变化量用测电感的方法测量位移变化量 测线圈与线圈的间距变化或线圈内的介质

8、位移变化。11.11.用显微镜直接测量用显微镜直接测量 显微镜测量等倾干涉条纹的间距变化用干涉仪测量位移变化量。12.12.用干涉仪测量位移变化量用干涉仪测量位移变化量13.13.用光衍射法测量位移变化量用光衍射法测量位移变化量 单缝衍射法单缝衍射法 在符合远场条件下，它的光强为：在符合远场条件下，它的光强为：I I=I=I0 0sin/ sin/ (=sin/)(=sin/) 1. 1.当当=0(=0(即即=0)=0)时，时，P P处的光强处的光强I I=I=I0 0为最大值。为最大值。 2.2.当当=k(K=k(K=1,1,2,2,3),3)，sin=x/D=sin=x/D=，=D/x =

9、D/x （x x为一级暗条纹到中央亮条纹中心的距离）为一级暗条纹到中央亮条纹中心的距离）。14.14.光栅衍射法光栅衍射法 当光栅到观察屏的距当光栅到观察屏的距离足够大时，离足够大时， dsin=kdsin=k，(d=a+b)(d=a+b)，所以所以dx/L=kdx/L=k，所以，所以d=kL/x d=kL/x 思考的问题思考的问题1.1.测量长度量的常用工具有哪些测量长度量的常用工具有哪些? ?2.2.测量长度变化量的方法有哪些测量长度变化量的方法有哪些? ? 各具有的测量原理是怎样的各具有的测量原理是怎样的? ?第四讲第四讲分析和测量质量、密度及液体粘滞系数的各种方法4 4、1 1 用工具

10、测量质量用工具测量质量 天平：天平： 1 1、托盘天平（精度、托盘天平（精度0.25g0.25g） 2 2、物理天平（精度、物理天平（精度0.01g0.01g） 3 3、分析天平（精度、分析天平（精度0.02g0.02g） 4 4、光电天平（精度、光电天平（精度0.0001g0.0001g） 5 5、电子天平（精度、电子天平（精度0.01 0.0001g0.01 0.0001g）4.2 4.2 用间接的方法测量质量用间接的方法测量质量4 4、2 2、1 1. .弹簧振子弹簧振子 4 4、2 2、2 2 惯性秤惯性秤 右图为惯性秤装置。右图为惯性秤装置。即利用图中即利用图中A,BA,B的两的两片

11、钢条作左右摆动片钢条作左右摆动时，测其摆动周期时，测其摆动周期来得到相应的物体来得到相应的物体质量。质量。4 4、2 2、3 3 气垫导轨气垫导轨 振动法测物体质量，由 T=2(m0+m)/K 得到： m=m0+KT/42. 右图为气垫导轨测速度、 加速度及测弹簧振动周期的实验装置图。4、2、4 用液压法测大质量 根据帕斯卡原理，可用根据帕斯卡原理，可用右图制成液压秤。图中的右图制成液压秤。图中的m mQ Q和和m mr r分别表示被测物和标准分别表示被测物和标准砝码的质量，砝码的质量，A A1 1和和A A2 2分别表分别表示两个液压活塞的有效面积，示两个液压活塞的有效面积，则当平衡时可得到

12、以下的关则当平衡时可得到以下的关系式为：系式为： m mQ Q=m=mr rA A1 1/A/A2 24 4、3 3、1 1 测量密度的一般方法测量密度的一般方法用天平和量筒测固体的密度用天平和量筒测固体的密度 =m/V=m/V用天平和量筒测液体的密度用天平和量筒测液体的密度 =(mm=(mm0 0)/V)/V用天平和比重瓶测气体的密度用天平和比重瓶测气体的密度 =(m=(m1 1mm2 2)/V )/V 用流体静力称衡法测固体的密度用流体静力称衡法测固体的密度 =m=m1 10 0/(m/(m1 1mm2 2) ) 如果将上述固体浸没在某待测液体中，设天平如果将上述固体浸没在某待测液体中，设

13、天平平衡时的砝码示值为平衡时的砝码示值为M M3 3，则可求待测液体的密度，则可求待测液体的密度 ，它等于它等于 =(m=(m1 1mm3 3)0 0/(m/(m1 1mm2 2) )5. 5. 用比重瓶法测液体的密度用比重瓶法测液体的密度 比重瓶的容积比重瓶的容积 V=(mV=(m3 3mm1 1)/)/0 0 待测液体的密度待测液体的密度 =(m=(m2 2mm1 1)0 0/(m/(m3 3mm1 1) ) 同样可用比重瓶法测量微小颗粒固体的密度同样可用比重瓶法测量微小颗粒固体的密度 =m=m1 10 0/(m/(m1 1+m+m2 2mm3 3) ) 4 4、3 3、2 2 研究阿基米

14、德定律研究阿基米德定律 （1）实验时向溢杯中装稍过量的水，让部分水溢出到烧 杯中，然后读出两个弹簧秤的读数，作为初读数。 （2）降低悬挂的被测物，使其浸没在水中，并由小烧杯3上方的弹簧秤显示出增加的被测物排开水所受的重力G的值。图（b）为改变实验状态后得到的一组F和G的值。4 4、3 3、5 5 测定空气的密度（排水法）测定空气的密度（排水法）右图所示，用气筒将皮球打足气，称出皮球的质量m1。2. 将量杯装满水后，倒放在水盆中，用气针和乳胶管将皮球中的空气引入量杯内，用量杯排水集气法可得到释放的气体体积。3. 被排出的气体质量可由排气前后两次秤量的结果得到，即m=m1-m2 。思考的问题思考的

15、问题1.1.测量物体质量的工具有哪些测量物体质量的工具有哪些? ?2.2.测量物体质量的方法有哪些测量物体质量的方法有哪些? ? 各具有的测量原理是怎样的各具有的测量原理是怎样的? ?第五讲第五讲分析和测量温度的各种方法5.1 5.1 用酒精温度计、水银温度计测量用酒精温度计、水银温度计测量温度温度特点: 简单、方便、直观，但不宜测量较高的温度，有时还会受到条件的限制。5.2 5.2 用热敏电阻温度计测温用热敏电阻温度计测温 RT=l/s=a0eb/T/s=aeb/T 式中，(a=a0 l/s) RT=a+b/T 设x=1/T，y=RT ，A=a 上式可写为线性关系式 Y=A+BX 用作图法或

16、计算法求出参数A、B值，又可由A得到a值。5.3 5.3 用热电偶测温用热电偶测温 热电偶的电动势和温差之间的关系取二级近似式为： =a(t-t0)+b(t-t0) 思考的问题思考的问题1.1.测量温度的常用工具是哪些测量温度的常用工具是哪些? ?2.2.测量温度的常用方法有哪些测量温度的常用方法有哪些? ? 各具有的测量原理是怎样的各具有的测量原理是怎样的? ?第六讲第六讲分析和测量时间的各种方法6 6、1 1 测量时间的工具测量时间的工具 6 6、1 1、1 1 节拍器节拍器 左图为机械节拍器的外观图左图为机械节拍器的外观图, ,右图为电右图为电子节拍器的面板图子节拍器的面板图6 6、1

17、1、2 2 电子秒表电子秒表6 6、1 1、3 3 多用数字测试仪多用数字测试仪思考的问题思考的问题1.1.常用测量时间的工具有哪些常用测量时间的工具有哪些? ?第七讲第七讲 分析和测量电流、电压和电阻的各种方法7 7、1 1 用仪表直接测量用仪表直接测量电流、电压电流、电压和电阻和电阻 电流表,检流计,电压表和多用电表 7 7、2 2、1 1 用伏安法测量用伏安法测量 右图为伏安法测量右图为伏安法测量线路图。而电流表与电线路图。而电流表与电压在电路中所处的不同压在电路中所处的不同位置，则又可分为电流位置，则又可分为电流表或电压表的内接法及表或电压表的内接法及外接法两种。外接法两种。 7 7、

18、2 2、2 2 用补偿法测量用补偿法测量 右图为补偿法测量线路图。右图为补偿法测量线路图。其根本的问题是解决了指针式电其根本的问题是解决了指针式电表因内阻的影响导致了测量结果表因内阻的影响导致了测量结果的过大偏差，从图的过大偏差，从图3 3上可见，当上可见，当C C、B B端电位相等时，经过电压表内端电位相等时，经过电压表内阻的电流将不再流经电流表，则阻的电流将不再流经电流表，则使测到的电流及电压值能尽可能使测到的电流及电压值能尽可能贴近实际结果。贴近实际结果。7 7、3 3、1 1 直流电桥法测中值电阻直流电桥法测中值电阻直流电桥法测中值电阻的线路图直流电桥法测中值电阻的线路图 7 7、3

19、3、4 4 分压法测高值电阻分压法测高值电阻 下图为分压法测高值电阻的原理图。计下图为分压法测高值电阻的原理图。计算方式如下：算方式如下： I I0 0=/(R=/(Rx x+R+R0 0) ) 由于由于 I I0 0=U=U0 0/R/R0 0 得得 R Rx x= R= R0 0(U/U(U/U0 01)1)思考的问题思考的问题 1. 1.测量电阻的常用方法有哪些测量电阻的常用方法有哪些? ? 各具有的测量原理是怎样的各具有的测量原理是怎样的? ?第八讲第八讲分析和测量磁场的各种方法分析和测量磁场的各种方法8 8、1 1 线圈感应法测磁场线圈感应法测磁场 图为感应法测磁场的实验接线图。图为

20、感应法测磁场的实验接线图。8 8、2 2 用霍尔片测量磁场用霍尔片测量磁场 下图为霍尔原理图。其中磁场、电流及电压三项间的关系为： B=VH/KHI KH=1/Nqb （霍尔灵敏度）思考的问题思考的问题 1. 1.测量磁场的常用方法有哪些测量磁场的常用方法有哪些? ? 各具有的测量原理是怎样的各具有的测量原理是怎样的? ? 2. 2.磁场是大小及方向如何来确定磁场是大小及方向如何来确定? ?第九讲第九讲分析和测量光波波长的各种方法9 9、1 1 用显微镜测干涉条纹用显微镜测干涉条纹9 9、2 2 用单色仪测光波波长用单色仪测光波波长 左图为单色仪测光波波长的实验装置左图为单色仪测光波波长的实验

21、装置图。单色仪内部的光路见右图。图。单色仪内部的光路见右图。9 9、3 3 用分光计测量光波波长用分光计测量光波波长9 9、4 4 用摄谱仪测光波波长用摄谱仪测光波波长x=1+(dx-d1)(2-1)/(d2-d1)9 9、5 5 用光偏振法测光波波长用光偏振法测光波波长=2 /=2(n0-ne) d/9 9、6 6 用干涉法和衍射法测光波波长用干涉法和衍射法测光波波长思考的问题思考的问题 1. 1.测量光波波长的常用方法有哪些测量光波波长的常用方法有哪些? ? 各具有的测量原理是怎样的各具有的测量原理是怎样的? ? 第十讲第十讲物理实验的设计思想和制作1010、1 1 分析归纳设计思想的制作

22、分析归纳设计思想的制作 要进行实验方法和实验方案的研究，要进行实验方法和实验方案的研究，首先要善于分析、归纳实验的设计思想，首先要善于分析、归纳实验的设计思想，找出实验中要解决的重点和难点问题，并找出实验中要解决的重点和难点问题，并寻求解决的方法。寻求解决的方法。1010、2 2 分析设计思想的三个角度分析设计思想的三个角度n 符合物理原理。符合物理原理。n 满足教学要求或实用要求。满足教学要求或实用要求。n 注意仪器制作或装置搭配中的一些工注意仪器制作或装置搭配中的一些工艺和选材等问题。艺和选材等问题。n 10 10、3 3 根据需求建立实验模型根据需求建立实验模型 1010、4 4 根据要

23、求选择合适的器材根据要求选择合适的器材 需求是创造发明的源泉，需求是创造发明的源泉， 也是实验设计的源泉。也是实验设计的源泉。 思考的问题思考的问题 1. 1.从物理实验中能学会哪些思考方法从物理实验中能学会哪些思考方法? ?第十一讲第十一讲 物理实验对学生能力的培养1111、3 3 培养学生实验能力的几个方面培养学生实验能力的几个方面1111、3 3、1 1 在学习中提高在学习中提高兴趣兴趣 通过声、光、运动等现象，尽可能对学生的感觉能产生强烈印象，并通过动手实验来激活学生的兴趣。如右图所示：1111、3 3、2 2 在实验中提高兴趣在实验中提高兴趣 即使是一些无法直观现象的实验，也应该设法

24、从理论与实际的结合点上去开拓学生的视野，同样能起到提高学生兴趣的目的。如右图所示： 1111、3 3、3 3 在实践中提高学生的动手能力在实践中提高学生的动手能力学会各种基本仪器的使用和调整： 力学实验中各种测量长度的工具、各种天平、各种计时仪器、各种测温仪器等。 电学实验中各种电表、各种元器件、各种交、直流电源、各种频率计、各种示波器等。光学实验中的各种测波长仪器，各种透镜，各种电源等。2. 学会制作一些必要的装置和器材： 例如，平行电流间相吸或相斥的演示实验。1111、3 3、4 4 培养学生实验能力的几个方面培养学生实验能力的几个方面(1)(1)学会观察现象学会观察现象,如下图（2 2）

25、 学会学会“投石问路投石问路” 实验题：如图5有一个黑色圆柱容器，周围表面上带有一些可移动的缝，在容器当中有一件物品，它是下面所列的物品中的一个，玻璃片，棱镜，透镜，双缝，充满钠蒸气的管子，请描述一个实验，以便找出容器中究竟有什么？ 解：用一束平行的钠光或汞光束，通过容器的一个缝入射，在另一个缝上观察，如容器内是玻璃片，出射光束将与入射光束平行，棱镜会使入射光偏转。透镜会使入射光束聚集，这可以在出射光一边移动屏幕来观察。如果里面是光栅，则可看到在基带周围有对称排列的光谱线。如果是双缝，会产生干涉和衍射效应，如果里面是钠饱和蒸气汽管，则用钠光入射里，什么也看不到(3) (3) 学会正确判断学会正

26、确判断 直流电判断法1,如左图所示；交流电判断法如右图所示(4)(4)学会良好的习惯和操作方法学会良好的习惯和操作方法例如：注意接地线的问题。(5)(5)学会在理论与实践的结合中解决问题学会在理论与实践的结合中解决问题(6)(6)在提高的基础上学会创造在提高的基础上学会创造 思考的问题思考的问题 1. 1.学习物理实验能提高哪些能力学习物理实验能提高哪些能力? ?第十二讲第十二讲实验数据的测量与处理实验数据的测量与处理表达结果的三个要素表达结果的三个要素单位单位不确定度不确定度数值数值物理量物理量测量的方式测量的方式1 1、直接测量、直接测量（1 1）单次直接测量）单次直接测量（2 2）多次直

27、接测量）多次直接测量 A.A.等精度的多次直接测量等精度的多次直接测量 B.B.非等精度的多次直接测量非等精度的多次直接测量2 2、间接测量、间接测量1.1.直接测量直接测量（1 1）单次直接测量结果的不确定度估算）单次直接测量结果的不确定度估算 （常用极限不确定度表示）（常用极限不确定度表示） 1.1.仪器的误差仪器的误差 2.2.综合估计误差综合估计误差对于均匀分布的情况对于均匀分布的情况 一般计算一般计算 粗略计算粗略计算eN 3e2ee例：例： 物理天平的仪器误差为物理天平的仪器误差为0.02g0.02g，则，则ge01. 0202. 02（2 2）多次直接测量）多次直接测量 A.A.

28、等精度测量结果的不确定度估算等精度测量结果的不确定度估算 标准不确定度标准不确定度 式中式中测量列的标准不确定度测量列的标准不确定度nNnii12)(1)(12nNNniiNaNNii算术平均值的不确定度算术平均值的不确定度 在得到的数据中，经检验后不存在粗差的前提下，在得到的数据中，经检验后不存在粗差的前提下，则可由统计方式得到以下关系：则可由统计方式得到以下关系：) 1()(12nnNNnniiNN例题：例题：设对某物体的长度进行了设对某物体的长度进行了1010次测量，其结果为：次测量，其结果为：N 1 2 3 4 5 N 1 2 3 4 5 L(mm) 20.42 20.43 20.40

29、 20.43 20.40L(mm) 20.42 20.43 20.40 20.43 20.40N 6 7 8 9 10N 6 7 8 9 10L(mm) 20.39 20.40 20.43 20.42 20.39L(mm) 20.39 20.40 20.43 20.42 20.39 413.20201NLLii得到测量列的不确定度为：得到测量列的不确定度为：用拉依达准则检验，无粗差，得到算术平均值的不确定度为：用拉依达准则检验，无粗差，得到算术平均值的不确定度为：故最后结果表示为：故最后结果表示为：mmnLLiiL016.01)(2012mmnnLLnniisL005. 0) 1()(12%02. 0,.)005. 0413.20(EcmLLL不确定度合成的常用公式不确定度合成的常用公式 函数表达形式函数表达形式 方和根合成方式方和根合成方式 算术合成方式算术合成方式yxN22yxNyxNeeeyxNorxyN.22)()(yxNyxNyexeNeyxNkxN xNkxNekekxN xkNxNxekNexN例题：例题： 测量某一物体的密度时得到其质量和体积分别为：测量某一物体的密度时得到其质量和体积分别为： 由于密度是间接测量结果，为以上两个直接测量量的乘除关系，则不确由于密度是间接测量结果，为以上两个直接测量量的乘除关系，则不确 定度的合成为：定度的合成为： 密度的结果表达为