大学物理实验指导书电子版.docx
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大学物理实验指导书电子版
大学物理实验指导书
（电子版）
上海海运学院
2010.05
绪论┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
3
实验数据的处理方法┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
7
实验一.长度的测量┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
9
实验二.测量钢丝杨氏模量┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅11实验三.扭摆法测定物体转动惯量┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅13实验四.空气比热容比测定实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅17实验五.线膨胀系数测定┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅18实验六.常用电学仪器的使用┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅-19
实验七.惠斯登电桥测电阻┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
22
实验八.电位差计测电动势┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
24
实验九.电表改装┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
26
实验十.示波器的使用┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
28
实验十一.等厚干涉的应用┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
31
实验十二.用光栅测定光波的波长┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
33
实验十三.旋转液体物体特性测量┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
34
实验十四.波尔共振┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
36
实验十五.用梁的弯曲测量材料的杨氏模量┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
38
实验十六.仿真实验—偏振光的研究┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
39
实验十七.光纤传输技术┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
42
实验十八.激光全息照相┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
44
实验十九.迈克尔逊干涉仪的应用┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
46
实验二十.光拍法测量光速┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
49
实验二十一.光电效应┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
52
实验二十二.霍尔效应及其应用┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
55
实验二十三.荷质比实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
58
实验二十四.金属电子逸出功实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
62
2
实验二十五.声速测量┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
66
实验二十六.夫兰克赫兹实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
69
实验二十七.密立根油滴实验┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
73
实验二十八.多量程直流电表的设计┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅
77
3
绪论
早在五十年代，我国物学家钱三强就指出：
今天的科学技术发展可以概括为“科学技术化和技术的科学化”，也就是说：
科学和技术关系越来越密切，科学与技术相互渗透。
因此教育界普遍关心的问题，不仅是工艺和设计程序的传授而应把重点放在创造精神和研究能力的培养上。
为此，必须注意和加强学生实验技能的培养和训练。
加强实验技能的培养，不是一门普通物理实验课所能完成的，各种实验技术都是一门专门的学问，但是任何复杂的实验工作总离不开基本物理量的测量。
一．物理实验课的任务主要有下述三个方面：
1.对学生进行实验基本知识、方法、技能技巧方面的培养的训练。
要求学生掌握一些常用物理量的测量方法，基本上具备观察现象测量数据。
处理和分析结果到完整地写出实验报告的能力。
2.在实验中通过自己动手、观察、测量、分析、更深入理解物理理论。
3.培养严肃认真、实事求是的科学作风和爱护国家财产、遵守纪律的优良品德。
二．测量与误差
1.基本概念
测量可分为直接测量与间接测量两种。
直接测量就是用量具或电表直接与被测之量比
较所得的量。
间接测量就是测出与待测量有一定关系的诸量，然后计算出该待测量。
一个物理量在客观上有着确定的数值成为真值。
测量值与真值之间的差别称为误差。
误差按其产生原因与性质分为两类：
①系统误差
产生系统误差的主要原因：
仪器、测量方法和计算方法的不完善。
②偶然误差
产生偶然误差的主要原因：
人的感觉器官的限制及实验环境等干扰。
偶然误差的出现服从统计规律，因此通过多次测量求平均值的方法可以减小偶然误差。
③粗大误差
明显超出规定条件下预期的误差。
实验中尽量避免。
2．不确定度
测量不确定度是表征被测量量的真值以一定的概率落在某一个量值范围内的不肯定程度的一个估算。
一般用U表示。
不确定度分类：
①
A类不确定度：
统计分析方法评定，记作
UA；
②
B类不确定度：
非统计分析方法评定，记作
UB；
③
合成不确定度：
将A类不确定度和B类不确定度用一定规则合成，常用公式
UUAUB。
3．直接测量结果的不确定度计算
①对某个物理量测量几次，每次测量结果分别为l1,l2,l3.....li,......ln，求出算术平均值：
l
②求标准偏差l
n
li
i1
n
n
2
lil
i1
贝塞尔公式l
③A类不确定度UA
na
4
UA
t
l（系数
t查书本第六页
表1）
n
n
注：
测量次数
6到10次时
t
1
n
④B类不确定度UB
UB
仪（
仪查书本第七页表
2）
⑤合成不确定度
Ul
UA
UB
⑥结果表示
l
l
Ul
不确定度与测量结果平均值之比称为相对不确定度。
E
Ul
100%
l
4．间接测量的不确定度计算
设Nf（x,y,z
），则不确定度传递公式：
2
2
2
UN
f
Ux2f
Uy2
f
Uz2
x
y
z
结果表示：
N
N
UN
UN
100%
EN
N
三．有效数字及其运算
1.什么叫有效数字？
在测量和计算时，正确而有效地表示测量和运算结果的数字，称为有效数字。
它由若干
位可靠数加一位估计数构成。
2.处理有效数字时应注意几点：
①凡数字后面的“0”是有效数字；
②在数字前面的“0”不是有效数字；
③有效数字与小数点位置无关。
3.运算规则
①加减法只保留一位可疑数字；
②乘除法以最少有效数字位数为标准；
③不确定度的有效数字只取一位。
计算结果的表示要求：
NNUN（UN保留一位有效数字，N和UN对齐）
四．实验报告的要求
实验报告两个部分来完成，在实验之前先作预习部分。
预习前留一页空白页
在实验结束后再完成实验部分，数据数据写在预习前空白页，预习部分和实验部分的报告做在同一份实验报告纸上。
实验报告包括：
1.实验名称。
2.目的要求.。
3.简单原理。
4.步骤。
5.使用器材。
6.记录和计算。
7.误差讨论和分析
其中1，2，3，4为预习内容
5
五．习题答案
1．
1.50104公里1.50
101公里
（1）0.000150公里
（2）5890毫米=5.890103毫米
5.890米
2．
（1）27
（2）7.0102（3）3.28106
（4）1.1103
（5）6.0
105
（6）1.0
3．
厘米3
（1）8.9±0.1
（2）0.0085±0.0001单位
（3）（6.20.1）
103
（4）（3.170.02）
104
（5）（1.36
0.05）
103
（6）（3.09
0.02）
101
4．
（1）
X
I
R
350
0.2
7
10V
UX
I2UR2
R2UI2
7V
X
（7.0
0.7）
10V
EX
10%
（2）
N
32.85
UN
（1）2Ux2
（1）2Uy2
（
（x
2
y））2Uz2
1
z
z
z
N
33
1
EN
3%
（3）R2.1
UR
UR21UR22
UR23
0.2
N
2.10.2
EN
10%
（4）N139
UN
（T2）2UD2
（2DT）2UT2
N
1394
EN3%
5．
（1）a
2.00cm
a
UA
1.05
a
0.021cm
UB
U
UA2
UB2
0.05cm
a
2.00
0.05cmEa
2%
（2）L8.00cm
UN
（4）2Ua2
0.2cm
L
8.0
0.2cm
EL
2%
（3）s
4.00cm2
Us
（2a）2Ua2
0.2cm
s
8.0
0.2cm2
ES
2%
6．
n
9
m36.123g
4
5
a）2
（ai
i1
0.02cm
n
1
0.05cm
6
m
106（4116
94
10）
0.002g
7
1
UA
m0.002g
UB
0.004g
U
UA2
UB2
0.004g
m
36.124
0.004g
Em
0.01%
7．
d
8.044mm
d
10
6（1
4
1
9
4
1
9）
9
1
0.002mm
UA
d
0.002mm
UB
0.004mm
U
UA2
UB2
0.004mm
d
8.044
0.004mm
4（4
h
50.856mm
d
10
4
4
4
4）
1
0.02mm
9
UA
d
0.02mm
UB
0.02mm
U
UA2
UB2
0.03mm
h
50.86
0.03mm
UV
（dh）2U
d2
2
（d2）2U
h2
4
3mm
2
V2585mm
3
V
2585
3mm
m
20.350.04g
0.007872g/mm3
U
1
22
（
m
2）
22
3
0.00787
0.00002g/mm3
（）
Um
V
UV
0.00002g/mm
V
8.
x
9
7
5
3
1
y
46.69496
36.12556
25.504227
15.482824
5.304216
lxx
（xi）
2
1
（
xi）2
40
lxy
（xiyi）
1
（
xiyi）
206.848448mm2
n
b
n
b
k5.1712111
2.19mm
R
4
7
实验数据的处理方法
在物理实验中，选择好的数据处理方法十分重要。
常用的有图示法，图解法，逐差法
等。
一、图示法
任意两个物理量之间的关系即可从用一个解析函数表示，这时图示法就成为一种主要
的表示方法了，图示法的另一优点是物理量之间的关系，可用曲线表示，一目了然。
在很
多场合下应用图线来解决实际问题十分方便，因此图示法是实验技能中的一项基本功，应
该很好地掌握它。
具体作法如下：
1.作图必须用毫米方格纸。
2.确定坐标⑴确定纵坐标和横坐标分别表示哪个物理量，通常以横坐标为自变量，纵坐标为因变量并划两条粗线表示纵轴和横轴。
⑵写上坐标名称、单位，并在两个坐标轴上每隔一定的距离写上标度。
标度时应做到：
①图上观测点的坐标读数的有效字位数要能表示出估读位。
②标尺的选择应使图线显示其特点。
标度应划分得当，以不用计算就能直接读出图线上
每一点的坐标为宜。
通常取1：
1，1：
2，1：
5的比例。
③使图线占据图纸的大部分，不要偏于一角或一边，可以采用横轴和纵轴的标度不同，或者两轴交点不从零开始标值，以便调整图线的大小和位置。
3.画实验点及描绘曲线⑴画点
将实验点用+、，等符号表明在图纸上，同一曲线上的坐标点要用统一符号。
⑵联线
穿过所有实验点画出的代表曲线，画点联线应注意两点：
①用削尖的硬铅笔
②用透明的直尺或曲线板
⑶写图名
在图纸上端空旷位置写出实验名称、图纸名称。
二、图解法
由实验求得两物理量的关系曲线后，利用此曲线可以求得第三个物理量，这种方法称为图解法。
物理实验中遇到的图线大多是直线，故可用直线方程式表示：
ymxy0
求直线的斜率和截距的方法如下：
在直线的两端任取a和b，用与实验点不同的符号将它们表示出来，并在旁边注明坐标读数。
然后将该二点坐标值代入直线方程式
y1mx1y0
y2mx2y0
解之，得直线的斜率
m
y2y1
x2x1
如果x轴起点为零，则可直接从图上读出截距
y0，因x=0时，y=y0否则在求出斜率m
后，以直线上任一点的坐标（
x，y）带入y
mxy中即可算出截距yo，于是得到和
实验图线相合适的经验公式了。
举例：
如根据欧姆定律：
V=RI，根据二点公司求直线斜率的方法可得
8
三、逐差法
逐差法是物理实验中常用的数据处理方法之一。
逐差法就是把实验测量数据逐项相减，或
分成高、低两组对应项相减。
例如测得八组数据x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8。
用逐差法可以得到
x
1
[（x8x4）（x7x3）（x6x2）（x5x1）]这样处理了以充分利用数据，保
4
4
持了多次测量的优点。
9
实验一长度的测量
一.目的要求
1.学习误差及有效数字的基本知识
2.掌握游标原理，学会正确使用游标卡尺
3.学会正确使用螺旋测微仪，了解其结构和原理
二.原理
物理实验中最常用的长度测量仪器是游标卡尺，螺旋测微器（千分尺），通常用
量程和分度值表示这些仪器的规格。
量程是测量范围；分度值是仪器所表示的最小分划单位。
分度值的大小反映仪器的精密程度，洋来说，分度值越小，一起越精密，仪器本身的“允许误差”响应也越小，学习使用这些仪器，要主义掌握它们的构造特点，规格性能，读数原理，使用方法及维护知识等。
1.游标卡尺
①结构
游标卡尺又主尺和游标组成。
包括卡尺的主尺，刀口，钳口，尾尺各个组成部
分。
②原理
游标的n个分度格长与主尺的
n1个分度格长相等，设主尺的最小分度值
a（通
常为1mm），游标的最小分度值为
b，则nb
（n1）a，ab
a，ab就称为游标的
精度值，常用的有
0.05mm
0.02mm
n
，
两种。
③测量
用钳口或刀口卡住物体，进行读数。
2.螺旋测微器（千分尺）
螺旋测微器结构的主要部分是一个微动螺旋杆，螺距是0.5mm，因此，当螺旋杆
旋转一周时，它轴线方向只前进0.5mm，螺旋杆和螺旋柄连着的，在柄上附有沿园周
的刻度，共有50等分格，当螺旋杆沿轴线方向前进0.5/50mm，即0.01mm时，螺旋
柄上的刻度转过一分格，这就是所谓机械放大原理。
读数时，从固定标尺上读出鉴格数（每格0.5mm），0.5mm以下的读数则由螺旋
柄园周上的刻度读出，估读到0.001MM这一位上。
使用时先要记录初读数。
三.实验内容：
用游标卡尺测薄片尺寸（图1-1）并计算薄片的面积；
用螺旋测微器测金属丝的直径并计算其横截面积值；
用游标卡尺测量金属棒尺寸并计算其体积。
四.注意事项
1.使用游标尺时，一手拿物体，另一手执尺，要特别注意保护量爪不磨损，使用时轻轻把物体卡住即行读数，不允许用来测量粗糙的物体，并切忌把夹紧的物体在卡口内
挪动。
2.使用螺旋测径器，记录零点读数，并对测量数据作另点修正，螺旋测径器的另点可以调整，可见仪器说明书。
3.记录另点及将待测物体夹紧测量时，应轻轻转动棘轮旋柄推进螺杆，不要直接拧转螺杆，以免夹得太紧，影响测量结果及损坏仪器，只要听到在转动小棘轮时发出喀喀的声音，就不要再推进螺杆而可以进行读数了。
10
图1-1
五.参考数据：
使用的三种工具游标卡尺，螺旋测微计，米尺的B类不确定度分别为
0.02mm,0.002mm,0.1mm
1.
单位：
mm
项目次数
1
2
3
4
5
6
平均
a
39.98
39.98
40.00
40.02
39.96
40.02
40.00
b
25.00
25.02
24.98
25.00
25.02
25.02
25.00
c
8.00
8.02
8.02
8.04
7.98
8.00
8.01
h
8.00
8.04
8.04
8.02
8.04
8.00
8.02
a=40.03±0.03mm
b=25.00±0.03mm
c=8.01±0.03mm
h=8.02±0.03mm
周长L=2（3.075+3.206+1.804）=146.04mm
L=L±UL=146.0±0.1（mm）
EL0.03%
面积
2
）
S=ab-ch=3=935（mm
2．
初读数0.001mm
次
1
2
3
4
5
6
平均
数
项目
直径d
7.945
7.946
7.950
7.951
7.948
7.948
7.948
长度L
128.1
128.2
128.1
128.0
128.3
128.2
128.2
d=7.948±0.004mm
L=128.2±0.7mm
电阻丝截面积：
S
49.61mm2
US
0.05mm2
S49.610.05mm2
ES
0.1%
次
1
2
3
4
5
6
平均
数
项目
外径D1
21.00
21.02
20.96
20.98
21.00
21.02
21.00
内径D2
8.02
8.00
7.96
7.98
8.00
8.02
8.00
高H
30.10
30.14
30.12
30.16
30.14
30.12
30.13
D1=21.00±0.03mm
D2=8.00±0.03mm
H=30.13±0.03mm
V8921mm3
11
实验二测定钢丝的杨氏模量
一.目的
1．学会测量杨氏弹性模量的一种方法；
2．掌握光杠杆放大法测量微小长度的原理；
3．学会用逐差法处理数据。
二．原理
任何物体在外力作用下都要发生形变，根据虎克定律：
Fl
Y（2-1）
Sl
（1）式中比例系数Y就称为材料的杨氏弹性模量，即
Y
Fl
（2-2）
Sl
F
外力，l钢丝伸长量
，S
钢丝截面积，l
钢丝原长度
本实验采用光杠杆放大法测量微小长度
l值，其结果比较准确。
图2-1为光杠杆放大原理图。
开始时光杠杆反射镜与标尺在同一平面，在望远镜中读
到标尺读数P0，当钢丝受力伸长时带动光杠杆反射镜后足尖下降
l
，镜面发现转动一个
微小角度
，这时在望远镜读数为
P1，P1
P0为放大后钢丝伸长量
N，因为角度微小
图2-1
若
很小，tg
n
bN
b
2
得l
4Fld
D
4D
所以Y
：
式中S钢丝横截面积S
d2，N小镜偏转前后的读数差，
b光
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