大学物理实验教案.docx

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大学物理实验教案

大学物理实验教案

作者姓名王悦

学科（教研室）大学物理教研室

所在院系电气工程系

第一讲：

误差与数据处理

本节授课时数：

2学时

一、教学内容及要求

1、测量与误差

1.了解测量的含义，理解测量的分类和测量四要素并会判断；

2.掌握误差的分类和误差的来源并会计算误差；

3.熟练运用直接测量偶然误差的估计公式进行误差估计；

4.了解系统误差的处理。

2、不确定度的概念

1.了解不确定度的分类；

2.熟练掌握直接测量不确定度和间接测量的不确定度的计算。

3、有效数字的处理

要求熟练掌握各种运算中的有效数字位数的取舍原则。

4、数据处理

1.了解数据图表法的优点和缺点，会熟练作图和制表，给学生强调容易忽视的细节：

比如图名，物理量的表示和单位以及描点的要求。

2.熟练掌握用作图法求直线的斜率和截距的方法。

理解如何把曲线改直。

3.熟练使用逐差法，了解其使用的前提和优点。

4.了解最小二乘法的由来和优点，能够熟练使用公式了解相关系数的意义。

二、教学重点与难点

重点：

1.系统误差和偶然误差的特点；

2.不确定度和置信概率的定义和其中的物理意义；

3.不确定度的分类和具体计算，有效数字的运算法则；

4.数据处理中的逐差法和最小二乘法。

难点：

不确定度的传递和有效数字的运算法则。

三、教学后记

通过绪论课，不少同学应该都建立这样的思想：

实验不仅仅是动手的过程，而操作后的数据是一个比较复杂和相当重要的工作。

对于现在和以后的实验，不确定度的分析是占有很重要的地位。

实践部分：

11个实验不同专业学生做的略有不同

实验01：

基本长度的测量

本节授课时数：

3学时

一、教学内容及要求

1．学习游标卡尺、螺旋测微器、读数显微镜的测量原理和使用方法。

2．掌握误差及有效数字的概念；学习直接测量量的数据处理方法。

二、教学设计

1、游标卡尺构造及读数原理

2、螺旋测微器（千分尺）

3、读数显微镜

1．首先检查螺旋测微计的零点读数，并记录下来。

然后用螺旋测微器测量小钢珠直径，不同位置测量6-8次，计算体积和不确定度，并写出测量结果。

2．用游标卡尺测量空心圆柱体不同部分的外径、内径、高度，各测量6-8次。

计算空心圆柱体的体积及不确定度，并写出测量结果。

3．首先将读数显微镜的叉丝调节清楚。

将头发丝理直，放到读数显微镜的载物台上，使头发丝与镜筒平移方向垂直，再将发丝调节清楚。

转动鼓轮，平移镜筒，测量发丝的直径，在三个不同的部位测量6次，取平均值。

三、教学重点与难点

1．掌握三种长度测量工具的正确读数方法

2．误差分析方法

四、教学后记

学生在讲解后能比较顺利进行各种测量，但是往往忘记记录零点误差。

实验02：

静力称衡法测不规则固体的密度

本节授课时数：

3学时

一、教学内容及要求

1.学会物理天平的正确使用。

2.掌握用流体静力秤法测定不规则固体的密度。

二、教学设计

静力称衡法测不规则固体的密度

方法介绍：

这一方法的基本原理是阿基来德原理。

物体在液体中所受的浮力等于它所排开液体的重量。

按密度定义：

（1）

在不考虑空气浮力的条件下，物体在空气中重为，它浸没在液体中的视重。

那么，物体受到的浮力为：

和是该物体在空气中及完全浸没液体称量时相应的重量。

又物体所受浮力等于所排液体重量，即：

式中是液体的密度，是排开液体的体积，亦为物体的体积。

g为重力加速度。

由式

（1），

（2），（3）可得待测固体的密度：

用这种方法测密度，避开了不易测量的不规则体积，转换成只须测量较易测量的重量。

一般实验时，液体常用水，为水的密度。

实验步骤：

1.按天平的调节要求，调好天平。

（1）底板的水平调节。

（2）横梁的水平调节。

2.测量不规则金属物体的密度。

（1）将细绳拴好金属块放在天平左盘上，称出此时质量。

（2）把盛有大半杯水的烧杯放在天平左边的托架上，将拴好金属块的细绳挂在天平左盘的吊钩上，调整烧杯位置，使金属块浸没在水中，称出此时质量（不要让所称物体接触烧杯）。

（3）按照（4）式计算出金属密度。

三、教学重点与难点

1．掌握什么是流体静力秤法

2．熟悉物理天平的正确使用

四、注意事项

1．物理天平在使用中应注意：

（1）启动、止动天平时动作要轻。

（2）要“常止动”．即取放物体、加减砝码、拨动游码、调节平衡螺母前及使用完毕后，必须转动制动旋钮，止动天平，使横梁静放在制动架上，这样可避免刀口受冲击而损坏，还可防止刀口离开刀口垫使横梁掉下，只有在判断天平是否平衡时才启动天平。

天平启动或止动时，旋转制动旋钮动作要轻。

（3）加减砝码必须使用镊子，严禁用手，从秤盘中取下砝码后，应立即放入砝码盒，以免丢失或弄脏。

（4）每台天平的左右秤盘、秤盘挂钩等部件，不能左右调换，更不能与其他天平上的部件互换。

2．用流体静力称衡法测物体块密度时应注意：

（1）在空气中称量物体块质量时，要使物体块保持洁净、干燥。

（2）用细绳拴住物体块时，最好为活套，这样可方便调整物体块与重物的间距，以利于后面的称衡。

实验03：

速度与加速度的测量

本节授课时数：

2学时

一、教学内容及要求

1．学习使用气垫导轨的存储式数字毫秒计。

2．观察匀速直线运动，测量滑块运动速度。

3．观察匀加速运动，测量滑块的加速度。

二、教学设计

1.测量滑块运动的瞬时速度

物体做直线运动时，其瞬时速度定义为：

根据这个定义瞬时速度实际上是不可能测量的。

因为当→0时，同时有→0，测量上有具体困难。

我们只能取很小的及相应的，用其平均速度来代替瞬时速度，即：

尽管这样用平均速度代替瞬时速度会产生一定的误差，但只要物体运动速度较大而加速度很小，这种误差不会太大。

2.测量滑块运动的加速度a

如图所示，如果将气垫导轨一段垫高，形成斜面，滑块下滑时将做匀变速直线运动，有三个基本运动公式：

式中和以及和分别为和时刻滑块的位置坐标和相应的瞬时速度。

在实验中使用的毫秒计只能从=0开始计时，所以运动方程变为：

此时为滑块从处到处的运动时间，为两光电门之间的距离。

而加速度的理论值为：

这里为导轨的倾斜角，由图可得：

实验时，使滑块由导轨的上端静止自由下滑，即可测得不同位置处各自的相应的速度与加速度值。

三、教学重点与难点

1．掌握如何通过控制光电门位置测量加速度和速度

2．熟悉气垫导轨的结构和正确使用方法

四、注意事项

1.气垫导轨是较精密的设备，严禁碰撞、磨损导轨表面，没通气的情况下，不能在导轨上推动滑块。

2.实验时，要特别注意，不要使滑块、遮光片碰坏光电门，应先用手试推滑块，看是否与光电门相撞，调好后方进行试验。

3.滑块的内表面光洁度高，应严防划伤碰坏，滑块运动速度不应太大，以免与气垫导轨两端碰撞而跌落使之受损。

装取遮光片或砝码，应将滑块从气垫导轨上取下操作，待固定好再把滑块放到导轨上。

4.实验前应仔细检查导轨表面上每一个小孔是否畅通无阻，如果发现堵塞，应先用细针仔细清通。

5.试验中不需要通气时应关闭气源，以免使用时间过长而烧坏电机。

若送气时听见气源电机有异常声响，应立即关闭气源。

实验04：

扭摆法测定物体转动惯量

本节授课时数：

3学时

一、教学内容及要求

1．会用扭摆法测定几种不同形状物体的转动惯量的方法，并与理论值比较。

2．测定刚体转动惯量与质量分布的关系，验证刚体转动惯量的平行轴定理。

二、教学设计

转动惯量的测量，一般都是使刚体以一定形式运动，通过表征这种运动特征的物理量，与转动惯量的关系，进行转换测量。

本实验使物体作扭转摆动，由于摆动周期及其它参数的测定计算出物体的转动惯量。

扭摆的构造如图所示，在垂直轴1上装有一根薄片状的螺旋弹簧2，用以产生恢复力矩。

在轴的上方可以装上各种待测物体。

垂直轴与支座间装有轴承，以降低摩擦力矩，3为水平仪，用来调整系统平衡。

将物体在水平面内转过一角度θ后，在弹簧的恢复力矩作用下，物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。

根据胡克定律，弹簧受扭转而产生的恢复力矩M与所转过的角度θ成正比，即：

（1）

1－垂直轴，2－蜗簧，3－水平仪

式中，k为弹簧的扭转常数。

根据转动定律

式中，J为物体绕转轴的转动惯量，为角加速度，由上式得

（2）

令，且忽略轴承的摩擦阻力矩，由式

（1）、

（2）得：

上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性，角加速与角位移成正比，且方向相反，此方程的解为：

式中，A为谐振动的角振幅，φ为初相位角，ω为角速度。

此谐振动的周期为：

（3）

由（3）式可知

（4）

只要实验测得物体扭摆的摆动周期，并在J和k中任何一个量已知时即可计算出另一个量。

本实验利用公式法先测得圆柱体的转动惯量，再用扭摆测出载物盘的摆动周期T0，再把圆柱体放到载物盘上，测出此时的摆动周期T1，分别代入（4）式，整理得：

（5）

其中J0为圆柱体的转动惯量。

三、教学重点与难点

1．掌握规则物体转动惯量的测量方法

2．熟悉扭摆的构造、使用方法，以及转动惯量测试仪的使用方法

四、注意事项

1．弹簧的扭转常数k值不是固定常数，它与摆动角度略有关系，摆角90°左右基本相同，在小角度时变小。

为了降低实验时由于摆动角度变化过大带来的系统误差，在测定各种物体的摆动周期时，摆角不宜过小，摆幅也不宜变化过大；

2．光电探头应酬放置在挡光杆平衡位置处，挡光杆不能和它相接触，以免增大摩擦力矩；

3．机座应保持水平状态；

4．在安装待测物体时，其支架必须全部套入扭摆主轴，并将止动螺丝旋紧，否则扭摆不能正常工作；

5．在称金属细杆与木球的质量时，必须将支架取下否则会带来极大误差。

实验05：

空气比热容比的测定

本节授课时数：

2学时

一、教学内容及要求

1．学习一种测量空气比热容比的方法。

2．通过对空气比热容比的测定,加深对热力学过程中状态变化的理解。

二、教学设计

一般地说，同种物质可以有不同的比热容，不仅物质的比热容与其温度有强烈的依赖关系，而且还取决于外界对物质本身所施加的约束。

当压力恒定时可得物质的定压比热容Cp，体积一定时可得物 质的定容比热容Cv。

二者都是热力学过程中的重要参量，因此又称它们为主比热容。

Cp及Cv一般是温度的函数，但当实际过程所涉及的温度范围不大时，二者均近似地视为常数。

对于理想气体，二者之间满足如下关系：

Cp-Cv=R。

由上式立即可以得出一个热力学中的重要物理量比热容比:

r

r=Cp/Cv

对于上图满足泊松公式：

（1）

而状态与状态是等温的，所以，玻意耳定律成立，即：

（2）

由

（1）及

（2）式消去V1、V2可解得：

（3）

可见，只要测得测量，，的值可测量出空气的比热容

如果用⊿，⊿分别表示，与大气压强的差值时，则有：

=+⊿；=+⊿（4）

将（4）式代入（3）式，并考虑到〉〉⊿，〉〉⊿，则：

及

所以：

（5）

同样，只要用压力计测得实验过程中，时与的压力差⊿，⊿，即可通过（5）式求出比热容比。

三、教学重点与难点

1．比热容比物理意义

2．熟悉用绝热膨胀法测定空气的比热容比的方法

四、注意事项

1．向容器内压入空气时，压强差值不超过15kpa;

2．实验过程中打开出气阀放气时，当听到放气声将结束时应迅速关闭出气阀，提早或推迟关闭出气阀，都将影响实验要求，引入误差。

3．由于数字电压表有滞后显示，如用计算机实时测量，发现此放气时间约零点几秒，并与放气声产生消失一致，而且关闭也需要零点几秒的时间，所以关闭出气阀用听声更可靠些；

4．实