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物理实验教学指导书

物理实验

规范化教学指导书

物理实验中心

2006年9月

目录

第一部分基础性实验

第一章基本知识与测量

实验一测量误差与数据处理

实验二力学基本测量

实验三电学基本仪器与测量

实验四光学基本知识与测量

第二章力学和热学实验

实验五刚体的转动惯量的测量

实验六用拉伸法测金属丝的杨氏弹性模量

实验七测定液体的粘滞系数

实验八金属导热系数的测定

实验九液体表面张力的测定

第三章电磁学实验

实验十电阻的测量（设计性实验）

实验十一线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线

实验十二惠斯通电桥的应用及铜电阻温度系数的测定（设计性实验）

实验十三万用表的组装与校准（设计性实验）

实验十四灵敏电流计的研究

实验十五电位差计的原理和使用

实验十六电子示波器的使用（综合性实验）

实验十七霍尔效应及磁场的测定（综合性实验）

实验十八非均匀磁场的测量与描绘

第四章光学实验

实验十九等厚干涉（综合性实验）

实验二十分光计的调整

实验二十一光栅的衍射

实验二十二三棱镜折射率的测定

第五章近代物理实验

实验二十三全息照相（综合性实验）

实验二十四用光电效应测定普朗克常数（综合性实验）

实验二十五迈克尔逊干涉仪

实验二十六动态法测量杨氏模量

实验二十七密立根油滴实验（综合性实验）

实验二十八太阳能电池特性测定实验

实验二十九声速的测量（设计性实验）

实验三十用波尔共振仪研究受迫振动

第二部分提高性实验

实验三十一音频信号光纤传输技术实验

实验三十二非线性电路与混沌

实验三十三脉冲核磁共振

实验三十四光泵核磁共振

实验三十五扫描塞曼效应

实验三十六传感器综合实验

实验三十七气体放电中等离子体的研究

实验三十八扫描隧道显微镜

实验三十九大气物理遥测遥感实验

实验四十微波参数测定实验

实验四十一X射线试验

实验四十二黑体辐射

实验四十三高温超导转变温度系数

实验四十四锁相放大器

实验四十五红外物理综合实验

实验一测量误差与数据处理

一、实验目的：

1．了解关于测量误差的基本理论。

2．掌握不确定度的概念及其评定方法。

3．掌握有效位数的概念及修约规则。

4．了解数据处理的基本方法。

二、实验内容及要求：

1．讲解测量误差的定义、分类及其处理方法，并且举例说明。

2．重点讲解不确定度的概念，要讲清楚为什么引入不确定度评定测量结果，不确定度与算术平均误差的区别。

重点讲解直接测量量的不确定度的评定方法和间接测量量的不确定度的评定方法，每种方法都要举例说明。

强调要求学生掌握不确定度的概念及其评定方法。

3．重点讲解实验数据的有效位数的定义和修约规则，并举例说明实验数据的有效位数的修约规则。

要强调要求学生掌握原始数据的读取方法、最终实验结果的有效位数的胡定及表示方法。

讲解运算过程中的数及中间结果的有效位数的确定方法。

4．举一定综合例题，包括直接测量量的不确定度的评定方法、间接测量量的不确定度的评定方法、实验数据的有效位数的修约规则和实验最后结果的表示。

时间允许的话，先让学生自己练习，教师辅导，然后教师针对辅导中发现的问题讲解。

5．简述实验数据的处理方法，包括作图法、列表法、逐差法、最小二乘法和加权平均法。

三、实验重点和难点：

1．重点：

（1）不确定度的概念及不确定度的评定方法。

（2）实验数据的有效位数及修约规则。

2．难点：

实验数据的处理方法。

四、时间安排：

第一节课：

误差的定义、分类及处理方法，不确定度的概念，直接测量量的不确定度的评定方法。

第二节课：

间接测量量的不确定度的评定方法。

实验数据的有效位数的概念和修约规则。

原始数据的读取方法、最终实验结果的有效位数的确定及表示方法。

第三节课：

综合例题和实验数据的处理方法。

五、作业布置：

练习题第一、二、三、五

（1）

（2）（3）、六

（2）、七

（1）

（2）、八

（1）

（2）、九

（1）

（2）（3）、十。

实验二力学基本测量

一、实验目的：

1．进一步掌握不确定度、有效位数的基本概念和运算方法；

2．了解游标卡尽、螺旋测微计和物理天平的主要构造原理，掌握其使用方法。

二、实验内容及要求：

1．用游标卡尽测出待测物的高H、深h、外径D、内径d，要求掌握它的使用方法，并正确读数。

2．用天平称出质量M，要求掌握天平的调节及使用方法。

3．用螺旋测微计测出小钢球的直径d，要求掌握它的使用方法并能正确读数。

4．根据讲义要求进行数据处理。

三、实验重点和难点

1．实验重点是基本仪器的使用

2．难点是测量结果的不确定度的计算和有效位数的确定。

四、时间安排

1．讲课50分钟，教师先讲实验一的作业错误；再让学生自己推导出圆简体积的不确定度公式，然后教师根据学生的推导情况作出总结。

3．实验操作100分钟。

五、课上辅导：

1．巡视游标卡尽和螺旋测微计的操作情况，抽查学生操作，检查学生读数是否正确；检查天平的调节及使用方法是否正确。

2．巡视学生不确定度的计算方法是否正确，并对不正确的进行辅导。

3．最后教师检查学生的测量数据是否正确，检查实验仪器是否按要求放置，并给学生的实验记录数据签字。

六、作业布置：

思考题1、2

实验三电学基本仪器与测量

一、实验目的

1．掌握电学基本仪器如是电流表、电压表等的主要构造原理，掌握它们的使用方法；

2．掌握电学实验操作规程；

3．掌握分压电路的接法和调节特性；

4．掌握电路的基本接法——回路法；

5．了解电表量的选择方法及数字万用表的使用方法；

6．掌握电流表内接法和外接法的电阻的不确定度的计算。

二、实验内容及要求

1．计算电阻器件的额定电流值及实验中所用电压值，要求连接电路前，每个同学都要计算出实验中所用的全部电阻的额定电流值，教师检查，最后由教师总结出正确结果，向全组公布，学会电表量程的选择方法。

2．按图九用回路法连接分压电路，调节滑动变阻器的滑动端，观察分压电路的调节特性，要求同学学会回路法接线；

3．比较电流表的内接法和外接法两种电路的电阻不确定度，确定伏安法简化测量电阻时所应选择的电路。

4．学习万用表的使用方法，要求教师讲解万用表的使用方法，强调同学调节量程开关时注意不要选错测量项目，选好后再检查一遍，误操作会烧坏万用表等，要求学生学回使用万用表测量直流电压和电阻。

三、重点和难点

重点：

1.基本电学仪器的构造原理和使用方法，电路的连接方法和电学实验操作规程。

2.因中学时条件所限，许多学生做实验很少，他们对基本电学实验操作规程都茫然无知，很可能烧表，烧电阻，故须教师先讲清操作规程，并要求每个同学实验前必须计算出电阻器件的额定电流和所用电源电压。

难点：

教师如何引导学生掌握电路的正确接线方法及操作规程

四、时间安排

讲解50分钟，包括让学生计算电阻器件的额定电流及电源电压，操作规程100分钟。

五、课上辅导

1．检查电阻器件的额定电流和所选电压值的计算情况，并做出总结。

2．巡视接线和仪表摆放情况，有的同学将水平放置的表竖立放置。

3．看有些同学接好电路后，就及时提醒学生正式实验前要用0.5---1.0v的电压做瞬态实验不可一开设就加较大的电压。

4．签字时询问2—6表中各项的物理意义，并让学生抄下所用电表的内阻及整理好仪器。

六、作业布置：

思考题1、2、3、4。

实验四光学基本知识与测量

一、实验目的

1．了解实验是常用光学元件（如透镜、棱镜、光栅等）的正确使用方法，以及维护和保养常识。

2．了解并掌握在光学实验中经常遇到的“消视差”法和“同轴等高”的调节技巧。

3．了解和掌握望远镜、显微镜的基本构造、原理正确使用方法。

4．学习几种测量透镜（凸透镜和凹透镜）焦距的测量方法。

二、实验内容及要求

1．实验内容

（1）用共轭法测凸透镜的焦距（必做）。

（2）用物距像距法测量凹透镜焦距（必做）。

（3）用平面镜法测量凹透镜的焦距（选做）。

（4）用读数显微镜检测量细丝（头发丝）的直径（必做）。

2．实验要求

（1）了解实验室中常用的几种光学元件的正确使用方法及维护保养常识。

（2）了解和掌握实验室常用的几种光源如汞灯（高压汞和灯低压汞灯）钠光灯和氦氖激光器等的正确使用方法。

（3）会运用正确的方法粗测出凸透镜的焦距。

（4）掌握正确判断有无“视差”的方法，并学会如何消“视差”。

（5）学会调节多个光学元件的同轴等高，掌握“大像追小像”的调节技巧。

三、实验重点和难点

1．原理及重点

透镜成像公式：

，要正确理解式中各量的正负符号。

2．难点

（1）“大像追小像”的调节技巧。

（2）实验中如何判断成像的清晰程度。

3．实验仪器操作的注意事项

（1）用共轭法测凸透镜的焦距时，必须注意是L大于4f。

（2）在测凹透镜焦距之前，必须首先调节凹透镜与其他光学元件同轴等高。

（3）用物距像距法测量凹透镜焦距时，必须注意使物经过凸透镜成一缩小的像。

（4）用读数显微镜检测量细丝的直径时，要注意测微螺旋只能朝一个方向旋转，中途不只允许倒转，否则会产生“空程误差”。

四、课上辅导

教师在课上辅导时，应以上述仪器操作中的4条注意事项为重点，认真巡视，及时纠正学生不正确的操作，并采取提示，启发或提问的方法使他们能用的正确的操作方法完成全部实验。

同时还要检查学生读数和记录数据是否正确。

五、课堂时间安排

讲课30分钟左右。

六、作业布置：

思考题1、2。

实验五刚体的转动惯量

一、实验目的：

1．测量刚体的转动惯量，并与理论值比较。

2．用作图法或最小二乘法处理数据。

3．验证平行轴定理。

二、实验内容及要求：

1．测定铝环（铝盘）的转动惯量

固定外力矩，先测出实验台负载时整个体系的转动惯量J,再测出空载时体系的转动惯量J0，注意观察砝码落地时遮光次数N，以测出转动时的角加速度β、β′

2．用作图法或最小二乘法测量铝环（铝盘）的转动惯量

分别在负载和空载情况下测量，变换外力矩大小，应保证体系在转动瞬间就开始计时，测出转台转动一定的角位移时所需的时间t，并作出

曲线，进而求出负载和空载时转动体系的转动惯量。

三、实验重点和难点：

1．理解遮光次数N和转动圈数n的关系

。

2．注意砝码落地时对应的遮光次数，以判定转台做加速还是减速转动。

3．用作图法或最小二乘法测量铝环（铝盘）的转动惯量时，应保证t=0时，初角速度ω0=0，这就要求实验中要把遮光棒和光电门的初始位置放好。

四、课上辅导：

督促学生注意实验的初始条件，做重复测量时遮光棒的初始位置要相同。

五、课堂时间安排：

讲解原理约30分钟

学生操作90分钟左右

六、作业布置：

思考题1。

实验六用拉伸法测量金属丝的杨氏弹性模量

一、实验目的：

1．学习用静态担伸法测定杨氏弹性模量。

2．掌握用光杠杆法测量微小长度变化的原理和方法。

3．学习用逐差法处理实验数据。

二、实验内容及要求：

内容：

由本实验杨氏模量的理论公式测量出碳钢金属丝的杨氏模量E。

E在20℃时的标准值是：

1.96-2.06×1011N/m2。

1．测出金属丝微小伸长量的平均变化量

2．用米尺测出金属丝的长度L。

3．用直尺测出光杠杆的高度b。

4．用螺旋测微计测山金属丝直径d。

5．计算出扬低模量E，导出不确定度公式，计算出不确定度。

6．计算出相对不确定度，要求〈5%。

要求：

1．光杠直、望远镜标尺构成的光学系统一经调好后，在实验过程中就不可再移动。

否则，所测数据无效，本实验应从头做起。

2．加减砝码时要轻放轻取，不要使砝码挂钩摇摆振动。

3．不要用手触摸望远镜镜头，镜头脏了要用擦镜头纸擦拭。

调节望远镜的调焦旋钮时动作要轻，否则，调焦旋钮很容易损坏。

三、实验重点和难点：

重点：

掌握用光杠杆法测量微小伸长量的原理和方法。

难点：

仪器调整。

四、时间安排：

讲解：

30分钟

实验：

两小时，共计2小时30分钟。

五、课上辅导：

1．实验前提醒学生注意实验必须满足两个条件。

即α角要小（ΔL<

哪些量的测量对实验的结果影响较大，测量时要特别仔细。

2．实验时，加、减砝码必须十分小心，以防冲击或碰撞，待标尺读数稳定后方可读数。

六、作业布置：

思考题1、2、3。

实验七测定液体的粘滞系数

一、实验目的：

1．观察液体的内摩擦现象，学会用落球法测量液体的粘滞系数。

2．进一步掌握基本测量仪器的使用。

3．学会正确，合理地分析实验误差。

二、实验内容与要求

由于小球在液体中自由下落下，会受到三个力的作用，及重力νρg,浮力νρ0g和粘滞力的作用，当小球下落到匀速运动时，依据受力平衡的要求，在考虑到筒壁和筒底面积时对小球的影响，再得：

由此可知：

1.用米尺测出AB之间的距离S，并测出液面到筒的高度h；

2.用游标卡尽测出量筒的内径，算出半径R；

3.用螺旋测微计，测出五个小球的直径，再算出半径r；

4.用比重计测液体密度ρ0；

5.用秒表测出小球匀速下落通过路程AB所需时t，算出V0=s/t。

三、实验的重点和难点：

重点：

1.是小球的半径r必须测准；

2.是小球下落时间t，必须测准。

难点：

1.选好匀速运动的起点；

2.预防边缘效应，必须选好下落位置。

四、时间安排：

由于实验原理比较简单，再做实验之间，每个同学都进行认真的预习，所以这个实验主要靠学生们自己操作，在操作过程遇到问题时，老师及时予以辅导。

五、作业布置：

思考题：

1、2、3、4

实验八金属导热系数的测定

一、实验目的：

1．学习用稳态法测量不良导体、金属、空气的导热系数。

2．了解傅立叶导热方程和铜－康铜热电偶的原理。

二、实验内容与要求：

1．测量不良导体的导热系数；

2．测量金属的导热系数；

3．测量空气的导热系数。

三、实验的重点和难点：

重点：

本实验采用稳态法，利用热源在待测样品内部形成稳定的温度分布后，进行测量。

难点：

傅立叶热传导方程。

四、时间安排：

讲解：

30分钟

实验：

120分钟

五、课上辅导：

1．测导热系数

要求那些实验条件？

在实验中如何保证。

2．传热速率、散热速率、冷却速率、稳态时的内在联系。

指导检查学生正确记录数据。

六、作业布置：

1．样品的尺寸，为何不用千分尺测得更精确些？

2．为什么不把金属样品作成像橡皮样品一样的薄圆盘形？

实验九液体表面张力的测定

一、实验目的：

1.学习硅压阻力敏传感器的定标方法。

2.用拉脱法测量纯水和其它液体的表面张力系数；

3．测量液体的浓度与表面张力系数的关系。

二、实验内容及要求：

1.用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标；

2.用拉脱法测量纯水的表面张力系数；

3.用拉脱法测量其它液体（如乙醇、甘油等）的表面张力系数；

4.测量酒精不同浓度时的表面张力系数。

三、实验的重点和难点：

重点：

对用拉脱法测液体表面张力系数的物理过程和物理现象的认识和理解。

难点：

（1）吊环水平调节；

（2）液膜拉断前后瞬间电压表读数的准确读取。

四、时间安排：

讲解：

30分钟

实验：

120分钟

五、课上辅导：

1.简介液体表面张力的物理意义；

2.简介硅压阻力敏传感器的原理及其定标方法；

3.随时提醒学生注意实验时的注意事项。

六、作业布置：

1.如果液体不干净，其表面张力系数会有什么变化？

2.液面拉断前若过早读数，对实验结果会有什么影响？

实验十电阻的测量（设计性实验）

一、实验目的：

1．系统掌握电阻的测量方法；

2．掌握误差的分配原则，在伏安法测电阻中学习如何合理选择电表量程，实验电流和实验电压。

二、实验内容及要求：

1．利用伏安法，替代法和半偏法测量阻值约为一千欧的电阻，利用电桥法测量阻值约为一欧的电阻。

2．自行设计电路。

三、实验重点和难点：

1．实验电压（5个）取值应均匀布满取值范围的区间；

2．伏安法不确定度的计算用最小二乘法；

3．替代法在操作时电阻箱的阻值应由大到小变化，否则可能短路打

弯表针；

4．半偏法应在电压不变的条件下电流减半，容易出现的错误操作是：

只是电流减半而不扣持电压不变，正确的简单操作是：

首先将电阻箱阻值调至一千欧姆，再调节滑线变阻器使电压不变，最后调节电阻箱使电流减半；

5．测量微安表内阻注意微安表不过载。

四、时间安排

先讲解15分钟，再让同学到黑板上出电路图，然后讲解图中错误及操作注意事项，其余时间操作。

五、课上辅导

1．检查线路是否正确，发现问题启发学生自己找处接错的原因。

2．边检查边打操作分。

3．实验完毕进行数据检查及签字。

六作业布置

思考题1、2

实验十一线性电阻和非线性电阻的伏安特性曲线

一、实验目的：

1．测绘电阻的伏安特性曲线，学会用曲线表示结果：

2．了解晶体二极管的单向导电特性。

二、实验内容及要求：

1．测绘碳膜电阻的伏安特性曲线。

2．测绘晶体二极管的伏安特性曲线。

三、重点与难点：

1.测晶体二极管正向伏安特性时，毫安表读数不得超过二极管允许通过的最大正向电流值。

2.测晶体二极管反向伏安特性时，加在晶体管上的电压不得超过管子允许通过的最大反向电压值，否则会损坏二极管。

四、课堂时间安排：

讲解30分钟左右

操作100-120分钟

五、课堂辅导

六、作业布置

思考题1

实验十二惠斯通电桥的应用及铜电阻

温度系数的测定

一、实验目的

1．了解惠斯登电桥测量电阻的原理。

2．会用滑线式惠斯登电桥测量未知电阻。

3．掌握用箱式惠斯登电桥测量电阻的方法，并测量铜电阻的温度系数。

二、实验内容与要求

1．内容

（1）滑线式惠斯登电桥测量未知电阻。

了解惠斯登电桥测量电阻的原理，会自己连接线路，并用它测量未知电阻。

（2）箱式惠斯登电桥测量未知电阻。

铜电阻温度系数的测定。

能熟练运用箱式惠斯登电桥测量未知电阻：

通过测量铜电阻阻值的随温度的变化规律，用最小二乘法拟合直线，得出铜电阻的温度系数。

2．要求

（1）惠斯登电桥是测量电阻准确度很高的仪器，一定要按操作规程调节和测量。

（2）掌握箱式惠斯登电桥测量未知电阻的方法和技巧。

三、实验原理、仪器操作的重点和难点

1．重点

箱式惠斯登电桥测量未知电阻的方法。

2．难点

滑线式惠斯登电桥的线路连接；最小二乘法拟和铜电阻阻值随温度变化的直线。

3．仪器操作的注意事项

（1）惠斯登电桥的通电时间不能太长。

滑线式电桥的滑动触头要跃按，箱式电桥的B，G不能长时间按下。

（2）调节箱式电桥时应由大值逐渐向小值调节。

（3）测量铜电阻的温度系数时，要不停地搅拌，以保证R-t的正确对应关系。

四、课上辅导

1．检查学生滑线式惠斯登电桥的线路连接是否正确。

2．观察学生是否掌握滑线式与箱式惠斯登电桥的测量方式。

3．检查数据，签字。

五、课堂时间安排

讲解30—40分钟

学生操作2小时

六、作业布置

思考题1.、2、3

实验室十三万用表的组装与校准（设计性实验）

一、实验目的

1．掌握将微安表改装成万用表的原理和方法

2．学会校准万用表的方法。

二、实验内容与要求

1．

（1）已知微安表的内阻Rg=1400欧母，Ig=100微安，要求改装成量程为I1=5mA,I2=10mA,同时要求自己算出Rs1和Rs2的值。

（2）对电流表进行校准，并确定校准后的Rs1的Rs2最终值。

（3）画出电流表的校准曲线，求出表的级别。

2．

（1）已知微安表的内阻Rg=1400欧母，Ig=100微安，要求改装成×1000档和×100档的电阻表，具体方法如下：

（a）据表头的内阻Rg选取Rs和R0。

（b）根据Rg.Rs.R0的值，算出Rd和R1的值。

（c）根据要求联接线路，先联接×1000档的电阻表及其校准线路，校准再改成×100档的线路

（2）对电阻表进行校准，最终确定Rd和R1的实验值。

三、实验原理，仪器操作的重点和难点

1．重点是表的校准过程。

2．难点是校准的方法是不是正确，即使样准的方法完全正确也应反复多次，尽量使表达到最准确的程度，如果校准的方法有问题将会出现怎么也校不准的情形。

要明确认识到表的精度是在反复校准的过程中逐步提高的，不可能一、两次就搞好，因此要求同学们本着精益求精的精神反复校准，每一遍校准都使表的精度有所提高，逐步达到最准确的程度。

3．实验仪器操作的注意事项：

（1）电流表的校准程序是先校准5mA的量程，记下Rs1+Rs2的值，再校准10mA的量程，在校准的过程中要保持Rs1+Rs2的值不变，校准后分别记录R1和R2的值。

（2）电阻表的校准程序是先校准×1000档，此时应调整Rd的值，再校准×100档，此时应调R1。

（3）特别应注意的是在电阻表的校准过程中，每调整一次调整Rd的值或R1的值后，都要回头重新调整零电阻。

四、课上辅导

1．按图接线，必须准确无误，如果做不出来，多数是线路接得不对，老师应指导学生检查线路。

2．电流表校准满度的方法是：

当标准表指针指在该量程的位置时，反复调节分流电阻，使改装表的指针与标准表一致时，再增加电压调到满度，注意此时两表的指针是否一致，如不一致则应再调分流电阻和电压直到两表完全一致为止。

（1）记录数据应该以改装表为准，读出相应标准表的读数

（2）级别=最大误差×100/量程

（3）电阻表的校准方法可参考上一节的有关内容。

五、课堂时间安排

讲解30—40分钟

操作1.5-2小钟。

六、作业布置：

思考题1、2、3

实验十四灵敏电流计的研究

一、实验目的：

1．定性了解灵敏电流计的构造及工作原理。

2．不会使用灵敏电流计。

二、实验内容：

1．测量电流计常数ki

2.测量电流计内阻

3．观察三种阻尼状态，测除外临界电阻RC

三、实验原理、仪器操作的重点和难点

1．实验测量电路的连接。

2．学会使用灵敏电流计。

3．三种阻尼状态的调整及判定。

处理方法：

结合电流计的工作原理M∝1/R+R/g讲清电流计三种阻尼状态的特性。

四、课堂辅导

1．结合电流计的构造介绍电流计的工作原理。

2．根据预习情况提问：

（1）电流计的构造和其他电表的构造有何区别？

（2）电流计为什么比其他电表的灵敏度高？

3．检查线路。

4．注意观察学生的测量方法，提醒学生每测量一次调一次零点。

5．边观察边打操作分。

6．实验完毕进行检查及签字。

五、课堂时间安排

1．课堂讲解：

40分钟左右

2．接线：

20—30分钟。

六、作业布置

思考题

实验十五电位差计的原理和使用

一、实验目的：

1．了解补偿法测量原理：

2．了解电位差计的结构、原理及使用方法，正确使用电位差计；

3．培养看图接线能力。

二、实验内容及要求：

内容：

1．用滑线式电位计测干电池的电动势及内阻：

2．用箱式电位差计测定电阻端电压。

要求：

1．掌握电位差计的测量原理，正确连接线路，完成测量；

2．掌握箱式电位差计使用方法，正确读出结果。

三、实验重点和难点：

重点：

通过滑线式电位差计的线路连接，加深对原理及应用方法的理解。

难点：

正确合理使用保护电阻。

四、时间安排：

讲解：

30分钟

操作：

2小时

五、课上辅导：

1．检查线路连接及预习情况：