物理实验教学设计.docx

1、物理实验教学设计物理实验教学设计物理实验教学设计大学物理实验教案 教师用 1 目 录 实验1 长度测量 2 实验2 密度的测量 7 实验3 惠斯通电桥测电阻 11 实验4 转动惯量的测量 17 实验5 铜电阻和热敏电阻的温度特性 21 实验6 冲击法测量磁场 23 实验8 牛顿环实验 27 实验9 用分光计测光学玻璃折射率 31 实验15 简谐振动的研究 33 实验17 透镜焦距的测量 37 实验22 拉伸法测金属杨氏模量 40 实验29 声速的测量 47 实验30 用光电效应测普朗克常量 49 实验32 迈克尔逊干涉的调节和使用 52 实验40 伏安法测电阻及电表的选择 54 实验45 固体

2、导热系数的测量 57 实验47 电饭锅温度控制电路的设计与组装 61 实验48 万用表电路的设计与组装 64 实验49 模拟电子秤 68 实验51 热敏电阻温度计的设计安装和使用 71 实验52 磁性液体表观密度的实验研究 75 实验53 磁性液体密封容器泄放压的实验研究 78 实验58 黑箱实验 80 大学物理实验教案 教师用 2实验1 长度测量 主讲教师： 戚 非 教学目 标 1 掌握游标卡尺及螺旋测微器的原理， 学会正确使用游标卡尺、 螺旋测微器; 2 掌握数据记录、 等精度测量中不确定度的估算方法和有效数字的基本运算； 3 掌握实验结果的表示法。教学方法 采用启发式,引导式教学方法 实

3、验仪器 游标卡尺， 螺旋测微器， 待测物（垫片、 圆柱体和钢珠）。重点及难点 重点: 游标卡尺及螺旋测微器的原理 难点: 读数及注意事项 教学过程设计 一 实验原理介绍 1 游标卡尺 （1） 游标卡尺的原理是什么? 游标是将主尺的(n1)分格分成 n 等分(称为 n 分游标)。设主度尺上每个等分格的长度为 y， 游标刻度尺上每个等分格的长度为 x， 则有 mx（m1） y (1) 主刻度尺与游标刻度尺每个分格之差 yxy/n 为游标卡尺的最小读数值， 即最小刻度的分度数值。主刻度尺的最小分度是毫米， 若n10 ， 即游标刻度尺上 10 个等分格的总长度和主刻度尺上的 9mm相等， 每个游标分度

4、是 0.9mm， 主刻度尺与游标刻度尺每个分度之差 x10.90.1（mm）（如图 1）， 称作 10 分度游标卡尺； 如 n20 ， 则游标卡尺的最小分度为 1/20mm0.05mm ， 称为 20 分度游标卡尺； 本次实验用 50 分度的游标卡尺， 其分度数值为 1/50 mm0.02mm。（2） 游标卡尺是怎样读数的? 游标卡尺的读数表示的是主刻度尺的 0 线与游标刻度尺的 0 线之间的距离。读数可0 5 10 图 1 2 3 大学物理实验教案 教师用 3分为两部分： 首先， 从游标刻度上 0 线的位置读出整数部分（毫米位）； 其次， 根据游标刻度尺上与主刻度尺对齐的刻度线读出不足毫米分

5、格的小数部分， 二者相加就是测量值。（3） 使用游标卡尺时应注意什么问题? 1） 游标卡尺使用前， 应该先将游标卡尺的卡口合拢， 检查游标尺的 0 线和主刻度尺的 0 线是否对齐。若对不齐说明卡口有零误差， 应记下零点读数， 用以修正测量值； 2） 推动游标刻度尺时， 不要用力过猛， 卡住被测物体时松紧应适当， 更不能卡住物体后再移动物体， 以防卡口受损； 3） 用完后两卡口要留有间隙， 然后将游标卡尺放入包装盒内， 不能随便放在桌上，更不能放在潮湿的地方。2 螺旋测微器 （1） 螺旋测微器的原理是什么? 螺旋测微器内部螺旋的螺距为 0.5mm ， 因此副刻度尺（微分筒） 每旋转一周， 螺旋测

6、微器内部的测微螺丝杆和副刻度尺同时前进或后退 0.5mm， 而螺旋测微器内部的测微螺丝杆套筒每旋转一格， 测微螺丝杆沿着轴线方向前进 0.01mm ， 0.01mm 即为螺旋测微器的最小分度数值。在读数时可估计到最小分度的 1/10， 即 0.001mm ， 故螺旋测微器又称为千分尺。（2） 螺旋测微器是怎样读数的? 读数可分两步： 首先， 观察固定标尺读数准线（即微分筒前沿） 所在的位置， 可以从固定标尺上读出整数部分， 每格 0.5mm， 即可读到半毫米； 其次， 以固定标尺的刻度线为读数准线， 读出 0.5mm 以下的数值， 估计读数到最小分度的 1/10 ， 然后两者相加。使用螺旋测微

7、器时要注意 0 点误差， 即当两个测量界面密合时， 看一下副刻度尺 0线和主刻度尺 0 线所对应的位置。经过使用后的螺旋测微器 0 点一般对不齐， 而是显示某一读数， 使用时要分清是正误差还是负误差。如果零点误差用 0表示， 测量待测物的读数是 d。此时， 待测量物体的实际长度为 d d 0 ， 0可正可负。（3） 使用螺旋测微器应注意什么问题? 1） 注意防止读错整圈数； 2） 在使用时， 当测量面与物体要接触时， 应慢慢旋动棘轮， 直至听到 喀喀 声为止， 这时可读数； 3） 注意防止回程误差， 由于螺丝和螺母不可能完全密合， 螺旋转动方向改变时它的接触状态也改变， 两次读数将不同， 由此

8、产生的误差叫回程误差。为防止此误差， 测量时应向同一方向转动， 使十字线和目标对准， 若移动十字线超过了目标， 就要多退回 大学物理实验教案 教师用 4一些， 重新再向同一方向转动。二 实验内容及要求 1 用游标卡尺测垫片内、 外径和厚度， 选择不同部位多次测量； 2 用游标卡尺测圆柱体的直径、 高度， 并求其体积； 3 用螺旋测微器测量小钢球直径， 并求其体积。三 数据处理示例 实验记录： 垫片的测量 量具： 游标卡尺mmins02. 0=D零点读数：mm00. 0 内 容 次 数 内径)(mmd 厚度)(mmh 外径)(mmD 1 13.64 2.16 34.60 2 13.62 2.14

9、 34.58 3 13.64 2.16 34.56 4 13.62 2.14 34.56 5 13.60 2.16 34.58 6 13.62 2.14 34.58 平均值 13.62 2.15 34.58 1)(2-Si=nxxSi 0.015 0.01 0.015 SnSX1= 0.006 0.005 0.006 XAS2=D 0.012 0.009 0.012 insBD=D 0.02 0.02 0.02 2ins24XSUD+= 0.03 0.03 0.03 测量结果 13.62 0.03 2.15 0.03 34.58 0.03 钢珠的测量 测量量具： 螺旋测微器；mmins004.

10、 0=D 大学物理实验教案 教师用 5 零点读数：次数 内容 mm 004. 0 平均值 直径)(“mmD 13.978 13.979 13.978 13.977 13.978 13.978 13.974 误差项 1)(2-Si=nxxSi SnSX1= XAS2=D insBD=D 2ins24”XDSUD+= 直径)(“mmD 6.3 10-4 2.6 10-4 5.2 10-4 0.004 0.004 测量结果： mmD004. 0974.13” = 33”)(04.14286mmDV=p 32”)(13. 0)(2”mmUDUDV=p 3)( 1 . 00 .1428mmUVVV =

11、= 圆柱体的测量 测量量具： 游标卡尺；mmins02. 0=D 零点读数：次数 内容 mm00. 0 平均值 高度)(“mmH 30.42 30.40 30.42 30.40 30.42 30.42 30.42 直径)(“mmD 34.84 34.86 34.84 34.86 34.86 34.84 34.85 误差处理： 大学物理实验教案 教师用 6 )(“mmH )(“mmD 平均值 30.42 34.85 1)(2-Si=nxxSi 0.01 0.01 SnSX1= 0.004 0.004 XAS2=D 0.008 0.008 insBD=D 0.02 0.02 2ins24XSUD+

12、= 0.03 0.03 测量结果 30.42 0.03 34.85 0.03 圆柱体的体积 “2”4HDVp= 3”2”)(1029004mmHDV =p 22”22”“)()(HHVUHVUDVU + = 222”22”“)4()2(HDUDUDHpp+= mm106 = 结果表达式为： mmV10) 62900( = 四 课后练习题 1 何谓仪器的分度数值？ 米尺、 20 分度游标卡尺和螺旋测微器的分度数值各为多少？ 如果用它们测量一个物体约 7cm 的长度， 问每个待测量能读得几位有效数字？ 2 游标刻度尺上 30 个分格与主刻度尺 29 个分格等长， 问这种游标尺的分度数值为多少？ 大

13、学物理实验教案 教师用 7实验2 密度的测量 主讲教师： 徐 朋 实验目 的 1 掌握物理天平的原理与使用方法； 2 掌握流体静力称衡法， 学会交换法； 3 正确计算物体的密度及其不确定度。实验原理 1 测不规则物体的密度 r （ r 0r 水的密度） 0211rrmmm-= 2 测不规则物体的密度 r （ r 0r ） 0543rrmmm-= 3 测液体的密度 0211rrmmmmbx-= 实验仪器 天平， 蒸馏水， 烧杯， 温度计； 待测有机物块， 待测液体。实验任务 1. 调整天平 （1） 调水平 （2） 调零点 2. 测不规则有机物体的密度 r （1） 采用交换法称测有机物体在空气中的

14、质量1m ； （2） 将有机物体悬吊、 浸没在水中， 称衡此时有机物体的表观质量2m ； （3） 测读水温， 查 265 页表 7.2， 记录此温度相应水的密度0r ； 计算 r 。3. 测不规则蜡块的密度 r （1） 采用交换法称测蜡块在空气中的质量3m ； （2） 按教材图 4， 将蜡块悬吊在空气中、 有机物体浸没在水中， 测出质量4m ； 大学物理实验教案 教师用 8（3） 按教材图 5， 将蜡块、 有机物体同时浸没在水中， 测出质量5m ； （4） 测读水温， 查表、 记录该温度相应水的密度0r ； 计算 r 。4. 测液体的密度xr （1） 采用交换法称测有机物体在空气中的质量am

15、（同1m ）； （2） 将有机物体悬吊、 浸没在水中， 称衡此时有机物体的表观质量cm （同2m ）； （3） 将有机物体悬吊、 浸没在待测液中， 称衡出此时有机物体的质量bm ； （4） 测读水温， 从表中查出该温度相应的水的密度0r ； 计算xr 。数据处理 测量数据的记录、 处理与测量结果之相关要求如下： 1. 仪器误差的确定 天平的仪器误差insD取分度值（感量） 的一半。如：gmgmgegmgmgeinsins005. 051001. 01020=D =D = 2. 读数取位 天平感量为 gmmg)01. 035.34(:20 = 天平感量为 gmmg)005. 0345.34(:1

16、0 = 注： 单次测量结果中， 绝对不确定度U 取仪器误差insD， 即 insiimmD = 3. 数据处理与测量结果 有机柱体的密度：rrrU = （参照教材 21 页例 3）； 蜡块的密度 r 注意有效数字的位数， r 的不确定度不作要求。注意事项 1. 液体密度的测量， 作为知识拓展可简介， 其操作不作要求； 2. 教材中表 2 的测量次数改为 1（即单次测量）； 3. 强调几点 （1） 流体静力称衡法的优点、 交换法的意义； （2） 天平的调节要领； 天平调零以指针居中（指针连续几次的左右摆幅相同） 为平衡标志； 不测停点； 及时止动等。大学物理实验教案 教师用 9（3） 水中置物的

17、方法； 烧杯中的水不宜过多（21左右； 量少可再续加少许）， 以置入物体后水未溢出为原则； 细线的长度要适中； （4） 记录温度注意有效数字； 查 265 页表 7.2 中水的密度时， 就近取值； （5） 记录天平的相关信息； 操作中及时观察天平， 确保其处于正常状态。（6） 戴手套或用镊子接触砝码。思考题 等其余内容详见教材。数据处理示例 今有一铝质物体， 用流体静力衡量法测量其密度， 数据见表 1。表 1 用流体静力衡量法测量密度 单位： Kg 10-3 日 期 天平型号 蒸馏水温度 m 左（g） m 下（g） 04 12 1 TG704 10mg 11.0 27 060 17 031 查

18、蒸馏水温度表 t = 11.0时， 3330/10000. 1109996. 0mKg =r。由测量原理 0211rrmmm-= （1） 得扩展不确定度传播公式 222221211UmUmU + =rrr （2） 将（1） 代入（2）， 得 ()()02222212221222111rr* -+ -=UmmmUmmmU （3） 式中的1U 和2U 取天平的分度值（即天平感量） 的 1/2， KgmgE31001. 010- = 大学物理实验教案 教师用 10KgUU005. 021= 将表 1 中数据代入上式， ()()000. 1 005. 0031.17060.27060.27005. 0

19、031.17060.27031.172222222 -+ -=rU 33/10006. 0mKg = 此为铝块密度测量结果的扩展不确定度。再将表 1 中数据代入（1） 中得铝块密度为 33/10698. 2000. 1 031.17160.27160-.27mKg =r 测量结果表达式为 33/10)006. 0698. 2 (mKg =r 大学物理实验教案 教师用 11实验 3 惠斯通电桥测电阻 主讲教师： 李学慧 讲解实验 3 的同时延伸宏观介绍实验五和实验四十九 ？ 延伸至 平衡电桥 非平衡电桥 实验 5（箱式电桥） 延伸至 预备性实验（基础性实验） 研究性实验 基础性实验（提高性实验）

20、 所以实验 3 是基础， 要求学生真正搞懂 大学物理实验教案 教师用 12 实验 3 惠斯通电桥测电阻的电子教案 一、 讲课内容（启发式、 引导式的教学方法） 20-25 分钟（11:55-14:05） 共125 分钟 1 教学目标 （1） 了解惠斯通电桥的结构原理和使用方法 （2） 了解惠斯通电桥测电阻这种方法的优缺点和使用条件 （3） 准确度、 灵敏度与哪些因素有关 2 课堂讨论题（设置 5 个题） （1） 电桥的平衡条件是什么？ 怎样利用平衡条件来测电阻？ 答案要点： SXRRRR=21 SSXRcRRRR = =21C 是倍率，SR 可读） （2） 怎样判断电桥是否平衡？ 这种判断方法

21、是否充分可靠？ 答案要点： 检流计指针示零 检流计要充分灵敏（即XR 微小改变XRD时， 检流计指针偏转要足够大）。讨论后再由教师讲解电桥灵敏度的概念。（实际进行是在测量时， 以一名最先调整好的学生为例进行演示讲解， 感觉直观） 如果XR 变化XRD， 指针偏转不能被查觉（看不出指针偏转）， 则测量误差一定大于XRD所以这个微小变化XRD决定于电桥灵敏度 S 。S 的定义：XXRRnSDD=SSRRnDD 当XXRR=D时（即分母是 1）， 也就是XR 变化一倍， 所引起的检流计偏转的格数。S 的作用： 如灵敏度S 已知， 则可求出由于检流计灵敏度不够带来的测量误差： SnRRXXD=D（ n

22、D 取 0.2） 或XXRSR2 . 0=D 大学物理实验教案 教师用 13搞清电桥灵敏度的概念， 再启发同学回答问题， 设计了 4 个题： （3） 为了提高电桥的准确度， 对SRRR,21各有什么要求？ 答案要点： SXRRRR =21 由传递公式： 2222211 D+ D+ D=SSxRRRRRRRRUX 如果S不够大：222222112 . 0 + D+ D+ D=SRRRRRRRUSSxRX 每项的相对误差都要足够小。自组电桥板21, RR的标称误差为 %2(时间长， 现在可能更大)。（4） 图中阻流器0R 的作用是什么？ 怎样操作 答案要点： 粗调时， 保护检流计， 细调时， 使电

23、桥灵敏度 S 最大。粗调时， 断开0K ， 细调时， 闭合0K 。（5） 滑线变阻器的作用是什么？ 怎样操作？ 答案要点： 限制桥路中的电流， 保护检流计和其它原件不过载。粗调时， 滑线变阻器处于电阻最大位置。细调时， 滑线变阻器处于电阻最小位置。二、 测量内容 （一） 自组电桥 第一步： 正确联接电路 第二步： 通电之前可调器件应放何位置（提问）： 滑线可变电阻开始置于何位置？ 如何进行正确操做？ 此联好的线路， 倍率是多少？ 电阻箱SR 开始大概放在什么位置？ （头脑必须清楚） 阻流器通电之前开关0K 应接通还是断开？ （粗调时断开， 电流从0R 通过， 保护G 作用） 大学物理实验教案

24、教师用 14第三步： 测量 注： 4 个电阻中， 本科： 都要求测， 但只需对一个电阻选择一个倍率进行全过程的数据处理。数 据 表 格 灵敏度（相对） 被测电阻 倍率C 比较臂SR （ W ） SRD nD 结果表达式 XRXURR = 10 1 0.1 10 1 0.1 10 1 0.1 10 1 0.1 1XR 2XR 3XR 4XR 选W= 4702XR（标称值） 一组测量数据进行处理： 222222112 . 0 + D+ D+ D=SRRRRRRRUSSxRX 本装置（电桥板）%22211 D=DRRRR %1 . 0 DSSRR 代入相对不确定度 2232222)36.1872 .

25、 0()101 ()102 ()102 (+ + + =-XRRUX 2108 . 2 = 大学物理实验教案 教师用 1510110686. 4108 . 222 = = =-XXRRRRUUXX W = =210) 1 . 07 . 4 (XRXXURR 注意问题： l 检流计红点、 白点位置 l 检流计指针指向一边可能原因（导线断、 开关、 倍率和电阻箱SR 设置不对） l 电路的最佳联法（先串联， 确认对角点） l 倍率和比较臂阻值（清楚） 知识点的联系（知识链条）： 实验 3 惠斯通电桥测电阻 图 1 电桥原理图 图 2 实验线路图 被测阻值不发生变化 惠斯通电桥 是 平衡电桥 ， 是

26、预备性实验（基础性实验） 而由此可以延伸至 非平衡电桥 的研究性实验 测温电桥的设计、 安装和使用 （新教材 热敏电阻温度计的设计安装和使用 ） 电桥模块中的三段式 实验 5 铜电阻和热敏电阻的温度特性 被测阻值发生变化-反应温度特性 用箱式电桥测试， 但依然是平衡电桥， 强调箱式电桥与自组电桥各臂对应关系 大学物理实验教案 教师用 16 图 1 测 Cu 热电阻温度特性实验装置 图 2 QJ23 电桥面版图 实验 51 热敏电阻温度计的设计安装和使用 非平衡电桥 Rt的阻值发生变化， 则电桥的平衡条件被破坏， G 中就有电流通过， 指针发生偏转， 偏转越大， 说明 Rt变化也越大。大学物理实

27、验教案 教师用 17实验 4 转动惯量的测量 主讲教师： 徐 朋 教学重点： 1. 培养学生在独立完成本实验任务的过程中， 从查阅资料、 开放预习、 操作， 到完成数据处理、 独立撰写课程论文的多种能力。2. 掌握三线摆、 秒表等仪器的基本原理和调节、 使用方法； 学会用三线摆测不同刚体转动惯量的方法。3. 在处理数据的过程中， 应用实验误差理论计算不确定度和百分误差； 分析误差原因，对提高测量结果的精度提出、 实施改进措施。教学难点： 1. 转动惯量不确定度的分析； 2. 改进测量方法的实施过程。实验要求： 1. 测准各刚体、 三线摆装置的几何参量； 2. 记录各待测刚体的质量， 测准它们的

28、扭转摆动周期； 3. 计算转动惯量及其不确定度； 对测量结果加以分析和讨论； 提出改进方案并付诸实施。4. 答辩。基本实验内容： 1. 调解下圆盘水平， 用钢直尺测出上、 下圆盘间距； 2. 扭动上圆盘， 待下圆盘的纯扭转摆动稳定后， 用秒表（或电脑通用计数器） 测出刚体扭转摆动若干周期相应的总时间， 共做五次； 3. 分别将独立的刚体置于下圆盘上（中心重合）， 测出刚体扭转摆动若干周期相应的总时间， 共做五次； 4. 将两个相同的刚体对称置于下圆盘上， 使两刚体的边缘同切于下圆盘的中心， 测出刚体扭转摆动若干周期相应的总时间， 共做五次； 5. 处理数据 下圆盘的转动惯量 J1 推导计算1J

29、 和不确定度1JU ， 得出结果； 不同刚体的转动惯量 大学物理实验教案 教师用 18将实验结果与各自理论值相比较， 求出百分误差。数据记录与处理 （一） 秒表测空载圆盘等数据 刚体 参量 质量（g） 直径 D（cm） 半径2D（cm） D 下=20.004 10.002 下圆盘（g） m0=1970.3 0.1 D 上=12.024 6.012 D 内=5.930 2.975 圆环（g） m1=905.8 0.1 D 外=10.018 5.009 D21=8.006 4.003 圆柱（g） m21=905.8 0.1 m22=907.1 0.1 D22=8.006 4.003 H=57.59

30、cm 单位 秒 测量次数 刚体 空载下圆盘(t0) 70.57 71.38 下盘与圆环(t1) 62.65 63.52 1 2 3 4 5 6 T=t/50 70.06 71.71 70.97 71.04 1.428 63.06 63.08 64.62 63.64 1.272 下盘与两圆柱(t2) 69.44 69.06 68.64 68.60 68.32 68.09 1.378 J0=mgDdT0/(16U0/J0=146 10-4 U0=146 10-4 J0 U0=146 10-4 0.0087272 0.0001(kg.m2) J0与不确定度对齐,应取到小数点后四位,故结果表达式为 J

31、 J=0.0087 0.0001(kg.m2) (二) 电脑通用计数器测空载圆盘 2p H)=0.0087272(kg.m2) 与秒表测空载圆盘求解类似,只数值略有不同而已 J1=mgDdT1/(16=1.9804 9.80064 0.2000 0.11964 1.37222/(16 3.14162 0.6325) =0.0087522(kg.m2) 2p H) 周期的 A 类不确定度: S(t1)=0.001(s) S(T1)=0.001/30=0.00003(s) 电脑通用计数器误差极限为: Dins=0.0001(s) 仍取置信概率为 0.95, 则 UT1=220001. 000003

32、. 04+ 大学物理实验教案 教师用 19转动惯量的相对不确定度为: U1/J1=2422222)10()46. 12 . 3+3 . 3+25 . 0 (- + 第一项为微小量,可忽略 U1/J1=5.013 10-4 0.0087522 0.000004(kg.m2) 表达式 J 为: J=0.008755 0.000004(kg.m2) (三) 通用计数器测下盘与圆柱 首先将各数据带入公式计算 J2 J2=mgDdT2/(16p =1.9804 9.80064 0.2000 0.11964 1.17872/(16 3.14162 0.6325)-0.0087552 =0.0094325-0.0087552=0.0006773(kg.m2) 2H) 通用计数器误差极限为: Dins=0.0001(s) 周期 T 的 A 类不确定度:S(t2)=0.002(s) S(T2)=0.002/30=0.00007(s) U(T2)=2200007. 00001. 04+ =0.0002(s) 相对不确定度为: