设计实验教学材料

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1、2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,设计性实验,主讲教师 刘玉富,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,第六章 设计性实验预备知识,设计性实验的主要目的： 通过设计性实验或具有设计性内容的实验，能使学生在“实验方法的 考虑、测量仪器的选择和配合、测量条件的确定”等方面受到初步训练。 经过一定数量的基本实验训练后，进行设计性实验层次的教学，除了 帮助学生进一步提高自己的实验素质能力外，最重要的是给学生提供了某 种发挥创造性的机会。 使学生具有一定实验能力的基础上，把所学到的物理知识及方法和技术 等，运用到解决物理问题或实际问题中。通过独立分析问题、解决问题， 使学生把知识转

2、化为能力，为做毕业设计、写科研成果报告和学术论文等 提供初步的训练。这对激发学生的创造性和深入研究的探索精神，培养科 学实验能力，提高综合素质都有重要作用。 通过生动活泼的学习和思考，对开发学生的聪明才智以及培养独立工作 的能力都是大有好处。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,主要设计内容包括：,建立物理模型、确定实验方法、选择仪器设备、制定实验步骤。 三种类型： 测量型实验：对某一物理量（如电容、折射率、 静态磁特性的测量等）进行测定，达到设计要求； 研究型实验：用实验确定两物理量或多物理量之 间的关系（电源特性研究），并对其物理原理、外 界条件的影响或应用价值等进行研究； 制

3、作型实验：设计并组装装置，如万用表、全息 光栅等。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,设计性实验的一般程序：,建立 物理 模型,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,设计性实验的程序,6学时实验项目，分两次完成； 第一次实验，学生学习实验室提供的电子料和文字资料，熟悉实验仪器，选定实验内容，拟订实验方案； 在第一次与第二次实验间，学生可利用业余时间充分酝酿实验方案； 第二次实验，各显神通，全面开展实验。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,设计性实验教学一般方法,提前一周布置选题： 实验中心给出一组题目（含实验要求、原理提示），实验室指定或 学生从中选择一个

4、适合自己的题目。（在提前一周时间内完成） 实验课前查阅文献资料、确定实验原理、设计实验方案： 包括选择实验方法、实验仪器、画出实验电路图或光路图，拟定实 验操作步骤等。（在提前一周时间内完成） 提交设计实验报告： 所提交的原始设计实验报告，经教师审查并帮助修正设计实验方 案，然后发还学生。 （在布置选题后，第二周时间内完成） 在提前预定的时间内，独立（或合作）实施设计实验方案并完成实 验报告（小论文）： 在课堂上通过与教师的交流进一步修改与完善实验方案并最后实 施，采集数据，进行数据处理，完成实验报告。 （在完成设计实验操作后，下一周时间内提交正式报告）,2020/6/30,锦州师范高等专科学

5、校物理系,选择研究课题（4个原则）,1.需要性： 可解决实际问题，或对某一理论有突破作用 2.创新性：在理论上有所突破，或在应用上有 所改进、创造。 3.科学性：有科学依据，符合道理 4.可能性：从技术、程序、可用时间及可用人员 的能力等方面考虑，看主、客观条件是否具备。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,查阅文献资料,1.广泛性： 利用各种手段，如教科书、专著、杂志、互 联网、各种情报检索中心 2.独立思考 要注意自己的知识空白、不同作者的观点差异。 通过分析、实验，力求逐步形成自己的观点，并力 求发展。 发现问题通常有两种途径：“发现从不满意开始” 通过亲身的观察或实践发现周

6、围事物存在的问题； 通过调查研究和其他各种信息渠道，间接的获得某 一事物存在的问题。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,设计实验方案,1. 要灵活运用物理规律。 注意借鉴其它学科成果，明确实验原理，实验 目的，计划测量的物理量。 2. 选择适当的测量仪器。 注意仪器的匹配，根据不确定度均分原则估算 各个测量对主要结果精度的影响，选择一套符合精 确度的而且有经济、实用的仪器装置。 3. 选择适当实验方法、方案。 4. 选择适当实验测量方法。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实施实验方案,1.观察： 注意实验过程是否按预定方式进行，是否 有异常现象发生。 2.测量：

7、注意测量误差对系统误差影响,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实验数据处理与分析讨论,1.数据表格及数据处理方法。 包括：列表法、作图法、线性回归法、逐差法等。 2.误差分析、讨论探索等。 完成设计实验报告（小论文） 实验报告是科研工作的总结，把自己的工作用文字形式 表达出来，出版交流，促进科学的发展。 报告应包含有：目的与要求，原理（包括电路图公式等） 说明，仪器设备的选择和使用，实验内容及步骤，所测的原 始数据及其数据处理、最后的结果及对结果的分析和评价等 所写报告应使别人看后，能了解该设计实验的工作成果和 达到的水平。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,方案选

8、择举例1,测量重力加速度可有以下几种方案 方案一：利用 ，只要能精确测定物体的重量和质量，便可以算出 ； 方案二：利用自由落体运动公式 ，只要精确测出 ， 和 便可以算出 ； 方案三：利用单摆运动，在摆角小于 时，可认为是简谐振动，其周 期 ，只要精确测定，就可算出 。 比较以上几个方案，方案三牵涉的测量量少，简便易 行，所以常选择单摆测量重力加速度,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,方案选择举例2,若测如图1所示零件的轴心距 ，其中可用毫米刻度尺测量 ， ，用分度值为 的游标卡尺测 ， ，问怎样测量精确度最高？,我们测1可通过下列三种方案实现：,2020/6/30,锦州师范高等

9、专科学校物理系,已知 B类不确定度分别为,根据不确定度合成法则，三种情况下测量的不确定度（暂只考虑类 分量）分别为：,由以上计算看出，第三种测量方案所得到的不确定度最小，因此该方案测量出的结果也就最为精确。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,选择实验仪器与配套装置的原则,选择仪器装置应考虑经济性与现实可行性 根据误差（不确定度）传递公式，采用“误差等分配原则”选择仪器精度及配套装置 按理论模型要求装配 按照对测量结果的精度要求选择 一般来说，仪器越精密，对测量条件，周围环境及操作条件的要求也越高，且价格更贵，更容易损坏。所以选择仪器应尽量选用通用仪器、不脱离实验室实际，做到使用方

10、便，经济可靠，只要能符合测量精度要求即可。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,确定测量方法和实验程序,（1）根据物理思想或模型规定的条件，调整装置和仪器， 使其尽可能接近理论要求的水平。 （2）严格规定某些条件或范围，以防止引起额外的误差甚 至导致错误。 （3）明确安排实验中的每一步骤，务必使其合理简捷。对 不可逆过程的实验，要特别注意先后次序合理安排。 （4）对操作难点，注意事项，不正确使用仪器会造成事故 等重要事宜，都要明文写出。 （5）应提出对数据处理的要求，恰当的数据处理方法，往 往可以弥补实验之不足。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,4.检验实验结果做进

11、一步修正,程序步骤确定之后，要反复操作几遍。发现实验中存在的问题，应及时予以改进。如发现结果出现意外，要逐项分析、查找原因、注意不要忽略任何可能的现象和规律。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,5.设计性实验报告的要求,设计性实验报告，一般应包括以下内容： （1）实验题目； （2）实验的任务及要求 （3）实验原理 （4）根据设计题目要求及误差要求选择仪器及测量条件； （5）画出设计线路图或装置图，标出元件参数及仪器规格； （6）简要的实验步骤及注意事项； （7）实验数据记录及数据处理，包括不确定度计算及结果表示 （8）对结果进行分析、讨论，得出必要的结论等； （9）参考资料清单。

12、,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十一 测定给定电阻丝的电阻率,【实验目的】 测量给定电阻丝的电阻率。 【实验仪器】 固定在米尺上的均匀电阻丝（中间有一可滑动的按键）一根、螺旋 测微器一个、阻值为2.00的电阻一个（用电阻箱的9.9档）一个、 定值稳压电源（若电动势）两个、单刀单掷开关一个、单刀双掷开 关一个、检流计一个、导线若干。 【实验要求】 1.简述实验原理、相关公式、测量方法、画出实验线路 2.写出必要的测量步骤 3.测出5组数据，列表记录测量数据，求出实验结果。 说明 检流计只许作为检查有无电流和判别电流方向用。两电动势未知， 仅知道 。,2020/6/30,锦

13、州师范高等专科学校物理系,实验五十二 测量干电池的电动势,【实验目的】 加强学生对补偿原理的掌握 【实验仪器】晶体稳压电源一个，干电池1个(标为 )，电阻箱3个 ( )，标准电池1个(标准电动势为)，检流计1个，保护开关1个， 单刀双掷开关1个，单刀单掷开关1个，导线若干。 【实验要求】 利用所给仪器测出电池 的电动势. 1.写明实验原理并画出实验电路图； 2.写明实验步骤(包括操作中的注意事项)； 3.记录全部实验数据并求出结果。 保护开关说明 保护开关也称保护电阻。当开关处在粗调位置,线路串联一个几十千欧 的电阻；当开关处在中调位置，线路串联一个几百欧的电阻；当开关处 在细调位置，线路直接

14、接通。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十三 测定电表的内阻,【实验目的】 设计一种简单测量电流表内阻的实验方法，并进行实验验证。 【实验仪器】 电阻箱 3个，滑动变阻器（200）1个，直流电源、待测内阻电流表（100mA）、电压表（500mV）各一个，开关、导线。 【实验要求】 电表的内阻也是一种电阻，因此所有测量电阻的方法都可以用来测量电表的内阻。但是电表本身具有指示功能，在设计测量电路时要充分利用这一点。 分别设计一种电路，来测出电流表和电压表的内阻，要求电流表和电压表在各自测量时只使用一次，即测电流表内阻时只使用电流表，测电压表内阻时只使用电压表。 1.写明实验原

15、理并画出实验电路图； 2.写明实验步骤(包括操作中的注意事项)； 3.记录全部实验数据并求出结果并进行误差分析。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十四 利用惠斯通电桥原理测量电流表内阻,【实验目的】 学习半偏法法测量毫安表的内阻。 【实验仪器】 电源一个，电阻箱 3个，滑动电阻器（200）一个，毫安表（100mA）一个，开关2个。 【实验要求】 利用所给仪器测出毫安表的内阻。 (1)写明实验原理并画出实验电路图； (2)写明实验步骤(包括操作中的注意事项)； (3)记录全部实验数据并求出结果并进行误差分析。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十五 电阻

16、的在线测定,【实验目的】 学习在路电阻的测量方法。 【实验仪器】 电压表、电流表、灵敏电流计、滑动电阻器（2个）、直流电源、开关、导线等。 【实验要求】 1.利用所给仪器测出某一在线电阻的电阻值。要求测量它正常工作时的电阻，测量电路不能改变原有电路的工作状态。 (1)写明实验原理并画出实验电路图； (2)写明实验步骤(包括操作中的注意事项)； (3)记录全部实验数据并求出结果并进行误差分析。 2.在线电阻可选用实验五电路图5-1 中的Rx，电阻值由教师设定。,2020/6/30,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十六 万用表电路的设计与组装,【实验任务1】 分析研究常用万用表电路，设计并组装一个简单的万用表。 【实验要求】 1.分析常用万用表电路，说明各档的功能和设计原理。 2.设计并组装一个具有下列四档功能的万用表 （1）直流电流档，量程1.00mA； （2）直流电