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1、设计性实验 基础知识,给定实验目的及要求由学生自行设计方案并加以实施的实验。,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,设计性实验,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； 制作型实验：设计并组装装置，如万用表、全息光栅等,三种类型：,一般要求,第一次为准备实验，要求先有方案和参考资料列表。了解所需实验仪器性能和操作方法，进行试做，研究设计方案的可行性。 第二次带“可行的设计方案”，精做实验。,
2、设计性实验的一般程序：,建立 物理 模型,一、建立物理模型,根据实验对象的物理性质，研究与实验对象相关的物理过程原理及过程中各物理量之间的关系、推导数学公式 。 例：测量兰州地区的重力加速度g。 测量精度要求：,什么物理现象或物理过程与g有关？ 自由落体运动/物体在斜面上的滑动/抛体运动/单摆/ ,物理模型的建立,要测某一地区的重力加速度,或者建立一个单摆的 物理模型。,可建立个自由落体运动的物理模型,注意适用条件：,1、只有系小球的细线的质量比小球质量小很多； 2、小球的直径比细线的长度小很多； 3、小球在重力作用下做小角度摆动等，周期才满足公式,测量重力加速度的物理模型,自由落体模型,只能
3、测一个单程的时间与位移，当下落行程h为2m时，所需时间t只有0.6s多，这就对计时仪器的精度提出了很高的要求。,单摆模型,可测n个周期的累积摆动时间，对于摆长L=1m的单摆，周期T约为2s，若累计测50个周期，则时间间隔达100s左右.,显然采用此方案，既简单，又准确。因此，选单摆模型比自由落体要好。,比如： 在测量温度时可以使用水银温度计、热电偶、热敏电阻等多种器具； 测量电压可以用万用表、数字电压表、电位差计、示波器等。,一个实验中可能要测量多个物理量，而每个物理量又都可能有多种测量方法。,必须根据被测对象的性质和特点，罗列各种可能的实验方法，分析各种方法的适用条件，比较各种方法的局限性及
4、可能达到的实验精度等因素，并考虑各种方法实施的可能性，优缺点，综合后做出选择。 一般情况下，为减小误差应尽可能采取等精度的多次测量；对于等间隔、线性变化的实验数据的处理可采用“逐差法”、“最小二乘法”等。,实验方法的选择,测量仪器的选择与配套,在间接测量中，每个独立测量量的不确定度都会对最终结果的不确定度有贡献。若测量结果的合成不确定度为 ，则 中的每一项 都要大致相等。,选择的方法是通过待测的间接测量量与各直接测量量的函数关系导出不确定度传递公式，并按照“不确定度均分”原理将对间接测量量的不确定度要求分配给各直接测量量，再由此选择精度和量程适合的仪器。 例如：,不确定度均分原理,选择测量仪器
5、,不确定度传递公式,单摆实验,测长仪器的允许最大不确定度(示值误差)为3.5mm， 计时仪器的允许最大不确定度(示值误差)为0.0036s。,考虑到测量方便,选摆长L约为lm，则周期约为2s。,选择l毫米刻度的米尺测长完全可以达到要求；考虑到用停表计时时最小显示为0.01s，又由于操作者技术引起的误差在0.2s左右，所以需采用累积计时法，如先测量100个周期的时间，再转换成一个周期的时间，就能满足上述设计要求。,由此估算出：,比如： 由于条件限制，某一物理量测量的不确定度稍大，继续降低不确定度又比较困难，这时可以允许该量的不确定度大一些，而将其它物理量的测量不确定度降得更低，以保证合成不确定度
6、达到设计要求。 另外，由有效数字运算法则可知，所选测量仪器的测量精度(有效数字位数)应大致相同。为了合理使用仪器，达到相应的测量精度，在选择仪器时应根据实际情况，兼顾仪器的等级和量程，使仪器的量程略大于测量值即可。,“不确定度均分”只是一个原则上的分配方法，对于具体情况还可具体处理。,例如：若待测电流为60mA,0.5级量程为300mA的电流表,1.0级量程为75mA的电流表,仪器示值误差限,误差限值的相对值,由于待测量的量值与仪器的量程不匹配，用0.5级的表测得的结果反而不如1.0级的表好。,比较其结果可见：,在实验方法及仪器选定的情况下，选择有利的测量条件，最大限度地减小系统误差。,测量条
7、件与最佳参数的确定,如用单摆测重力加速度时，我们选用的实验装置必须满足：球要小，可看成质点；线要轻，可忽略摆线质量；摆角要小于 ，以满足公式 的要求。 又如一般电表读数的最有利条件是选取电表刻度盘的2/3附近的区域。 另外，环境条件如温度、湿度、气压、射线、电磁场、振动等，对仪器的正常工作都会有一定的影响，也会引起系统误差，所以选定合适的测量环境也是不可忽视的。,提出具体方案，撰写准备报告 整个过程中要查阅足够的参考资料； 在实验室实地考查仪器情况并进行准备性实验。 参考资料： 大学物理、物理实验教科书（不同版本）； 有关测量、传感器方面的教材和专著； 仪器、仪表、器件手册； 仪器说明书； 国
8、家标准、行业标准、技术规范等。 实验操作 实验报告,实验方案 实 验 题 目 一、实验任务 二、实验要求 三、实验方案 1、物理模型的比较与选择 2、实验方法的比较与选择 3、仪器的选择与配套 1）误差公式的推导 2）仪器的选择 4、测量条件与最佳参数的确定 1）测量条件 2）最佳参数 四、实验步骤 五、实验注意事项,实验报告 实 验 题 目 一、实验任务 二、实验要求 三、实验方案 （通过试测选定的实验方案，包括 原理公式和原理图） 四、实验步骤 五、数据处理 实验数据、数据处理、误差估算、 误差分析 六、实验总结 （包括对本实验的总结；实验中的体会、 收获；对实验选题的建议、意见等）,实例
9、：电阻优化测量,【实验目的】 （1）根据被测电阻的性质及阻值大小，学会实验方案、测试方法、仪器选择的合理确定，培养实验设计和独立工作能力。 （2）根据不同被测对象和测量特点，学会分析误差和减小误差的方法，进一步培养分析问题和解决问题的能力。 【可选用实验仪器】 电压表，电流表，滑线变阻器，单臂电桥（箱式），惠斯登电桥（直线型），标准电阻，直流检流计，电阻箱，稳压电源，单刀开关，双刀开关，待测电阻（2000、200、20），导线若干。,【实验内容和要求】 1、根据实验目的及可选用实验仪器、待测电阻阻值情况，进行优化设计，尽可能减小系统误差，确定出一种测量方案。 2、对于10 、20 的待测电阻，
10、要求测量结果的相对不确定度小于2%； 200、1000、2000的待测电阻测量结果的相对不确定度小于0.5%。,常用测量方法及电路,伏安法： 1、内接法（图1a） 2、外接法（图1b） 电桥伏安法（平衡法）（图2a、2b）,图2a,图2b,完全补偿法（图3） 惠斯登电桥法（图4） 替换法（图5）,不同测量方法对测量结果的影响分析,伏安法： 电路较为简单，所用仪器少。但不论是内接法还是外接法都不可避免的受到电表内阻带来的系统误差对测量结果的影响，（内接法适合于测量阻值较大的电阻，带来正误差；外接法适合于测量阻值较小的电阻，带来负误差。）除了系统误差的影响外，测量结果的准确性由电压表、电流表的精度
11、及准确度决定。 电桥伏安法： 电路比伏安法复杂，所用仪器较多，调节平衡有一定难度，仪器或电路设计不当时甚至无法达到平衡。该方法是对伏安法的优化和改进，可以消除电表内阻带来的系统误差。测量结果的准确性只由电压表、电流表的精度及准确度决定。,完全补偿法：原理与电桥伏安法基本相同，但电路比电桥伏安法更复杂，所用仪器更多。在平衡调节方面可以进行粗调和细调，是调节比电桥伏安法方便，还可以通过与待测电阻串联的电位器改变流过待测电阻的电流，便于进行多次测量。测量结果的准确性只由电压表、电流表的精度及准确度决定。 惠斯登电桥法：该法比较常用，电路具有对称性易于记忆，适用范围较广。测量结果由两个比例臂和一个调整臂的三个电阻箱的读数准确性决定。 替换法：电路最简单，所用仪器最少。测量结果取决于用于替代的电阻箱的精度和读数准确性。,设计方案时应考虑的因素,测量方法对测量结果的影响 所用实验仪器是否在实验室可提供仪器范围内 电源电压、仪器量程、待测电阻与电阻箱和滑线变阻器的最大允许电流,
