设计实验.ppt
2023/8/19,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,2023/8/19,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。,2023/8/19,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；制作型实验：设计并组装装置，如万用表、全息光栅等。,2023/8/19,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,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,科学实验设计的原则,实验方案的选择最优化原则测量方法的选择误差最小原则测量仪器的选择误差均分原则测量条件的选择最有利原则,2023/8/19,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。,2023/8/19,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）,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,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。,2023/8/19,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。,2023/8/19,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。,2023/8/19,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：注意测量误差对系统误差影响,2023/8/19,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。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,方案选择举例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,2023/8/19,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：,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,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。,2023/8/19,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，做到使用方便，经济可靠，只要能符合测量精度要求即可。,2023/8/19,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。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,4.检验实验结果做进一步修正,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。,2023/8/19,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。,2023/8/19,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。,2023/8/19,锦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，线路直接接通。,2023/8/19,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。,2023/8/19,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。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十五 电阻的在线测定,【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。,2023/8/19,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）直流电压档，量程2.50V；（3）交流电压档，量程10.0V；（4）电阻挡（选作），电源电压取1.3V。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,【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）直流电压档，量程2.50V；（3）交流电压档，量程10.0V；（4）电阻挡（选作），电源电压取1.3V。,【实验提示】1.组装万用表时应选定一个微安表，测定其量程和内阻。2.设计时应先设计直流电阻挡。直流电压挡和交流电压挡仅需要在设计完成的直流电流档的基础上增加一个串联电阻，但是后者需增加全波整流。电阻挡则应增加电源。实验参考电路见右图。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,【实验任务2】了解欧姆表，设计并组装有1，10,100三挡的多量程欧姆表。【实验要求】1.查阅资料了解多量程欧姆表的基本原理。2.设计并组装欧姆表，并进行校验。3.给出微安表读数与电阻值之间的对应表，或制作出表示出电阻值的欧姆表表盘。,【实验提示】1.首先选一个微安表并测定其量程和内阻，然后组装成毫安表（参考实验任务1）。2.参考电路如右图所示。先设计1挡。给定毫安表满偏电流,则,其中为的并联电阻，为外加干电池电源。考虑到电表使用中的电动势会下降，设计时可取为1.3V。电位器的作用是使测量端短路时可以将流经电流表的电源调至满偏。3.当时微安表满偏。当时微安表的电流为，所以称为欧姆表1挡的中值电阻。在10挡应该使欧姆表中的中值电阻为的；在100挡应该使欧姆表的中值电阻为的1/100。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十七 电子温度计的设计,【实验任务】设计并组装一个可以通过电压表和电流表测量温度的电子温度计。【实验要求】1.学习和掌握测量温度传感器的工作原理。2.选用热电偶、铂电阻、热敏电阻中的一种，设计并组装温度计，测量范围为01000C。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,实验五十八 望远镜与显微镜的组装,【实验任务】学习掌握望远镜和显微镜的结构和特点，设计并组装望远镜和显微镜系统，测定其放大率。【实验要求】1.学习并总结望远镜和显微镜的结构和工作原理。2.选择两个透镜，测定其焦距；组装成望远镜和显微镜并测量它们的放大率。【实验提示】可采用自准直法、物距像距法测量透镜的焦距。,2023/8/19,锦州师范高等专科学校物理系,大学物理实验,锦州师范高等专科学校刘玉富联系电话：0416-4582825/13008268366 E-mail:,
