实验教案-设计实验.ppt

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1、1,综合专题实验与设计性实验,教师 缪萍2011.9,2,本次课内容,上学期实验存在的问题本学期的教学安排介绍综合专题实验设计性实验的一般程序 本学期实验项目简介本学期实验成绩考核,3,上学期实验存在的问题,不及时选实验，选上后又缺课。不预习实验，或预习报告没有数据表格；个别 同学抄别人的数据和作业。不及时交实验报告。数据记录不规范。不注意有效数字位数要求。画图不规范。不会进行直接或间接测量量的不确定度分析。,4,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小。2.标明坐标轴：用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。3.标实验点：实验点可用“

2、”、“”、“”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。,4.连成图线：用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。一般不强求直线或曲线通过每个实验点，应使部分实验点在图线上，不在图线上的其它实验点对称的分布在图线两侧。,5.标出图线特征：在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点 A、B 的坐标就可求出 R 值。,6.标出图名：在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。,作图要求,5,完整图,6,直接测量量不确定度的评定,1）计算：,3）计算：,等精度多次测量,和,4）,2）计算：,剔除坏值后，重复1）2）,（已无坏

3、值）,7,直接测量量数据处理举例,1.某长度测6次,分别为29.18 29.19 29.27 29.25 29.26 29.24(cm)m=0.02cm,cm,计算,8,不确定度保留1位,且与平均值的最后一位对齐。,取一位,取一位,9,间接测量结果不确定度评定,1、计算各直接量不确定度,2、计算,4、用 或,求出,10,间接测量量数据处理举例,测得某圆柱体质量M，直径D，高度H值如下，计算其密度及不确定度。,11,代入数据,计算密度,12,计算密度,取对数:,微分:,13,相对误差,14,绝对误差,测量结果,15,或先计算合成不确定度：,再计算相对不确定度：,结果是一致的,16,1.课程内容：

4、实验大课 4学时专题实验1个系列（包括3个实验），分3次完成，每次4学时，共12学时。设计性实验1个，分3次完成，每次4学时，共12学时。,本学期教学安排,本学期计划学时28学时，其中讲课4学时，专题实验12学时，设计性实验12学时。,17,2.实验时间表(表格中数字为周次,共分4轮，每轮3周),节日放假按学校调课实际安排，请关注网上通知。,物理实验课程为开放式教学，在实验室开放的时间内学生可以自选上课时间和实验内容。按要求完成教学内容。,18,3、每周实验室开放时间（3-15周）：9个时段,19,选课网址：,点击：物理实验教务系统,20,大学物理实验教务系统,从这里登录选实验,从这里查看各种

5、通知,21,4、选课（1）9月6日中午12：00开始网上选课，每轮实验提前一周开始选，一次选择连续三周的同一个时间段。（2）网上选实验时请注意：两类实验均需连续三周完成，不要和其他课程、活动冲突，选课后记清自己所选的实验名称和时间段，做好预习，按时上课。错过时间自行负责。（3）实验选定后可在网上自行调整（可退、可选），但不能退两天之内的实验，特殊原因需持医院证明或学院教学科签字盖章的证明，到7308魏老师处办理。（4）平时实验选课问题咨询：周三下午2:005:00 7308 魏老师（5）本学期选课密码：学号(请注意修改),22,什么是综合专题实验 由几个内容相关的独立实验组合而成的系列实验同一

6、个物理量用不同的方法研究：如光源光谱；同一个物理现象的各种表现：如波的衍射；较复杂的实验分多次进行：如超声波原理及应用；光纤专题；用同一个仪器研究不同的物理现象：如迈克耳孙干 涉仪系列实验等等,综合专题实验,23,为什么要进行综合专题实验 对综合实验技能的训练：在一个专题中使用多种仪器，运用多种实验方法；对实验结果进行归纳、综合、分析能力的训练 多角度、全方位、深入地对物理本质进行探讨,24,三个实验同时预习，上课时到实验室现场安排做实验的顺序。第一次课带本专题三个实验的预习报告，全部交给老师检查，无预习报告不能做实验。每次实验完成后数据交教师签字。最后一个实验完成后，次周内交三个实验报告及小

7、论文（结合专题撰写科技论文，该论文不是对实验内容的简单复述。论文不少于1500字，严禁抄袭！）,专题实验教学一般要求,25,本学期开设的综合专题实验题目,超声波原理及其应用专题：1）超声波的产生与传播 2）固体弹性的测量 3）超声波探测与成像基本原理 电子特性专题：1）金属电子逸出功的测定 2）用密立根油滴仪测量电子电量 3）电子在电场、磁场中的运动及电子比荷的测定衍射专题 1)透射光栅衍射 2)光波的单缝及圆孔夫琅禾费衍射 3)微波布拉格衍射,26,光源光谱专题1）棱镜光谱与光栅光谱 2）小型棱镜摄谱仪测氢原子光谱 3）光栅光谱仪测光谱 迈克尔孙干涉仪专题 1）测量钠光的双线波长差 2）白光

8、干涉现象测量平板玻璃的折射率 3）法布里-珀罗干涉仪测钠双线波长差 光纤技术专题1）光源与光纤特性 2）光信号传输 3）光纤传感器,27,小论文内容：,题目背景理论实验方法总结现象和结果扩展：方法、应用领域、内容不足与建议（关于内容、方法方面）,科技小论文的形式和内容是开放性的，学生可以从各自不同的角度来综合表述实验的内容和结果，并展开讨论。,怎样综合？,找共性、找差异、找联系,28,小论文格式示例,（标题）专业班级 姓名 学号（论文）摘要：关键词：（正文）背景论述结论（撰写时间）参考文献,29,1.光的衍射发展史；2.用金属逸出功测量仪做设计性扩展实验；3.光纤通讯技术的发展趋势；4.光波衍

9、射与变换光学概论；5.密立根油滴实验过程的探讨；6.棱镜折射与光栅衍射的区别与联系；.,小论文,30,综合专题实验内容介绍,01 超声波测试原理(7415室),预习要求：认真阅读实验讲义；复习示波器的使用。写出三个实验的预习报告,介绍,31,超声波是频率在2104Hz1012Hz的声波。,本专题简单介绍超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位，了解超声波在检验和探测方面的应用。,超声波测试把超声波作为一种信息载体，在很多领域发挥着不可取代的独特作用：1）探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地

10、质勘探；2）检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等；3）进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。,32,预习要求：认真阅读实验讲义；复习分光计的使用，参考测量三棱镜最小偏向角的方法学习观察汞灯的三棱镜光谱。写出三个实验的预习报告,介绍,02光源光谱专题（5306室）（1）棱镜光谱与光栅光谱（2）小型棱镜摄谱仪测氢原子光谱（3）光栅光谱仪测光谱,33,很多光源发出的光是由多种不同颜色（波长）的光组成的。通过仪器我们可以将这些不同波长的光分开，形成“光谱”，它可以帮助我们了解发光物体本身的许多其他物理、化学性质。,气体原子发光来源于电子在原子内部能级

11、间的跃迁。固体发光和固体的能带结构有关。所以对物质发光光谱的研究有助于我们认识已知发光物质的微观性质。另外，不同元素的原子有着自己特有的光谱特征，通过对光谱研究也可以帮助我们分析物质的组成成分。现代光谱技术是物理、化学、材料学、天文学、考古学等研究中不可缺少的手段。,本专题研究主要色散元件棱镜和光栅的色散性质，并利用小型棱镜摄谱仪和光栅光谱仪进行光谱测量。,34,03 波的衍射（1）光波的单缝及圆孔夫琅禾费衍射（7319室）（2）透射光栅衍射实验(7317室)（3）微波布拉格衍射(7317室),预习要求：认真阅读实验讲义，复习分光计的使用，写出三个实验的预习报告。,介绍,35,电磁波和物质波都

12、是波，具有波的干涉、衍射等共性。通过对干涉、衍射现象的研究，可以更深刻地认识电磁波和物质波的本质。另一方面，在人们充分掌握了波动性质后，又能利用干涉、衍射现象做为手段研究、探查其他物理现象。本专题从光波的衍射性质入手，先了解衍射的一般性质，再学习各种波的衍射在测试和物质结构分析方面的应用。,36,04光纤原理专题（7305室）（1）光源与光纤特性（2）光信号传输（3）光纤传感器,预习要求：认真阅读实验讲义；了解相关仪器的使用方法。写出三个实验的预习报告,介绍,37,光纤全称为光导纤维，是一种导引光波的波导，是一种新的传输介质。研究光导纤维传递光、信息和图像的学科称为纤维光学。用光纤来传递光能，

13、具有光能损失小、数值孔径大、分辨率高、可弯曲、结构简单、使用方便等特点。,目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。相对于无线电通讯来说，光纤通讯具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本低等优点。,本专题从半导体激光器和光纤入手，先了解半导体激光器的电光特性及光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯和传感领域中的应用。,38,05 迈克耳孙干涉专题（7304室）（1）测量钠光的双线波长差（2）白光干涉现象测量平板玻璃的折射率（3）法布里-珀罗干涉仪测钠双线波长差,

14、预习要求：认真阅读上学期讲义“迈克耳孙干涉仪”实验；写出三个实验的预习报告。,介绍,39,迈克耳孙干涉仪是迈克耳孙根据干涉原理制成的一种精密干涉仪。它的设计精巧，用途广泛，不少其它干涉仪是由此派生出来的。迈克耳孙因发明干涉仪和在光速测量方面的成就而获诺贝尔奖。迈克耳孙和他的合作者曾用这种干涉仪进行了三项著名的实验：1迈克耳孙莫雷实验“以太”漂移实验，为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；2标定米尺镉红线的发现，实现了长度单位的标准化；3推断光谱线精细结构由干涉条纹可见度随光程变化的规律，可推断光谱线的精细结构。迈克耳孙干涉仪用途很广：观察干涉现象，研究许多物理因素（如温度、压强、电场、磁场等）对

15、光传播的影响，测波长和测折射率等。,本专题研究迈克耳孙干涉仪在钠灯照明下钠双线波长差的测量；在白光照明下的白光干涉，用以测量玻璃折射率；基于迈克耳孙干涉仪结构的法布里-珀罗干涉，测量钠双线波长差。,40,06电子专题（7307室）（1）金属电子逸出功的测量（2）用密立根油滴仪测量电子电量（3）电子在电场、磁场中的运动及电子比荷的测定,预习要求：认真阅读实验讲义；写出三个实验的预习报告。,介绍,41,本专题从认识电子的基本属性，即从测定电子的电荷值入手，进一步研究电子的发射、电子在电场和磁场中的运动情况，从而对电子的特性有一个全面的认识，理解电子所涉及问题的广泛性和深刻性。,1897年，英国著名

16、物理学家约翰汤姆逊发现了电子。1997年美国物理学家密立根做了著名的油滴实验，测量了电子电荷、电子的质量、电子的荷质比，而且确定了电子电荷是电量的最小单位。电子质量很小，因此它有很大荷质比。荷质比越大，电子束在电磁场中越容易被聚焦、偏转和加速。利用这些性能可以制成性能优越的各种电子束器件和设备。如显像管、摄像管、示波器、光电倍增管、高速开关等。,42,设计性实验,具有设计性内容的实验。,主要设计内容包括：建立物理模型（多种）；物理模型比较（选择一种或几种）；确定实验方法（由相应的模型确定）；选择仪器设备（根据设计要求）；选择最佳参数（包括实验测量条件）；制定实验步骤（包括实验注意事项）。,43

17、,设计性实验的三种类型：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，超声波的应用），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：设计并组装或制作装置，如万用表的组装、全息光栅制作等。,44,一般要求,第一次为准备实验，要求课前预先作好设计方案和参考资料列表。无设计方案不能做实验。课内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。第二次带修改过的“可行的设计方案”，进行实验粗测。第三次精做实验，并完成实验数据处理，下课时当堂交设计方案和正式实验报告（报

18、告内应包括实验总结或体会以及建议等）。,45,设计性实验的一般程序：,建立物理模型,46,一、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：测量重力加速度g。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/,47,过程中的物理量有什么关系,以“自由落体”为例,48,二、模型比较,哪个方案合适？,如何提高准确度？,49,优点：增大时间值，方便测量；缺点：？,所有自由落体公式均可套用：,单摆模型,估计 L=1m，T2s。,限制：小摆角,50,三、实验方法的选择 用什么方法、装置实现物理模型，每个

19、物理量怎么测量。,测量长度，可以用直接测量法，电学方法（位移传感器)、光学方法（干涉法、比长法）等。,如测时间t可以有光电计时、火花打点计时和频闪照相计时的具体方法,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,根据被测对象的性质和特点，分析比较各种方法的适用条件，可能达到的实验精度以及各种方法，实施的可能性及优缺点，最后做出选择。,51,四、实验仪器的选择与配套,52,公式,53,五、测量条件与最佳参数的确定,实验方法、实验仪器选定后，选择有利的实验条件及参数范围，以最大限度的减小误差。,如 单摆长度的测量（摆线、小球）指针式仪表量程选择在满度的2/3处选择合适的测量环境：温度

20、、湿度、气压、电磁场,54,六、拟定实验实施方案,1、根据物理模型及实验方法，画出相应 的实验装置图或电路图、光路图；2、拟定详细的实验步骤；3、设计实验数据表格；4、实验仪器、设备的名称，规格，使用 条件等。,55,七、撰写准备报告（设计方案）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（系统误差分析）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（简略）五、实验注意事项 六、参考文献,56,八、资料搜集 在设计过程中要查阅足够的参考资料：例如 大

21、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；国家标准、行业标准、技术规范等。,57,完成实验设计后，方可到实验室实地考查仪器情况并进行准备性实验。将实验方案交给指导老师检查。通过第一次实验检查设计方案是否可行，根据实验室仪器设备情况、实验条件，进一步完善设计方案，即可进入实测。实测一般分两次进行：粗测、精测。粗测中根据测量数据检查是否满足实验要求，可再次调整实验方案，最后精测，完成实验。,九、实验操作,58,十、数据处理及撰写报告 完成设计实验后，在实验设计方案的基础上完成实验报告及以下两项：数据处理与分析 实验数据整理、数据计算、误

22、差估算、误差分析 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。,59,设计举例测量型实验任务：测定金属材料的杨氏模量E。要求：测量结果的相对不确定度不超过5%。物理模型的建立及比较：1）外力作用下，发生形变，在弹性限度内有,2）圆棒状样品用两条细线悬吊起来，共振时,3）声波在连续媒质内传播，其声速，则有,60,导出测量公式为,按均分原则，E(D)1%,其余约为2%。钢丝直径：0.8mm，千分尺测量，保证 E(D)0.01/0.8=1.2。弹性极限200MPa,F100N。逐差法测量，中间分段，Fm=50N。用多个1kg砝码累加加载。E量级21011Pa(N.m-

23、2)可以计算出 L/L0.0005。取L=1m，则L=0.5mm。,采用模型一 采用金属丝的伸长测杨氏模量E，,61,光杠杆放大,放大倍数=2d1/d2，取d1=2m，d2=80mm，放大50倍，S=25mm。用米尺读。u(S)=0.5mm，E(S)=2%。,d1用卷尺测，E(d1)=0.005/2=0.25%2%；L用卷尺测，E(L)=0.005/1=0.5%2%；d2用板尺测，E(d2)=0.5/80=0.6%2%；校核：,62,07设计性实验 全息光栅的制作（5304）11 设计性实验 万用表的组装（7309）12 设计性实验 万用表的组装（7310）,设计性实验项目,制作型实验,实验前

24、认真查阅资料，根据设计要求写出实验准备报告，报告中应有设计的电路原理图，制作方案等内容。,63,测量型实验,10设计性实验 软磁材料静态磁特性的测（7313室）,要求：实验前认真查阅资料，阅读实验，了解软磁材料的磁特性；学习用冲击捡流计测量磁场的方法；根据设计要求画出相应的原理图，写出实验准备报告,09 超声波测量液体浓度（7414室）,要求：实验前认真查阅资料，掌握相应的原理，写出实验准备报告。,08 薄透镜焦距的测量（7319室）,要求：实验前认真查阅资料，要求测量薄透镜的3个基本参数，设计测量方法，画出相应的原理图，写出实验设计方案。,64,实验成绩考核,设计性实验：实验准备报告20分

25、实做及完成报告30分，计50分；,综合专题实验：每个实验10分、小论文20分，计50分；,实验总成绩为两个实验成绩总合，其中：,65,通知一,购买实验报告纸：7308室每人2元（含5张实验报告纸+5张原始记录纸1张坐标纸1张设计性实验封面）专题实验报告用报告纸完成，小论文和设计性实验用纸自行准备（B5大小）。请以班级为单位集体购买时间：第2周的周四和周五 上午9:00-11:00，下午2:00-4:30,66,物理实验好帮手：导学系统,实验预习复习时可以参阅“物理实验导学系统”的相关内容。,67,通知二,本学期开放实验室继续开放，并将增加新的内容，具体信息会即时发布在选课网站上，请经常浏览！放假调课通知、未交报告学生名单等信息会即时发布在选课网站上，请经常浏览！上学期实验成绩问题咨询截止到9月6日。,See you later！,Thank You!,