大学物理实验教案.docx
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大学物理实验教案
大学物理实验教案
作者姓名王悦
学科(教研室)大学物理教研室
所在院系电气工程系
第一讲:
误差与数据处理
本节授课时数:
2学时
一、教学内容及要求
1、测量与误差
1.了解测量的含义,理解测量的分类和测量四要素并会判断;
2.掌握误差的分类和误差的来源并会计算误差;
3.熟练运用直接测量偶然误差的估计公式进行误差估计;
4.了解系统误差的处理。
2、不确定度的概念
1.了解不确定度的分类;
2.熟练掌握直接测量不确定度和间接测量的不确定度的计算。
3、有效数字的处理
要求熟练掌握各种运算中的有效数字位数的取舍原则。
4、数据处理
1.了解数据图表法的优点和缺点,会熟练作图和制表,给学生强调容易忽视的细节:
比如图名,物理量的表示和单位以及描点的要求。
2.熟练掌握用作图法求直线的斜率和截距的方法。
理解如何把曲线改直。
3.熟练使用逐差法,了解其使用的前提和优点。
4.了解最小二乘法的由来和优点,能够熟练使用公式了解相关系数的意义。
二、教学重点与难点
重点:
1.系统误差和偶然误差的特点;
2.不确定度和置信概率的定义和其中的物理意义;
3.不确定度的分类和具体计算,有效数字的运算法则;
4.数据处理中的逐差法和最小二乘法。
难点:
不确定度的传递和有效数字的运算法则。
三、教学后记
通过绪论课,不少同学应该都建立这样的思想:
实验不仅仅是动手的过程,而操作后的数据是一个比较复杂和相当重要的工作。
对于现在和以后的实验,不确定度的分析是占有很重要的地位。
实践部分:
11个实验不同专业学生做的略有不同
实验01:
基本长度的测量
本节授课时数:
3学时
一、教学内容及要求
1.学习游标卡尺、螺旋测微器、读数显微镜的测量原理和使用方法。
2.掌握误差及有效数字的概念;学习直接测量量的数据处理方法。
二、教学设计
1、游标卡尺构造及读数原理
2、螺旋测微器(千分尺)
3、读数显微镜
1.首先检查螺旋测微计的零点读数,并记录下来。
然后用螺旋测微器测量小钢珠直径,不同位置测量6-8次,计算体积和不确定度,并写出测量结果。
2.用游标卡尺测量空心圆柱体不同部分的外径、内径、高度,各测量6-8次。
计算空心圆柱体的体积及不确定度,并写出测量结果。
3.首先将读数显微镜的叉丝调节清楚。
将头发丝理直,放到读数显微镜的载物台上,使头发丝与镜筒平移方向垂直,再将发丝调节清楚。
转动鼓轮,平移镜筒,测量发丝的直径,在三个不同的部位测量6次,取平均值。
三、教学重点与难点
1.掌握三种长度测量工具的正确读数方法
2.误差分析方法
四、教学后记
学生在讲解后能比较顺利进行各种测量,但是往往忘记记录零点误差。
实验02:
静力称衡法测不规则固体的密度
本节授课时数:
3学时
一、教学内容及要求
1.学会物理天平的正确使用。
2.掌握用流体静力秤法测定不规则固体的密度。
二、教学设计
静力称衡法测不规则固体的密度
方法介绍:
这一方法的基本原理是阿基来德原理。
物体在液体中所受的浮力等于它所排开液体的重量。
按密度定义:
(1)
在不考虑空气浮力的条件下,物体在空气中重为,它浸没在液体中的视重。
那么,物体受到的浮力为:
和是该物体在空气中及完全浸没液体称量时相应的重量。
又物体所受浮力等于所排液体重量,即:
式中是液体的密度,是排开液体的体积,亦为物体的体积。
g为重力加速度。
由式
(1),
(2),(3)可得待测固体的密度:
用这种方法测密度,避开了不易测量的不规则体积,转换成只须测量较易测量的重量。
一般实验时,液体常用水,为水的密度。
实验步骤:
1.按天平的调节要求,调好天平。
(1)底板的水平调节。
(2)横梁的水平调节。
2.测量不规则金属物体的密度。
(1)将细绳拴好金属块放在天平左盘上,称出此时质量。
(2)把盛有大半杯水的烧杯放在天平左边的托架上,将拴好金属块的细绳挂在天平左盘的吊钩上,调整烧杯位置,使金属块浸没在水中,称出此时质量(不要让所称物体接触烧杯)。
(3)按照(4)式计算出金属密度。
三、教学重点与难点
1.掌握什么是流体静力秤法
2.熟悉物理天平的正确使用
四、注意事项
1.物理天平在使用中应注意:
(1)启动、止动天平时动作要轻。
(2)要“常止动”.即取放物体、加减砝码、拨动游码、调节平衡螺母前及使用完毕后,必须转动制动旋钮,止动天平,使横梁静放在制动架上,这样可避免刀口受冲击而损坏,还可防止刀口离开刀口垫使横梁掉下,只有在判断天平是否平衡时才启动天平。
天平启动或止动时,旋转制动旋钮动作要轻。
(3)加减砝码必须使用镊子,严禁用手,从秤盘中取下砝码后,应立即放入砝码盒,以免丢失或弄脏。
(4)每台天平的左右秤盘、秤盘挂钩等部件,不能左右调换,更不能与其他天平上的部件互换。
2.用流体静力称衡法测物体块密度时应注意:
(1)在空气中称量物体块质量时,要使物体块保持洁净、干燥。
(2)用细绳拴住物体块时,最好为活套,这样可方便调整物体块与重物的间距,以利于后面的称衡。
实验03:
速度与加速度的测量
本节授课时数:
2学时
一、教学内容及要求
1.学习使用气垫导轨的存储式数字毫秒计。
2.观察匀速直线运动,测量滑块运动速度。
3.观察匀加速运动,测量滑块的加速度。
二、教学设计
1.测量滑块运动的瞬时速度
物体做直线运动时,其瞬时速度定义为:
根据这个定义瞬时速度实际上是不可能测量的。
因为当→0时,同时有→0,测量上有具体困难。
我们只能取很小的及相应的,用其平均速度来代替瞬时速度,即:
尽管这样用平均速度代替瞬时速度会产生一定的误差,但只要物体运动速度较大而加速度很小,这种误差不会太大。
2.测量滑块运动的加速度a
如图所示,如果将气垫导轨一段垫高,形成斜面,滑块下滑时将做匀变速直线运动,有三个基本运动公式:
式中和以及和分别为和时刻滑块的位置坐标和相应的瞬时速度。
在实验中使用的毫秒计只能从=0开始计时,所以运动方程变为:
此时为滑块从处到处的运动时间,为两光电门之间的距离。
而加速度的理论值为:
这里为导轨的倾斜角,由图可得:
实验时,使滑块由导轨的上端静止自由下滑,即可测得不同位置处各自的相应的速度与加速度值。
三、教学重点与难点
1.掌握如何通过控制光电门位置测量加速度和速度
2.熟悉气垫导轨的结构和正确使用方法
四、注意事项
1.气垫导轨是较精密的设备,严禁碰撞、磨损导轨表面,没通气的情况下,不能在导轨上推动滑块。
2.实验时,要特别注意,不要使滑块、遮光片碰坏光电门,应先用手试推滑块,看是否与光电门相撞,调好后方进行试验。
3.滑块的内表面光洁度高,应严防划伤碰坏,滑块运动速度不应太大,以免与气垫导轨两端碰撞而跌落使之受损。
装取遮光片或砝码,应将滑块从气垫导轨上取下操作,待固定好再把滑块放到导轨上。
4.实验前应仔细检查导轨表面上每一个小孔是否畅通无阻,如果发现堵塞,应先用细针仔细清通。
5.试验中不需要通气时应关闭气源,以免使用时间过长而烧坏电机。
若送气时听见气源电机有异常声响,应立即关闭气源。
实验04:
扭摆法测定物体转动惯量
本节授课时数:
3学时
一、教学内容及要求
1.会用扭摆法测定几种不同形状物体的转动惯量的方法,并与理论值比较。
2.测定刚体转动惯量与质量分布的关系,验证刚体转动惯量的平行轴定理。
二、教学设计
转动惯量的测量,一般都是使刚体以一定形式运动,通过表征这种运动特征的物理量,与转动惯量的关系,进行转换测量。
本实验使物体作扭转摆动,由于摆动周期及其它参数的测定计算出物体的转动惯量。
扭摆的构造如图所示,在垂直轴1上装有一根薄片状的螺旋弹簧2,用以产生恢复力矩。
在轴的上方可以装上各种待测物体。
垂直轴与支座间装有轴承,以降低摩擦力矩,3为水平仪,用来调整系统平衡。
将物体在水平面内转过一角度θ后,在弹簧的恢复力矩作用下,物体就开始绕垂直轴作往返扭转运动。
根据胡克定律,弹簧受扭转而产生的恢复力矩M与所转过的角度θ成正比,即:
(1)
1-垂直轴,2-蜗簧,3-水平仪
式中,k为弹簧的扭转常数。
根据转动定律
式中,J为物体绕转轴的转动惯量,为角加速度,由上式得
(2)
令,且忽略轴承的摩擦阻力矩,由式
(1)、
(2)得:
上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性,角加速与角位移成正比,且方向相反,此方程的解为:
式中,A为谐振动的角振幅,φ为初相位角,ω为角速度。
此谐振动的周期为:
(3)
由(3)式可知
(4)
只要实验测得物体扭摆的摆动周期,并在J和k中任何一个量已知时即可计算出另一个量。
本实验利用公式法先测得圆柱体的转动惯量,再用扭摆测出载物盘的摆动周期T0,再把圆柱体放到载物盘上,测出此时的摆动周期T1,分别代入(4)式,整理得:
(5)
其中J0为圆柱体的转动惯量。
三、教学重点与难点
1.掌握规则物体转动惯量的测量方法
2.熟悉扭摆的构造、使用方法,以及转动惯量测试仪的使用方法
四、注意事项
1.弹簧的扭转常数k值不是固定常数,它与摆动角度略有关系,摆角90°左右基本相同,在小角度时变小。
为了降低实验时由于摆动角度变化过大带来的系统误差,在测定各种物体的摆动周期时,摆角不宜过小,摆幅也不宜变化过大;
2.光电探头应酬放置在挡光杆平衡位置处,挡光杆不能和它相接触,以免增大摩擦力矩;
3.机座应保持水平状态;
4.在安装待测物体时,其支架必须全部套入扭摆主轴,并将止动螺丝旋紧,否则扭摆不能正常工作;
5.在称金属细杆与木球的质量时,必须将支架取下否则会带来极大误差。
实验05:
空气比热容比的测定
本节授课时数:
2学时
一、教学内容及要求
1.学习一种测量空气比热容比的方法。
2.通过对空气比热容比的测定,加深对热力学过程中状态变化的理解。
二、教学设计
一般地说,同种物质可以有不同的比热容,不仅物质的比热容与其温度有强烈的依赖关系,而且还取决于外界对物质本身所施加的约束。
当压力恒定时可得物质的定压比热容Cp,体积一定时可得物 质的定容比热容Cv。
二者都是热力学过程中的重要参量,因此又称它们为主比热容。
Cp及Cv一般是温度的函数,但当实际过程所涉及的温度范围不大时,二者均近似地视为常数。
对于理想气体,二者之间满足如下关系:
Cp-Cv=R。
由上式立即可以得出一个热力学中的重要物理量比热容比:
r
r=Cp/Cv
对于上图满足泊松公式:
(1)
而状态与状态是等温的,所以,玻意耳定律成立,即:
(2)
由
(1)及
(2)式消去V1、V2可解得:
(3)
可见,只要测得测量,,的值可测量出空气的比热容
如果用⊿,⊿分别表示,与大气压强的差值时,则有:
=+⊿;=+⊿(4)
将(4)式代入(3)式,并考虑到〉〉⊿,〉〉⊿,则:
及
所以:
(5)
同样,只要用压力计测得实验过程中,时与的压力差⊿,⊿,即可通过(5)式求出比热容比。
三、教学重点与难点
1.比热容比物理意义
2.熟悉用绝热膨胀法测定空气的比热容比的方法
四、注意事项
1.向容器内压入空气时,压强差值不超过15kpa;
2.实验过程中打开出气阀放气时,当听到放气声将结束时应迅速关闭出气阀,提早或推迟关闭出气阀,都将影响实验要求,引入误差。
3.由于数字电压表有滞后显示,如用计算机实时测量,发现此放气时间约零点几秒,并与放气声产生消失一致,而且关闭也需要零点几秒的时间,所以关闭出气阀用听声更可靠些;
4.
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