综合设计性实验讲义2011.8(1).doc
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普通物理综合设计性实验指导书
黑龙江大学普通物理实验室
2011.8
目录
绪论
实验1.液体表面张力系数测量
实验2.非平衡电桥应用
实验3.几何光学设计性实验--组装显微镜与望远镜实验4.利用迈克尔逊干涉仪测量透明介质折射率
实验5.温度传感器性能研究并设计温度传感器
实验6.多种方法测量刚体转动惯量
实验7.用Multisim软件仿真电路
实验8.普通碱性电池充电器研究与设计
实验9.制作简易可调信号源
实验11.光电效应实验
绪论
一.综合设计性实验的学习过程
完成一个综合设计性实验要经过以下三个过程:
1.选题及拟定实验方案
实验题目一般是由实验室提供,学生也可以自带题目,学生可根据自己的兴趣爱好自由选择题目。
选定实验题目之后,学生首先要了解实验目的、任务及要求,查阅有关文献资料(资料来源主要有教材、学术期刊等),查阅途径有:
到图书馆借阅、网络查询等。
学生根据相关的文献资料,写出该题目的研究综述,拟定实验方案。
在这个阶段,学生应在实验原理、测量方法、测量手段等方面要有所创新;检查实验方案中物理思想是否正确、方案是否合理、是否可行、同时要考虑实验室能否提供实验所需的仪器用具、同时还要考虑实验的安全性等,并与指导教师反复讨论,使其完善。
实验方案应包括:
实验原理、实验示意图、实验所用的仪器材料、实验操作步骤等。
2.实施实验方案、完成实验
学生根据拟定的实验方案,选择测量仪器、确定测量步骤、选择最佳的测量条件,并在实验过程中不断地完善。
在这个阶段,学生要认真分析实验过程中出现的问题,积极解决困难,要于教师、同学进行交流与讨论。
在这种学习的过程中,学生要学习用实验解决问题的方法,并且学会合作与交流,对实验或科研的一般过程有一个新的认识;其次要充分调动主动学习的积极性,善于思考问题,培养勤于创新的学习习惯,提高综合运用知识的能力。
3.分析实验结果、总结实验报告
实验结束需要分析总结的内容有:
(1)对实验结果进行讨论,进行误差分析;
(2)讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法;(3)写出完整的实验报告(4)总结实验成功与失败的原因,经验教训、心得体会。
实验结束后的总结非常重要,是对整个实验的一个重新认识过程,在这个过程中可以锻炼学生分析问题、归纳和总结问题的能力,同时也提高了文字表达能力。
在完成综合性、设计性实验的整个过程中处处渗透着学生是学习的主体,学生是积极主动地探究问题,这是一种利于提高学生解决问题的能力,提高学生的综合素质的教学过程。
在综合设计性实验教学过程中学生与教师是在平等的基础上进行探讨、讨论问题,不要产生对教师的依赖。
有些问题对教师是已知的,但对学生是未知的,这时教师应积极诱导学生找到解决问题的方法、鼓励学生克服困难,并在引导的过程中帮助学生建立科学的思维方式和研究问题的方法。
有些问题对教师也是一个未知的问题,这时教师应与学生共同思考共同解决问题。
二.实验报告书写要求
实验报告应包括:
1实验目的;2实验仪器及用具;3实验原理;4实验步骤;5测量原始数据;6数据处理过程及实验结果;7分析、总结实验结果,讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法,总结实验成功与失败的原因,经验教训、心得体会。
三.实验成绩评定办法
教师根据学生查阅文献、实验方案设计、实际操作、实验记录、实验报告总结等方面综合评定学生的成绩。
(1)查询资料、拟定实验方案:
占成绩的20%。
在这方面主要考察学生独立查找资料,并根据实验原理设计一个合理、可行的实验方案。
(2)实施实验方案、完成实验内容:
占成绩的30%。
考察学生独立动手能力,综合运用知识解决实际问题的能力。
(3)分析结果、总结报告:
占成绩的20%。
主要考察学生对数据处理方面的知识运用情况,分析问题的能力,语言表达能力。
(4)科学探究、创新意识方面:
占成绩的20%。
考察学生是否具有创新意识,善于发现问题并能解决问题。
(5)实验态度、合作精神:
占成绩的10%。
考察学生是否积极主动地做实验,是否具有科学、严谨、实事求是的工作作风,能否与小组同学团结合作。
四.综合设计性实验上课要求
1.实验题目分为3个模块:
A、B、C,要求每个同学完成三个模块中各1个题目,完成3个实验题目
说明:
(1)在一个实验模块中只能选择一个题目,不能多选;
(2)每个题目的实验人数不能超过该题目的限选人数;
(3)必须完成3个题目,否则无成绩。
2.做每个实验前要做实验前的开题报告,开题报告应包括:
(1)实验的目的、意义、内容;
(2)对实验原理的认识、拟定的测量方案等;(3)对实验装置工作原理、使用方法等方面的了解;(4)对实验的原理、测量方法、仪器使用等方面存在的问题、需进一步研究的内容等。
3.实验结束要求做实验总结报告,总结报告应包括:
(1)阐述实验原理、测量方法;
(2)介绍实验内容,分析测量数据、实验现象,总结测量结果;(3)实验的收获、实验的改进意见,对实验教学工作提出意见和建议等。
说明:
(1)选择相同实验模块的同学在一起参加开题报告和总结报告,要求选择同一题目的同学一起准备开题报告和总结报告,每个同学担任不同的任务,共同合作完成。
(2)在报告过程中要求每个同学积极参与讨论。
实验1液体表面张力系数的测定
实验目的
1.用砝码对硅压阻力敏传感器进行定标,计算该传感器的灵敏度,学习传感器的定标方法。
2.观察拉脱法测液体表面张力的物理过程和物理现象,并用物理学基本概念和定律进行分析和研究,加深对物理规律的认识。
3.测量纯水和其它液体的表面张力系数。
4.测量液体的浓度与表面张力系数的关系(如酒精不同浓度时的表面张力系数)
实验原理
一个金属环固定在传感器上,将该环浸没于液体中,并渐渐拉起圆环,当它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值为
(1)
式中:
、分别为圆环外径和内径,为液体表面张力系数,为重力加速度,所以液体表面张力系数为:
(2)
实验中,液体表面张力可以由下式得到:
(3)
为力敏传感器灵敏度,单位V/N。
分别为即将拉断水柱时数字电压表读数以及拉断时数字电压表的读数。
实验仪器
实验仪器主要由液体表面张力系数测定仪主机(数字电压表)以及实验调节装置以及镊子、砝码组成。
实验前准备工作及实验注意事项:
1.吊环须严格处理干净。
可用NaOH溶液洗净油污或杂质后,用清洁水冲洗干净,并用热吹风烘干。
2.须调节好吊环水平。
3.议器开机需预热15分钟。
4.在旋转升降台时,尽量使液体的波动要小。
5.工作室不宜风力较大,以免吊环摆动致使零点波动,所测系数不正确。
6.若液体为纯净水。
在使用过程中防止灰尘和油污及其它杂质污染。
特别注意手指不要接触被测液体。
7.力敏传感器使用时用力不宜大于0.098N。
过大的拉力传感器容易损坏。
8.实验结束须将吊环用清洁纸擦干,用清洁纸包好,放入干燥缸内。
9.对力敏传感器定标时,加砝码前应首先对仪器调零,安放砝码时应尽量轻。
实验内容
1.硅压阻力敏传感器定标,得到力敏传感器的灵敏度
要求自己设计定标方案,拟定实验过程。
2.水和其它液体表面张力系数的测量
要求自己设计液体表面张力系数测量方案,拟定实验过程。
(1)水的表面张力系数
要求测量“纯净水”和“矿泉水”的表面张力系数,比较“纯净水”和“矿泉水”的表面张力系数是否有差别,并解释原因。
(2)乙醇的表面张力系数
(3)甘油的(丙三醇)的表面张力系数
3.研究温度对表面张力系数的影响
要求测量不同温度下水的表面张力系数,分析解释测量结果。
参考资料
1.贾玉润 等. 大学物理实验[M].复旦大学出版社,1987.
2.A.W.亚当林.表面的物理化学[M].科学出版社,1984.
3.顾惕人,等. 表面化学[M]. 科学出版社,1994.
4.沈元华 陆申龙. 基础物理实验[M].北京:
高等教育出版社.2003
5.焦丽凤 陆申龙. 用力敏传感器测量液体表面张力系数.物理实验.第22卷第7期.2002.7:
40—42
6.沈易陆申龙曹正东.新型半导体应变计液体表面张力系数测定仪的研制.实验技术与管理.第20卷第1期.2003.2:
39—4
实验报告要求
1.液体表面张力产生的原因;
2.阐明测量表面张力系数实验的原理、方法;
3.介绍力敏传感器的工作原理和方法;
4.记录实验中出现的各种实验现象,对其进行分析讨论;
5.记录实验数据,并对结果分析讨论;
总结收获和体会,提出对教学工作的意见和建
实验2非平衡电桥的原理和应用
一.实验目的、意义和要求
电桥可分为平衡电桥和非平衡电桥,非平衡电桥也称不平衡电桥或微差电桥。
利用非平衡电桥可以测量一些变化的非电量,如温度、压力、形变等,在工程测量和科学实验中有广泛的应用。
本实验要求用DHQJ-5型非平衡电桥和DHW-2型温度传感实验装置,达到下列实验目的:
1.掌握非平衡电桥的工作原理以及与平衡电桥的异同
2.掌握利用非平衡电桥的输出电压来测量变化电阻的原理和方法
3.设计一个数显温度计,掌握非平衡电桥测量温度的方法,并类推至测其它非电量。
二.实验仪器及配件
1.DHQJ-5型非平衡电桥
2.DHW-2型温度传感实验装置
三.实验原理
非平衡电桥的原理图见图1。
图1
非平衡电桥在构成形式上与平衡电桥相似,但测量方法上有很大差别。
平衡电桥是调节R3使I0=0,从而得到,,非平衡电桥则是使R1、R2、R3保持不变,RX变化时则U0变化。
再根据U0与RX的函数关系,通过检测U0的变化从而测得RX。
由于可以检测连续变化的U0,所以可以检测连续变化的RX,进而检测连续变化的非电量。
(一)非平衡电桥的桥路形式
1、等臂电桥
电桥的四个桥臂阻值相等,即R1=R2=R3=RX0;其中RX0是RX的初始值,这时电桥处于平衡状态,U0=0。
2、卧式电桥也称输出对称电桥
这时电桥的桥臂电阻对称于输出端,即R1=R3,R2=RX0,但R1≠R2
3、立式电桥也称电源对称电桥
这时从电桥的电源端看桥臂电阻对称相等即
R1=R2RX0=R3但R1≠R3
4、比例电桥
这时桥臂电阻成一定的比例关系,即R1=KR2,R3=KRX0或R1=KR3,R2=KRX0,K为比例系数。
实际上这是一般形式的非平衡电桥。
(二)非平衡电桥的输出
非平衡电桥的输出接负载大小分类又可分为两种。
一种是负载阻抗相对于桥臂电阻很大,如输入阻抗很高的数字电压表或输入阻抗很大的运算放大电路;另一种是负载阻抗较小,和桥臂电阻相比拟。
后一种由于非平衡电桥需输出一定的功率,故又称为功率电桥。
根据戴维南定理,图1所示的桥路可等效为图2(a)所示的二端口网络。
图2(a)图2(b)
其中U0C为等效电源,Ri为等效内阻。
由图1可知,在RL=∞时,等效电源电压值为:
根据戴维南定理,将E电源短路,得到图2(b)电路,据此可求出电桥等效内阻:
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- 综合 设计 实验 讲义 2011.8