物理下专题实验及设计性实验介绍

综合专题实验与设计性实验Ⅱ2011年9月物理实验中心范玲本次课内容本学期的教学安排综合专题实验及小论文设计性实验本学期实验内容简介本学期实验成绩考核上学期实验存在的问题不确定度计算复习一、本学期的教学安排1、课程内容（本学期计划学时28学时）每位同学必须完成以下内容:学时内容要求时间实验大课1次4了解本学期课程安排、内容和要求认真听课，计考勤9月3日专题实验1个系列123个实验连续3周完成，每周1次，每次4学时课后一周交3个报告和小论文3-15周自选设计性实验1个系列12连续3周完成，每周1次，每次4学时第一次课前检查设计方案，最后一次课上交设计报告3-15周自选2、实验时间表(表格中数字为周次，共分4轮，每轮3周)345789101112131415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。3、每周实验室开放时间（3-15周）：9个时段周一周二周三周四周五第1时段1:20-4:40第2时段5:30-8:50选课网址：点击：物理实验教务系统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通知4、选课（1）9月6日中午12：00点开始网上选课，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2:00~5:007308魏老师（5）本学期选课密码：学号(请注意修改)二、综合专题实验及小论文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……为什么要进行综合专题实验——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综合性专题实验超声电子波动光谱原子核光电子基础培养实验综合能力磁共振激光光纤1.棱镜的色散；2.用光栅衍射法测定光源光谱；3.小型棱镜摄谱仪测氢原子光谱；4.光栅光谱仪。1.超声波的产生与传播；2.固体弹性常数的测量；3.超声波探测与成像基本原理。1.用密立根油滴仪测量电子电量；2.金属逸出功的测定；3.电子在电场、磁场中的运动及电子比荷的测定。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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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论文（结合专题撰写科技论文，而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找共性、找差异、找联系怎样综合？小论文：•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。小论文格式示例（标题）×××××专业姓名学号（论文）摘要：关键词：（正文）背景（正文）论述（包括理论和实验方法）（正文）结论（总结现象和结果，扩展，不足与建议等）（撰写时间）参考文献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.小议光纤实验中的信号调制方式；4.光波衍射与变换光学概论；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；………………..小论文三、设计性实验根据给定的实验题目、要求和实验条件，由学生自己设计实验方案并基本完成全过程的实验。主要设计内容包括1.建立物理模型（多种）;2.物理模型比较（选择一种或几种）;3.确定实验方法（由相应模型确定）;4.选择仪器设备（根据设计要求）;5.选择最佳参数（包括实验测量条件）;6.制定实验步骤（包括实验注意事项）。什么是设计性实验三种类型——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：设计并组装或制作装置，如万用表的组装、全息光栅制作等。第一次为准备实验，要求上课前先有准备报告，包括设计方案（不只一种）和参考资料列表。（设计方案包括：物理模型、实验方法、实验仪器、参数估算、实验步骤等。）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”，粗做实验。第三次精做实验，并完成实验数据处理，下课时当堂交原始设计方案和正式实验报告（报告内应包括实验总结或体会以及建议等）。设计性实验一般要求建立物理模型确定实验方法选择实验仪器选择实验参数实验操作处理数据撰写实验报告制定实验步骤设计性实验的一般程序1.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/……过程中的物理量有什么关系)(221211221tttttstsggdtdvgtvv0tvvg0gtvdtds02021gttvs202ttvsg2110121gttvs2220221gttvsdtdsdsdvdtdvgsvvg2202vdsdv以“自由落体”为例2.物理模型比较与选择测量量值估计：当S=2m，t约为0.6秒。SS1S2哪个方案合适？tvvg0202ttvsg)(221211221tttttstsgsvvg2202s速度测量：tsv如何提高准确度？v斜面上的滑动θsinmgf优点：增大时间值，方便测量；缺点：？2202svvgt所有自由落体公式均可套用：sinsin单摆模型LTg2)2(估计L=1m，T≈2s。限制：小摆角sin——自由落体的变形绝对重力仪（美国）不确定度2×10-8m/s2朱棣文——原子干涉重力仪3.实验方法的确定用什么方法、装置实现物理模型，每个物理量怎么测量。测转动惯量时恒力矩怎么实现？f固定，半径r固定，则力矩fr固定；速度怎么测？用很短时间的平均速度近似瞬时速度；fM电源的短路电流怎么测？AEBARgA、B间压降I0Rg≠0。Rg为电表内阻。——当I0=I’时，UAB=0，AB间相当短路。ARI0GE’EAB0II’补偿法4.实验仪器的选择与配套根据量值和准确度要求选择仪器种类；例：测时间用什么仪表？对待测物理量的值进行估计，以选择仪表的量程；按不确定度均分原则选择仪表的准确度。用什么仪器，准确度与量程。误差分配计算RdRUdUPdP2222)()](2[)(REUEPEE(P)2~(1%)2=0.00014E(U)2~0.00005，E(U)~0.35%，选0.2级电压表。E(R)2~0.00005，E(R)~0.7%，选0.5级电桥。举例：测量功率。公式RUP2RUPlnln2ln0.00010.000050.00005用电压表测电压，用电桥测电阻。要求不确定度≤1%。5.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、湿度、气压、电磁场……6.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。7.撰写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、参考文献资料搜集在设计过程中要查阅足够的参考资料：例如: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；国家标准、行业标准、技术规范等。完成实验设计方案后，方可到实验室实地考查仪器情况并进行准备性实验。将实验设计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。8.实验操作9.数据处理及撰写报告根据最终选定的实验方案和实际实验过程，完成实验报告，实验报告包括前述实验方案的内容（实验任务、要求、方法、步骤、注意事项、参考资料等）外，还应包括以下两项：数据处理与分析实验数据、数据计算、误差估算、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。设计举例一•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Ec20436067.1fdmlELLEAF2）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，则有采用模型一。采用金属丝的伸长测杨氏模量E，反射镜杠杆架ΔSSdDmgLdE2218导出测量公式为22222212)()(2)()()()()(SEDELEdEdEmEEEu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,F~100N。逐差法测量，中间分段，Fm=50N。用多个1kg砝码累加加载。E量级2×1011Pa，可以计算出ΔL/L~0.0005。取L=1m，则ΔL=0.5mm。LLEAF光杠杆放大光杠杆望远镜竖尺SS0S1d2d1L放大倍数=2d1/d2，取d1=2m，d2=80mm，放大50倍，ΔS=25mm。用尺读。u(ΔS)=0.5mm，E(ΔS)=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：22222212)()(2)()()()()(SEDELEdEdEmEEEu%2)2.12(5.06.025.05.022