《大学物理实验》课程简介 27页

《大学物理实验》课程简介及教学大纲课程编号：适用专业：工科类通用学制：四年本科学时：60学时学分：石家庄经济学院教务处审定二零零五年三月27\n编写　朱孝义　张素萍审定　张道明讨论　朱孝义　张素萍　赵　惠　裘平一郭涛　　27\n目录一．物理实验课的地位、任务和作用………………………………（4）二．实验内容及基本要求……………………………………………（4）三．实验课程安排及课时分配………………………………………（7）四．对各个实验的具体教学要求……………………………………（8）27\n本大纲是依据国家教委颁发的《高等工业学校物理实验课程教学基本要求》，并结合我校的具体情况制定的。一、物理实验课的地位、任务和作用物理实验是对高等工业学校学生进行科学基本训练的一门独立的必修基础课程，是学生进入大学后受到的系统实验方法和实验技能训练的开端，是工科类专业对学生进行科学实验训练的重要基础。物理学是一门以实验为基础的科学，物理实验教学和物理理论教学具有同等重要的地位，它们既有深刻的内在联系和配合，又有各自的任务和作用。本课程应在中学物理实验的基础上，按照循序渐进的原则，学习物理实验知识、方法和技能，使学生了解科学实验的主要过程与基本方法，为今后的学习和工作奠定良好的基础。本课程基本任务：1．通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。2．培养与提高学生的科学实验能力，其中包括：（1）能够自行阅读实验教材和资料，作好实验前的准备。（2）能够借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器。（3）能够应用物理学理论对实验现象进行初步分析判断。（4）能够正确记录和处理实验数据，绘制曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告。（5）能够完成简单的设计性实验。3．培养与提高学生的科学素养，要求学生具有对待科学实验一丝不苟的严谨态度和实事求是的科学作风。二、实验内容及基本要求1．绪论：教学内容（教师讲授）（1）物理实验课的教学任务、教学方式、预习和实验报告的要求及实验室规则。（2）介绍测量误差、有效数字及数据处理的基础知识，内容包括：测量分类、测量误差的基本概念、系统误差的分析、偶然误差的估计、直接测量结果的误差表示、间接测量的误差计算。有效数字的性质和运算。处理实验数据的一些重要方法，例如：列表法、作图法、逐差法和简单线性函数的最小二乘法等。基本要求：27\n了解科学实验的重要性，明确物理实验课的地位、作用、任务和应遵守的规则。了解测量误差的基本概念，会初步区分系统误差和偶然误差。了解偶然误差的统计意义，掌握正确计算单次测量、多次测量和间接测量结果的标准误差。了解有效数字位数的意义，能正确使用有效数字记录实验数据和表达实验结果。了解科学处理实验数据的重要性及有关重要方法。2．力学、热学实验：实验内容：（1）物体密度的测量（2）用自由落体测重力加速度（3）验证动量守恒定律和测定加速度（4）用光杠杆法测杨氏模量（5）用三线摆测定转动惯量（6）刚体转动定律的验证（7）超声声速测定（8）液体表面张力系数的测定（9）用落球法测定液体的粘滞系数基本要求：（1）学生能自行完成预习、实验操作，并写出合格的预习和实验报告。（2）能正确的用有效数字记录数据、计算偶然误差（主要是标准误差）、表达实验结果。注重系统误差的分析，不仅能找出其发生的原因，而且要讨论减小或消除的方法。熟练掌握用逐差法处理数据及其他几种数据处理方法的具体应用。（3）了解实验的基本原理，能按要求调整好常用的力、热实验装置，并掌握基本的操作技术，例如：零位校准，水平和铅直调整、视差消除等。（4）掌握光杠杆法、光电法等基本的测量方法、能进行有关力、热物理量的一般测量，例如：长度、质量、时间、力、速度、加速度、动量、转动惯量、温度等。（5）了解和熟悉常用力、热实验仪器的原理、性能、调节和使用方法，例如：米尺、游标卡尺、螺旋测微计、秒表、数字毫秒计、温度计、望远镜、光杠杆、天平、读数显微镜、气垫导轨、三线摆仪、刚体转动实验仪、超声声速测定仪、焦利称等。（6）培养学生严格、严肃、严谨的“三严”作风。3．电磁学实验：实验内容（1）电阻元件伏安特性的测定（2）惠斯登电桥测电阻（3）模拟法测绘静电场分布（4）示波器的使用（5）RC、RL电路的暂态过程（6）用补偿法测电动势27\n（1）双臂电桥测低值电阻（2）用冲击电流计测定螺线管磁场（3）利用霍尔效应测磁场（4）电子射线的电偏转和磁偏转基本要求：（1）进一步巩固力、热实验部分的各项基本要求。（2）掌握系统误差的发现、修正和估算方法。（3）了解常用电学实验仪器的性能、调节和使用方法、使用条件及注意事项，例如：电流表、电压表、万用表、变阻器、电阻箱、直流电桥、电位差计、标准电阻、灵敏电流计、示波器、信号发生器、稳压电源和各种开关等。（4）掌握和熟悉典型的测量方法，例如：补偿法、平衡法、模拟法、磁电转换法等。能够进行常用电磁学物理量的一般测量，例如：电流、电压、电阻、电动势、磁感应强度等。（5）能正确连接复杂的电路，并能分析和排除实验电路中的简单故障。（6）学会用微机处理数据，并加强作图技巧的练习。4．光学实验实验内容：（1）薄透镜焦距的测定（2）牛顿环测量平凸透镜的曲率半径（3）分光计的调整和使用（4）用极限法测透明介质折射率（5）迈克尔逊干涉仪的调节和使用（6）照相技术（7）偏振光的观察和分析（8）单缝衍射和双缝干涉（9）测量钠光光源的波长和相干长度基本要求：（1）进一步巩固力、热实验部分的各项基本要求。（2）理解和加深波动光学的基本概念。（3）能按照要求调整好常用光学实验装置，并掌握基本操作技术，例如：光路的等高共轴调整，逐次逼近调节等。（4）了解常用光学实验仪器的结构和工作原理、仪器性能、调节和使用方法及注意事项，例如：分光计、激光器、钠灯、测微目镜、照相机、印相机、放大机及其他各种光学仪器和元件。（5）学会观察、记录和分析、研究各种光学实验现象。（6）熟悉干涉法、衍射法等测量技术、能对光学基本物理量进行测定，例如：光栅常数、波长、相干长度、折射率等。27\n（1）对实验数据和误差处理有更高的要求。5．近代物理实验：实验内容：（1）微波光学实验（2）密立根油滴测定电子电荷（3）夫兰克─赫兹实验（4）普朗克常数的测定（*）（5）氢原子光谱的研究（6）全息照相（7）阿贝成像原理和空间滤波基本要求：（1）弄清实验原理，必要时阅读有关实验参考书。（2）阅读仪器说明书，了解近代物理实验仪器的工作原理，调节和使用方法及注意事项，例如：迈克尔逊干涉仪、阿贝比长仪、小型棱镜摄谱仪等。（3）加深对近代物理概念的理解，提高进行近代物理实验的能力。（4）重视对近代物理实验现象的观察与分析，引导学生能运用理论去指导实践，解决实验中存在的问题。（5）力求用微机处理数据和作图。6．设计性实验：实验内容：根据实验室具体情况另定题目。基本要求：（1）开设内容较为丰富、设计性较强的实验。在教师指导下，使学生在实验方法的考虑、测量仪器的选择与配合、测量条件的确定等方面受到初步训练。（2）学生还可以自行提出实验题目，通过查阅资料写出实验方案，经教师检查，只要原理合理，无论方法是否可行，实验室均给于支持，提供所需仪器设备，并让学生实验完毕后做出认真总结。一、实验课程安排及课时分配1．本课程宜在第三、四学期进行。2．使用教材：大学物理实验（自编铅印）3．27\n根据课程特点，实验分五部分（绪论、力学和热学实验、电磁学实验、光学实验、近代物理实验）和三大类（预备实验、基础实验、综合提高实验）。基础实验为必做实验，预备实验和综合提高实验为选做实验。在课程安排时，既要考虑三种实验类型的分配，又要符合五部分实验内容的规定比例。1．为达到每人一套仪器，根据实验室的设备条件，每班分为四组，同时开四个实验，而后轮换进行。两学期一般完成五轮实验。2．本科专业学时数为60学时，每个实验为3个学时（每个学时以50分钟计算）。设计性实验包括在60学时之内。在进行设计性实验时，要全天开放实验室。3．在实验课中，教师讲课一般不超过20分钟，还可以采用微机、录像片、挂图等教学手段和措施。4．课程安排和课时分配表：表一：实验（轮）绪论（3学时）预备（个）（6学时）基础（个）（30学时）综合提高（个）（12学时）第1个1第1轮22第2轮4第3轮4第4轮4第5轮①照相(全过程)6学时.②设计性实验3学时表二:实验内容实验数学时数比例绪论135%力热学实验51525%电磁学实验61830%光学实验41220%近代物理实验41220%合计2060100%二、对各个实验的具体教学要求27\n第一章绪论基本概念：有效数字、测量、误差、系统误差、偶然误差、绝对误差、相对误差、测量值、真值、最佳值。教学目的：①明确物理实验课的目的、任务和程序。②掌握误差的有关知识，熟悉有效数字的读数、写法及运算规则。③掌握一些简单的数据处理方法，例如：图像法、列表法等。基本要求及教学内容如前述。思考题：①求误差的简便方法是什么？②系统误差、偶然误差的特点是什么？③有效数字的运算规则是什么？第二章预备实验一、物体密度的测量基本概念：精度、感量、灵敏度、最大量程、复称法、质量、密度。教学目的：（1）学习游标和测微螺旋原理，掌握游标卡尺和螺旋测微计的使用方法。（2）掌握物理天平称衡物体的方法。基本要求：（1）了解游标卡尺、螺旋测微计、物理天平的结构、读数原理、测量方法及仪器误差。（2）搞清测量物体密度（包括规则和不规则物体）的原理实验式和间接测量方法。长度采用直接多次测量、质量采用复称法。（3）按有效数字规则正确读数和运算，用误差传递求间接测量的相对误差和绝对误差，正确表示测量结果。（4）了解有关系统误差的消除方法。教学内容：（1）物体密度的测量。（2）游标卡尺、螺旋测微计、物理天平的使用。（3）直接和间接测量的误差估计，系统误差的分析。思考题：（1）用游标卡尺读数时，从何处读出被测量的毫米整数位？如何求出不足1mm的小数？（2）用天平测量物体质量时，要掌握哪些基本原则？（3）若一不规则物体的密度比水小，则如何用流体静力学称衡法去测量它的密度？27\n二、用自由落体测定重力加速度基本概念：重力、重力加速度、匀加速直线运动、自由落体运动、速度、磁化。教学目的：（1）用自由落体法测当地的重力加速度。（2）用数字毫秒计测量微小时间间隔。基本要求：（1）掌握用自由落体法测重力加速度的原理和方法。（2）学会使用数字毫秒计和低压电源。（3）能按要求调整好自由落体装置。教学内容：（1）熟练掌握数字毫秒计的使用方法，弄清面板上各旋钮的作用。（2）了解自由落体装置的结构，并调其立柱铅直。（3）让钢球自由落下，记录下降的距离和所用的时间。（4）用原理实验式求g，并与当地的重力加速度比较求百分误差。思考题：（1）若以体积相同而质量不同的空心钢球代替原来的钢球，实验测得g值是否相同？（2）根据自由落体公式测h和t时，若在钢球开始下落的同时开始计时并测距，这种方法有何缺点？应该怎样消除或减小？（3）试用作图法求刚球的初速度V?（4）是否存在g的测量误差？若存在又如何减小?三、电阻元件伏安特性的测定基本概念：电流、电阻、电压。教学目的：（1）熟悉各种电表，练习连接线路。（2）学习作图法处理数据。（3）了解伏安法测电阻的方法误差、阻值修正及电路选择。基本要求：（1）掌握伏安法测电阻的原理及特点，熟悉两种测量线路的特点及选择判据，了解二极管伏安特性。（2）掌握微安表、毫安表、安培表、伏特表、滑线变阻器、电阻箱及电源的正确使用，了解他们的型号、规格、结构和仪器误差。（3）掌握用作图法处理实验数据的基本原则。教学内容：（1）伏安法测电阻（电流表内接、电流表外接）。（2）测定二极管伏安法特性曲线（二极管正向特性曲线和反向特性曲线）。27\n思考题：（1）利用伏安法设计出测量电流表和电压表内阻的电路图。（2）有一个标值为10和一个标值为100000的两个电阻值，请画出合适的测试电路图。四、惠斯登电桥测电阻基本概念：“桥”、电桥平衡、电桥灵敏度。教学目的：（1）掌握惠斯登电桥的结构及电桥平衡条件。（2）学会用电桥和分压线路测量表头的内阻。基本要求：（1）熟悉惠斯登电桥测量电阻的原理及特点。（2）掌握滑线式电桥和箱式电桥的结构和正确使用（特别注意电桥平衡条件）。（3）了解检流计的特点、使用方法及注意事项。教学内容：（1）用惠斯登电桥测未知电阻R和表头电阻R(用两种电桥测试：①滑线式电桥;②箱式电桥)。（2）能够自行导出原理实验式。（3）用滑线式电桥测电阻时，要掌握要掌握测量的最佳条件和桥臂电阻、电桥灵敏度引入的误差。思考题：（1）电桥由哪几部分组成？（2）电桥的平衡条件是什么？（3）为什么分压电路能改变加在电桥两端的电压值？五、薄透镜焦距的测定基本概念：薄透镜、焦距、共轴等高、像距、物距、像差。教学目的：（1）掌握薄透镜焦距的测量方法。（2）观察单透镜的像差。（3）学会调节光学系统共轴。基本要求：（1）熟悉测量薄透镜焦距各种方法的原理、实验条件及特点。（2）掌握光学系统同轴等高的调节方法。（3）了解光具座、透镜、平面反射镜、狭缝光源及光栏等的使用方法和维护的基本规则。教学内容：（1）掌握测透镜焦距的各个计算公式。27\n（1）光具座上各元件共轴等高调节。（2）用物距---像距法测凸、凹透镜焦距，用位移法测凸透镜焦距，用自准直法测凸、凹透镜焦距。（3）观察透镜的成像像差。思考题：（1）如何区别凸、凹透镜？（2）测量凸透镜焦距时物与像有什么特点？（3）测量凹透镜焦距时物与像有什么特点？第三章基础实验一、验证动量守恒定律和测定加速度基本概念：动量、动量守恒定律、完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞、恢复系数、加速度。教学目的；（1）用碰撞特例验证动量守恒定律。（2）测定物体沿光滑斜面作匀加速运动的加速度。基本要求：（1）了解气垫导轨装置（包括气源）的组成、结构原理及特点，掌握其调节方法及使用注意事项。（2）掌握数字毫秒计的计时原理、使用方法，并了解其型号、规格、精度和最大量程。（3）熟悉在气垫上利用滑块验证动量守恒定律和测定加速度的原理、方法。教学内容：（1）验证动量守恒定律（完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞）。（2）测定加速度。（3）学习气垫导轨和数字毫秒计的原理及使用。思考题：（1）气垫调节时，能否达到滑块在正反方向运动时经二光电门的时间完全相同？（2）碰撞后测得的动量总是小于碰撞前的，说明什么问题？二、用光杠杆法测杨氏模量基本概念：杨氏模量。教学目的：（1）掌握用光杠杆测微小长度变化的原理。（2）用金属丝的伸长测杨氏模量。（3）学会用逐差法处理数据。基本要求：（1）了解用光杠杆法测杨氏模量的基本原理。27\n（1）熟悉杨氏模量测定装置的组成和调整。（2）掌握视差的产生及消除方法。（3）了解用逐差法处理数据的意义及方法。（4）根据误差分析，找出提高测量精度的措施。教学内容：（1）搞清杨氏弹性模量的物理意义及基本原理。（2）用光杠杆放大法测量微小伸长量。（3）了解杨氏模量测定装置的调整步骤和关键，掌握实验条件。（4）用递增、递减法测同一荷重下砝码的质量，用逐差法处理实验数据。（5）强调重点：逐差法，它是物理实验中常用的一种数据处理方法。光杠杆放大法，它是物理实验中把肉眼看不见的伸长量，通过光杠杆变成了可观的量。思考题：（1）光杠杆法有何优点？如何提高测量灵敏度？（2）钢丝伸长的滞后效应所产生的系统误差如何消除？（3）哪个物理量的测量误差对结果的影响较大？应采取什么措施？三、用三线摆测定转动惯量基本概念：转动惯量。教学目的：（1）掌握三线摆测定转动惯量的原理和方法。（2）验证平行轴定理。基本要求：（1）了解三线摆仪的结构和使用方法，正确使用秒表。（2）掌握三线测转动惯量和验证平行轴定理的原理及方法。（3）用误差传递求相对和绝对误差。教学内容：（1）测三线摆下圆盘对中心轴的转动惯量，测圆环对中心轴的转动惯量。（2）验证平行轴定理。（3）用比较法求相对误差。思考题：（1）怎样扭转三线摆才能防止它晃动？（2）三线摆在摆动中受到空气的阻尼，振幅越来越小，则它的周期有无变化？试说明原因。（3）若圆环与三线摆下圆盘不同轴有何影响？若两轴相距d有多大影响？验证平行轴定理时，若两圆柱中心部在下圆盘直径上有何影响？（4）怎样测定一个质量分布不均匀的物体的转动惯量？简述测量原理和方法。四、刚体转动定律的验证27\n基本概念：刚体转动定律、转动惯量、张力距、摩擦力距、刚体系。教学目的：（1）验证刚体转动定律。（2）观测刚体转动惯量随其质量、质量分布及转动轴的位置不同而改变的情况。（3）掌握用作图法处理数据的方法。基本要求：（1）掌握验证刚体转动定律的原理及条件。（2）了解影响刚体转动惯量的因素及其关系。（3）熟悉刚体转动实验仪的结构及调整。（4）在不同的实验条件下测相应的时间t，然后用作图法处理数据、分析结果、得出结论。教学内容：（1）弄清各关系式的意义。（2）用作图法求刚体的转动惯量。（3）观测转动惯量与质量、质量分布及轴线的关系。思考题：（1）实验中怎样才能保证a<