设计性实验教案

1、设计性大学物理实验设计性大学物理实验 物理实验教学中心物理实验教学中心 夏雪琴夏雪琴 661896 一、一、开设设计性物理实验的意义开设设计性物理实验的意义 1、通过设计性实验，促进全面复习，锻炼意志，通过设计性实验，促进全面复习，锻炼意志， 强化实验技能及实验设计思想的培养，是一次强化实验技能及实验设计思想的培养，是一次 再学习，再深化的过程；再学习，再深化的过程； 2、通过设计性实验可以进一步活跃同学们的实、通过设计性实验可以进一步活跃同学们的实 验物理思想，强化思维能力及动手能力；验物理思想，强化思维能力及动手能力； 3、设计性实验有利于鼓励学生的创造性思维，、设计性实验有利于鼓励学生的

2、创造性思维， 可以培养提高实验素养、增强创新意识。可以培养提高实验素养、增强创新意识。 4 、为下一步开展研究创新实验以及今后独立从、为下一步开展研究创新实验以及今后独立从 事科学研究工作打下一个坚实的基础。事科学研究工作打下一个坚实的基础。 二、什么是设计性实验二、什么是设计性实验 n根据给定的实验题目和要求完成一个切实可行根据给定的实验题目和要求完成一个切实可行 的实验过程。是一种较高层次的实验训练。的实验过程。是一种较高层次的实验训练。 n要求：学生根据实验题目对实验的全过程自行要求：学生根据实验题目对实验的全过程自行 设计、分析和研究。设计、分析和研究。 n区别：传统的基础验证性实验，

3、各个环节都已区别：传统的基础验证性实验，各个环节都已 设计好，按要求按步骤完成即可设计好，按要求按步骤完成即可领着走；领着走； n设计性实验没有具体实验方案、没有仪器配套设计性实验没有具体实验方案、没有仪器配套 设备、没有实验原理和实验步骤；设备、没有实验原理和实验步骤； 实验的各实验的各 个环节都要自行设计个环节都要自行设计自己走。自己走。 三、完成设计性实验的主要环节三、完成设计性实验的主要环节 1.确定设计性实验题目确定设计性实验题目 2.制定设计性实验方案制定设计性实验方案 构建物理模型构建物理模型 确定理论依据确定理论依据 选择实验仪器选择实验仪器 选择实验方法选择实验方法 选择测量

4、方法选择测量方法 选择测量条件选择测量条件 安排实验程序等。安排实验程序等。 3.设计性实验的课堂实践设计性实验的课堂实践 4.撰写设计性实验科技小论文撰写设计性实验科技小论文 四、科技小论文的格式四、科技小论文的格式 霍尔效应法测量空间的磁场（五号宋体加粗）霍尔效应法测量空间的磁场（五号宋体加粗） 实验者：实验者：* 同组实验者：同组实验者：* 指导教师：指导教师：* （小五宋体）（小五宋体） （班级（班级 学号，联系号；学号，联系号；A07数学数学 070601123，661234）（小五宋体）（小五宋体） 【摘要】（五号宋体）【摘要】（五号宋体）100-200字字 通过了怎样的实验，得到

5、怎样的结果，有什么意义。通过了怎样的实验，得到怎样的结果，有什么意义。 【关键词】（五号宋体）【关键词】（五号宋体）3-5个名词个名词 学术名词学术名词 一、引言（五号宋体）一、引言（五号宋体） 就是讲你为何要进行这样的实验，内容包括实验的背景和当前方法的缺陷，你的有何建议计划就是讲你为何要进行这样的实验，内容包括实验的背景和当前方法的缺陷，你的有何建议计划 ， 使人看了马上有一种想再看下去的欲望。写的关键是要如何引。使人看了马上有一种想再看下去的欲望。写的关键是要如何引。 二、设计原理（五号宋体）二、设计原理（五号宋体） 类似实验原理，注意公式用类似实验原理，注意公式用Mathtype 若再

6、分，标题序号可以写为：若再分，标题序号可以写为： 2.1 2.2 三、设计方案（五号宋体）三、设计方案（五号宋体） 类似实验的步骤，内容类似实验的步骤，内容 四、实验结果与分析（五号宋体）四、实验结果与分析（五号宋体） 实验数据。计算结果，分析，注意一定要给出结论，并且这个结论要与题目【摘要】，引言中的内实验数据。计算结果，分析，注意一定要给出结论，并且这个结论要与题目【摘要】，引言中的内 容相一致。例如很多学生在摘要里写的是要研究磁场怎样测的，但结论却是磁导率是多大，文不对容相一致。例如很多学生在摘要里写的是要研究磁场怎样测的，但结论却是磁导率是多大，文不对 题，很容易不合格，希望大家引起注

7、意。题，很容易不合格，希望大家引起注意。 参考文献参考文献 1 竺江峰竺江峰,芦立娟芦立娟,鲁晓东鲁晓东.大学物理实验大学物理实验M.中国科学技术出版社中国科学技术出版社.2005.9:212219 2 调试型设计实验题目调试型设计实验题目 调试型设计实验题目（五号宋体加粗）调试型设计实验题目（五号宋体加粗） 实验者：实验者：* 同组实验者：同组实验者：* 指导教师：指导教师：* （小五宋体）（小五宋体） （班级（班级 学号，联系号；学号，联系号；A07数学数学 070601123，661234）（小五宋体）（小五宋体） 【摘要】（五号宋体）【摘要】（五号宋体）100-200字字 使用了怎样的

8、调试方法、过程，得出了怎样结论使用了怎样的调试方法、过程，得出了怎样结论 【关键词】（五号宋体）【关键词】（五号宋体）3-5个名词个名词 学术名词学术名词 【实验原理】（五号宋体）【实验原理】（五号宋体） 【调试方案设计】（五号宋体）【调试方案设计】（五号宋体） 1、仪器用具、仪器用具 2、调试方法步骤、调试方法步骤 【实验测量】（五号宋体）【实验测量】（五号宋体） 主要是表达调试结果的现象特征主要是表达调试结果的现象特征;在什么情况下在什么情况下,看到了什么现象。看到了什么现象。 【结论或总结】（五号宋体）【结论或总结】（五号宋体） 操作技巧总结；操作技巧总结； 【参考文献】（五号宋体）【参

9、考文献】（五号宋体） 1 竺江峰竺江峰,芦立娟芦立娟,鲁晓东鲁晓东.大学物理实验大学物理实验M.中国科学技术出版社中国科学技术出版社.2005.9:212219 2 五、设计性实验要求五、设计性实验要求 1、实验报告要求、实验报告要求 （1）预习报告中写出设计方案，原始数据记录表。）预习报告中写出设计方案，原始数据记录表。 （2）实验报告以科技小论文格式，）实验报告以科技小论文格式，A4纸打印稿。纸打印稿。 （3）预习报告、实验报告都要上交，）预习报告、实验报告都要上交，并保留电子稿。并保留电子稿。 2、实验要求、实验要求 （1）12人人1组组 （2）同组实验者数据可以一样，两份实验数据教师要

10、）同组实验者数据可以一样，两份实验数据教师要 签字，但实验分析不应一样的。签字，但实验分析不应一样的。 （3）报告上交时同组者要叠在一起上交，不要分开）报告上交时同组者要叠在一起上交，不要分开 （4）实验强调创新精神，引导学生尽量自拟和另外设）实验强调创新精神，引导学生尽量自拟和另外设 计创新实验项目，学生按照教师上课中一般性的设计创新实验项目，学生按照教师上课中一般性的设 计要求做，其分数计要求做，其分数5-。设计提高、自拟的实验相。设计提高、自拟的实验相 应的成绩高一些。应的成绩高一些。 六、光电效应测普朗克常数的实验研究六、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的基础性实验）设计层的基

11、础性实验） p光强的距离变化对普朗克常数测定的影响实验研究光强的距离变化对普朗克常数测定的影响实验研究 1.1. 2.2.用用ExcelExcel做出做出U-IU-I特性曲线，确定截止电压特性曲线，确定截止电压U US S： 3.3.截止电压（取正值）截止电压（取正值）波长表格：波长表格： 4.截止电压（纵坐标，单位：V）频率（横 坐标，单位：x1014HZ）： Excel或或orgin7.0 5.5.不确定度的处理方法不确定度的处理方法 在Excel中选：4个空格fx统计Linest(双击) 分别在表格最上的1、2两行中，填入原始数据（截止电 压、频率）；在3、4两行中，分别填入true、

12、true(Ctrl+Shift+Enter),则第一列为斜率，第二列为 截距；第一行为线性拟合值，第二行为线性拟合不确定 度. 如：第二行第一列为线性拟合斜率不确定度. 6.6.普朗克常数测定计算普朗克常数测定计算 相对不确定度： 0.50 100%100%7.2% 7.01 h E h 7.7.其它条件不变，光强距度改变时，普朗克常数其它条件不变，光强距度改变时，普朗克常数 测定的相对不确定度和百分差测定的相对不确定度和百分差 设计表格并作出距离与相对不确定度和距离设计表格并作出距离与相对不确定度和距离 与百分差的关系图，得出结论。与百分差的关系图，得出结论。 距离 相对不 确定度 百分差

13、七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） （一）光电管的光电特性的研究（一）光电管的光电特性的研究 19051905年，年仅年，年仅2626岁的爱因斯坦（岁的爱因斯坦（A.EinsteinA.Einstein）提出光量子假说，发表了在）提出光量子假说，发表了在 物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，物理学发展史上具有里程碑意义的光电效应理论，1010年后被具有非凡才能的物年后被具有非凡才能的物 理学家密里根（理学家密里根（RobertMillikanRobertMillikan）用光辉的实验证实了。两位物理大师之间

14、）用光辉的实验证实了。两位物理大师之间 微妙的默契配合推动了物理学的发展，他们都因光电效应等方面的杰出贡献分微妙的默契配合推动了物理学的发展，他们都因光电效应等方面的杰出贡献分 别于别于19211921年和年和19231923年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。 光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上，在解释光的光电效应实验及其光量子理论的解释在量子理论的确立与发展上，在解释光的 波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义。利用光电效应制成的光电器件在波粒二象性等方面都具有划时代的深远意义。利用光电效应制成的光电器件在 科学技术中得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应

15、用领域，具有广阔科学技术中得到广泛的应用，并且至今还在不断开辟新的应用领域，具有广阔 的应用前景。的应用前景。 本实验的目的是了解光电效应基本规律，并用光电效应方法测定光电本实验的目的是了解光电效应基本规律，并用光电效应方法测定光电 管的光电特性曲线。管的光电特性曲线。 七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） 1.1.光电管的光电特性的研究光电管的光电特性的研究 （1 1）实验原理：）实验原理：光电管的阴极面积为光电管的阴极面积为S S，阴极与发光强度的点光源间的距离为，阴极与发光强度的点光源间的距离为r r， 由光度

16、学理论可知，点光源到达光电管阴极的光通量为：由光度学理论可知，点光源到达光电管阴极的光通量为： 当照射光电管的光的频率和两极间电压一定时，当照射光电管的光的频率和两极间电压一定时， 灯泡的功率不变，灯泡的功率不变， 饱和光电流饱和光电流I IH H随照射光强度随照射光强度E E变化的特性称之为变化的特性称之为 光电管的光电特性。对于真空式光电管，其曲光电管的光电特性。对于真空式光电管，其曲 线成线性关系线成线性关系, ,改变光源与光电管的距离改变光源与光电管的距离r, r, 光强正比于光强正比于1/r1/r2 2 ，利用此测量光电 ，利用此测量光电 管的光电特性曲线。管的光电特性曲线。 2 s

17、 Ei r 2 1 H I r 光电管的光电特性曲线光电管的光电特性曲线 （2 2）光电管的光电特性的研究的实验方法）光电管的光电特性的研究的实验方法 （a a）根据光电管伏安特性的实验结果，在产生饱和光电）根据光电管伏安特性的实验结果，在产生饱和光电 流的电压区域中取一电压值，注意不要取拐点，取饱和区流的电压区域中取一电压值，注意不要取拐点，取饱和区 域中间值，加在光电管的两极上，并保持不变。域中间值，加在光电管的两极上，并保持不变。 （b b）将光源放在离光电管较近的位置，移动光源位置，）将光源放在离光电管较近的位置，移动光源位置， 逐渐远离光电管，记下距离逐渐远离光电管，记下距离r r及

18、对应的饱和光电流值及对应的饱和光电流值I IH H。 七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） 七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） （3 3）光电管的光电特性的研究的实验数据记录）光电管的光电特性的研究的实验数据记录 七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） (4)(4)光电管的光电特性的研究的实验数据处理方法光电管的光电特性的研究的实验数据处理方法 （a a）用）用E

19、xcel作作光电特性曲线光电特性曲线 （b）用）用“origin7.0”作光电特性曲线作光电特性曲线 （二）光电管的伏安特性的研究（二）光电管的伏安特性的研究 七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） 七、光电效应测普朗克常数的实验研究七、光电效应测普朗克常数的实验研究 （设计层的提高性实验）（设计层的提高性实验） （2 2）光电管的伏安特性曲线）光电管的伏安特性曲线 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 （一）汞光谱色散规律的实验研究（一）汞光谱色散规律的实验研究 1.1.实验原理：实验原理：

20、（1 1）由最小偏向角测玻璃三棱镜的折射率）由最小偏向角测玻璃三棱镜的折射率 图2 2/sin 2 1 sin sin sin min 2 1 i i n （2)2)光的色散现象及规律：光的色散现象及规律： 不同波长的的复合汞光谱平行的射入同一介质的表面，传播速度不同，折 射率也不同。根据折射定律，各色光折射角不同。因此，复色光中各种不同的 色光将沿不同的方向传播而分开。这种现象叫光的色散现象。 由于透明材料的折射率是光波波长的函数，同一玻璃三棱镜对一同波长的光具 有不同的折射率，正常色散应服从科希经验公式： 其中为真空中波长，A、B、C是与介质（玻璃三棱镜）材料有关的常量，实 验中把已知的波

21、长和测量的折射率代入，可以确定常数A、B、C。从而研究出 低压汞灯发出的谱线在玻璃三棱中的色散规律。 42 )(CBAn 八、设计层的创新性八、设计层的创新性（自拟）（自拟）实验实验 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 2.实验设计方案 （1）调节分光计 使望远镜的光轴和平行光管的光轴与仪器的主轴垂直，在一般情 况下还要使载物台与仪器主轴垂直。使平行光管能射出平行光，并被望远镜所接收。 （2）测量棱镜最小偏向角 2.1将棱镜置于载物台上，并使棱镜折射面的法线与平行光管轴线的夹角大致为60。 2.2观察偏向角的变化，先用眼睛在折射光线的出射方向找到几条平行的彩色谱线，

22、缓慢转动载物台，可看到谱线移到某一位置后将反向移动。此时的偏向角即为最小 偏向角。 2.3用望远镜观察谱线，并找到准确的最小偏向角位置。 2.4旋紧望远镜固定螺丝，再用微调螺丝做精细调节，使叉丝交点对准谱线中央，从 两个游标盘上读出角度。 2.5重复步骤3.2.3与3.2.4分别测出汞灯光谱中黄绿蓝紫几条谱线的相应读数。 2.6测定入射光方位，移去三棱镜，将望远镜对准平行光管，微调望远镜，使叉丝对 准夹缝中央，在两个游标上读出角度。 2.7计算最小偏向角重复测量多次，算出的平均值 （3）计算棱镜折射率,将顶角和最小偏向角代入(公式)中求出各色光的折射率， 并分析棱镜折射率随波长变化的规律。 八

23、、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 3.3.实验数据记录实验数据记录 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 4.4.实验数据处理结果实验数据处理结果 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 八、设计层的创新性实验八、设计层的创新性实验 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 （二）探究压强对折射率的影响（二）探究压强对折射率的影响 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 （二）探究压强对折射率的影响（二）探究压强对折射率的影响 1.1.实验设计原理实验设计原理 如图所示，在迈克尔逊

24、干涉中，两束光的光程差如图所示，在迈克尔逊干涉中，两束光的光程差 可以表示为可以表示为 其中其中n n1 1和和 n n2 2分别是路程分别是路程L L1 1和和 L L2 2上介质的折射率。设单上介质的折射率。设单 色光在真空中的波长为色光在真空中的波长为0 0，当，当 K=0,1,2,3K=0,1,2,3时，产生相长干涉，相应地，在按收屏时，产生相长干涉，相应地，在按收屏 中心总光强为极大。可知，两束相干光的光程差不单中心总光强为极大。可知，两束相干光的光程差不单 与几何路程有关，而且与路程上介质的折射率有关。与几何路程有关，而且与路程上介质的折射率有关。 当当L L1 1支路上介质折射率

25、改变支路上介质折射率改变n n1 1时，因光程差的相应时，因光程差的相应 改变而引起的干涉条纹变化数为改变而引起的干涉条纹变化数为 K K， 则则n=n=KK0 0/ 2 L/ 2 L1 1 1122 2()n Ln L 0 k 八、设计层的创新性（自拟）实验八、设计层的创新性（自拟）实验 （二）探究压强对折射率的影响（二）探究压强对折射率的影响 在光路在光路L L1 1中放置一个长度为中放置一个长度为L L的气室，当室内压强由的气室，当室内压强由0 0变到变到P P时，折射率由时，折射率由1 1变到变到n n。 若光屏中心点的条纹改变数为若光屏中心点的条纹改变数为m m，则，则n-1=m0/

26、2L n-1=m0/2L （1 1） 这样就可以测得空气在压强为这样就可以测得空气在压强为P P时被测光的折射率时被测光的折射率n n。但实际测量时，不可能完全达。但实际测量时，不可能完全达 到压强为到压强为0 0的状态。采用下述的测量方法比较合理。通常在温度的状态。采用下述的测量方法比较合理。通常在温度t t处于处于15-3015-30的的 范围时，空气折射率可用下式求得：范围时，空气折射率可用下式求得： n-1= n-1= （2.8973 P/ 1+0.003671t 2.8973 P/ 1+0.003671t ）1010-9 -9 式中温度式中温度t t的单位为的单位为，压强，压强P P

27、的单位为的单位为PaPa，因此，在同一温度条件下，因此，在同一温度条件下，n n可以看成可以看成 是压强是压强P P的线性函数。由（的线性函数。由（1 1）式可知，气室内压强由）式可知，气室内压强由0 0变到变到P P时，条纹改变数时，条纹改变数m m与压与压 强的关系也是一线性函数强的关系也是一线性函数 。因而有。因而有m/P=mm/P=m1 1/P/P1 1=m=m2 2/P/P2 2。由此得到。由此得到 m= m=（m2-m1/ P2-P1 m2-m1/ P2-P1 ）P =P =（m/m/P P） P P 代入（代入（1 1） 得得n-1=n-1=（0/2L 0/2L ）（m/ m/ P P）P P 可见，只要测出气室内压强改变时的条纹变化数，就可以计算出相应的空气折射率。可