实验教案设计实验

实验教案设计实验第一页，共六十八页，2022年，8月28日2本次课内容上学期实验存在的问题本学期的教学安排介绍综合专题实验设计性实验的一般程序本学期实验项目简介本学期实验成绩考核第二页，共六十八页，2022年，8月28日3上学期实验存在的问题不及时选实验，选上后又缺课。不预习实验，或预习报告没有数据表格；个别同学抄别人的数据和作业。不及时交实验报告。数据记录不规范。不注意有效数字位数要求。画图不规范。不会进行直接或间接测量量的不确定度分析。第三页，共六十八页，2022年，8月28日41.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小。2.标明坐标轴：用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。3.标实验点：实验点可用“●

”、“×”、“○”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。

4.连成图线：用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。一般不强求直线或曲线通过每个实验点，应使部分实验点在图线上，不在图线上的其它实验点对称的分布在图线两侧。5.标出图线特征：在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点A、B的坐标就可求出R值。6.标出图名：在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。作图要求第四页，共六十八页，2022年，8月28日5I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上A、B两点可得被测电阻R为：电阻伏安特性曲线作者：xx伏安法测电阻完整图第五页，共六十八页，2022年，8月28日6

直接测量量不确定度的评定1）计算：3）计算：等精度多次测量和4）2）计算：剔除坏值后，重复1）2）（已无坏值）5)最终结果：第六页，共六十八页，2022年，8月28日7直接测量量数据处理举例1.某长度测6次,分别为29.1829.1929.2729.2529.2629.24(cm)m=0.02cmcm计算第七页，共六十八页，2022年，8月28日8不确定度保留1位,且与平均值的最后一位对齐。取一位取一位最后结果：第八页，共六十八页，2022年，8月28日9间接测量结果不确定度评定1、计算各直接量不确定度2、计算5、最后结果{3、根据求出或4、用或求出第九页，共六十八页，2022年，8月28日10间接测量量数据处理举例

测得某圆柱体质量M，直径D，高度H值如下，计算其密度及不确定度。第十页，共六十八页，2022年，8月28日11代入数据计算密度第十一页，共六十八页，2022年，8月28日12计算密度取对数:微分:第十二页，共六十八页，2022年，8月28日13相对误差第十三页，共六十八页，2022年，8月28日14绝对误差测量结果第十四页，共六十八页，2022年，8月28日15或先计算合成不确定度：再计算相对不确定度：结果是一致的第十五页，共六十八页，2022年，8月28日161.课程内容：实验大课4学时专题实验1个系列（包括3个实验），分3次完成，每次4学时，共12学时。设计性实验1个，分3次完成，每次4学时，共12学时。本学期教学安排本学期计划学时28学时，其中讲课4学时，专题实验12学时，设计性实验12学时。第十六页，共六十八页，2022年，8月28日172.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。第十七页，共六十八页，2022年，8月28日183、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第十八页，共六十八页，2022年，8月28日19选课网址：点击：物理实验教务系统第十九页，共六十八页，2022年，8月28日20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第二十页，共六十八页，2022年，8月28日214、选课

（1）9月6日中午12：00开始网上选课，每轮实验提前一周开始选，一次选择连续三周的同一个时间段。（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)第二十一页，共六十八页，2022年，8月28日22

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……综合专题实验第二十二页，共六十八页，2022年，8月28日23

为什么要进行综合专题实验

——对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第二十三页，共六十八页，2022年，8月28日24三个实验同时预习，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，该论文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第二十四页，共六十八页，2022年，8月28日25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)微波布拉格衍射第二十五页，共六十八页，2022年，8月28日26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

第二十六页，共六十八页，2022年，8月28日27小论文内容：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。怎样综合？找共性、找差异、找联系第二十七页，共六十八页，2022年，8月28日28小论文格式示例（标题）×××××专业班级姓名学号（论文）摘要：关键词：（正文）背景论述结论（撰写时间）参考文献第二十八页，共六十八页，2022年，8月28日291.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.光纤通讯技术的发展趋势；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；

………………..小论文第二十九页，共六十八页，2022年，8月28日30综合专题实验内容介绍01超声波测试原理(7415室)（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

预习要求：认真阅读实验讲义；复习示波器的使用。写出三个实验的预习报告介绍第三十页，共六十八页，2022年，8月28日31超声波是频率在2104Hz1012Hz的声波。

本专题简单介绍超声波的产生方法、传播规律和测试原理，通过对固体弹性常数的测量了解超声波在测试方面应用的特点；通过对试块尺寸的测量和人工反射体定位，了解超声波在检验和探测方面的应用。超声波测试把超声波作为一种信息载体，在很多领域发挥着不可取代的独特作用：1）探测鱼群或冰山、潜艇导航或传送信息、地形地貌测绘和地质勘探；2）检验固体材料内部的缺陷、材料尺寸测量、物理参数测量等；3）进行人体内部器官的组织结构扫描（B超诊断）和血流速度的测量（彩超诊断）等。第三十一页，共六十八页，2022年，8月28日32预习要求：认真阅读实验讲义；复习分光计的使用，参考测量三棱镜最小偏向角的方法学习观察汞灯的三棱镜光谱。写出三个实验的预习报告介绍

02光源光谱专题（5306室）（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）光栅光谱仪测光谱模拟的自然光光谱

氢原子的可见光光谱

第三十二页，共六十八页，2022年，8月28日33

很多光源发出的光是由多种不同颜色（波长）的光组成的。通过仪器我们可以将这些不同波长的光分开，形成“光谱”，它可以帮助我们了解发光物体本身的许多其他物理、化学性质。

气体原子发光来源于电子在原子内部能级间的跃迁。固体发光和固体的能带结构有关。所以对物质发光光谱的研究有助于我们认识已知发光物质的微观性质。另外，不同元素的原子有着自己特有的光谱特征，通过对光谱研究也可以帮助我们分析物质的组成成分。现代光谱技术是物理、化学、材料学、天文学、考古学等研究中不可缺少的手段。

本专题研究主要色散元件棱镜和光栅的色散性质，并利用小型棱镜摄谱仪和光栅光谱仪进行光谱测量。

第三十三页，共六十八页，2022年，8月28日34

03波的衍射

（1）光波的单缝及圆孔夫琅禾费衍射（7319室）

（2）透射光栅衍射实验(7317室)

（3）微波布拉格衍射(7317室)

预习要求：

认真阅读实验讲义，复习分光计的使用，写出三个实验的预习报告。介绍第三十四页，共六十八页，2022年，8月28日35

电磁波和物质波都是波，具有波的干涉、衍射等共性。通过对干涉、衍射现象的研究，可以更深刻地认识电磁波和物质波的本质。另一方面，在人们充分掌握了波动性质后，又能利用干涉、衍射现象做为手段研究、探查其他物理现象。

本专题从光波的衍射性质入手，先了解衍射的一般性质，再学习各种波的衍射在测试和物质结构分析方面的应用。第三十五页，共六十八页，2022年，8月28日36

04光纤原理专题（7305室）

（1）光源与光纤特性（2）光信号传输

（3）光纤传感器预习要求：认真阅读实验讲义；了解相关仪器的使用方法。写出三个实验的预习报告介绍第三十六页，共六十八页，2022年，8月28日37

光纤全称为光导纤维，是一种导引光波的波导，是一种新的传输介质。研究光导纤维传递光、信息和图像的学科称为纤维光学。用光纤来传递光能，具有光能损失小、数值孔径大、分辨率高、可弯曲、结构简单、使用方便等特点。

目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。相对于无线电通讯来说，光纤通讯具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本低等优点。

本专题从半导体激光器和光纤入手，先了解半导体激光器的电光特性及光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯和传感领域中的应用。第三十七页，共六十八页，2022年，8月28日38

05迈克耳孙干涉专题（7304室）（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预习要求：认真阅读上学期讲义“迈克耳孙干涉仪”实验；写出三个实验的预习报告。介绍第三十八页，共六十八页，2022年，8月28日39

迈克耳孙干涉仪是迈克耳孙根据干涉原理制成的一种精密干涉仪。它的设计精巧，用途广泛，不少其它干涉仪是由此派生出来的。迈克耳孙因发明干涉仪和在光速测量方面的成就而获诺贝尔奖。迈克耳孙和他的合作者曾用这种干涉仪进行了三项著名的实验：1．迈克耳孙－莫雷实验——“以太”漂移实验，为爱因斯坦创立相对论提供了实验依据；2．标定米尺——镉红线的发现，实现了长度单位的标准化；3．推断光谱线精细结构——由干涉条纹可见度随光程变化的规律，可推断光谱线的精细结构。迈克耳孙干涉仪用途很广：观察干涉现象，研究许多物理因素（如温度、压强、电场、磁场等）对光传播的影响，测波长和测折射率等。本专题研究①迈克耳孙干涉仪在钠灯照明下钠双线波长差的测量；②在白光照明下的白光干涉，用以测量玻璃折射率；③基于迈克耳孙干涉仪结构的法布里-珀罗干涉，测量钠双线波长差。第三十九页，共六十八页，2022年，8月28日40

06电子专题（7307室）

（1）金属电子逸出功的测量（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预习要求：

认真阅读实验讲义；写出三个实验的预习报告。介绍第四十页，共六十八页，2022年，8月28日41

本专题从认识电子的基本属性，即从测定电子的电荷值入手，进一步研究电子的发射、电子在电场和磁场中的运动情况，从而对电子的特性有一个全面的认识，理解电子所涉及问题的广泛性和深刻性。

1897年，英国著名物理学家约翰·汤姆逊发现了电子。1997年美国物理学家密立根做了著名的油滴实验，测量了电子电荷、电子的质量、电子的荷质比，而且确定了电子电荷是电量的最小单位。电子质量很小，因此它有很大荷质比。荷质比越大，电子束在电磁场中越容易被聚焦、偏转和加速。利用这些性能可以制成性能优越的各种电子束器件和设备。如显像管、摄像管、示波器、光电倍增管、高速开关等。第四十一页，共六十八页，2022年，8月28日42设计性实验具有设计性内容的实验。主要设计内容包括：建立物理模型（多种）；物理模型比较（选择一种或几种）；确定实验方法（由相应的模型确定）；选择仪器设备（根据设计要求）；选择最佳参数（包括实验测量条件）；制定实验步骤（包括实验注意事项）。第四十二页，共六十八页，2022年，8月28日43

设计性实验的三种类型：

——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，超声波的应用），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。第四十三页，共六十八页，2022年，8月28日44一般要求第一次为准备实验，要求课前预先作好设计方案和参考资料列表。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”，进行实验粗测。第三次精做实验，并完成实验数据处理，下课时当堂交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）。第四十四页，共六十八页，2022年，8月28日45设计性实验的一般程序：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第四十五页，共六十八页，2022年，8月28日46一、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/……第四十六页，共六十八页，2022年，8月28日47过程中的物理量有什么关系以“自由落体”为例第四十七页，共六十八页，2022年，8月28日48二、模型比较SS1S2哪个方案合适？如何提高准确度？速度测量：测量量值估计：当S=2m，t约为0.6秒。

第四十八页，共六十八页，2022年，8月28日49斜面上的滑动—自由落体的变形θ优点：增大时间值，方便测量；缺点：？所有自由落体公式均可套用：单摆模型估计

L=1m，T≈2s。限制：小摆角第四十九页，共六十八页，2022年，8月28日50三、实验方法的选择

用什么方法、装置实现物理模型，每个物理量怎么测量。

测量长度，可以用直接测量法，电学方法（位移传感器)、光学方法（干涉法、比长法）等。

如测时间t可以有光电计时、火花打点计时和频闪照相计时的具体方法测量温度时，可以使用水银温度计、热电偶、热敏电阻等多种器具根据被测对象的性质和特点，分析比较各种方法的适用条件，可能达到的实验精度以及各种方法，实施的可能性及优缺点，最后做出选择。第五十页，共六十八页，2022年，8月28日51四、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，以选择仪表量程；按不确定度均分原则选择仪表的准确度及与之相配套的各种仪器。用什么仪器，准确度与量程，误差分配计算。第五十一页，共六十八页，2022年，8月28日52E(R)2～0.00005，E(R)～0.7%，4E(U)2~0.00005，E(U)~0.35%，选0.2级电压表。选0.5级电桥。E（P）2~（1%）2=0.00010.00010.000050.00005举例：测量功率。用电压表测电压，用电桥测电阻。要求不确定度≤1%。公式第五十二页，共六十八页，2022年，8月28日53五、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……第五十三页，共六十八页，2022年，8月28日54六、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。第五十四页，共六十八页，2022年，8月28日55七、撰写准备报告（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、参考文献第五十五页，共六十八页，2022年，8月28日56

八、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。第五十六页，共六十八页，2022年，8月28日57

完成实验设计后，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。九、实验操作第五十七页，共六十八页，2022年，8月28日58十、数据处理及撰写报告

完成设计实验后，在实验设计方案的基础上完成实验报告及以下两项：

数据处理与分析实验数据整理、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。第五十八页，共六十八页，2022年，8月28日59设计举例测量型实验任务：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

2）

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

第五十九页，共六十八页，2022年，8月28日60反射镜杠杆架ΔS导出测量公式为按均分原则，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(N.m-2)可以计算出ΔL/L~0.0005。取L=1m，则ΔL=0.5mm。采用模型一采用金属丝的伸长测杨氏模量E，第六十页，共六十八页，2022年，8月28日61光杠杆放大光杠杆望远镜竖尺DSS0S1d2d1DLqqqq放大倍数=2d1/d2，取d1=2m，d2=80mm，放大50倍，ΔS=25mm。用米尺读。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