大学物理学试验指导书

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大学物理学试验指导书

大学物理试验力学部分

试验一长度与体积的测量

试验类型：验证

试验类别：专业主干课试验学时：2

所属课程：大学物理

所涉及的课程和知识点：误差原理有效数字

一、试验目的

通过本试验的学习，使学生把握测长度的几种常用仪器的使用，并会正确读数。练习作好记录和误差计算。二、试验要求

（1）分别用游标卡尺、螺旋测微计测金属圆筒、小钢球的内外径及高度，并求体积。（2）练习屡屡等精度测量误差的处理方法。三、试验仪器设备及材料

游标卡尺，螺旋测微计，金属圆柱体，小钢球，铜丝四、试验方案

1、用游标卡尺测量并计算所给样品的体积。

2、分别用千分尺和读数显微镜测量所给金属丝的直径。数据处理

注意：有效数字的读取和运用，自拟表格，按有关规则进行数据处理。

描述试验过程（步骤）以及安全本卷须知等,设计性试验由学生自行设计试验方案。五、考核形式实际操作过程试验报告六、试验报告

试验原理，试验步骤，试验数据处理，误差分析和处理。

对试验中的特别现象、试验操作的成败、试验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回复思考题，提出试验结论或提出自己的看法等。七、思考题

1、游标卡尺测量长度时如何读数？游标本身有没有估读数？

2、千分尺以毫米为单位可估读到哪一位？初读数的正负如何判断？待测长度如何确定？

试验二单摆

试验类型：设计

试验类别：专业主干课试验学时：2

所属课程：大学物理

所涉及的课程和知识点：力学单摆周期公式

一、试验目的

通过本试验的学习，使学生把握使用停表和米尺，测准单摆的周期和摆长。利用单摆周期公式求当地的重力加速度二、试验要求

（1）测摆长为1m时的周期求g值。

（2）改变摆长，每次减少10cm，测相应周期T，作T—L图，验证单摆周期公式。三、试验仪器设备及材料单摆、米尺、游标卡尺、停表。四、试验方案

利用试验台上所给的设备及材料，自己制作一个单摆，然后设计试验步骤测出单摆的周期，再根据单摆的周期公式计算当地的重力加速速。

改变摆长，探讨对试验结果的影响并分析误差产生的原因五、考核形式实际操作过程试验报告六、试验报告

试验原理，试验步骤，试验数据处理，误差分析和处理。

对试验中的特别现象、试验操作的成败、试验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回复思考题，提出试验结论或提出自己的看法等。七、思考题

1、为什么测量周期不宜直接测量摆球来回一次摇摆的周期？试从误差分析来说明。2、在室内天棚上挂一单摆，摆长很长，你设法用简单的工具测出摆长？不许直接测量摆长。

试验三牛顿其次定律的验证

试验类型：验证

试验类别：专业主干课试验学时：2

所属课程：大学物理

所涉及的课程和知识点：力学牛顿其次定律摩擦

一、试验目的

通过本试验的学习，使学生把握气垫导轨的使用，使学生通过在气垫导轨上验证牛顿其次定律，更深刻的理解牛顿其次定律的物理本质。二、试验要求

验证当m一定时，a∝F,当F一定时，a∝1／m。三、试验仪器设备及材料

气垫导轨，数字毫秒计，光电门，气源四、试验方案

1、调整气垫导轨水平。

在导轨的端部防备安装好滑轮，使其转动自如，细心调整好导轨的水平。

调整气垫导轨水平是试验前的重要准备工作，要细致耐心地反复调整，可按以下两种方法中的任一种方法调整：

（1）静态调平法：导轨接通气源，滑行器置在导轨某处，用手轻轻地把滑行器压在导轨上，再轻轻地放开，

观测滑行器的运动状态，连续做几次。假使滑行器在导轨上静止不动，或稍有左右移动，则导轨是水平的；如滑行器都向同一方向运动，说明导轨不平。细心、认真调理水平螺钉，直到滑行器在导轨任意位置上基本保持静止不动，或稍有左右移动。一般要在导轨上选取几个位置做这样的调理。

（2）动态调平法：将气轨与记时器协同进行调平，仪器接通电源，仪器功能选择在“S2〞挡上，两个光电门间距不小于30cm卡装在导轨上，导轨两端装上弹射器，滑行器装上挡光片（如1cm一种），给气轨通气让滑行器以一定的速度从导轨的左端向右端滑行，先后通过两个光电门G1和G2，记时器就分别记录下来挡光片通过两个光电门的时间?t1和?t2。若?t1>?t2，滑行器通过G2的光电门时间短，说明滑行器运动速度加快，导轨左高右低；若?t1

器一直在吸热，故混合过程的初温应是与B点对应的t1，此值高于投物时记录下来的温度。同理，水温高于室温后，量热器向环境散热，故混合后的最高温度是C点对应的温度t2，此值也高于温度计显示的最高温度。

在图1-1中，吸热用面积BOE表示，散热用面积COF表示，当两面积相等时，说明试验过程中，对环境的吸热与放热相消。否则，试验将受环境影响。试验中，力求两面积相等。三、试验仪器设备及材料

量热器，温度计，物理天平，秒表，加热器，小量筒，待测物（金属块）。四、试验方案

1、用物理天平称衡被测金属块的质量m，然后将其吊在加热器当中的筒中加热（直至水沸腾），并用温度计测出室温t室。

2、将量热器内筒擦清白，用天平称出内筒和搅拌器的质量m1，然后向量热器内注入适量(约为其容积的

12～)低于室温的冷水，称得其质量为m0+m1，从而求出水的质量m0。23开始测水温并记时间，每隔30s测一次，连续测6次。

3、将加热的金属块迅速投放入量热器中，立刻盖好盖，记录下来物体放入量热器的时间和温度；进行搅拌并观测温度计示值，每10s测一次水温，直到温度由最高均匀下降，再每隔30s测一次水温，连续测6次为止。

4、用小量筒测出温度计没入水中的体积（试验中温度计一定要没入水中，但不能碰见金属块）。5、测出大气压强，查附表得到水的沸点，该温度即为金属块加热后的温度t2。6、按图1-1绘制t??图，求出混合前的初温t1和混合温度?。

7、将上述各测定值代入式(2)求出被测物的比热容及其标准偏差。比热容的单位为J?kg?1??C?1。水的比热容c0为4.187?103J?kg?1??C?1。量热器(包括搅拌器)是铝制的，其比热容c1为

0.88?103J?kg?1??C?1。

1、量热器中温度计位置要适中，不要使它靠近放入的高温物体，由于未混合好的局部温度可能很高。2、t1的数值不宜于比室温低的过多(控制在2～3℃左右即可)，由于温度过低可能使量热器附近的温度降到露点，致使量热器外侧出现凝结水，而在温度升高后这凝结水蒸发时将散失较多的热量。

3、搅拌时不要过快，以防止有水溅出。五、考核形式

试验操作平均成绩占30%，试验报告平均成绩占30%，期末考试成绩占40％。六、试验报告

1、试验预习：包括试验目的和要求；试验内容和原理；用到的试验器材；采用的试验方法，步骤和操作过程，并根据需要合理设计试验数据记录表格。

2、试验过程：实际试验中采用的试验方法，步骤和操作过程及本卷须知，试验现象和原始数据的记录。3、数据处理和试验结论：试验数据的计算处理，分析以及试验结论等。

4、结果分析和试验结论：根据相关理论知识对所得到的试验结果进行解释和分析，包括试验的结果是否与理论相吻合以及原因，试验后的心得体会和建议。

七、思考题

1、混合法的理论依据是什么？

2、量热器中所放水的多少对试验有何影响？

3、分析本试验中哪些因素会引起系统误差？测量时应怎样才能减小误差。

试验二热功当量的测定

试验类型：验证型试验类别：基础课试验学时：3所属课程：大学物理

一、试验目的

1．用电热法测量热功当量。

2．学会一种热量散失的修正方法—修正终止温度。二、试验要求

1、进一步学习量热器的使用。

2、把握电热法测量热功当量的试验原理。

3、进一步熟悉热量散失的修正法——修正终止温度。

BCFG图2－1JHME??VAD?4、会正确连接试验电路，弄清电表的正负极与电源正负极的接法。

仪器装置如图2-1所示，M与B分别为量热器的内外两个圆筒，C为绝缘垫圈，D为绝缘盖，J为两个铜金属棒，用以引入加热电流，F是绕在绝缘材料上的加热电阻丝，G是搅拌器，H为温度计，E为稳压电源。

1．电热法测热功当量

强度为I安培的电流在t秒内通过电热丝，电热丝两端的电位差为U伏特。则电场力做功为W＝IUt（2－1）

这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m1表示量热器内圆筒和搅拌器（一般质料一致，否则应分别考虑）的质量，C1表示其比热。m2表示电流引入铜金属棒和电阻丝的质量，C2表示其比热。m3表示量热器内圆筒中水的质量，C3表示水的比热，V表示温度计沉入水中的体积，T0和Tf表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终止温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等由导体发热所得的热量Q为

Q＝（m1C1＋m2C2＋m3C3＋1.9V）（Tf－T0）（2－2）所以，热功当量

J?W?QIUt焦耳/卡（2－3）

(m1C1?m2C2?m3C3?1.9V)(Tf?T0)J的标准值J0＝4.1868焦耳/卡。

2．散热修正

假使试验是在系统（量热器内筒及筒中的水等）的温度与环境的温度平衡时，对电阻通电，那么系统加热后的温度就高于室温θ。试验过程中将同时伴随散热作用，这样，由温度计读出的终止温度的数值T2必需比真正的终止温度的数值Tf低。（即假设没有散热所应达到的终温为Tf）。为了修正这个温度的误差，试验时在

相等的时间间隔内，记录下来相对应的温度，然后以时间为横坐标，温度为纵坐标作图，如图2－2所示。图中AB段表示通电以前系统与环境达到热平衡后的稳定阶段，其稳定温度（即室温）也就是系统的初温T0，BC段表示在通电时间t内，系统温度的变化状况。由于温度的变化存在滞后的现象，因而断电后系统的温度还将略为上升，如CD段所示，T0ABtPt1t－2TfT2T(℃)ΔTFDECΔTt2t(分)DE段表示系统的自然冷却过程。

图2－2根据牛顿冷却定律，当系统的温度T与环境的温度θ相差不大时，由于散热，系统的冷却速率dTdt?K(T??)?FT?b（2－4）

即冷却速率v?dT与系统的温度T成线性关系。

dt当系统自T0升温到T2时，其冷却速率相应从0增大到v??T。所以在BD升温过程中，系统的平均冷却速

t2率v?1v?1?T，在此过程中由于散热而使系统最终产生的误差

22t22t2?T?vt1?t1?T

（2－5）

系统的真正终温Tf?T2??T?T2?t1?T（2－6）

2t2数据处理时，还可用作图的方法求Tf值。如图(2—2)所示，将DE线段往左外延，再通过P点（t1/2点）作横坐标轴的垂线与DE的外延线交于F点，则F点对应的温度就是系统修正后的终止温度Tf。

假使系统起始加热的温度T0不等于室温，则由于开始时的温度冷却速率不为零，系统的温度修正值不能用（2－5）式。从牛顿冷却定律知，当系统与环境的温度相差不大时（小于15℃），其温度冷却速率与温度差成正比。于是，可得开始加热时的冷却速率其中v0?T0??v，v为用温度计测得系统的终止温度T2时的冷却速率，

T2??可从图2－2求得（v??T）。所以在BD升温过程中系统的平均冷却速率

t2v?1(v0?v)?1(T0??v?v)?T0?T2?2?v

22T2??2(T2??)系统的真正终温Tf?T2?vt1?T2?T0?T2?2?vt1

2(T2??)?T2?T0?T2?2??Tt1（2－7）

2(T2??)t2

三、试验仪器设备及材料

量热器（附电热丝），温度计（0℃～50℃、0.1℃），电流表，电压表，直流稳压电源，秒表，物理天平，可变电阻，开关，蒸馏水等。四、试验方案

1．用物理天平分别称出量热器内圆筒和搅拌器m1,，电流引入金属棒和电阻丝的质量m3由试验室给出。测

量环境温度θ，试验开始和终止时各测一次取平均值。

2．在量热器的内圆筒中装上二分之一到三分之二容积的水；

3．按图2－1接好电路，盖好量热器的盖子，插上温度计（浸入水中，又不可触及电热丝），开启电源并调理直流稳压电源的输出电压，用搅拌器缓慢搅动量热器的内圆筒中的水，使内圆筒中的水温每分钟升高1.5℃左右。记录下来电表测得的电流及电压（电流不可超过3A）；

4．断开电源，量热器的内圆筒中的温水替换为同量、温度为室温的蒸馏水。用物理天平称量量热器内圆筒中蒸馏水的质量m2；

5．待量热器内水的温度稳定后（略高于环境温度），记录下数值，此时的温度为初始温度T0。合上电源开关，使电路通电，同时，用秒表开始计时，每隔一分钟分别记一次温度计、安培表及伏特表的读数（亦可每隔20秒依次对上述三个量进行一次读数，然后周而复始）。试验过程中必需连续缓慢搅动量热器的内圆筒中的水，以使温度均匀，直到温度超过初始温度约12℃，再断开电源。记录下来实际通电的时间t，断电后系统温度还会略为升高，故必需细心观测并记录下来系统的终止温度T2及其经历的时间t1。以后继续搅拌，并每隔一分钟记录一次读数，直到温度下降1oC左右，以获得自然冷却数据（至少记录6次）。

6．用小量筒估计温度计浸入水中的体积V；

1．温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，注意搅拌器、凉热墙壁和电阻丝不要短路。2．电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性不要接反。3．只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，铜棒和电热丝可能会被烧坏。

4．通电后每隔一定时间记录下来导体温度，断电后继续连续记温，到导体自然冷却一段时间后再中止。五、考核形式

试验操作平均成绩占30%，试验报告平均成绩占30%，期末考试成绩占40％。六、试验报告

1、试验预习：包括试验目的和要求；试验内容和原理；用到的试验器材；采用的试验方法，步骤和操作过程，并根据需要合理设计试验数据记录表格。

2、试验过程：实际试验中采用的试验方法，步骤和操作过程及本卷须知，试验现象和原始数据的记录。3、数据处理和试验结论：试验数据的计算处理，分析以及试验结论等。

4、结果分析和试验结论：根据相关理论知识对所得到的试验结果进行解释和分析，包括试验的结果是否与理论相吻合以及原因，试验后的心得体会和建议。七、思考题

1．切断电源后，水温还会上升少许，然后才开始下降，记录T2、t1及用作图的方法求出Tf时，如何处理为正确？

2．为什么要限制加热的温升速率？过大或过小的温升速率对试验结果有什么影响？

电磁学部分

试验