《物理学》生物医学工程本科专业实验教学大纲

PAGEPAGE23《物理学实验》教学大纲课程名称：《物理学》英文名称：medicalphysics课程类型:专业基础课必修实验学时：48适用对象:生物医学工程本科一、实验教学目的：培养学生的动手能力，使学生在物理实验的基础知识、基本方法和实验技能等方面得到严格的训练，掌握基本物理量测量的原理和方法，学会正确选择和使用基本物理仪器、对实验数据进行正确判断和处理并对实验结果进行合理分析。通过对实验现象的观察、对物理量的测量和对实验结果的分析，使学生加深对物理学基本理论和定律的理解和掌握，熟悉某些物理现象，逐步提高观察、分析实验现象和总结实验规律的能力。学习用所学过的理论知识分析和解决实验中所存在的问题。在独立操作的实验过程中，逐步培养学生独立思考和独立工作的能力，培养学生用实验手段解决实际问题的能力，同时培养学生严肃认真、实事求是的科学作风。二、实验基本要求：1.端正学习态度，充分认识物理学实验课的重要性。学生应充分利用较短的实验课教学时间。实验前充分地预习，并对实验要求合理进行实验操作，仔细观察认真思考实验现象，正确记录实验数据，并对实验结果加以全面分析，实验结束后认真写好实验报告，认真上好每一次实验课。2.实验前要认真预习好基本物理仪器的原理和使用方法，实验过程中要创造更多的使用和熟悉物理仪器的机会，尽可能做到熟练操作，为掌握复杂的医疗仪器打下基础。3.要注意养成良好的实验习惯。首先确保安全第一。根据实验场所的环境和实验所需的装置，正确合理地安排好各种装置、电源及导线的位置，做到实验线路一目了然，尽可能减少实验过程中可能发生的人为故障，使实验得以准确、无误、顺利进行。4.要注意掌握实验中所采用的基本测量方法。基本测量方法是复杂测量方法的基础，实验过程中不但要理解其原理，同时要劲力熟悉和牢记。5.养成真实记录原始实验数据的习惯，字迹一定要清楚、整洁。对原始实验数据一定要实事求是地进行记录。对于原始数据决不能随意更改。有些学生当看到自己的实验结果与所预期的不相符合时便随意改动原始数据，这是物理实验的大忌。所以真实地记录原始数据是取得正确实验结果的前提。6.培养对实验结果进行分析、判断的能力。当实验结果与所预期的结果不相符合时，先根据不合理程度的大小来判断问题可能存在的环节，加以改正后重作实验，从而提高判断分析问题的能力。7.珍惜每次实验课的时间。有时在完成规定测量内容后还有剩余的时间，可以用来分析一下实验可能存在的问题，找出本实验的关键步骤所在，怎样做才能使实验更准确。三、物理学实验课的三个教学环节：物理学实验课是学生在教师指导下独立进行实验的课程。因此在整个实验课过程中要充分发挥学生的主观能动性，通过以下三个教学环节培养学生独立的工作能力和严肃认真、实事求是的工作作风。1.课前认真预习认真阅读实验教材，充分了解本次实验的目的、原理和方法、内容和注意事项，同时对验所用的仪器、设备、元件及实验步骤有一个大概地了解，在充分预习的基础上写出预习报告，并设计好数据记录表格。2.实验中正确操作实验时要遵守实验室的规章制度，仔细阅读仪器的使用方法和注意事项，在教师指导下正确使用仪器。实验进行时应合理操作，认真思考、仔细观察，及时认真的把原始数据记录在预先设计好的表格内，测量完毕后请教师检查实验数据，合格后方可结束实验并请教师签字。3.写好实验报告先对实验数据进行整理计算，然后用简洁的文字写好实验报告。实验报告要字迹清晰、文理通顺、图表正确完整。实验报告的内容为：实验题目、日期。实验目的：实验所要达到的基本目标。实验器材：实验原理：实验内容及步骤：完成数据表格及图线、图表等：实验结果的表示及讨论：原始数据：四、物理学实验室规则1.实验室内肃静和整洁，指导教师和学生一律穿白服进入实验室。2.实验前根据指导教师的讲述或实验书上的说明检查仪器、元器件，如有缺损应立即向指导教师报告。3.未了解仪器性能之前切勿动手操作，使用仪器时必须严格遵守操作规程，不得拆卸仪器，不做与本实验内容无关的实验。4.使用消耗品时要注意节约。5.实验完毕后，要清理仪器及元器件，填写仪器使用登记表。关闭电源和水道，做好卫生清扫。6.损坏仪器或丢失器材，按情节轻重，有关责任者要赔偿损失并交出书面检查。参加实验人员要严格遵守上述规则。五、实验部分[实验名称一]基本测量[项目性质]验证性实验[实验目的]1．掌握游标卡尺、螺旋测微计的构造、原理及读数方法。2．加深对误差、有效数字的概念的理解，掌握运算方法。[实验原理]1.游标卡尺使用游标卡尺读数时首先以游标零刻度线为准在尺身上读取毫米整数，即以毫米为单位的整数部分。然后看游标上第几条刻度线与尺身的刻度线对齐，如第6条刻度线与尺身刻度线对齐，则小数部分即为0．6毫米（若没有正好对齐的线，则取最接近对齐的线进行读数）。如有零误差，则一律用上述结果减去零误差（零误差为负，相当于加上相同大小的零误差），读数结果为：L＝整数部分＋小数部分－零误差2.螺旋测微计螺旋测微计也叫千分尺，是一种比游标卡尺更精密的量具。较为常见的一种如图(1-4)所示，分度值是0.01mm，量程为0～25mm。其构造主要分为两部分。一部分是曲柄和固定套筒互相牢固地连在一起；另一部分是微分筒和测微螺杆牢固的连在一起。因为在固定套筒里刻有阴螺纹，测微螺杆的外面刻有阳螺旋，所以后一组可以相对前一组转动。转动时测微螺杆就向左或右移动，曲柄附在测砧和固定套筒上。微分筒后端附有测力装置（保护棘轮）。当锁紧手柄锁紧后，固定套筒和微分筒的位置就固定不变。固定套筒上刻有一条横线，其下侧是一个有毫米刻度的直尺，即主尺；它的任一刻线与其上侧相邻线的间距是0.5毫米。在微分筒的一端侧面上刻有50等分的刻度，称为副尺。测微螺杆的螺距0.5毫米，即微分筒旋转一周，测微螺杆就前进或后退0.5毫米，因此微分筒每转一个刻度，测微螺杆就前进或者后退0.01毫米，这个数值就是螺旋测微计的精密度。[实验时数]2学时[实验要求]1．有游标卡尺测量金属圆筒的体积。2．用螺旋测微计测量金属小球的体积。思考题1．游标尺精密度如何计算？用游标卡尺进行测量时，如何读数？2．校正零点是要减小何种误差？[实验名称二]液体表面张力系数的测定[项目性质]验证性实验[实验目的]1．观察毛细现象，学会用毛细管测定液体的表面张力系数。2．了解读书显微镜的结构，掌握其使用方法。[实验原理]液体润湿毛细管液面上升；不润湿毛细管液面下降。[实验时数]2学时[实验要求]1．测量毛细管内液面的上升高度。2．用读数显微镜测量毛细管的半径。思考题1．引起实验结果误差的因素有哪些？[实验名称三]液体粘度的测量[项目性质]验证性实验[实验目的]1．学会用比较法测定液体的粘度。2．加深对泊肃叶定律的理解。[实验原理]一切实际液体都具有一定“粘滞性，当液体流动时，由于粘滞性的存在不同的液层有不同的流速流速大的一层对流速小的一层施以拉力，流速小的一层对流速大的一层施以阻力，因而各层之间就有内磨擦力的产生，实验表明，内磨擦力的大小与相邻两层的接触面S及速度梯度dv/dy成正比，即··式中的比例系数叫做粘滞系数，又叫内磨擦系数。不同的液体具有不同的粘滞系数。一般情况下，液体的值随温度的升高而减少。在国际单位制中，的单位为帕·秒（Pa·s）。当粘滞液体在细管中作稳恒流动时若管的半径R，管长为L，细管两端的压强差为1，液体的粘滞系数为则在时t1内液体流经细管的体积V可依泊肃叶公式求出。同理，对于同一细管，若换用另一种粘滞系数为的液体，并假设这时细管两端的压强差为P2，体积仍为V的液体流经细管所需时间为t2，则有求解公式。[实验时数]2学时[实验要求]1．先用蒸馏水将粘度计洗干净。2．将蒸馏水注入粘度计测量下落时间。3．倒出蒸馏水，用少量酒精冲洗。注入酒精重新测量下落时间。4．利用公式求解。思考题1．为什么要将粘度计中的液体洗净后才可以倒入另一种液体？2．压强差之比为何等于密度之比？[实验名称四]万用表的使用[项目性质]验证性实验[实验目的]1．学习万用表的结构原理。2．掌握万用表的使用方法。[实验原理]万用表由表头、测量电路及转换开关等三个主要部分组成。1.表头它是一只高灵敏度的磁电式直流电流表，万用表的主要性能指标基本上取决于表头的性能。表头的灵敏度是指表头指针满刻度偏转时流过表头的直流电流值，这个值越小，表头的灵敏度愈高。测电压时的内阻越大，其性能就越好。表头上有四条刻度线，它们的功能如下：第一条（从上到下）标有R或Ω，指示的是电阻值，转换开关在欧姆挡时，即读此条刻度线。第二条标有∽和VA，指示的是交、直流电压和直流电流值，当转换开关在交、直流电压或直流电流挡，量程在除交流10V以外的其它位置时，即读此条刻度线。第三条标有10V，指示的是10V的交流电压值，当转换开关在交、直流电压挡，量程在交流10V时，即读此条刻度线。2.测量线路测量线路是用来把各种被测量转换到适合表头测量的微小直流电流的电路，它由电阻、半导体元件及电池组成。它能将各种不同的被测量（如电流、电压、电阻等）、不同的量程，经过一系列的处理（如整流、分流、分压等）统一变成一定量限的微小直流电流送入表头进行测量。3.转换开关其作用是用来选择各种不同的测量线路，以满足不同种类和不同量程的测量要求。转换开关一般有两个，分别标有不同的档位和量程。[实验时数]2学时[实验要求]1．用万用表的欧姆档测电阻阻值。2．在电路中测量电阻阻值。3．以电流为横坐标，电压为纵坐标做出电压与电流的关系曲线。思考题1．在测量电阻时，若用两手分别捏住两表笔的金属部分，这样做测量结果有无影响？2．用万用表测量0.3mA的电流时，分别用1mA和10mA的量程测量时所得的结果是否相同？哪个准确？为什么？[实验名称五]示波器的使用[项目性质]验证性实验[实验目的]1．了解示波器的构造和示波原理。2．学习示波器的使用方法及其应用。[实验原理]利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系。[实验时数]2学时[实验要求]1．使用之前，注意使示波器面板上各旋钮归位。2．接通电源，打开开关，指示灯亮，预热2分钟。3．将示波器实验信号接至Y轴输入，加以调节。4．实验完毕，关闭电源，各旋钮回复到初始位置。思考题1．如果示波器是良好的，但荧光屏上看不到亮线，是哪些旋钮位置不当造成的？2．如果示波器荧光屏上的正弦波形，不断向右跑，锯齿波频率偏高还是偏低？[实验名称六]电偶极子电场的测绘及心电图模拟[项目性质]验证性实验[实验目的]1．通过对电偶极子电场的电力线及等势线的测绘，了解在电偶极子电场中电力线及等势线的分布。2．测绘模拟心电向量电势的变化，了解心电图形成的基本原理。[实验原理]在导电纸上引入两个圆电极，通过稳恒电流形成平面电偶极子电场。在电场中电势相等的点组成等势线，通过电偶极子中心的等势线是一条垂直线，它将电偶极子电场分成正电势区和负电势区。在电场中等势线上任意两点间不存在电势差，电场强度E与等势线垂直，因而其在等势线上分量为零。当L为一个固定长度时，只有在垂直于等势线方向上的电势差才有最大值，该方向即为电场强度E的方向。电场中由某一点开始，与以等长L所测得的电势差最大点的连线即是经过该点的一条电力线。[实验时数]2学时[实验要求]1．电力线的测绘。2．等势线的测绘。3．心电图模拟。思考题1．观察心电图模拟时，示波器为什么选用较低的频率档？[实验名称七]霍尔效应及其应用[项目性质]验证性实验[实验目的]1．掌握霍尔效应原理。2．学习用“对称测量法”消除副效应的影响，测量试样的霍尔系数。3．确定试样的导电类型、计算试样的载流子浓度。[实验原理]若将通有电流的导体置于磁场B之中，磁场B（沿z轴）垂直于电流IH（沿x轴）的方向，则在导体中垂直于B和IH的方向上出现一个横向电位差UH，这个现象称为霍尔效应。这一效应对金属来说并不显著，但对半导体非常显著。霍尔效应可以测定载流子浓度及载流子迁移率等重要参数，以及判断材料的导电类型，是研究半导体材料的重要手段。还可以用霍尔效应测量直流或交流电路中的电流强度和功率以及把直流电流转成交流电流并对它进行调制、放大。用霍尔效应制作的传感器广泛用于磁场、位置、位移、转速的测量。[实验时数]2学时[实验要求]1．测量霍尔系数。2．确定试样的导电类型，计算试样中的载流子浓度。思考题1．为了得到较明显的实验结果，用半导体材料还是导体材料比较好？[实验名称八]人耳听阈曲线的测量[项目性质]验证性实验[实验目的]1.掌握声学中声强、声强级、响度级和听阈曲线等物理概念。2.熟悉人耳听觉听阈测量实验仪的使用方法，测定人耳的听阈曲线。[实验原理]频率范围在的机械波可以引起人耳的听觉，称为声波。描述声波能量的大小常用声强和声强级两个物理量。声强是单位时间内通过垂直于声波传播方向单位面积的声波能量，用表示；声强级是采用对数标度来量度声强在主观感觉的大小，用表示。两者的关系为：声强级相同但频率不同的声波，它们的响度可以差别很大，为了区分各种不同声音响度的大小，把不同的响度分成若干个等级，称为响度级，即选取频率为声音纯音的响度级与它的声强级相等（注意单位不相同），并把其响度级作为基准声音，把频率不同、响度级相同的各对应点连成的曲线称为等响曲线。能引起听觉的最小声强称为听阈，对不同频率的声波听阈不同，听阈与不同频率的关系曲线称为听阈曲线，听阈曲线即为响度级为0方的等响曲线。当声强超过某一最大值时，声音在人耳中会引起痛觉，这个最大声强称为痛阈，对于不同频率的声波痛阈也不同，痛阈与不同频率的关系曲线称为痛阈曲线，痛阈曲线即为响度级为120方的等响曲线。引起人耳听觉的声音是由听阈曲线和痛阈曲线、和之间的范围称为听觉区域。在临床上常用听力计测定患者对各种频率声音的听阈值，与正常人在相应频率时的听阈值进行比较，借以诊断患者的听力是否正常。本实验利用听觉听阈测量实验仪来测定人耳的听阈曲线。[实验时数]2学时[实验要求]1.熟悉实验仪面板上的各键功能及使用方法。2.测试者按照耳机上左右的标记戴上耳机，然后背向主试人和仪器（或各人自行测试）。3.测定人耳听阈值4.听阈曲线的绘制5.关闭电源开关，整理实验仪器。思考题1.为什么用和的平均值计算值？2.如何用测听阈曲线的方法测等响曲线？[实验名称九]分光计的调节和使用[项目性质]验证性实验[实验目的]1．了解分光计的构造及各组成部分的作用。2．掌握分光计的调节方法和使用方法。[实验原理]分光计结构及用途介绍A．仪器结构底座：分光计的基座；望远镜：接收平行光管的平行光，并在分划板上成像。载物台：放置被测量物（台下由三个螺丝控制台面）。平行光管：产生平行光。读数盘：分为内外盘，外盘有0~360的圆刻度，分度值为0.5。内盘为游标盘，上面有相隔180的两个角游标，分度值为1。读数方法与游标卡尺的相似。读数时，望远镜的方位确定，两游标要同时读数（为了消除刻度盘中心与仪器转轴之间的偏心差）。B．用途分光计是一种测量角度的仪器，利用它能精确地测量入射光线与出射光线的角度，通过测量的角度可计算出折射率、光栅常量、谱线波长等。摄谱仪、单色仪等精密光学仪器也是在分光计的基础上发展而成的。[实验时数]2学时[实验要求]1．测量三菱镜的顶角。2．测三菱镜的最小偏向角。思考题1．为什么要用单色光源测量最小偏向角？2．本试验中，转动平台到某一位置时，从望远镜中可观察到经三菱镜的出射光线会按原路折回，试问此时的偏向角是否为最小偏向角？为什么？[实验名称十]设计型实验电流计的改装[项目性质]验证性实验[实验目的]1．学会用实验的方法测定电流计的内阻。2．通过对给定的电流计扩展其电流和电压的量程，掌握电流计扩大量程的方法。3．培养学生独立设计实验的能力。[实验原理]电压表=表头+串联的分压电阻电流表=表头+并联的分流电阻[实验时数]2学时[实验要求]1．测定电流计的内阻。2．设计制作量程为5.00mA和50.0mA的两量程电流表。3．设计制作量程为5.00V和10.0V的两量程电压表。思考题1．电流计扩大量程的方法和条件是什么？2．可否缩小电流计的量程？3.如何校准刻度？[实验名称十一]电子束的聚焦与偏转实验[项目性质]综合性实验[实验目的]1．了解电子束聚焦与偏转的原理。2．观察电子束在电场和磁场中的聚焦现象。3．学会测量电子束在电场和磁场中的偏转位移。4．理解各种成像设备中显像管的基本原理。[实验原理]各种成像设备中的示波管、显示器、电视显像管以及摄像管等的外形和功用虽然各不相同，但它们都有一个共同点，即利用了电子束的聚焦和偏转。电子束的聚焦与偏转可以通过电场和磁场对电子的作用来实现。本实验就是利用示波管研究电子束在电场和磁场中的运动规律。[实验时数]2学时[实验要求]1．观察纵向电聚焦。2．测量电偏转位移。3．测量磁偏转位移。4．观察纵向磁聚焦思考题1．如果在偏转板上施加交流电压，会出现什么现象？2．除偏转磁场外，如果在其中一对偏转板上再加电压，那么两种偏转将会互相抵消，为此应该选用哪一对偏转板？极性如何？假如已满足净偏转为零的条件，然后增大加速电压，将出现什么现象？[实验名称十二]光电效应及普朗克常数的测定[项目性质]验证性实验[实验目的]1．加深对光电效应和光的量子性的理解。2．学习验证爱因斯坦光电效应方程的实验方法，并测定普朗克常数。[实验原理]在光的照射下，从金属表面释放电子的现象称为光电效应。光电效应的基本规律可归纳为：光电流与光强成正比；入射光频率低于某一临界值时，不论光的强度如何，都没有光电子产生，称为截止频率；光电子的动能与光强无关，与入射光频率成正比。爱因斯坦突破了光的能量连续分布的观念，他认为光是以能量的光量子的形式一份一份向外辐射。光电效应中，具有能量的一个光子作用于金属中的一个自由电子，光子能量或者被完全电子吸收，或者完全不吸收。电子吸收光子能量后，一部分用于逸出功，剩余部分成为逸出电子的最大动能为[实验时数]2学时[实验要求]1.测定光电管的电流电压特征曲线、测定截止电压。2.求普朗克常数和实验误差。思考题1.实验时能否将干涉滤光片插到光源的光阑口上？为什么？2.从截止电压Uc与入射光频率的关系曲线,你能确定阴极材料的逸出功吗？3.测定普朗克常数的实验中有哪些误差来源？实验中如何减少误差？[实验名称十三]超声声速与声阻抗的测定[项目性质]验证性实验[实验目的]1.了解超声波的产生及驻波的形成原理。2.用驻波法测定超声波的声速。3.测定空气的声阻抗。4.观察相互垂直谐振动合成的李萨如图形。[实验原理]1．驻波的形成及测定超声波的声速机械振动在弹性介质中的传播形成机械波。波在介质中的传播速度c完全由介质的物理性质所决定。它和波长λ及振源的频率ν有如下关系：c=λν本实验是采用驻波法测量声波在空气中的传播速度。某频率的一维行波在介质中沿一直线传播时，若遇到障碍物（假设全反射），就在其界面处以相同的频率、振幅，沿同一直线反射回去，从而形成两个相向传播的相干波的叠加，介质中有些质点（两波位相相同的点）因为两个声波的叠加而使振动加强，其振幅是两列波的振幅之和，这些点称为波腹；而另一些质点（两波位相相反的点）则因声波的叠加而使振动减弱，合振幅为零，这些点称为波节。因此在介质中形成一个强弱稳定分布的声场，这种特殊的干涉现象形成了驻波。相邻两波节或两波腹间的距离为半个波长。驻波的特点是在驻波区域没有能量的传播，只有质点的振动。波在发生反射的界面处形成波节还是波腹，决定于两种介质的声阻。如果波的反射是从较密的介质反射回到较疏的介质时，则在反射处形成波节，反之形成波腹。[实验时数]2学时[实验要求]1.连接实验仪器。2.调整系统固定卡环上的紧定螺丝，使系统的平面端面与卡尺游标滑动方向垂直。3.接通仪器电源，使仪器预热15min左右，并将仪器的旋钮旋至适当位置。4.极缓慢地调节游标尺的附尺，使系统B缓慢地离开系统A，同时仔细观察毫伏表上的指示，每当出现一个最大的指示数时，从游标尺上读出两系统间的距离，作好记录。5.记录室温。6.用屏蔽导线将系统A（同时连着高频信号源的输出端）和系统B的输出接线柱分别与示波器x轴和y轴输入端相连接。接通示波器电源，调节X、Y轴衰减和增益旋钮，使示波器荧光屏上显示两个相互垂直的谐振动合成的李萨如图形。思考题1.在本实验装置中驻波是怎样形成的？2.为什么在测L时不测量波腹间的距离，而要测量波节间的距离？3.为什么在测量L时系统A、B两端面要始终保持严格平行？4.当两换能系统端面间的距离较远，接收信号又较弱，这时如果毫伏表的量程太大，不便于观察，应当如何处理？[实验名称十四]周期电信号的傅里叶分析[项目性质]验证性实验[实验目的]1.了解常用周期信号的傅里叶级数表示方法。2.了解信号频谱的含义，掌握用带通滤波器选频电路对周期电信号进行傅里叶分析和合成。3.掌握用谐波点源获取一个非正弦周期信号的方法。[实验原理]一个非正弦周期函数可以用一系列频率成整数倍的正弦函数来表示，其中与非正弦具有相同频率的成分称为基频或一次谐波，其他成分则根据其频率为基频频率的2、3、4、…n等倍数分别称二次、三次、四次、…n次谐波，其幅度将随谐波次数的增加而减少，直到无穷小。由波的合成与分解可知，不同频率的谐波可以合成一个非正弦周期波，反过来，一个非正弦周期波也可以分解成无限个不同频率的谐波成分。[实验时数]2学时[实验要求]1.用带通滤波器选频电路对周期电信号进行傅里叶分解。2.方波的合成。3.三角波的合成。思考题1.周期新信号的频谱特性是什么？2.各次谐波输出幅度的改变，对合成信号有何影响？3.各次谐波相位的改变，对合成信号有何影响？4.与理论波形作比较，分析合成的波形与实际的波形相比会有哪些失真，试述减小失真的途径？[实验名称十五]温度传感器的特性及人体温度测量实验[项目性质]综合性实验[实验目的]1.熟悉几种常见温度传感器的工作特性。2.掌握用恒压源电流法测量负温度系数热敏电阻与温度的关系及PN结温度传感器正向电压与温度的关系。3.了解数字式电子温度表对人体部分部位的温度测量及人体各部位的温差。[实验原理]1.NTC型热敏电阻恒压源电流法测量热电阻，电源采用恒压源，Rt为热电阻，为Rt上的电压，当电路电压恒定、温度恒定时则一定，电路的电流则为，只要测出热电阻两端电压，即可知道被测热电阻的阻值。当电路电流为，温度为T时热电阻Rt为：2.PN结温度传感器PN结温度传感器是利用半导体PN结的正向结电压对温度进行测量，实验证明电流一定，PN结的正向电压与温度之间具有线性关系。通常将硅三极管b、c极短路，用b、e极之间的PN结作为温度传感器测量温度。硅三极管基极和发射极间正向导通电压一般约为600mV（25℃），且与温度成反比。线性良好，温度系数约为-2.3mV/℃,测温精度较高，测温范围可达-50~150℃。PN结组成二极管的电流I和电压U满足下面关系式在常温条件下，且时，上式可近似为[实验时数]2学时[实验要求]1.测量NTC型热敏电阻，电阻-温度特性曲线并制作数字式人体温度计。按面板指示相应颜色插接线与插座的接线，连接恒压源、热敏电阻等。计算该温度时热敏电阻的阻值，从而得到NTC热敏电阻一系列温度时的电阻值。2.PN结温度传感器温度特性的测量及应用。将控温传感器Pt100铂电阻插入干井式恒温加热炉中心井，PN结温度传感器插入干井式恒温加热炉另一个井内。制作电子温度计。思考题1.本实验所用两种温度传感器各有什么优缺点？2.除了本实验提到的温度传感器以外，你还了解哪些温度传感器？它们的工作原理是什么？[实验名称十六]压力传感器的特性及人体心律与血压的测量[项目性质]综合性实验[实验目的]1.掌握利用气体压力传感器、放大器和数字电压表组装成数字式压力表的原理和方法。2.掌握利用标准指针式压力表对数字式压力表进行定标的原理和方法。3.了解人体心律、血压的测量原理。[实验原理]压力（压强）是一种非电量的物理量，它可以用指针式气体压力表来测量，也可以用压力传感器把压强转换成电压，用数字电压表来测量和监控。压力传感器是一种用压阻原件组成的桥，理想气体的状态可用体积、压强、温度来确定。在通常大气环境条件下，气体可视为理想气体（气体压强不大），理想气体遵守以下定律。玻意尔（Boyle）定律：对于一定量的气体，假定气体的温度保持不变，则其压强和体积的乘积是一常数。即气体定律：在任何一定量气体的压强和体积的乘积除以自身的热力学温度为一个常数，即[实验时数]2学时[实验要求]1.实验前准备工作，接通电源，打开仪器电源开关，指示灯亮，预热5分钟。2.气体压力传感器的特性测量3.数字式压力表的组装及定标4.心律的测量5.血压的测量思考题1.定标的物理意义何在？2.用标准指针式压力表校准组装的数字式压力表时，其读数偏大还是偏小？是什么因素导致这种情况？[实验名称十七]A型超声诊断仪的原理及使用[项目性质]应用性实验[实验目的]1.了解超声波产生和发射的机理。2.用A型超声实验仪测量水中声速或测量水层厚度。3.用A型超声实验仪测量固体厚度及超声无损探伤。[实验原理]超声波是指频率高于20的弹性机械波。产生超声波最普遍的方法是压电法。如果对具有压电效应的材料施加交变电压，那么它在交变电场的作用下将发生交替的压缩和拉伸形变，由此而产生了振动，并且振动的频率与所施加的交变电压的频率相同，若所施加的电频率在超声波频率范围内，则所产生的振动是超声频的振动，这种振动在弹性介质中传播即为超声波，如果将超声能转变成电能，这样就可实现超声波的接收。如果介质的声阻抗相差很大，比如说声波从固体传至固/气或从液体传至液/气界面时将产生全反射。因此可以认为声波难以从固体或液体中进入气体。利用超声波测量媒质厚度或异物深度(探伤)时，通常是将超声波所经媒质界面的回波通过探头转变成相应的电脉冲信号并显示在示波器荧光屏上，根据两回波出现的时间间隔及介质的速度，计算出所对应的介质厚度。若测出介质厚度，在示波器荧光屏上读出与介质厚度对应的两回波脉冲的间隔时间，也可以算出速度，医学上就是利用超声波在人体内遇到不同密度的组织界面时，部分能量将被反射回来，形成回波，根据回波出现的时间间隔得知不同组织间的距离。[实验时数]2学时[实验要求]1.准备工作。2.打开机箱电源，按“选择”键选择合适的工作状态。3.将金属挡板放在水箱中的不同位置，测出每个位置下超声波的传播时间，可每隔5cm测一个点，将结果作的线性拟合，根据拟合系数求出水中的声速，与理论值比较。4.测定样品架上不同材料，不同高度的样品中超声波传播的速度（选做）。5.超声探伤（选做）。【思考题】1.简述A型超声波诊断仪的基本原理。[实验名称十八]几何光学设计性实验——自组望远镜和显微镜[项目性质]应用性实验[实验目的]1．掌握透镜的成像规律。2．了解望远镜及显微镜的工作原理。3．设计组装望远镜、显微镜。4．学会用望远镜测量透镜焦距。[实验原理]显微镜是观察微小物体的光学仪器。物镜的焦距非常短，目镜的焦距大于物镜的焦距，但也不超过几个厘米。分划板（像屏）与物镜之间的距离为。物屏放在物镜焦点外一点，调节与之间的距离，使其通过物镜成一放大、倒立的实像于分划板处。然后通过目镜观察像，先调节目镜与分划板之间的距离，以使人眼看清分划板，然后当看清时，也同时看清了分划板。而目镜起到了一个放大镜的作用，又将成一放大、倒立的虚像（分划板也同时成放大的虚像，并与重合）。则人眼观察的微小物体被大大地放大成了。无穷远处的物屏上的一点（图中未画出）发出的光（平行光）经物镜成实像于的焦平面处（处于目镜的焦点内），分划板也处于的焦平面处，则与分划板重合。如物不处于无穷远处，则与位于之外。人眼通过目镜看的过程与显微镜的观察过程相同。由此可见，人眼通过望远镜观察物体，相当于将远处的物体拉到了近处观察，实质上起到了视角放大的作用。[实验时数]2学时[实验要求]1．自组一台聚焦于无穷远处的望远镜2．用自组的聚焦于无穷远处的望远镜测量另一凸透镜的焦距3．用自组的聚焦于无穷远的望远镜测量凹透镜焦距4．自组显微镜思考题1.显微镜和望远镜的成像原理是什么？2.显微镜的放大率如何计算？[实验名称十九]激光全息实验[项目性质]应用性实验[实验目的]1．了解全息照相的基本原理，熟悉制作全息图的基本条件。2．学习全息照相的实验技术，了解全息照相的基本特性，拍摄合格的全息图。3．掌握全息照相的记录和再现技术。[实验原理]1．全息照相技术全息照相不仅记录了物体发出或反射的光波的振幅信息，而且把光波的相位信息也记录下来，所以全息照相技术所记录的并不是普通几何光学方法形成的物体像，而是物体光波的本身。它记录了光波的全部信息，并且在一定条件下，能将所记录的全部信息完全再现出来，因而再现的像是一个逼真的三维立体像。2．全息照相的基本过程——记录和再现（1）激光再现全息照相（面全息），全息照相的记录——光的干涉，全息照相的再现——光的衍射。（2）白光再现全息照相（体全息）用于白光再现的全息图常称为反射全息图。因为它的光路非常简单、容易制作，并且可用白光进行再现，所以特别具有吸引力。反射全息图实际上是一个三维全息图，在两束相干光重叠的区域，都将发生干涉现象，形成的条纹平行于两束光的夹角的角平分线。也就是说，在三维空间内产生干涉条纹如果将具有很厚感光层的全息干板置于干涉区域（其厚度比干涉区域内干涉条纹的间距还大很多），就能在感光层中形成银粒的密度分布，它对应于三维的干涉条纹。这种记录了三维干涉条纹的全息干板，即称为三维全息照片或者体全息照片。[实验时数]2学时[实验要求]体全息（白光再现全息〕照片的拍摄（1）配制药水(异丙醇水溶液，浓度40％、60％、80％、100％各一份)，然后分别置于4只器皿中，尽量做好标记，以防止冲洗干板时搞错。（2）在避免红色光直射的环境中，裁切尺寸大小为50×40mm左右的干板，并遮红光包装。（3）光路调整和拍摄(按图26-5布置光路进行拍摄)．要求使光路中各光学元件的光学中心共铀。(4）白光再现全息照片的显影、定影处理：(5）全息再现：再现的虚像是由全息图的反射光形成的。处理好的全息照片在白光照射下，按一定角度观察，即可看到所拍摄的立体图像。思考题1.全息照相与普通照相有哪些不同？全息图的主要特点是什么？2.为什么反射全息图可以用白光来再现？3.三维全息图和平面全息图的主要区别是什么？4.绘出拍摄全息图的基本光路，说明拍摄时的技术要求。[实验名称二十]黑体辐射定律及发光体能量曲线的研究[项目性质]综合性实验[实验目的]1．掌握黑体辐射的基本原理，利用溴钨灯模拟验证黑体辐射定律。2．利用黑体实验装置测量其它发光体的能量曲线。3．利用观察窗观察光栅的二级光谱、黑体的色温。4．利用实验装置进行创新实验设计。[实验原理]在任何温度下物体都会向外发射出各种不同波长的电磁波，其辐射总能量随波长的分布与该物体的温度密切相关，这种现象就是热辐射。物体辐射出的能量称为辐射能。单位时间内的辐射能量即为辐射功率。设在单位时间内，从物体单位表面积所发射的波长在和范围内的辐射能为，则和之比称为该物体的单色辐射出射度，简称单色辐出度，用表示。黑体是一种完全的温度辐射体，它吸收全部的入射光辐射而一点也不反射。黑体辐射能量的效率最高，仅与温度有关，它的发射率是1，任何其它物体的发射率都小于1。斯蒂芬根据实验结果得出黑体的辐出度正比于其绝对温度的四次方，即对于每一温度，都有一最大值。与其对应的波长用表示。随着的升高，的值趋于减小，表明与成反比，即上式称为维恩位移定律。它表明，当黑体温度升高时，其峰值波长减小，即向短波方向移动。可以根据维恩位移定律来测量远处高温物体的表面温度。[实验时数]2学时[实验要求]1．验证黑体辐射定律2．测量其它发光体的能量曲线3.观察窗的演示实验。思考题1.黑体辐射规律有哪些？2.为什么用溴钨灯模拟黑体？3.利用该实验装置还能开发哪些实验内容？[实验名称二十一]毕奥-萨伐尔定律的综合实验研究[项目性质]综合性实验[实验目的]1.测定直导体和圆形导体环路激发的磁感应强度与导体电流的关系2.测定直导体激发的磁感应强度与距导体轴线距离的关系3.测定圆形导体环路导体激发的磁感应强度与环路半径以及距环路距离的关系。[实验原理]根据毕奥-萨伐尔定律，导体所载电流强度为I时，在空间P点处，由导体电流元产生的磁感应强度dB的大小为的方向垂直于Id与所构成的平面，且Id、和三者的方向满足右手螺旋法则，即右手四指从电流元Id方向经小于π的角转向方向，则伸直拇指所指方向即为的方向。毕奥-萨伐尔定律的矢量表达式为计算总磁感应强度意味着积分运算。只有当导体具有确定的几何形状，才能得到相应的解析解。例如：一根无限长导体，在距轴线的空间产生的磁场为半径为R的圆形导体回路在沿圆环轴线距圆心x处产生的磁场为本实验中，上述导体产生的磁场将分别利用轴向以及切向磁感应强度探测器来测量。磁感应强度探测器件非常薄，对于垂直其表面的磁场分量响应非常灵敏。因此，不仅可以测量出磁场的大小，也可以测量其方向。对于直导体，实验测定了磁感应强度B与距离r之间的关系；对于圆形环导体，测定了磁感应强度B与轴向坐标x之间的关系。另外实验还验证了磁感应强度B与电流强度I之间的关系。[实验时数]2学时[实验要求]1．直导体激发的磁场2．圆形导体环路激发的磁场思考题1．毕-萨定律的内容是什么？2．实验结果是否与毕-萨定律一致，如果有偏差，试分析产生的原因。[实验名称二十二]弗兰克－赫兹实验[项目性质]综合性实验[实验目的]1．通过示波器观察板极电流与加速电压的关系曲线，了解电子与原子碰撞和能量交换的过程。2．通过主机的测量仪表记录数据，作图计算氩原子的第一激发电位。3．采用计算机接口，自动测量氩原子的激发电位，学习数据采集和自动测量技术。[实验原理]1.电子与原子的相互作用根据玻尔理论，原子只能较长久地停留在一些稳定状态（即定态），其中每一状态对应于一定的能量值，各定态的能量是分立的，原子只能吸收或辐射相当于两定态间能量差的能量。如果处于基态的原子要发生状态改变，所具备的能量不能少于原子从基态跃迁到第一激发态时所需要地能量。弗兰克—赫兹实验是通过具有一定能量的电子与原子碰撞，进行能量交换而实现原子从基态到高能态的跃迁。电子与原子碰撞过程可以用以下方程表示：因为原子的内能是不连续的，所以电子的动能小于原子的第一激发态电位时，原子与电子发生弹性碰撞；当电子的动能大于原子的第一激发态电位时，电子的动能转化为原子的内能，为原子的第一激发电位。2.弗兰克-赫兹实验弗兰克和赫兹为了研究气体放电中的低能电子和原子间的相互作用，设计了电子与原子碰撞的实验。实验装置是碰撞管中的电子由热阴极K发射，经K与栅极G之间的电场加速，电子由K射向G，栅极G与板极P之间则加