物理学的研究有实验方法和理论的方法

绪论

一、重要性

物理学的研究有实验方法和理论的方法，实验的方法

是以实验结果为依据，归纳出一定的规律；理论研究工作,

虽然不进行实验，但是研究课题的提出和结论的检验，也

必须通过物理实验。物理实验在物理科学的创立和发展中

占有十分重要的地位，因此，学习物理学时，物理实验就

是一门重要的必修课目。

二、目的和要求

1）通过观察、测量和分析，加强对物理概念和理论的

认识；

2）学习物理实验的基础知识，基本方法。培养基本的

实验技能；

3）培养严肃认真，实事求是的科学态度和工作作风。

三、实验的过程

1.准备（预习）

1）理论的准备：从实验指导书和有关参考书中充分了

解实验的理论依据和条件。

2）仪器的准备：了解所有实验仪器的工作原理，工作

条件和操作规程;了解实验室为何选用这样的装置和仪表,

还有否其它的实验装置可用。

3）观测的准备：掌握实验步骤和注意事项，设计记录

表格，记录表格既要便于记录，又要便于整理数据。

2.观测与记录（实验）：

1）仪器的安装和调整：按操作规程调整仪器以达到正

常的工作条件

2）观测：在明确了实验目的和测量内容、步骤，并能

正确使用仪器后，可以进行正式观测。

3）记录：实验记录是以后计算与分析问题的依据，在

实际工作中则是宝贵的资料，记录应记在专用的实验数据

原始记录表上，要如实的记下各观测数据，简单的过程以

及观测到的现象。

3.数据的整理与完成实验报告

实验过程中要随时整理数据，测量结束后要尽快整理

好实验数据，计算出结果并绘出必要的图线。数据整理工

作，应尽可能的在实验课上完成，并且为了根据整理中的

问题作必要的补充测量,一般是在计算结束后再收拾仪器。

实验报告要求简单明了，用语确切，字迹清楚。

实验报告包括：1）实验名称2）实验目的3）实验仪器4）

实验原理及步骤5）记录、数据整理及结论6）问题研究

四、误差理论和数据处理

（-）测量和误差的概念

1.测量及其分类：

测量：指为确定被测量对象的量值而进行的被测物与

仪器相比较的实验过程。

测量分为直接测量和间接测量

2.误差及其分类：

把测量值X与真实值。之间的差异叫误差。

1）系统误差

在一定条件下（方法、仪器、环境、人相同）多次测

量同一个量时，符号和绝对值保持不变或按一定规律变化

的误差。

引起原因：实验理论和方法的不完善、实验仪器的缺

陷或不完善、实验环境的变化、观察者的不良习惯和偏向

消除方法：设计合理的实验方案、理论分析得出修正

公式

2）偶然误差

在相同条件下，多次测量同一个物理量时，其误差的

符号和大小变化不定，没有确定规律的误差。

造成原因：外界因素的干扰和影响、实验者技术水平

和感觉器官的分辨能力的限制

消除方法：一般采用多次测量，取多次测量的算术平

均值作为测量结果，同时对测量结果的可靠程度做出合理

的估计

3）过失误差：

不能用实验条件作为合理解释的突出误差。

造成原因：人为的

4）误差的表示

设被测量X的测量值为x,其真值为a

①绝对误差£=x-a

一般用算术平均值n…代替真值

所以E=X-X

②相对误差

=-xlOO%e=-^xlOO%

£rarx

③标准误差（均方误差）

/才"：…反映测量的可靠程度

④平均绝对误差

⑸+闷+…+归.|

n

⑤算术平均值的标准偏差

n

X区一元产

标准偏差：5=忤“二一

f(…尸

算术平均值的标准偏差：s⑸=9=]^——

yinU〃(-1)

(-)测量不确定度

测量不确定度就是测量质量的标准，也即是对测量结

果偏差的评估。对测量不确定度的评定通常以估计标准偏

差去表示大小，称为标准不确定度。

1.标准不确定度的A类评定(偶然效应引起的)

UA(I)=5(x)

2.标准不确定度的B类评定(一般跟仪器有关的误差)

««(X)=A/V3其中A是仪器的极限误差

3.合成标准不确定度

2

直接测量时：uc(x)-J\u(x)/"(X)可以是A类或B评

定

间接测量时：〃c（y）=闾"J

r（X,）

（三）测量结果的表示

y=y±〃c（y）单位，£=Mz）xioo%

y

五、有效数字

1.有效数字：把从仪表上读出的数字包括最后一位存

疑数字称为有效数字。

2.有效数字位数的确定：

从最左一位非零数字起一直到最后一位存疑数字止

判断以下测量值的有效数字位数：

42.36cm4位0.0087m2位27.0024m6

位

4.00cm3位4cm1位

3.运算后的有效数字的确定

1）实验后计算不确定度的：由不确定度来决定，即运

算结果的有效数字末位与不确定度的末位对齐。

g=981.2±1.8cm•s?

2）实验后不计算不确定度的：

①加减运算后的有效数字末位应和参加运算的各数中

最先出现的可疑位一致；

②乘除运算后的有效数字位数，可估计位和参加运算

中有效数字位数最少的相同。

六、实验图线的描绘（自习）

七、组合测量与最佳直线参数：最小二乘法、逐差法

（自习）

补充：科学型计算器的使用

实验01长度的测量

一、实验目的：

1.练习使用测长度的几种常用仪器；

2.练习做好记录和计算不确定度。

二、仪器和用具

游标卡尺、螺旋测微计、被测物（滚珠、圆柱体、小铜线、

小铝线）

三、实验内容：

1.阅读相关的仪器说明书，明确仪器的原理和操作、读数

方法。

2.用游标卡尺测圆柱体的体积（H、。各测5次）；

3.分别用游标卡尺、螺旋测微计测滚珠的直径（交叉测量

各2次）；

4.分别用游标卡尺、螺旋测微计测小铜线、小铝线的直径

（各测5次）。

四、实验报告及要求：

1.计算圆柱体体积（V」疝2月），并计算不确定度;

4

2.每人独立完成一份实验报告。

实验02质量和密度的测量

一、实验目的

1.了解物理天平的构造、学习天平的使用方法；

2.掌握测量规则固体和不规则固体的密度的方法；

3.进一步巩固误差计算和有效数字的概念

二、仪器和用具

物理天平，祛码，游标卡尺，螺旋测微计，烧杯、温

度计、被测物（石块、金属圆柱体）、细线

三、实验内容

1.测定规则形状固体的密度（金属圆柱体或圆球等）

1）用游标卡尺、螺旋测微计等量具测量金属圆柱体的

直径、高度（或圆球直径）等，并计算处体积V。

2）调整和使用天平，称出圆柱体（或圆球）的质量m。

3）利用公式。=求出物体的密度夕。

2.测定不规则物体的密度

设密度大于水的被测物（不溶于水）在空气中称得的

质量为加1，用细线悬吊于水中称衡值为又设当时温

度下水的密度为P”.（见附录），物体体积为V,则依据阿基

米德定律有

Vp,g=（m-m^g,V=㈣一%，所以物体的密度p=p———

H[Kmm

Pw\~2

实验03在气垫导轨上测量速度和加速度

一、实验目的：

1.熟悉气垫导轨，学习使用数字毫秒计；

2.观察匀速运动和匀加速运动，测量速度和加速度

3.牛顿第二定律的研究

二、仪器和用具：

气垫导轨、滑块、光电门、数字毫秒计、铁块、祛码

三、实验原理：

1.速度的测量

当质点所受的合力为0时，质点保持静止或作匀速直

线运动。一个自由漂浮在水平放置的气垫导轨上的滑块，

它所受的合外力为0。因此滑块在导轨上可以静止或以一

定的速度作匀速直线运动。

当滑块在气垫导轨上运动，滑块上的挡光板垂直通过

光电门时，毫秒计将显示宽度为叔的条形挡光板的遮光时

间(或槽形挡光片相距Ar的两次遮光之间的时间)4,则

滑块在时间△/内的平均速度为歹=生，©越小，△厂也越小，

相应的平均速度就越接近该位置的瞬时速度。因为以相对

于导轨长度来说很小，实验中将以/4近似看成滑块在某处

的瞬时速度

匚，(3-1)

加

2.加速度的测量

当导轨倾斜时，滑块将受到一个沿导轨平面方向的恒

力的作用，滑块将作匀加速直线运动。在导轨上放置两个

光电门S1,S2,它们之间的距离为so测量出滑块经过S1

和S2处的速度vi和也，那么滑块的加速度。为

田2一岬2

a=(3-2)

3.牛顿第二定律的研究

滑块受到的重力沿导轨平面的分力为根gsin。，由牛

顿第二定律：

F-ma及F=mgsin夕

得出a=g也

比较本实验得出的加速度〃与由牛顿第二定律得出的

g/i/L是否吻合。

四、实验内容：

1.仔细阅读实验讲义和仪器使用说明书，熟悉仪器的

使用，特别是电脑通用计数器的使用方法。

2.调平气轨。

3.测量加速度

设置两光电门之间距离为60cm(Sl=40.0cm,S2=

100.0cm)；并用一个垫块垫在单脚底螺丝下，使导轨具有

一定倾斜度。将滑块放在导轨的最高处，让它从静止开始

自由滑下，分别记下通过光电门SI、S2的速度片和也。

重复4次，将数据填入表格(3-1)中，用式(3-2)计算加速度

a\o

用两个垫块，重复做上述实验，记录表格与上相同，

求出6/2O

用三个垫块，重复做上述实验，记录表格与上相同，

求出“3。

3.牛顿第二定律的研究

把加速度理论值/与实验结果得出的。1、。2、a3作

比较，验证牛顿第二定律。(L的数值可以用卷尺测量)。

五、数据记录及处理：

实验值6厘

理论值al=g^=

实验04杨氏模量的测量（伸长法）

一、实验目的

1.学习用伸长法测金属丝的杨氏模量；

2.了解光杠杆的结构和原理，学习用光杠杆测量微小

长度；

3.学会用逐差法处理数据。

二、仪器和用具

杨氏模量测定仪、光杠杆（望远镜、直尺、支架、反

光镜装置），螺旋测微计、游标卡尺、祛码、米尺、待测金

属丝。

三、实验原理

E=-，其中k=（A,“-A“）/m

7id~kdx

四、实验内容及步骤

1.测量金属丝长/,直径力关杠杆镜面到直尺的距离

d2,光杠杆前后足尖的垂直距离4,加祛码机前后的读数

Ao和Am，各测3次。

2.m,Am的测量;

3.关于k的计算

取匹=%，进行直线拟合y=(a+bx),用最小二

乘法求出斜率b及其标准偏差Sb，此b值就是左值。

最后按片半求出及

就她

再按下式计算E值的标准不确定度U®

"4阴+(*”阴+(等**1%

实验05三线摆

一、实验目的：

1.掌握三线摆测定转动惯量的原理和方法；

二、仪器和用具

三线摆、米尺，游标卡尺、秒表、待测圆环、水准器

三、实验原理

转动惯量是物体转动惯性的量度。物体对某轴的转动

惯量越大，则绕该轴转动时，角速度就越难改变，物体对

某轴的转动惯量的大小，取决于物体的质量、形状和回转

轴的位置。对于质量分布均匀，外形不复杂的物体可以从

外形尺寸及其质量求出其转动惯量，而外形复杂和质量分

布不均匀的只能从回转运动中去测得。三线摆法是通过扭

动运动测量转动惯量的一种方法。

三线摆如图所示，是将半径不同的二圆盘，用三条等

长的线联结而成。将上盘吊起时，二圆盘面均被调节成水

平，二圆盘心在同一垂直线OQ2上。下盘P可绕中心线

OQ2扭动，其扭动周期T和下盘p的质量分布有关，当改

变下盘的转动惯量和其质量的比值,即改变其质量分布时,

扭动周期将发生变化。三线摆就是通过测量它的扭动周期

去求任一质量已知物体的转动惯量。

设下圆盘P的质量为m0，当它绕OQ2、作小角度扭动

J时，圆盘是位置升高〃，它的势能增加为品，则

Ep=mQgh①

这时圆盘的角速度为电，它具有的动能&等于4」。俘『

/o为圆盘对01。2、轴的转动惯量，如果略去摩擦力，

按机械能守恒定律，圆盘的势能与动能之和应等于一常量,

即

I管）+性仁常量②

设悬线长为/,上圆盘悬线距圆心为八下圆盘悬线距

圆心为火。当下圆盘转一角度夕时，从上圆盘B点作下圆

盘垂线，与升高/I前、后的下圆盘分别交于C和C',则

Be?-Be”

h=BC-BC'=

BC+BC

因为BC2=AB2-AC2=72-QR—r)2

BC'2=A'B2-A'C2=72-(#+/-2加0$夕)

..0

。力D

2Rr(/Il-cosn6\)_4Arsin-2

所以h

BC+BC'~BC+BCf

在扭动角较小时，siW近似等于"而（BC+BC'）可近

22

似为两盘间距离的二倍，则/7=叱

2do

将此式代入式②,并对t微分，可得/署理+“华吟=0

dtdrd0dt

即d^=_mogRre

dt2Wo

这是一简谐运动方程，该振动的角频率出的平方应等

于苏=还”

Wo

而振动周期To等于主，所以窗=生也

cotriogRr

由此得出/丁2

04^°

实验时，测出机0、R、r、do及To,就可从上式求出圆

盘的转动惯量，0。如在下盘上放上另一个质量为如转动

惯量为/（对OQ2轴）的物体时，测出周期为T，则有

=（…产

从而得出被测物体的转动惯量等于

/=备.+恤）"一人硝④

四、实验内容：

1.用水准器检查三线摆下圆盘的水平

2.测量下圆盘的转动惯量/o

按式③测量有关各量去求/（）。测量周期时，必须使下

盘只做小角度扭动振动，而不出现前后、左右的摆动。每

个物理量重复测量5次。

3.测量待测圆环的转动惯量/（轴线通过圆心垂直圆

面）

依据式④组织测量。安置待测圆环时，要使它和三线

摆的下圆盘同心。每个物理量重复测量5次。

五、实验报告及要求：

1.计算出下圆盘的转动惯量/0。

2.计算出待测圆环的转动惯量/。

3.独立完成实验报告，回答问题1。

预习要求：

熟悉实验原理，实验方法和仪器的使用。

实验06刚体转动的研究

一、实验目的：

1.研究刚体转动时合外力矩与刚体转动角加速度的关

系；

2.考查刚体的质量分布改变时对转动的影响；

3.学习用作图法处理实验数据。

二、仪器和用具

刚体转动实验仪，秒表，游标卡尺，天平

三、实验原理

1.根据刚体转动定律，转动系统所受外力矩M合与角

加速度£的关系为

M合=/£

其中I为该系统对回转轴的转动惯量。合外力矩M台主要

由引线的张力矩”和轴承的摩擦力矩M阻构成，则M-

M阻=/B

摩擦力矩M阻是未知的，但是它主要来源于接触摩擦,

可以认为是恒定的，因而将上式改为M="阻+/£

因此在实验中，若要研究引线的张力矩M和角加速度

£之间是否满足上式的要求，就要测不同M时的£值。

1）设引线的张力为F了，绕线轴半径为R,则”=尸水

又设滑轮半径为八其转动惯量为/轮，转动时祛码下

mg-F\=tna

落加速度为。，参照图2可以写出T“

%j=［轮一

rj

从上述二式中消去Hi，同时取/轮（加、为滑轮质量）,

得出

在此实验中，好小不超过g的0.3%,如果要求低一些,

I2m）

可取尸丁仁/“，这时MFng

在实验中是通过改变塔轮的R来改变M的。

2）角加速度£的测量

测出祛码从静止开始下落到地板上的时间为K路程

为S,则平均速度昨上，落到地板前瞬间的速度下落

t-2%

加速度”5角加速度夕=4即

四、实验内容：

考查张力矩M与角加速度£的关系

L将回转台调成水平，测出塔轮上各轮的直径，每个

重复测量4次取平均值；

2.在引线下端加5个质量为根=0.5g的硅码，横杆上

重物移到最外侧。将引线分别绕在塔轮的各轮上，测量祛

码的下落时间重复测量4次；

3.计算出“和£

4.作M—£的直线，求出纵轴截距。（即M阻）和斜率

b（即/）。

五、实验报告及要求：

独立完成实验报告。

预习要求：

熟悉实验原理、实验方法和实验仪器的使用。

实验07单摆

一、实验目的

1.练习使用毫秒计和米尺，测单摆的周期和摆长；

2.求出当地的重力加速度g的值；

3.考查单摆的系统误差对测重力加速度g的影响。

二、仪器和用具

单摆、数字毫秒计、钢卷尺

三、实验原理

用一不可伸长且质量可忽略的细线悬挂一小球作幅角

9V5°的摆动就是一单摆。

单摆的周期7=2乃1所以g浮

四、实验内容及步骤

对摆长为I的单摆，测量在的情况下，连续摆

动50周的时间心求g值。重复测3次。

1.分别取/=90cm,70cm,50cm,使摆在平衡位置；

2.调整数字ms计为周期，调定为50周；

3.使摆线偏角小于5°,后让其自由摆动；

4.记录单摆连续作50周所经历的时间t,重复测3次;

5.改变摆长，再测相应的时间。

五、实验报告及要求

1.利用误差理论及不确定度求重力加速度g;

2.每人独立完成一份实验报告。

实验08碰撞实验

一、实验目的：

1.验证动量守恒定律；

2.了解非完全弹性碰撞与完全非弹性碰撞的特点。

二、仪器和用具

气垫导轨，滑块，光电门，数字毫秒计，游标卡尺，

橡皮泥，天平

三、实验原理：

在无滑动摩擦的情形下，两个物体碰撞前后的总动量

保持不变，且质心速度％，亦维持定值。若碰撞后总动能不

变，此种碰撞称为“完全弹性碰撞”，反之若碰撞后总动能

改变，则为“非完全弹性碰撞”。若碰撞后碰撞的物体黏在

一起，以同一速度向前运动，这种情形称为“完全非弹性

碰撞”。

V..K.

碰撞前tn\---------►阳2----------►

^匕/

碰撞前m\►加2►

图1

1.完全弹性碰撞

如图1所示，设二物体在一维空间中的碰撞是完全弹

性碰撞，则必满足下列二等式：

动量守恒：

myu+/n2V2i=叫耳f+小2匕/..........................(1)

动台匕守恒

12121212

5町%+/根2匕「=5叫匕/+］机2匕/.(2)

则爱得2"收

或

%—七=—(%—%/)..............................(3)

式中，下标，代表碰撞前，下标/代表碰撞后。

式中v„.-心及％-%各为碰撞前后二物体间的相对速

度，由此可知完全弹性碰撞下，碰撞前的相对速度与碰撞

后的相对速度方向相反但大小不变。

将(3)式代入(1)中可得碰撞后二物体的速度%及%：

匕+^^心..............(4)

m}+m2m]+m2

(5)

m{4-m2m{+

若将实验简化,使被撞体性静止(即0=0)则上两式

可改成

Vm-m

或lf=x2(6)

m}+m2V{imx+m2

v2f

小年-%或=⑺

4-m2V}imx+m2

2.完全非弹性碰撞

设二物体在一维空间内的碰撞是完全非弹性的，则碰

撞后二物体黏在一起，即表示%=%=匕=匕小代入公式

(1)公式中，可得

嗫七.......................(8)

mm

m}+加2\+i

若被撞体静止，即%=0:

4=，^匕或±........(9)

m]+m2Vh.m}4-m2

则碰撞前动能EK=—M：与碰撞后动能以=g(叫+机2)V；

的比值

，

EK_网(]

EKm}+m2

0)

3.非完全弹性碰撞

以上的讨论是碰撞运动中的两种极端的现象，事实上

大部份的碰撞过程是介于二者之间的，称为非完全弹性碰

撞。一个部份弹性碰撞的过程，其接近完全弹性碰撞的程

度，是利用恢复系数e来表示的。其定义为，碰撞前的相

对速度与碰撞后的相对速度比值，即:

1）

由此定义可知完全弹性碰撞的恢复系数等于1,完全

非弹性碰撞的恢复系数等于零，非完全弹性碰撞的恢复系

数，则介于。与1之间。

四、实验步骤：

1.安装好仪器，打开送风机，调整导轨水平。

2.弹性碰撞：

1）测量并记录此二滑块的质量m和铀，记录遮光板的

长度。

2）小心将其中一个滑块静置在导轨中央，轻推另一个

滑块（速度不要太快）去撞击静止的滑块，记录二滑块碰

撞前后经过光电门时的时间：公"以和乙。

3）重复5次，并求各时间的平均值。

4）计算速度（匕=±4,当滑车向右为正，向左为负）、

及碰撞前后的动量和动能。

5）改变滑块的初速度，重复步骤4~7。

6）改变滑块质量，研究附>吗和叫<叫条件下的碰撞。

3.完全非弹性碰撞

1）将橡皮泥粘在二个滑块的碰撞面，重复2.中步骤，

进行完全非弹性碰撞实验。

思考题：

1.检查各种情况的碰撞动量和能量是否守恒。实验结

果和理论值比误差有多大？假如守恒律下成立，试说明其

理由。

2.如果滑车碰撞轨道的末端然后弹回，它应该会非常

接近原本的动量大小，但方向相反，这样的碰撞是否有动

量守恒？请说明并试举例。

3.假设在弹性碰撞实验中轨道是倾斜的，滑车是否会

遵守动量守恒？为什幺？

4.在完全弹性碰撞的实验，可利用何种方式代替缓冲

器进行实验？请说明原因。

5.在完全非弹性碰撞的实验，可利用何种方式代替双

面胶带进行实验？请说明原因。

实验09固体比热容的测量（混合法）

一、实验目的

1.掌握基本的量热方法一一混合法

2.测定金属的比热容

二、仪器和用具

量热器1个、温度计2支、物理天平1个、加热器1

个，待测物（铝块或铜块）、小量筒1个、冰块若干

三、实验原理

1.由一个温度为T,的系统I和温度为T2的系统H混

合。混合后的平衡温度为T3,如果不考虑与外界的热交换,

则低温系统（设为II）吸收的热量等于高温系统（设为I）

放出的热量，即

C/g-n）=。〃区-工）①

其中c、a为系统I和n的比热容。此为热平衡原

理。本实验根据热平衡原理用混合法测定固体的比热。

混合可以有多种方案，可根据实际条件选择。最佳方

案为：将高温的金属投入盛室温水的量热器内混合。

2.测量公式：将质量为，八温度为％的金属块投入量热

器的水中。设量热器(包括搅拌器和温度计插入水中部分)

的热容为q，其中水的质量为价，比热容为C。，待测物投入

水中之前的水温为力，在待测物投入水中后其混合温度为

在不计量热器与外界的热交换的情况下，将存在以下

关系：mC(f2-e)=(m0C0

即c^(ffl()C0+^)(^-rl)

m(t2-0)

量热器的热容g可以根据其质量和比热容算出。设量

热器内筒和搅拌器由相同的物质制成，其质量为吗，比热

容为g,温度计插入水中部分的体积为V,贝1Jq=gG+L9V,

1.9V(J•℃'1)为温度计插入水中部分的热容量，V的单

3

位是cmo

3.系统散热的修正

由于混合过程中量热器与环境有热交换，先是吸热后

是放热，致使由温度计读出的初温工和混合温度。与无热交

换时的初温度和混合温度不同，因此必须对力和。进行校

正。

实验时，从投物前5、6分钟开始测水温，每30秒测

一次，记下投物的时刻与温度，记下达到室温历的时刻，

水温达到最高点后继续测五、六分钟。用t和作图，如下

图所示。过作一竖直线MN,过作一水平线，二者交于O

点，然后描出投物前的吸热线AB,与MN交于B点，混

合后的放热线CD与MN交于C点。混合过程中的温升线

EF,分别与AB、CD交于E和F,因水温达到室温时量热

器一直在吸热，故混合过程的初温应是与B点对应的tl,

此值高于投物时记下的温度。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，

此值也高于温度计显示的最高温度。

四、实验内容：

1.将加热器加入半锅水，开始加热。

2.用物理天平称衡被测铜块的质量m,然后将其吊在

加热器中加热。加热器中的温度计要靠近待测物体。

3.称衡出量热器内筒和搅拌器的总质量mP

4.将低于室温的冷水（温度不够低时适当加点冰块降

温），倒入量热器内筒（约为其容积的2/3）,后称衡其质

量（包括搅拌器）m2，则冷水的质量为m（）=m2—ni]

开始测水温，并记时间；每隔30s测一次，接连测下

去。

5.当加热器中温度计指示值稳定不变后，测出其温度

t2,就可将被测铜块投放入量热器中。记下物体放入量热

器的时间和温度。进行搅拌并观察温度计读数，每30s测

一次，继续5分钟。

6.按图32-3绘制t—T图，求出混合前的初温L和混

合温度0O

7.将上述各测定值代入式（32-3）求出被测铜块的比

热容及其标准不确定度。

44

其中C0=4.187X10J/kg℃,Ci=0.904X10-J/kg.℃）,V

用小量筒确定。

五、实验注意事项

1.量热器中温度计位置要适中，不要使它和靠近放入

的高温物体，因为未混合好的局部温度可能高

2.冷水的初温不宜比室温低得多

3.搅拌时不要过快，以防有水溅出

4.尽量缩短投放的时间

实验10表面张力系数的测定（拉脱法）

一、实验目的：

1.用拉脱法测量室温下水的表面张力系数；

2.学习约利称的使用方法。

二、仪器和用具

约利称、金属框、烧杯、温度计、祛码、游标卡尺、

纯净水

三、实验原理：

液体的表面有如张紧的弹性薄膜，都有收缩的趋势，

所以液滴总是趋于球形,说明在液体表面内存在一种张力。

这种液体表面的张力作用，从性质上看，类似固体内部的

拉伸协强，只不过这种协强存在于极薄的表面层内，而且

不是由于弹性形变引起的，被称为表面张力。

设想在液面上作一长为I的线段，则张力的作用表现

在线段两侧液面以一定的力尸相互作用，而且力的方向恒

与线段垂直，其大小与线段长成正比，即

F=Yl

比例系数V称为液体的表面张力系数，它表示单位长

线段两侧液体的相互作用力，表面张力系数的单位为

1

N,mo

如图，在金属框P中间拉一金属细线ab,将框及细线

浸入水中后慢慢将其拉出水面,在细线下面将带起一水膜,

当水膜将被拉直时，则有

F=W+iy+Idhpg

式中b为向上的拉力，W是框和细线所受重力和浮力

之差，/为金属线的长度，d为细线的直径即水膜的厚度，

h为水膜被拉断前的高度，夕为水的密度，g为重力加速度。

/的?g为水膜的重量，由于细线的直径很小，所以这一项不

大。水膜有前后两面，所以上式中表面张力为2%,因而有

(F-W)-Idhpg

片一习一

四、实验内容：

1.测量弹簧的劲度系数左

选择劲度系数较大的弹簧，安装好仪器，调节好约利

称，使它处于良好的工作状态。

在称盘上加LOOg祛码，旋转E使弹簧上升，当G的

横线、横线的像及镜面标线三者重合时为止（以下称三线

合一），读出标尺的值L;以后每加0.50g硅码测一次3

直至加到3.5g后再逐次减下来。用分组求差法，求出劲度

系数鼠

2.测量（b一W）和h

将称盘换成金属线框，扭动E使金属框下降，直至横

线ab刚好和水面接触，读出此刻的读数，即为人。转动S

使水面上升到横丝ab处，使ab和水面刚好相平。再扭动

E,轻轻向上拉起弹簧直到水膜被破坏为止，再读出此刻

的读数即为L,则两次读数的差值，等于拉起水膜时弹簧

的伸长加上水膜的高度，即尸一W=［（L—L。）一切左，重复5

次，求出L和L（）的平均值。

用一细长金属杆代替弹簧，同上去做拉断水膜的操作,

这时的两次读数L'o和L'之差等于水膜的高度h,即h=L'

-L'oo重复测量5次，求出L'o和L'的平均值。

3.测量金属细丝ab的长度I和直径do

4.测量实验时的水温。

五、实验报告及要求：

1.计算水的表面张力系数K及标准不确定度。

2.独立完成一份实验报告。

预习要求：

1.熟悉仪器的使用

2.了解分组求差法

实验11金属线胀系数的测量

一、实验目的：

学习利用光杠杆测量金属棒的线胀系数

二、仪器和用具

线胀系数测定装置，光杠杆，尺度望远镜，温度计，

卷尺，游标卡尺，待测金属棒，蒸汽发生器

三、实验原理

固体的长度一般随温度的升高而增加，其长度I和温

度-之间的关系为

a就是通常所称的线胀系数，单位是式中/（）为温度

%=0℃时的长度。

设物体在温度4（单位为C）时的长度为/,温度升到

t2（单位为6）时，其长度增加6,根据式①，可得

I=/。（1+叫）和1+8=Z0（l+6Kt2）

由此二式相比整理后得出a=“'a②

监一幻一比

由于5和/相比甚小，他f）〉〉龙，所以式②可近似写

成

本实验是利用光杠杆测量微小长度的变化。设在温度

h时，通过望远镜和光杠杆的平面镜，看见直尺上的刻度

刚好在望远镜中叉丝横线（或交点）处，当温度升至丹

时，直尺上刻度。2移至叉丝横线上，则根据光杠杆原理可

得

§_（%一％）4（4^）

''2d2

式中刈为光杠杆镜面到直尺的距离，&为光杠杆后足

尖到二前足尖连线是垂直距离。将式④代入式③，则

a=伍2-⑤

24他一G

四、实验内容:

1.用米尺测量金属棒长I之后，将其插入线胀系数测

定仪的金属筒中，棒的下端要和基座紧密相接，上端露出

筒外。

2.安装温度计（插温度计时要小心，切勿碰撞，以防

损坏）

3.将光杠杆放在仪器平台上，其后足尖放在金属棒的

顶端上，光杠杆的镜面在铅直方向。在光杠杆前1.5〜2.0m

处放置望远镜及直尺（尺在铅直方向）。调节望远镜，看到

平面镜中直尺的像，读出叉丝横线对直尺的刻度白。

4.记下初始温度人后，给金属棒加热。当温度升至约

50c时，记下此时丝横线对直尺的刻度。21；当温度升至约

70℃时，记下此时丝横线对直尺的刻度做2；当温度升至约

90c时，记下此时丝横线对直尺的刻度。23。

5.停止加热。用适当的工具测刈、

6.计算出金属棒的线胀系数，并求出测量结果的不确

定度。

温度直尺读数。线胀系数a

t\=

h=

50℃

h—

70℃

h

90℃

线胀系数平均值

实验12良导体导热系数的测定

一、实验目的

了解热传导现象的物理过程,学习用稳态平板法测量

金属的导热系数。

二、实验仪器

TC-1型或TC-2型导热系数测定仪

三、实验原理

1882年法国科学家傅立叶建立了热传导理论。当物体

内部有温度梯度存在时,就有热量从高温处传递到低温处,

这种现象被称为热传导。傅立叶指出，在物体内部，垂直

于导热方向上，二个相距为h,面积为A,温度分别为T1,T2

的平行平面，在秒内，从一个平面传到另一个平面的热

量A。，满足下述表达式：

亚加三H

Arh

(1)

式中4是导热系数，表示物体导热能力的大小，在SI

中％的单位是WxmTxK，对于各向异性材料，各个方向的

导热系数是不同的(常用张量来表示)。

设样品为一圆盘，则通过待测样品的热流量为：

些=，・力・解・口

Azh

(2)

式中6为样品厚度，R为圆盘样品的半径，4为样品的

导热系数，Tl,T2分别为稳态时样品上下平面的温度。

四、实验内容

1.用游标卡尺测量待测样品和散热盘的直径和高度,

用天平称出散热盘的质量，各测量5次。

2.安装、调整、熟悉整个实验装置。安放加热盘和散

热盘两铜盘时，须使插入热电偶的小孔与杜瓦瓶、数字电

压表位于同一侧。调节散热盘下面的三个螺旋测微头，使

待测样品的上下表面恰与加热盘和散热盘紧密接触。热电

偶热端沾些硅油插入小孔，直至孔底，保证热电偶热端与

铜盘接触良好。热电偶冷端插入杜瓦瓶中灌少量硅油的细

玻璃管内，浸入冰水混合物中。

3.通电加热。为缩短达到稳态传热的时间，先用220V

电压加热约10〜20min左右，然后转换为110V电压加热,

每隔2min左右记录一次加热盘和散热盘的温度值（数字

电压表的读数）。加热过程中打开散热盘下面的微型轴流式

风扇，以形成一个稳定的散热环境。若连续5min内样品

上、下表面的温度保持不变（电压表读数末位数相差1〜2）,

可以认为达到稳定状态，记下此时样品上、下表面的温度

值T1和T2。

4.取出样品，使加热盘与散热盘直接接触，再加热。

当散热盘温度比稳态时的T2高出约10℃（电压表读数约

增加0.5mV）时，停止加热，并立即移去加热盘，让散热

盘开始自然冷却，并马上每隔30s记录一次散热盘的温度

值，直到电压表读数比稳态时低约0.5mV为止。

5.求冷却速率。

1）作图法：以时间为X轴温度为Y轴作出散热盘的

冷却曲线，画出经过冷却曲线上T2点的切线，其斜率即

为温度T2时散热盘的冷却速率。

2）逐差法：选取邻近温度T2前后各4组测量数据，

用逐差法求温度T2时散热盘的冷却速率。

6.求出待测样品的导热系数及其不确定度，表示实验

结果。

实验13液体粘度的测定

一、实验目的

1.观察液体的粘滞现象；

2.学习用落体法测定粘稠液体的粘度；

3.巩固使用基本测量仪器的技能。

二、仪器和用具

玻璃圆筒.（盛待测甘油），小钢球，停表，米尺，游标

卡尺，螺旋测微计，镶子，比重计，温度计

三、实验原理

直径为小密度为&的小钢球，在密度为「，粘度为〃

的液体中以速率落下，下落时小钢球将受到向上的阻力。

这种阻力是由于粘附在小球表面的液层与邻近液层之间的

内摩擦引起的，叫粘滞力。当雷诺数口=返很小，而且

n

液体在各方向上都是无限广阔时，小球受到斯托克斯公式

决定的粘滞力/=3砂以及重力：向'pog、浮力工向,pg的共同

66

作用，三力都在竖直方向上。开始时小球速率逐渐增加，

粘滞力也随着增加，当速率增加到“收尾速率”时，即达

到匀速运动时，三力平衡：

1彳

工血("0_p)g=3叼M

o

小球速率就趋于稳定。由此得到求粘度的公式：

n一业-P)gd”

〃一

本实验的装置如图所示，如果容器内径。=2氏，液体

深度h,液体不能看作无限广延，则上式应修正为零级近

似

“So-P)g/

%—dT

18v(l+2.4-)(1+1.65-)

Dh

式中夕。和g由实验室给出，实验中测出d、v、D.h,就可

以算出〃的零级近似值了。

四、实验步骤

1.将玻璃圆筒盛满待测液体。

2.用螺旋测微计测量五个同样的金属小球的直径各一

次，算出其平均值乩

3.确定小球在筒中央匀速落下的范围丽;。方法是：

在玻璃筒上、中、下三处用橡皮筋分别作出标记线N］、N2、

M，令线间距耳瓦=用网，测出球通过两段液体的时间?i

和打。若八=打，则小球在KM中作匀速运动。若［1＜攵，则

说明小球通过N1线后仍然在加速，应将M、M线下降并

保持书＞网网，试测几次直到4=打。

4.令五个小球先后在圆筒中心落下，测出球筒丽；所

用的时间（眼睛要平视标记线，避免视差），算出其平均值

to

5.测量线间距离£=丽，算出小球的收尾速率

6.测量圆筒不同位置处的直径5次，计算其平均值

7.测量液体高度人。

8.用比重测力计液体的密度?。

9.用公式计算液体粘度的零级近似值，并计算其误差。

实验14基本电路的连接和欧姆定律的验证

一、实验目的

1.学习和了解电学常用仪器的规格、性能及使用方法；

2.掌握电学实验的操作规程和误差分析；

3.学习连接电路的一般方法；

4.验证欧姆定律，测定未知电阻。

二、仪器和用具

直流稳压电源，直流毫安表，直流伏特表，电阻箱，

滑线变阻器，固定电阻器，开关，导线等

三、实验步骤

1.记录实验使用的仪器名称、型号和规格。

2.练习限流电路接法

1）按图1连接电路，电路经检查确认正确后，接通电源

开关。

2）将滑线变阻器的滑动头C自B向A慢慢滑动，观察

毫安表指示值的变化，并记录C在三个不同位置所对应的

电流值。

R（负载）=（。）

RAC（。）

I（mA）

结论

3.练习分压电路接法

1）按图2连接电路，电路经检查确认正确后，再接通电

源

2）将滑线变阻器的滑动头C自B向A慢慢滑动，观察

毫安表指示值的变化，并记录C在三个不同位置所对应的

电流值。

R（负载尸（Q）

RAC（。）0RAB。RAB

U（v）

结论

4.验证欧姆定律、测定未知电阻

1）验证欧姆定律：实验电路如图3所示。按回路I、

II、III的顺序连接电路。滑线变阻器的滑动头C移至B,

使待测电路分压最小。电阻R取某一定值。电路经检查确

认正确后，接通电源。

①调节滑线变阻器的滑动头C,改变电阻R两端的电

压U,则电流I也随着改变。由实验所得的数据，可以验

证电流I和电压U是否成比例，并以U为横坐标，I为纵

坐标，作出伏安特性曲线。若图线为一直线，即验证了欧

姆定律。

R=(Q)RA=(Q)

测量次数12345

U(V)

I(mA)

②调节滑动变阻器的滑动头C使伏特表的指示值为一

固定值，然后改变电阻R的值，同时记录与各个电阻值相

对应的电流值于下表中，由所得的数据，可以验证电流I

与电阻R是否成反比，同时也验证了欧姆定律。

U=(V)RA=(Q)

测量次数12345

R(Q)

I(mA)

值得注意的是：每改变一次电阻R的值，伏特表的指

示值也会发生变化。所以要调节滑线变阻器，以保持电压

U值不变。

2）用伏安法测未知电阻

按图3所示连接电路，电路经检查无误后，才能接入

电源。毫安表和伏特表的内阻RA和Rv由实验室给出。待

测电阻为Rx和R'x（其阻值分别为几千欧和几十欧）。按

所给的RA、RV、RX、R'x之值，恰当选择“内接法”或“外

接法”进行测量，计算Rx及R'x的修正值。

计算待测电阻Rx的误差：因Rx=U/L可根据计算公

式求出Rx的相对误差和绝对误差。

相对误差E=%=丝+生

RxUI

式中的AU二伏特表的量程*伏特表准确度等级％,A/=

毫安表的量程*毫安表准确度等级％，U和I均为实验测量

值。

绝对误差A/?x=%xE

测量结果表示Rx=Rx修土△阳

思考题：

1.使用电源（直流和交流）时应注意些什么？

2.电阻箱分为几个等级？等级的数值表示什么意义？

3.滑线变阻器在电路中有几种接法？这几种接法分别

有什么作用？使用滑线变阻器时应注意些什么？

4.电表分为几个等级？等级的数值表示什么意义？使

用电表应注意些什么？

5.试分析本实验图2所示的电路中电表的接入误差。如

何减少这种误差?

实验15用惠斯通电桥测电阻

一、实验目的

1.了解惠斯通电桥的结构及测量原理；

2.学会用惠斯通电桥测量电阻的方法，熟悉调节电桥

平衡的操作步骤。

二、仪器和用具

直观式电桥，Q123型箱式惠斯通电桥，滑线式变阻器

(0〜200Q),指针式检流计，标准电阻箱(4〜6位)，待测

电阻，电源及开关等

三、实验原理

如图1所示为惠斯通电桥的基本线路。四个电阻Rx、

Ro、R、R2组成电桥的四个臂，在两组对角线上分别连上

检流计和电源，线路BGD就是所谓的“桥”。如果各电阻

是任意选定的，桥路两端的电位一般不会相等，检流计就

有电流通过。只有在B、D两点电位相等时，即在RR。

=RXR2或尺=整4=。凡的情况下，桥路中才没有电

流，此时称电桥达成平衡。如果R（^DC=R1/R2为已知，

则待测电阻Rx可求出。

四、实验内容

1.用滑线式电桥测未知电阻

1）按图2接好线路，调保护电阻R'至最大阻值

2）把K2键置于电阻丝中央，即/1=/2=50.00cm处

3）根据待测电阻Rx的标称值，调好电阻箱Ro

4）接通电源开关K1,按下滑键K2,调R使检流计G

接近指0。此时不平衡电流变得很小，应逐渐减少R'阻值

至0,再细调R使G指针示0,以求得准确的平衡点。读

出Ri值,则1\左=%。

5）保持滑动键K2的位置不变，将Rx与R交换位置进

行测量，读出R2值，则Rx右=R2。求出二次的平均值

用=质即为待测电阻的值。

2.用自组惠斯通电桥测未知电阻

1）按图3线路自组电桥（接头必须干净、接牢），Rn

调至最大。调节检流计的零点。

2）选比率C（按Rx标称值，保证Ro读四位数字），用

Ro=RxMC确定Ro的初读数，调％到初始值。使各臂阻

值成比例，即电桥在通电前尽可能接近平衡，这样有利于

保护桥路上的电流计G,乂可快速达到平衡。

3）操作Kb、Kg,用“逐步逼近”法调节R0,直至G

指针不偏转并示零。再将Rn减小，细调R0至指针不动为

止。再用“跃接法”反复点接Kg,检查指针是否真正不动,

才可认为电桥达到平衡。

4）记下G指零时R0值及倍率©=灯尔2,算出Rxl,

将Rx和R0交换位置，用上法再测一次Rx2o计算两次测

量的平均值及=也不。估算其相对误差、绝对误差，写出

测量结果的完整表达式。

3.Q123型箱式惠斯通电桥测电阻

1）放平电桥，断开G“内接”连接片。按要求接好电

源B和检流计G连接片。调检流计指针在零刻度。

2）接入待测电阻Rx（几k。），根据Rx约值选取合适

的倍率C（尽量使Ro的第一位在1〜9之间），确定Ro初

始值（粗略值），将Ro取相应的粗略值。

3）操作开关B、G调电桥平衡：按下B（并锁住），再

跃按G,观察检流计指针偏转情况，试探电桥是否平衡。

对Ro进行细调，使电桥完全达到平衡。记下Ro及C值，

则Rx=（比较臂读数盘之和）X（比例臂读数盘示值）

4）用电阻箱代替Rx的位置（注意：上述其他参数不

变），调节电阻箱，使电桥重新平衡，则电阻箱的阻值等于

待测电阻的阻值，且不含Ri、R2、Ro不准所带来的误差，

这叫替代法。

实验16用电位差计测量电动势

一、实验目的

1.了解补偿法测电动势的原理

2.用板式电位差计测未知电动势

二、仪器和用具

板式电位差计（或学生型电位计），标准电池，待测电

池，滑线变阻器，检流计，稳压电源，待测电流表，连接

导线等

三、实验原理

要精确测量电动势，原则上可按图1所示线路进行，

图中瓦为可调的标准电压源，纥为待测电动势。调整瓦,

使检流计指零，则未知电动势为

Ex=E。

这种测量电动势的方法称为补偿法。

按上述电压补偿法原理构成的仪器，称为电位差计。

用电位差计可测量电位差或电源电动势。电位差计原理如

图2所示，它由两个回路组成。电源E,可调电阻R,电

阻&b，开关K1等组成辅助回路。电阻RCD，检流计G,

标准电池Es（或待测电动势&）,开关K等组成补偿回路。

使用电位差计时，首先要使辅助回路有一恒定的工作

电流b这个过程称为工作电流标准化。它可借助于标准

Es实现，恰当选取电阻RCD，闭合K1,把K拨向康端，

调节R,以改变辅助回路的电流。当检流计指零时，电阻

RCD=R，两端的电位差恰与外补偿回路中标准电池的电动

势相等，即氏=/0凡此时称电路达到补偿。电流。称为标

准化的电流。工作电流标准化后，紧接着把K拨向Ex端,

改变滑动触头C、D位置到C'、D、，使检流计又一次指零,

这时C\D'间电位差恰和待测电动势相等。设C\D'间

电阻为Rx，则未知电动势

EX==ES「

由上述原理可知，电位差计是通过先后两次补偿来获

得测量结果的。因此，在反复测量中，每次都要先使工作

电流标准化，再紧接着测量。

四、实验内容

1.按图3接好线路

2.调工作电流10标准化

3.测量未知电动势Ex

4.重复步骤2,3,测量三次。求出算术平均值。

实验17用模拟法测绘静电场

一、实验目的

1.了解用模拟法测绘静电场的基本原理和方法；

2.测绘同轴电缆、平行圆柱体的电场分布。

二、仪器和用具

模拟静电场装置MJ-1型或QE-2型，直流稳压电

源0—15V、0.5A,电压表0—15V,额定电流小于500uA

三、实验原理

离轴心r处的电位为q=u网叱上

BB

WA/RB）

式中RA是外半径、RB是内半径

四、实验内容

1.测量两同心圆环间的电位分布

1）安装导电纸、电极，然后按图1连接电路，UA取

15.0Vo

2）尽量在靠近两电极处描两条等位线，考察它们是否

与电极形状相同（同心圆），如果等位线形状不好，可适当

调节电极与导电纸的接触。

3）由U=3.0V开始，每隔3.0V测一条等位线（间隔大

的地方可每隔L5V或LOV测一条等位线）。记下相应的电

压表指示数。

为了明显的看出每条等位线的形状，每条等位线上的

实验点不可太少，而且应尽量均匀分布。不能直接打点时,

应列表记下每个实验点的x,y值，不可漏记。

4）记下圆环半径值。

2.测量平行圆柱体的电位分布

用同样的方法测出两根有一定距离又互相平行的圆柱

体的电位分布。测量前先考察两圆