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綜合專題試驗與設計性試驗大學物理實驗II教師繆萍.9第1頁2此次課內(nèi)容上學期試驗存在問題本學期教學安排介紹綜合專題試驗設計性試驗普通程序本學期試驗項目介紹本學期試驗成績考評第2頁3上學期試驗存在問題不及時選試驗，選上后又缺課。不預習試驗，或預習匯報沒有數(shù)據(jù)表格；個別同學抄他人數(shù)據(jù)和作業(yè)。不及時交試驗匯報。數(shù)據(jù)統(tǒng)計不規(guī)范。不注意有效數(shù)字位數(shù)要求。畫圖不規(guī)范。不會進行直接或間接測量量不確定度分析。第3頁41.選擇適當坐標分度值，確定坐標紙大小。2.標明坐標軸：用粗實線畫坐標軸，用箭頭標軸方向，標坐標軸名稱或符號、單位,再按次序標出坐標軸整分格上量值。3.標試驗點：試驗點可用“●

”、“×”、“○”等符號標出（同一坐標系下不一樣曲線用不一樣符號）。

4.連成圖線：用直尺、曲線板等把點連成直線、光滑曲線。普通不強求直線或曲線經(jīng)過每個試驗點，應使部分試驗點在圖線上，不在圖線上其它試驗點對稱分布在圖線兩側。5.標出圖線特征：在圖上空白位置標明試驗條件或從圖上得出一些參數(shù)。如利用所繪直線可給出被測電阻R大小：從所繪直線上讀取兩點A、B坐標就可求出R值。6.標出圖名：在圖線下方或空白位置寫出圖線名稱及一些必要說明。作圖要求第4頁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)由圖上A、B兩點可得被測電阻R為：電阻伏安特征曲線作者：xx伏安法測電阻完整圖第5頁6

直接測量量不確定度評定1）計算：3）計算：等精度屢次測量和4）2）計算：剔除壞值后，重復1）2）（已無壞值）5)最終止果：第6頁7直接測量量數(shù)據(jù)處理舉例1.某長度測6次,分別為29.1829.1929.2729.2529.2629.24(cm)

m=0.02cmcm計算第7頁8不確定度保留1位,且與平均值最終一位對齊。取一位取一位最終結果：第8頁9間接測量結果不確定度評定1、計算各直接量不確定度2、計算5、最終結果{3、依據(jù)求出或4、用或求出第9頁10間接測量量數(shù)據(jù)處理舉例

測得某圓柱體質量M，直徑D，高度H值以下，計算其密度及不確定度。第10頁11代入數(shù)據(jù)計算密度第11頁12計算密度取對數(shù):微分:第12頁13相對誤差第13頁14絕對誤差測量結果第14頁15或先計算合成不確定度：再計算相對不確定度：結果是一致第15頁161.課程內(nèi)容：試驗大課4課時專題試驗1個系列（包含3個試驗），分3次完成，每次4課時，共12課時。設計性試驗1個，分3次完成，每次4課時，共12課時。本學期教學安排本學期計劃課時28課時，其中講課4課時，專題試驗12課時，設計性試驗12課時。第16頁172.試驗時間表(表格中數(shù)字為周次,共分4輪，每輪3周)345789101112131415節(jié)日放假按學校調(diào)課實際安排，請關注網(wǎng)上通知。

物理試驗課程為開放式教學，在試驗室開放時間內(nèi)學生能夠自選上課時間和試驗內(nèi)容。按要求完成教學內(nèi)容。第17頁183、每七天試驗室開放時間（3-15周）：9個時段周一周二周三周四周五第1時段1:20-4:40第2時段5:30-8:50第18頁19選課網(wǎng)址：點擊：物理試驗教務系統(tǒng)第19頁20大學物理試驗教務系統(tǒng)從這里登錄選試驗從這里查看各種通知第20頁214、選課

（1）9月6日中午12：00開始網(wǎng)上選課，每輪試驗提前一周開始選，一次選擇連續(xù)三周同一個時間段。（2）網(wǎng)上選試驗時請注意：兩類試驗均需連續(xù)三周完成，不要和其它課程、活動沖突，選課后記清自己所選試驗名稱和時間段，做好預習，按時上課。錯過時間自行負責。（3）試驗選定后可在網(wǎng)上自行調(diào)整（可退、可選），但不能退兩天之內(nèi)試驗，特殊原因需持醫(yī)院證實或學院教學科簽字蓋章證實，到7308魏老師處辦理。（4）平時試驗選課問題咨詢：周三下午2:00~5:007308魏老師（5）本學期選課密碼：學號(請注意修改)第21頁22

什么是綜合專題試驗由幾個內(nèi)容相關獨立試驗組合而成系列試驗——同一個物理量用不一樣方法研究：如光源光譜；——同一個物理現(xiàn)象各種表現(xiàn)：如波衍射；——較復雜試驗分屢次進行：如超聲波原理及應用；光纖專題；——用同一個儀器研究不一樣物理現(xiàn)象：如邁克耳孫干涉儀系列試驗等等……綜合專題試驗第22頁23

為何要進行綜合專題試驗

——對綜合試驗技能訓練：在一個專題中使用各種儀器，利用各種試驗方法；

——對試驗結果進行歸納、綜合、分析能力訓練

——多角度、全方位、深入地對物理本質進行探討第23頁24三個試驗同時預習，上課時到試驗室現(xiàn)場安排做試驗次序。第一次課帶本專題三個試驗預習匯報，全部交給老師檢驗，無預習匯報不能做試驗。每次試驗完成后數(shù)據(jù)交教師簽字。最終一個試驗完成后，次周內(nèi)交三個試驗匯報及小論文（結合專題撰寫科技論文，該論文不是對試驗內(nèi)容簡單復述。論文不少于1500字，禁止剽竊！）專題試驗教學普通要求第24頁25本學期開設綜合專題試驗題目超聲波原理及其應用專題：

1）超聲波產(chǎn)生與傳輸

2）固體彈性測量

3）超聲波探測與成像基本原理電子特征專題：

1）金屬電子逸出功測定

2）用密立根油滴儀測量電子電量

3）電子在電場、磁場中運動及電子比荷測定衍射專題

1)透射光柵衍射

2)光波單縫及圓孔夫瑯禾費衍射

3)微波布拉格衍射第25頁26光源光譜專題

1）棱鏡光譜與光柵光譜

2）小型棱鏡攝譜儀測氫原子光譜

3）光柵光譜儀測光譜

邁克爾孫干涉儀專題

1）測量鈉光雙線波長差

2）白光干涉現(xiàn)象測量平板玻璃折射率

3）法布里-珀羅干涉儀測鈉雙線波長差

光纖技術專題

1）光源與光纖特征

2）光信號傳輸

3）光纖傳感器

第26頁27小論文內(nèi)容：題目背景理論試驗方法總結現(xiàn)象和結果擴展：方法、應用領域、內(nèi)容不足與提議（關于內(nèi)容、方法方面）

科技小論文形式和內(nèi)容是開放性，學生能夠從各自不一樣角度來綜合表述試驗內(nèi)容和結果，并展開討論。怎樣綜合？找共性、找差異、找聯(lián)絡第27頁28小論文格式示例（標題）×××××專業(yè)班級姓名學號（論文）摘要：關鍵詞：（正文）背景敘述結論（撰寫時間）參考文件第28頁291.光衍射發(fā)展史；2.用金屬逸出功測量儀做設計性擴展試驗；3.光纖通訊技術發(fā)展趨勢；4.光波衍射與變換光學概論；5.密立根油滴試驗過程探討；6.棱鏡折射與光柵衍射區(qū)分與聯(lián)絡；

………………..小論文第29頁30綜合專題試驗內(nèi)容介紹01超聲波測試原理(7415室)（1）超聲波產(chǎn)生與傳輸

（2）固體彈性常數(shù)測量

（3）超聲波探測

預習要求：認真閱讀試驗講義；復習示波器使用。寫出三個試驗預習匯報介紹第30頁31超聲波是頻率在2

104Hz

1012Hz聲波。

本專題簡單介紹超聲波產(chǎn)生方法、傳輸規(guī)律和測試原理，經(jīng)過對固體彈性常數(shù)測量了解超聲波在測試方面應用特點；經(jīng)過對試塊尺寸測量和人工反射體定位，了解超聲波在檢驗和探測方面應用。超聲波測試把超聲波作為一個信息載體，在很多領域發(fā)揮著不可取代獨特作用：1）探測魚群或冰山、潛艇導航或傳送信息、地形地貌測繪和地質勘探；2）檢驗固體材料內(nèi)部缺點、材料尺寸測量、物理參數(shù)測量等；3）進行人體內(nèi)部器官組織結構掃描（B超診療）和血流速度測量（彩超診療）等。第31頁32預習要求：認真閱讀試驗講義；復習分光計使用，參考測量三棱鏡最小偏向角方法學習觀察汞燈三棱鏡光譜。寫出三個試驗預習匯報介紹

02光源光譜專題（5306室）（1）棱鏡光譜與光柵光譜（2）小型棱鏡攝譜儀測氫原子光譜（3）光柵光譜儀測光譜模擬自然光光譜

氫原子可見光光譜

第32頁33

很多光源發(fā)出光是由各種不一樣顏色（波長）光組成。經(jīng)過儀器我們能夠將這些不一樣波長光分開，形成“光譜”，它能夠幫助我們了解發(fā)光物體本身許多其它物理、化學性質。

氣體原子發(fā)光起源于電子在原子內(nèi)部能級間躍遷。固體發(fā)光和固體能帶結構相關。所以對物質發(fā)光光譜研究有利于我們認識已知發(fā)光物質微觀性質。另外，不一樣元素原子有著自己特有光譜特征，經(jīng)過對光譜研究也能夠幫助我們分析物質組成成份。當代光譜技術是物理、化學、材料學、天文學、考古學等研究中不可缺乏伎倆。

本專題研究主要色散元件棱鏡和光柵色散性質，并利用小型棱鏡攝譜儀和光柵光譜儀進行光譜測量。

第33頁34

03波衍射

（1）光波單縫及圓孔夫瑯禾費衍射（7319室）

（2）透射光柵衍射試驗(7317室)

（3）微波布拉格衍射(7317室)

預習要求：

認真閱讀試驗講義，復習分光計使用，寫出三個試驗預習匯報。介紹第34頁35電磁波和物質波都是波，具有波干涉、衍射等共性。經(jīng)過對干涉、衍射現(xiàn)象研究，可以更深刻地認識電磁波和物質波本質。其次，在人們充分掌握了波動性質后，又能利用干涉、衍射現(xiàn)象做為伎倆研究、探查其他物理現(xiàn)象。本專題從光波衍射性質入手，先了解衍射一般性質，再學習各種波衍射在測試和物質結構分析方面應用。第35頁36

04光纖原理專題（7305室）

（1）光源與光纖特征（2）光信號傳輸

（3）光纖傳感器預習要求：認真閱讀試驗講義；了解相關儀器使用方法。寫出三個試驗預習匯報介紹第36頁37

光纖全稱為光導纖維，是一個導引光波波導，是一個新傳輸介質。研究光導纖維傳遞光、信息和圖像學科稱為纖維光學。用光纖來傳遞光能，含有光能損失小、數(shù)值孔徑大、分辨率高、可彎曲、結構簡單、使用方便等特點。

當前，光纖在通訊、傳感、激光治療儀、激光加工機等許多方面都取得了應用，但其最主要應用領域是光纖通訊和光纖傳感器。相對于無線電通訊來說，光纖通訊含有傳輸帶寬、通訊容量大、中繼距離遠、抗干擾能力強、無串音、輕便、材料資源豐富、成本低等優(yōu)點。

本專題從半導體激光器和光纖入手，先了解半導體激光器電光特征及光纖結構和普通性質，再學習光纖耦合、傳輸特征及在通訊和傳感領域中應用。第37頁38

05邁克耳孫干涉專題（7304室）（1）測量鈉光雙線波長差（2）白光干涉現(xiàn)象測量平板玻璃折射率（3）法布里-珀羅干涉儀測鈉雙線波長差

預習要求：認真閱讀上學期講義“邁克耳孫干涉儀”試驗；寫出三個試驗預習匯報。介紹第38頁39

邁克耳孫干涉儀是邁克耳孫依據(jù)干涉原理制成一個精密干涉儀。它設計精巧，用途廣泛，不少其它干涉儀是由此派生出來。邁克耳孫因創(chuàng)造干涉儀和在光速測量方面成就而獲諾貝爾獎。邁克耳孫和他合作者曾用這種干涉儀進行了三項著名試驗：1．邁克耳孫－莫雷試驗——“以太”漂移試驗，為愛因斯坦創(chuàng)建相對論提供了試驗依據(jù)；2．標定米尺——鎘紅線發(fā)覺，實現(xiàn)了長度單位標準化；3．推斷光譜線精細結構——由干涉條紋可見度隨光程改變規(guī)律，可推斷光譜線精細結構。邁克耳孫干涉儀用途很廣：觀察干涉現(xiàn)象，研究許多物理原因（如溫度、壓強、電場、磁場等）對光傳輸影響，測波長和測折射率等。本專題研究①邁克耳孫干涉儀在鈉燈照明下鈉雙線波長差測量；②在白光照明下白光干涉，用以測量玻璃折射率；③基于邁克耳孫干涉儀結構法布里-珀羅干涉，測量鈉雙線波長差。第39頁40

06電子專題（7307室）

（1）金屬電子逸出功測量（2）用密立根油滴儀測量電子電量（3）電子在電場、磁場中運動及電子比荷測定預習要求：

認真閱讀試驗講義；寫出三個試驗預習匯報。介紹第40頁41

本專題從認識電子基本屬性，即從測定電子電荷值入手，深入研究電子發(fā)射、電子在電場和磁場中運動情況，從而對電子特征有一個全方面認識，了解電子所包括問題廣泛性和深刻性。

1897年，英國著名物理學家約翰·湯姆遜發(fā)覺了電子。1997年美國物理學家密立根做了著名油滴試驗，測量了電子電荷、電子質量、電子荷質比，而且確定了電子電荷是電量最小單位。電子質量很小，所以它有很大荷質比。荷質比越大，電子束在電磁場中越輕易被聚焦、偏轉和加速。利用這些性能能夠制成性能優(yōu)越各種電子束器件和設備。如顯像管、攝像管、示波器、光電倍增管、高速開關等。第41頁42設計性試驗含有設計性內(nèi)容試驗。主要設計內(nèi)容包含：建立物理模型（各種）；物理模型比較（選擇一個或幾個）；確定試驗方法（由對應模型確定）；選擇儀器設備（依據(jù)設計要求）；選擇最正確參數(shù)（包含試驗測量條件）；制訂試驗步驟（包含試驗注意事項）。第42頁43

設計性試驗三種類型：

——測量型試驗：對某一物理量（如電容、折射率、靜態(tài)磁特征測量等）進行測定，到達設計要求；

——研究型試驗：用試驗確定兩物理量或多物理量之間關系（電源特征研究，超聲波應用），并對其物理原理、外界條件影響或應用價值等進行研究；

——制作型試驗：設計并組裝或制作裝置，如萬用表組裝、全息光柵制作等。第43頁44普通要求第一次為準備試驗，要求課前預先作好設計方案和參考資料列表。無設計方案不能做試驗。課內(nèi)了解所需試驗儀器性能和操作方法，進行試做，研究設計方案可行性。第二次帶修改過“可行設計方案”，進行試驗粗測。第三次精做試驗，并完成試驗數(shù)據(jù)處理，下課時當堂交設計方案和正式試驗匯報（匯報內(nèi)應包含試驗總結或體會以及提議等）。第44頁45設計性試驗普通程序：建立物理模型確定試驗方法選擇試驗儀器選擇試驗參數(shù)試驗操作處理數(shù)據(jù)撰寫試驗匯報制訂試驗步驟第45頁46一、建立物理模型

依據(jù)試驗對象物理性質，研究與試驗對象相關物理過程原理及過程中各物理量之間關系，推導數(shù)學公式。例：測量重力加速度g。

什么物理現(xiàn)象或物理過程與g相關？自由落體運動/物體在斜面上滑動/拋體運動/單擺/……第46頁47過程中物理量有什么關系以“自由落體”為例第47頁48二、模型比較SS1S2哪個方案適當？怎樣提升準確度？速度測量：測量量值預計：當S=2m，t約為0.6秒。

第48頁49斜面上滑動—自由落體變形θ優(yōu)點：增大時間值，方便測量；缺點：？全部自由落體公式均可套用：單擺模型預計

L=1m，T≈2s。限制：小擺角第49頁50三、試驗方法選擇

用什么方法、裝置實現(xiàn)物理模型，每個物理量怎么測量。

測量長度，能夠用直接測量法，電學方法（位移傳感器)、光學方法（干涉法、比長法）等。

如測時間t能夠有光電計時、火花打點計時和頻閃攝影計時詳細方法測量溫度時，能夠使用水銀溫度計、熱電偶、熱敏電阻等各種器具依據(jù)被測對象性質和特點，分析比較各種方法適用條件，可能到達試驗精度以及各種方法，實施可能性及優(yōu)缺點，最終做出選擇。第50頁51四、試驗儀器選擇與配套依據(jù)量值和準確度要求選擇儀器種類；例：測時間用什么儀表？對待測物理量值進行預計，以選擇儀表量程；按不確定度均分標準選擇儀表準確度及與之相配套各種儀器。用什么儀器，準確度與量程，誤差分配計算。第51頁52E(R)2～0.00005，E(R)～0.7%，4E(U)2~0.00005，E(U)~0.35%，選0.2級電壓表。選0.5級電橋。E（P）2~（1%）2=0.00010.00010.000050.00005舉例：測量功率。用電壓表測電壓，用電橋測電阻。要求不確定度≤1%。公式第52頁53五、測量條件與最佳參數(shù)確定

試驗方法、試驗儀器選定后，選擇有利試驗條件及參數(shù)范圍，以最大程度減小誤差。

如單擺長度測量（擺線、小球……）指針式儀表量程選擇在滿度2/3處選擇適當測量環(huán)境：溫度、濕度、氣壓、電磁場……第53頁54六、確定試驗實施方案1、依據(jù)物理模型及試驗方法，畫出對應試驗裝置圖或電路圖、光路圖；2、確定詳細試驗步驟；3、設計試驗數(shù)據(jù)表格；4、試驗儀器、設備名稱，規(guī)格，使用條件等。第54頁55七、撰寫準備匯報（設計方案）實驗題目一、試驗任務二、試驗要求三、試驗方案

1、物理模型比較與選擇

2、試驗方法比較與選擇

3、儀器選擇與配套（系統(tǒng)誤差分析）

1）誤差公式推導2）儀器選擇

4、測量條件與最正確參數(shù)確實定

1）測量條件2）最正確參數(shù)四、試驗步驟（簡略）五、試驗注意事項六、參考文件第55頁56

八、資料搜集

在設計過程中要查閱足夠參考資料：比如

大學物理、物理試驗教科書（不一樣版本）；相關測量、傳感器方面教材和專著；儀器、儀表、器件手冊；儀器說明書；國家標準、行業(yè)標準、技術規(guī)范等。第56頁57

完成試驗設計后，方可到試驗室實地考查儀器情況并進行準備性試驗。將試驗方案交給指導老師檢驗。

經(jīng)過第一次試驗檢驗設計方案是否可行，依據(jù)試驗室儀器設備情況、試驗條件，深入完善設計方案，即可進入實測。

實測普通分兩次進行：粗測、精測。粗測中依據(jù)測量數(shù)據(jù)檢驗是否滿足試驗要求，可再次調(diào)整試驗方案，最終精測，完成試驗。九、試驗操作第57頁58十、數(shù)據(jù)處理及撰寫匯報

完成設計試驗后，在試驗設計方案基礎上完成試驗匯報及以下兩項：

數(shù)據(jù)處理與分析試驗數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)計算、誤差估算、誤差分析

試驗總結包含對本試驗總結；試驗中體會、收獲；對試驗選題提議、意見等。第58頁59設計舉例測量型試驗任務：測定金屬材料楊氏模量E。要求：測量結果相對不確定度不超出5%。物理模型建立及比較：1）

外力作用下，發(fā)生形變，在彈性程度內(nèi)有

2）

圓棒狀樣品用兩條細線懸吊起來，共振時

3）

聲波在連續(xù)媒質內(nèi)傳輸，其聲速，則有

第59頁60反射鏡杠桿架ΔS導出測量公式為按均分標準，E(D)~1%,其余約為2%。鋼絲直徑：0.8mm，千分尺測量，確保E(D)~0.01/0.8=1.2％。彈性極限>200MPa,F~100N。逐差法測量，中間分段，F(xiàn)m=50N。用多個1kg砝碼累加加載。E量級2×1011Pa(N.m-2)能夠計算出ΔL/L~0.0005。取L=1m，則ΔL=0.5mm。采取模型一采取金屬絲伸長測楊氏模量E，第60頁61光杠桿放大光杠桿望遠鏡豎尺DSS0S1d2d1DLqqqq放大倍數(shù)=2d1/d2，取d1=2m，d2=80mm，放大50倍，ΔS=25mm。用米尺讀。u(ΔS)=0.5mm，E(ΔS)=2%。d1用卷尺測，E(d1)=0.005/2=0.25%<2%；

L用卷尺測，E(L