大学物理实验教案
大学物理实验教案
大学物理实验教案
作者姓名王悦
学科(教研室) 大学物理教研室
所在院系电气工程系
第一讲：误差与数据处理
本节授课时数：2学时
一、教学内容及要求
1、测量与误差
1. 了解测量的含义，理解测量的分类和测量四要素并会判断；
2. 掌握误差的分类和误差的来源并会计算误差；
3. 熟练运用直接测量偶然误差的估计公式进行误差估计；
4. 了解系统误差的处理。
2、不确定度的概念
1. 了解不确定度的分类；
2. 熟练掌握直接测量不确定度和间接测量的不确定度的计算。
3、有效数字的处理
要求熟练掌握各种运算中的有效数字位数的取舍原则。
4、数据处理
1. 了解数据图表法的优点和缺点，会熟练作图和制表，给学生强调容易忽视
的细节：比如图名，物理量的表示和单位以及描点的要求。
2. 熟练掌握用作图法求直线的斜率和截距的方法。理解如何把曲线改直。
3. 熟练使用逐差法，了解其使用的前提和优点。
4. 了解最小二乘法的由来和优点，能够熟练使用公式了解相关系数的意义。
二、教学重点与难点
重点：
1.系统误差和偶然误差的特点；
2.不确定度和置信概率的定义和其中的物理意义；
3.不确定度的分类和具体计算，有效数字的运算法则；
4.数据处理中的逐差法和最小二乘法。
难点：不确定度的传递和有效数字的运算法则。
三、教学后记
通过绪论课，不少同学应该都建立这样的思想：实验不仅仅是动手的过程，而操作后的数据是一个比较复杂和相当重要的工作。对于现在和以后的实验，不确定度的分析是占有很重要的地位。
实践部分：11个实验不同专业学生做的略有不同
实验01：基本长度的测量
本节授课时数：3学时
一、教学内容及要求
1．学习游标卡尺、螺旋测微器、读数显微镜的测量原理和使用方法。
2．掌握误差及有效数字的概念；学习直接测量量的数据处理方法。
二、教学设计
1、游标卡尺构造及读数原理
2、螺旋测微器(千分尺)
3、读数显微镜
1．首先检查螺旋测微计的零点读数，并记录下来。然后用螺旋测微器测量小钢珠直径，不同位置测量6-8次，计算体积和不确定度，并写出测量结果。
2．用游标卡尺测量空心圆柱体不同部分的外径、内径、高度，各测量6-8次。计算空心圆柱体的体积及不确定度，并写出测量结果。
3．首先将读数显微镜的叉丝调节清楚。将头发丝理直，放到读数显微镜的载物台上，使头发丝与镜筒平移方向垂直，再将发丝调节清楚。转动鼓轮，平移镜筒，测量发丝的直径，在三个不同的部位测量6次，取平均值。
三、教学重点与难点
1．掌握三种长度测量工具的正确读数方法
2．误差分析方法
四、教学后记
学生在讲解后能比较顺利进行各种测量，但是往往忘记记录零点误差。
实验02：静力称衡法测不规则固体的密度
本节授课时数：3学时
一、教学内容及要求
1. 学会物理天平的正确使用。
2. 掌握用流体静力秤法测定不规则固体的密度。
二、教学设计
静力称衡法测不规则固体的密度
方法介绍：这一方法的基本原理是阿基来德原理。物体在液体中所受的
浮力等于它所排开液体的重量。
按密度定义： m V ρ=
(1) 在不考虑空气浮力的条件下，物体在空气中重为
mg W =，它浸没在液体中的视重g m W 11=。那么，物
体受到的浮力为：
m 和1m 是该物体在空气中及完全浸没液体称量时相应的重量。又物体所受浮力等于所排液体重量，即：
式中0ρ是液体的密度，V 是排开液体的体积，亦为物体的体积。g 为重力加
速度。由式(1)，(2)，(3)可得待测固体的密度：
用这种方法测密度，避开了不易测量的不规则体积V ，转换成只须测量较易测
量的重量。一般实验时，液体常用水，0ρ为水的密度。
101
(4)m m m =-ρρ11() (2)
F W W m m g =-=-0 (3)F Vg ρ=
实验步骤：
1.按天平的调节要求，调好天平。
(1)底板的水平调节。
(2)横梁的水平调节。
。
2.测量不规则金属物体的密度
1
(1)将细绳拴好金属块放在天平左盘上，称出此时质量m。
(2)把盛有大半杯水的烧杯放在天平左边的托架上，将拴好金属块的细绳挂在天平左盘的吊钩上，调整烧杯位置，使金属块浸没在水中，称出此时质量
m（不要让所称物体接触烧杯）。
1
(3)按照（4）式计算出金属密度。
三、教学重点与难点
1．掌握什么是流体静力秤法
2．熟悉物理天平的正确使用
四、注意事项
1．物理天平在使用中应注意：
(1)启动、止动天平时动作要轻。
(2)要“常止动”．即取放物体、加减砝码、拨动游码、调节平衡螺母前及使用完毕后，必须转动制动旋钮，止动天平，使横梁静放在制动架上，这样可避免刀口受冲击而损坏，还可防止刀口离开刀口垫使横梁掉下，只有在判断天平是否平衡时才启动天平。天平启动或止动时，旋转制动旋钮动作要轻。
(3)加减砝码必须使用镊子，严禁用手，从秤盘中取下砝码后，应立即放入砝码盒，以免丢失或弄脏。
(4)每台天平的左右秤盘、秤盘挂钩等部件，不能左右调换，更不能与其他天平上的部件互换。
2．用流体静力称衡法测物体块密度时应注意：
(1)在空气中称量物体块质量时，要使物体块保持洁净、干燥。
(2)用细绳拴住物体块时，最好为活套，这样可方便调整物体块与重物的间距，以利于后面的称衡。
实验03：速度与加速度的测量
本节授课时数：2学时
一、教学内容及要求
1．学习使用气垫导轨的存储式数字毫秒计。
2．观察匀速直线运动，测量滑块运动速度。
3．观察匀加速运动，测量滑块的加速度。
二、教学设计
1. 测量滑块运动的瞬时速度v
物体做直线运动时，其瞬时速度定义为：
0lim t
S dS v t dt ???→?==? 根据这个定义瞬时速度实际上是不可能测量的。因为当t ?→0时，同时有S ?→
0，测量上有具体困难。我们只能取很小的t ?及相应的S ?，用其平均速度来代
替瞬时速度v ，即：
S v t
?=? 尽管这样用平均速度代替瞬时速度会产生一定的误差，但只要物体运动速度较
大而加速度很小，这种误差不会太大。
2. 测量滑块运动的加速度a
如图所示，如果将气垫导轨一段垫高，形成斜面，滑块下滑时将做匀变速直线
运动，有三个基本运动公式：
1010()v v a t t -=-
2210102()v v a S S -=-
210010101()()2
S S v t t a t t -=-+-
式中0S 和1S 以及0v 和1v 分别为0t 和1t 时刻滑块的位置坐标和相应的瞬时速度。
在实验中使用的毫秒计只能从0t =0开始计时，所以运动方程变为：
10v v at -=
2210102()2v v a S S a S -=-=?
2012
S v t at ?=+ 此时t 为滑块从0S 处到1S 处的运动时间，0S S S =-为两光电门之间的距离。
而加速度的理论值为： 0sin a g θ=
这里θ为导轨的倾斜角，由图可得：
0h a g L
= 实验时，使滑块由导轨的上端静止自由下滑，即可测得不同位置处各自的相
应的速度与加速度值。
三、教学重点与难点
1．掌握如何通过控制光电门位置测量加速度和速度
2．熟悉气垫导轨的结构和正确使用方法
四、注意事项
1. 气垫导轨是较精密的设备，严禁碰撞、磨损导轨表面，没通气的情况下，
不能在导轨上推动滑块。
2. 实验时，要特别注意，不要使滑块、遮光片碰坏光电门，应先用手试推
滑块，看是否与光电门相撞，调好后方进行试验。
3. 滑块的内表面光洁度高，应严防划伤碰坏，滑块运动速度不应太大，以
免与气垫导轨两端碰撞而跌落使之受损。装取遮光片或砝码，应将滑块从气垫
导轨上取下操作，待固定好再把滑块放到导轨上。
4. 实验前应仔细检查导轨表面上每一个小孔是否畅通无阻，如果发现堵
塞，应先用细针仔细清通。
5. 试验中不需要通气时应关闭气源，以免使用时间过长而烧坏电机。若送
气时听见气源电机有异常声响，应立即关闭气源。
实验04：扭摆法测定物体转动惯量
本节授课时数：3学时
一、教学内容及要求
1．会用扭摆法测定几种不同形状物体的转动惯量的方法，并与理论值比较。
2．测定刚体转动惯量与质量分布的关系，验证刚体转动惯量的平行轴定理。
二、教学设计
转动惯量的测量，一般都是使刚体以一定形式运动，通过表征这种运动特
征的物理量，与转动惯量的关系，进行转换测量。本实验使物体作扭转摆动，
由于摆动周期及其它参数的测定计算出物体的转动惯量。
扭摆的构造如图所示，在垂直轴1上装有一根薄片状的螺旋弹簧2，用以产
生恢复力矩。在轴的上方可以装上各种待测物体。垂直轴与支座间装有轴承，
以降低摩擦力矩，3为水平仪，用来调整系统平衡。
将物体在水平面内转过一角度θ后，在弹簧的恢复力矩作用下，物体就开
始绕垂直轴作往返扭转运动。根据胡克定律，弹簧受扭转而产生的恢复力矩M
与所转过的角度θ成正比，即：
M k θ=- （1）
式中，k 为弹簧的扭转常数。根据转动定律
M J α=
式中，J 为物体绕转轴的转动惯量，α为角加速度，
由上式得
M J α= （2） 令2k J
ω=，且忽略轴承的摩擦阻力矩，由式（1）、（2）得： 222d k dt J
θαθωθ==-=- 上述方程表示扭摆运动具有角简谐振动的特性，角加速与角位移成正比，且方
向相反，此方程的解为： )cos(φωθ+=t A
1－垂直轴，2－蜗簧，3－水平仪
式中，A 为谐振动的角振幅，φ为初相位角，ω为角速度。此谐振动的周期为：
22T ππω
=
= （3） 由（3）式可知
2
24kT J π= （4） 只要实验测得物体扭摆的摆动周期，并在J 和k 中任何一个量已知时即可计算
出另一个量。
本实验利用公式法先测得圆柱体的转动惯量，再用扭摆测出载物盘的摆动周
期T 0，再把圆柱体放到载物盘上，测出此时的摆动周期T 1，分别代入（4）式，
整理得： 2022
104J k T T π=- （5） 其中J 0为圆柱体的转动惯量。
三、教学重点与难点
1．掌握规则物体转动惯量的测量方法
2．熟悉扭摆的构造、使用方法，以及转动惯量测试仪的使用方法
四、注意事项
1．弹簧的扭转常数k 值不是固定常数，它与摆动角度略有关系，摆角
90°左右基本相同，在小角度时变小。为了降低实验时由于摆动角度
变化过大 带来的系统误差，在测定各种物体的摆动周期时，摆角不宜
过小，摆幅也不宜变化过大；
2．光电探头应酬放置在挡光杆平衡位置处，挡光杆不能和它相接触，以
免增大摩擦力矩；
3．机座应保持水平状态；
4．在安装待测物体时，其支架必须全部套入扭摆主轴，并将止动螺丝
旋紧，否则扭摆不能正常工作；
5．在称金属细杆与木球的质量时，必须将支架取下否则会带来极大误
差。
实验05：空气比热容比的测定
本节授课时数：2学时
一、教学内容及要求
1．学习一种测量空气比热容比的方法。
2．通过对空气比热容比的测定,加深对热力学过程中状态变化的理解。
二、教学设计
一般地说，同种物质可以有不同的比热容，不仅物质的比热容与其温度有强烈的依赖关系，而且还取决于外界对物质本身所施加的约束。当压力恒定时可得物质的定压比热容Cp，体积一定时可得物质的定容比热容Cv。二者都是热力学过程中的重要参量，因此又称它们为主比热容。Cp及Cv一般是温度的函数，但当实际过程所涉及的温度范围不大时，二者均近似地视为常数。对于理想气体，二者之间满足如下关系：Cp-Cv=R。由上式立即可以得出一个热力学中的重要物理量比热容比: r
r=Cp/ Cv
对于上图满足泊松公式：
γγ
2011V P V P = (1)
而状态III 与状态I 是等温的，所以，玻意耳定
律成立，即：
2311V P V P =
(2)
由(1)及(2)式消去V 1、V 2可解得：
()()1
31
0log log log log P P P P --=γ (3)
可见，只要测得测量0P ，1P ，3
P 的值可测量出空气的比热容γ
如果用⊿1P ，⊿3P 分别表示1P ，3P 与大气压强0
P 的差值时，则有：
1P =0P +⊿1P ；3P =0P +⊿3
P (4)
将(4)式代入(3)式，并考虑到0P 〉〉⊿1P ，0P 〉〉⊿3
P ，则：
11110000
ln ln ln ln(1)P P P P P P P P ??-==+≈
及131030ln ln (ln ln )(ln ln )P P P P P P -=---
1
3130000ln(1)ln(1)P P P P P P P P ????=+-+≈-
所以： 113()P P P ?γ??=-
(5)
同样，只要用压力计测得实验过程中1P ，3
P 时与0P 的压力差⊿1P ，⊿3
P ，即可通过(5)式求出比热容比γ。
三、教学重点与难点
1．比热容比物理意义
2．熟悉用绝热膨胀法测定空气的比热容比的方法
四、注意事项
1．向容器内压入空气时，压强差值不超过15kpa;
2．实验过程中打开出气阀放气时，当听到放气声将结束时应迅速关闭出
气阀，提早或推迟关闭出气阀，都将影响实验要求，引入误差。
3．由于数字电压表有滞后显示，如用计算机实时测量，发现此放气时间
约零点几秒，并与放气声产生消失一致，而且关闭也需要零点几秒的时间，所
以关闭出气阀用听声更可靠些；
4．实验要求环境温度基本不变、如发生环境温度不断下降情况，可在远
离实验仪适当加温，以保证实验正常进行。
实验06：热电偶的温差特性研究
本节授课时数：3学时
一、教学内容及要求
1. 了解电位差计的工作原理及使用方法
2. 了解热电偶的工作原理
3. 用电位差计测量铜—康铜的热电偶温差系数
二、教学设计
1、热电偶的温差电动势
1821年德国物理学家塞贝克（T J Seeback）发现：当两种不同金属导线组成闭合回路时，若在两接头维持一温差，回路就有电流和电动势产生，后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势，上述回路称为热电偶。温差电
热电偶的温差电动势
动势的大小除了和组成的热电偶材料有关外，还决定于两接点的的温度差。如上图所示，将一端的温度T0固定(称为冷端，实验中为室温)，另一端的温度T 改变(称为热端)，温差电动势亦随之改变。
电动势和温差的关系较复杂，其第一级近似式为:
ε=α(T–T0)
式中α称为热电偶的温差系数，其大小取决于组成热电偶的材料。
2、电位差计工作原理
电位差计是利用电压补偿原理而设计的电压测量工具。通常使用电压表测量电源电动势，其实测量结果是端电压，不是电动势。
怎样才能使电源内部没有电流通过而又能测定电源的电动势呢？在下图
所示
电位差计的补偿原理
的电路中，Ex是待测电源，E0是电动势可调的电源，Ex与E0通过检流计并联在一起。当调节E0的大小至检流计指针不偏转，即电路中没有电流时，两个电源在回路中互为补偿，它们的电动势大小相等，方向相反，即Ex＝- E0，电路达到平衡。若已知平衡状态下E0的大小，就可以确定Ex的值。这种测定电源电动势的方法，叫做补偿法。
三、教学重点与难点
1. 了解电位差计的工作原理及使用方法
2. 了解热电偶的工作原理
3. 用电位差计测量铜—康铜的热电偶温差系数
4. 读懂如何运用补偿法的电路图。
四、注意事项
1．所有的接线必须接好不能出现虚接，标准电池和电势差计的工作电源以
及温差电动势的正负极不能接反。
2．每测一组数据后，都应再次校准电势差计，实验时应注意提醒和检查。
3. 热电偶与毫伏表相连接的两端上的绝缘漆一定要用砂布打磨干净，且两
端要与毫伏表接触良好。
4. 测量结束后，倍率开关应处在断开位置，避免不必要的电能消耗。
实验07：电表的改装及校准实验
本节授课时数：2学时
一、教学内容及要求
1．掌握将电流计改装成各种量程的电流表、电压表的原理和方法。
2．学会用比较法校准电表。
3．了解欧姆表的测量原理和定标方法。
二、教学设计
1. 电流计可以改装成毫安表或电流表
电流计G 只能测量很小的电流，为了旷达电流计的量程，可以选择一个合
适的分流电阻s R 与电流计并联，允许比电流计量程g I 大的电流通过由电流计和
与电流计并联的分流电阻所组成的毫安表或电流表，这就改装成为一只毫安表
或电流表，这时电表面板上指针的指示值就要按好哪表火电流表的满量程设计
来读取数据。
若测出电流计G 的内阻g R ，则根据上图就可以算出将此电流计改装成量程为I
的毫安表所需的分流电阻s R
由于电流计与s R 并联，则设为临界状态时，则有：
()g g g s I R I I R =-
()g
s g g I R R I I =-
由上式可见，电流量程I 扩展越大，分流电阻阻值s R 越小。取不同的s R 值，
可以制成多量程的电流表。
2. 电流计也可以改装成电压表，由于电流计量程g I 很小，其内阻g R 也较小，
所以只允许加很小的电位差，为了扩大其测量点位差的量程，可以让其与一个
高电阻s R 串联，这时两端的电位差大部分分配在s R 上，而家在电流计上的小部
分电压只与所加电位差U 成正比。只需选择合适的s R 与电流计串联作为分压电
阻，允许比原来g g I R 大的电压加到由电流计和与电流计串联的分压电阻所组成
的电压表上，这就改装成为一只电压表，这时电流计面板上指针的指示值就要
按电压表的满量程设计来读取读数。
如果改装后的电压表量程为V ，则根据上图就可以算出将此电流计改装成量
程为V 的电压表所需的分压电阻s R 。
当处于临界条件时：
()g g s V I R R =+
s g g
V R R I =- 由上式可见，电压表量程V 扩展越大，分压电阻阻值s R 越大。取不同的s
R 值，可以制成多量程的电压表。
三、教学重点与难点
1. 了解替代法测量电流计内阻的方法。
2. 掌握将电流计改装成电压表和电流表的基本原理和方法。
3. 学习绘制校准曲线。
四、教学后记
部分学生的绘制的曲线不合理，部分同学在报告中没有给出实验结论
实验08：电阻元件的伏安特性
本节授课时数：2学时
一、教学内容及要求
1．学会识别常用电路元件的方法。
2．掌握线性电阻，非线性电阻元件伏安特性的逐点测试法。
3．掌握实验装置上直流电工仪表的设备的使用方法。
二、教学设计
电阻是导体材料的重要特性，在电学实验中经常要对电阻进行测量。测量电阻的方法有多种，伏安法是常用的基本方法之一。所谓伏安法，就是运用欧姆定律，测出电阻两端的电压和其上通过的电流，根据：
U
R=
I
即可求得阻值R。也可运用作图法，作出伏安特性曲线，从曲线上求得电阻的阻值。对有些电阻，其伏安特性曲线为直线，成为线性电阻，如常用的碳膜电阻、线绕电阻、金属膜电阻等。另外，有些元件，伏安特性曲线为曲线，称为非线性电阻元件，如灯泡、晶体二极管、稳压管、热敏电阻等。非线性电阻元件的阻值是不确定的，只有通过作图法才能反映它的特性。
用伏安法测电阻，原理简单，测量方便，但由于电表内阻介入的影响，给
测量带来一定系统误差。在电流表内接法中，由于电压表测出的电压值U 包括
了电流表两端的电压，因此，测量值要大于被测电阻的实际值。由
1x mA
mA x mA x x x x U U R U R R R R I I R ??+===+=+ ??
? 可见，由于电流表内阻不可忽略，故产生一定的误差。
在电流表外接法中，由于电流表测出的电流I 包括的流过电压表的电流，因
此，测量值要小于实际值。由：
1111x x x V x x V V U R U R I I I R R R R ====+??++ ???
可见，由于电压表内阻不是无穷大，故给测量带来一定的误差。
上述两种联结电路的方法，都给测量带来一定的系统误差，即测量方法误差。
为此，必须对测量结果进行修正。其修正值为：
x x R R R ?=- 其中R 为测量值，x R 为实际值。
为了减小上述误差，必须根据待测阻值的大小和电表内阻的不同，正确选择测
量电路。当
x mA R R >>且x V R R >时，选择电流表内接法。
x V R R << 且x mA R R >时，选择电流表外接法。