實驗教案設計實驗第一頁，共六十八頁，2022年，8月28日2本次課內容上學期實驗存在的問題本學期的教學安排介紹綜合專題實驗設計性實驗的一般程序本學期實驗項目簡介本學期實驗成績考核第二頁，共六十八頁，2022年，8月28日3上學期實驗存在的問題不及時選實驗，選上后又缺課。不預習實驗，或預習報告沒有數據表格；個別同學抄別人的數據和作業。不及時交實驗報告。數據記錄不規范。不注意有效數字位數要求。畫圖不規范。不會進行直接或間接測量量的不確定度分析。第三頁，共六十八頁，2022年，8月28日41.選擇合適的坐標分度值，確定坐標紙的大小。2.標明坐標軸：用粗實線畫坐標軸，用箭頭標軸方向，標坐標軸的名稱或符號、單位,再按順序標出坐標軸整分格上的量值。3.標實驗點：實驗點可用“●

”、“×”、“○”等符號標出（同一坐標系下不同曲線用不同的符號）。

4.連成圖線：用直尺、曲線板等把點連成直線、光滑曲線。一般不強求直線或曲線通過每個實驗點，應使部分實驗點在圖線上，不在圖線上的其它實驗點對稱的分布在圖線兩側。5.標出圖線特征：在圖上空白位置標明實驗條件或從圖上得出的某些參數。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的坐標就可求出R值。6.標出圖名：在圖線下方或空白位置寫出圖線的名稱及某些必要的說明。作圖要求第四頁，共六十八頁，2022年，8月28日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：電阻伏安特性曲線作者：xx伏安法測電阻完整圖第五頁，共六十八頁，2022年，8月28日6

直接測量量不確定度的評定1）計算：3）計算：等精度多次測量和4）2）計算：剔除壞值后，重復1）2）（已無壞值）5)最終結果：第六頁，共六十八頁，2022年，8月28日7直接測量量數據處理舉例1.某長度測6次,分別為29.1829.1929.2729.2529.2629.24(cm)m=0.02cmcm計算第七頁，共六十八頁，2022年，8月28日8不確定度保留1位,且與平均值的最后一位對齊。取一位取一位最后結果：第八頁，共六十八頁，2022年，8月28日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、最后結果{3、根據求出或4、用或求出第九頁，共六十八頁，2022年，8月28日10間接測量量數據處理舉例

測得某圓柱體質量M，直徑D，高度H值如下，計算其密度及不確定度。第十頁，共六十八頁，2022年，8月28日11代入數據計算密度第十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日12計算密度取對數:微分:第十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日13相對誤差第十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日14絕對誤差測量結果第十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日15或先計算合成不確定度：再計算相對不確定度：結果是一致的第十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日161.課程內容：實驗大課4學時專題實驗1個系列（包括3個實驗），分3次完成，每次4學時，共12學時。設計性實驗1個，分3次完成，每次4學時，共12學時。本學期教學安排本學期計劃學時28學時，其中講課4學時，專題實驗12學時，設計性實驗12學時。第十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日172.實驗時間表(表格中數字為周次,共分4輪，每輪3周)345789101112131415節日放假按學校調課實際安排，請關注網上通知。

物理實驗課程為開放式教學，在實驗室開放的時間內學生可以自選上課時間和實驗內容。按要求完成教學內容。第十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日183、每周實驗室開放時間（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第十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日19選課網址：點擊：物理實驗教務系統第十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日20大學物理實驗教務系統從這里登錄選實驗從這里查看各種通知第二十頁，共六十八頁，2022年，8月28日214、選課

（1）9月6日中午12：00開始網上選課，每輪實驗提前一周開始選，一次選擇連續三周的同一個時間段。（2）網上選實驗時請注意：兩類實驗均需連續三周完成，不要和其他課程、活動沖突，選課后記清自己所選的實驗名稱和時間段，做好預習，按時上課。錯過時間自行負責。（3）實驗選定后可在網上自行調整（可退、可選），但不能退兩天之內的實驗，特殊原因需持醫院證明或學院教學科簽字蓋章的證明，到7308魏老師處辦理。（4）平時實驗選課問題咨詢：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)第二十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日22

什么是綜合專題實驗由幾個內容相關的獨立實驗組合而成的系列實驗——同一個物理量用不同的方法研究：如光源光譜；——同一個物理現象的各種表現：如波的衍射；——較復雜的實驗分多次進行：如超聲波原理及應用；光纖專題；——用同一個儀器研究不同的物理現象：如邁克耳孫干涉儀系列實驗等等……綜合專題實驗第二十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日23

為什么要進行綜合專題實驗

——對綜合實驗技能的訓練：在一個專題中使用多種儀器，運用多種實驗方法；

——對實驗結果進行歸納、綜合、分析能力的訓練

——多角度、全方位、深入地對物理本質進行探討第二十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日24三個實驗同時預習，上課時到實驗室現場安排做實驗的順序。第一次課帶本專題三個實驗的預習報告，全部交給老師檢查，無預習報告不能做實驗。每次實驗完成后數據交教師簽字。最后一個實驗完成后，次周內交三個實驗報告及小論文（結合專題撰寫科技論文，該論文不是對實驗內容的簡單復述。論文不少于1500字，嚴禁抄襲！）專題實驗教學一般要求第二十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日25本學期開設的綜合專題實驗題目超聲波原理及其應用專題：

1）超聲波的產生與傳播

2）固體彈性的測量

3）超聲波探測與成像基本原理電子特性專題：

1）金屬電子逸出功的測定

2）用密立根油滴儀測量電子電量

3）電子在電場、磁場中的運動及電子比荷的測定衍射專題

1)透射光柵衍射

2)光波的單縫及圓孔夫瑯禾費衍射

3)微波布拉格衍射第二十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日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）測量鈉光的雙線波長差

2）白光干涉現象測量平板玻璃的折射率

3）法布里-珀羅干涉儀測鈉雙線波長差

光纖技術專題

1）光源與光纖特性

2）光信號傳輸

3）光纖傳感器

第二十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日27小論文內容：題目背景理論實驗方法總結現象和結果擴展：方法、應用領域、內容不足與建議（關于內容、方法方面）

科技小論文的形式和內容是開放性的，學生可以從各自不同的角度來綜合表述實驗的內容和結果，并展開討論。怎樣綜合？找共性、找差異、找聯系第二十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日28小論文格式示例（標題）×××××專業班級姓名學號（論文）摘要：關鍵詞：（正文）背景論述結論（撰寫時間）參考文獻第二十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日291.光的衍射發展史；2.用金屬逸出功測量儀做設計性擴展實驗；3.光纖通訊技術的發展趨勢；4.光波衍射與變換光學概論；5.密立根油滴實驗過程的探討；6.棱鏡折射與光柵衍射的區別與聯系；

………………..小論文第二十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日30綜合專題實驗內容介紹01超聲波測試原理(7415室)（1）超聲波的產生與傳播

（2）固體彈性常數的測量

（3）超聲波探測

預習要求：認真閱讀實驗講義；復習示波器的使用。寫出三個實驗的預習報告介紹第三十頁，共六十八頁，2022年，8月28日31超聲波是頻率在2104Hz1012Hz的聲波。

本專題簡單介紹超聲波的產生方法、傳播規律和測試原理，通過對固體彈性常數的測量了解超聲波在測試方面應用的特點；通過對試塊尺寸的測量和人工反射體定位，了解超聲波在檢驗和探測方面的應用。超聲波測試把超聲波作為一種信息載體，在很多領域發揮著不可取代的獨特作用：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）檢驗固體材料內部的缺陷、材料尺寸測量、物理參數測量等；3）進行人體內部器官的組織結構掃描（B超診斷）和血流速度的測量（彩超診斷）等。第三十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日32預習要求：認真閱讀實驗講義；復習分光計的使用，參考測量三棱鏡最小偏向角的方法學習觀察汞燈的三棱鏡光譜。寫出三個實驗的預習報告介紹

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的自然光光譜

氫原子的可見光光譜

第三十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日33

很多光源發出的光是由多種不同顏色（波長）的光組成的。通過儀器我們可以將這些不同波長的光分開，形成“光譜”，它可以幫助我們了解發光物體本身的許多其他物理、化學性質。

氣體原子發光來源于電子在原子內部能級間的躍遷。固體發光和固體的能帶結構有關。所以對物質發光光譜的研究有助于我們認識已知發光物質的微觀性質。另外，不同元素的原子有著自己特有的光譜特征，通過對光譜研究也可以幫助我們分析物質的組成成分。現代光譜技術是物理、化學、材料學、天文學、考古學等研究中不可缺少的手段。

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

第三十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日34

03波的衍射

（1）光波的單縫及圓孔夫瑯禾費衍射（7319室）

（2）透射光柵衍射實驗(7317室)

（3）微波布拉格衍射(7317室)

預習要求：

認真閱讀實驗講義，復習分光計的使用，寫出三個實驗的預習報告。介紹第三十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日35

電磁波和物質波都是波，具有波的干涉、衍射等共性。通過對干涉、衍射現象的研究，可以更深刻地認識電磁波和物質波的本質。另一方面，在人們充分掌握了波動性質后，又能利用干涉、衍射現象做為手段研究、探查其他物理現象。

本專題從光波的衍射性質入手，先了解衍射的一般性質，再學習各種波的衍射在測試和物質結構分析方面的應用。第三十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日36

04光纖原理專題（7305室）

（1）光源與光纖特性（2）光信號傳輸

（3）光纖傳感器預習要求：認真閱讀實驗講義；了解相關儀器的使用方法。寫出三個實驗的預習報告介紹第三十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日37

光纖全稱為光導纖維，是一種導引光波的波導，是一種新的傳輸介質。研究光導纖維傳遞光、信息和圖像的學科稱為纖維光學。用光纖來傳遞光能，具有光能損失小、數值孔徑大、分辨率高、可彎曲、結構簡單、使用方便等特點。

目前，光纖在通訊、傳感、激光治療儀、激光加工機等許多方面都獲得了應用，但其最主要的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，光纖通訊具有傳輸帶寬、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的電光特性及光纖的結構和一般性質，再學習光纖的耦合、傳輸特性及在通訊和傳感領域中的應用。第三十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日38

05邁克耳孫干涉專題（7304室）（1）測量鈉光的雙線波長差（2）白光干涉現象測量平板玻璃的折射率（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”實驗；寫出三個實驗的預習報告。介紹第三十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日39

邁克耳孫干涉儀是邁克耳孫根據干涉原理制成的一種精密干涉儀。它的設計精巧，用途廣泛，不少其它干涉儀是由此派生出來的。邁克耳孫因發明干涉儀和在光速測量方面的成就而獲諾貝爾獎。邁克耳孫和他的合作者曾用這種干涉儀進行了三項著名的實驗：1．邁克耳孫－莫雷實驗——“以太”漂移實驗，為愛因斯坦創立相對論提供了實驗依據；2．標定米尺——鎘紅線的發現，實現了長度單位的標準化；3．推斷光譜線精細結構——由干涉條紋可見度隨光程變化的規律，可推斷光譜線的精細結構。邁克耳孫干涉儀用途很廣：觀察干涉現象，研究許多物理因素（如溫度、壓強、電場、磁場等）對光傳播的影響，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的測量；②在白光照明下的白光干涉，用以測量玻璃折射率；③基于邁克耳孫干涉儀結構的法布里-珀羅干涉，測量鈉雙線波長差。第三十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日40

06電子專題（7307室）

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

認真閱讀實驗講義；寫出三個實驗的預習報告。介紹第四十頁，共六十八頁，2022年，8月28日41

本專題從認識電子的基本屬性，即從測定電子的電荷值入手，進一步研究電子的發射、電子在電場和磁場中的運動情況，從而對電子的特性有一個全面的認識，理解電子所涉及問題的廣泛性和深刻性。

1897年，英國著名物理學家約翰·湯姆遜發現了電子。1997年美國物理學家密立根做了著名的油滴實驗，測量了電子電荷、電子的質量、電子的荷質比，而且確定了電子電荷是電量的最小單位。電子質量很小，因此它有很大荷質比。荷質比越大，電子束在電磁場中越容易被聚焦、偏轉和加速。利用這些性能可以制成性能優越的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。第四十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日42設計性實驗具有設計性內容的實驗。主要設計內容包括：建立物理模型（多種）；物理模型比較（選擇一種或幾種）；確定實驗方法（由相應的模型確定）；選擇儀器設備（根據設計要求）；選擇最佳參數（包括實驗測量條件）；制定實驗步驟（包括實驗注意事項）。第四十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日43

設計性實驗的三種類型：

——測量型實驗：對某一物理量（如電容、折射率、靜態磁特性的測量等）進行測定，達到設計要求；

——研究型實驗：用實驗確定兩物理量或多物理量之間的關系（電源特性研究，超聲波的應用），并對其物理原理、外界條件的影響或應用價值等進行研究；

——制作型實驗：設計并組裝或制作裝置，如萬用表的組裝、全息光柵制作等。第四十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日44一般要求第一次為準備實驗，要求課前預先作好設計方案和參考資料列表。無設計方案不能做實驗。課內了解所需實驗儀器性能和操作方法，進行試做，研究設計方案的可行性。第二次帶修改過的“可行的設計方案”，進行實驗粗測。第三次精做實驗，并完成實驗數據處理，下課時當堂交設計方案和正式實驗報告（報告內應包括實驗總結或體會以及建議等）。第四十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日45設計性實驗的一般程序：建立物理模型確定實驗方法選擇實驗儀器選擇實驗參數實驗操作處理數據撰寫實驗報告制定實驗步驟第四十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日46一、建立物理模型

根據實驗對象的物理性質，研究與實驗對象相關的物理過程原理及過程中各物理量之間的關系，推導數學公式。例：測量重力加速度g。

什么物理現象或物理過程與g有關？自由落體運動/物體在斜面上的滑動/拋體運動/單擺/……第四十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日47過程中的物理量有什么關系以“自由落體”為例第四十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日48二、模型比較SS1S2哪個方案合適？如何提高準確度？速度測量：測量量值估計：當S=2m，t約為0.6秒。

第四十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日49斜面上的滑動—自由落體的變形θ優點：增大時間值，方便測量；缺點：？所有自由落體公式均可套用：單擺模型估計

L=1m，T≈2s。限制：小擺角第四十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日50三、實驗方法的選擇

用什么方法、裝置實現物理模型，每個物理量怎么測量。

測量長度，可以用直接測量法，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可以有光電計時、火花打點計時和頻閃照相計時的具體方法測量溫度時，可以使用水銀溫度計、熱電偶、熱敏電阻等多種器具根據被測對象的性質和特點，分析比較各種方法的適用條件，可能達到的實驗精度以及各種方法，實施的可能性及優缺點，最后做出選擇。第五十頁，共六十八頁，2022年，8月28日51四、實驗儀器的選擇與配套根據量值和準確度要求選擇儀器種類；例：測時間用什么儀表？對待測物理量的值進行估計，以選擇儀表量程；按不確定度均分原則選擇儀表的準確度及與之相配套的各種儀器。用什么儀器，準確度與量程，誤差分配計算。第五十一頁，共六十八頁，2022年，8月28日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%。公式第五十二頁，共六十八頁，2022年，8月28日53五、測量條件與最佳參數的確定

實驗方法、實驗儀器選定后，選擇有利的實驗條件及參數范圍，以最大限度的減小誤差。

如單擺長度的測量（擺線、小球……）指針式儀表量程選擇在滿度的2/3處選擇合適的測量環境：溫度、濕度、氣壓、電磁場……第五十三頁，共六十八頁，2022年，8月28日54六、擬定實驗實施方案1、根據物理模型及實驗方法，畫出相應的實驗裝置圖或電路圖、光路圖；2、擬定詳細的實驗步驟；3、設計實驗數據表格；4、實驗儀器、設備的名稱，規格，使用條件等。第五十四頁，共六十八頁，2022年，8月28日55七、撰寫準備報告（設計方案）實驗題目一、實驗任務二、實驗要求三、實驗方案

1、物理模型的比較與選擇

2、實驗方法的比較與選擇

3、儀器的選擇與配套（系統誤差分析）

1）誤差公式的推導2）儀器的選擇

4、測量條件與最佳參數的確定

1）測量條件2）最佳參數四、實驗步驟（簡略）五、實驗注意事項六、參考文獻第五十五頁，共六十八頁，2022年，8月28日56

八、資料搜集

在設計過程中要查閱足夠的參考資料：例如

大學物理、物理實驗教科書（不同版本）；有關測量、傳感器方面的教材和專著；儀器、儀表、器件手冊；儀器說明書；國家標準、行業標準、技術規范等。第五十六頁，共六十八頁，2022年，8月28日57

完成實驗設計后，方可到實驗室實地考查儀器情況并進行準備性實驗。將實驗方案交給指導老師檢查。

通過第一次實驗檢查設計方案是否可行，根據實驗室儀器設備情況、實驗條件，進一步完善設計方案，即可進入實測。

實測一般分兩次進行：粗測、精測。粗測中根據測量數據檢查是否滿足實驗要求，可再次調整實驗方案，最后精測，完成實驗。九、實驗操作第五十七頁，共六十八頁，2022年，8月28日58十、數據處理及撰寫報告

完成設計實驗后，在實驗設計方案的基礎上完成實驗報告及以下兩項：

數據處理與分析實驗數據整理、數據計算、誤差估算、誤差分析

實驗總結包括對本實驗的總結；實驗中的體會、收獲；對實驗選題的建議、意見等。第五十八頁，共六十八頁，2022年，8月28日59設計舉例測量型實驗任務：測定金屬材料的楊氏模量E。要求：測量結果的相對不確定度不超過5%。物理模型的建立及比較：1）

外力作用下，發生形變，在彈性限度內有

2）

圓棒狀樣品用兩條細線懸吊起來，共振時

3）

聲波在連續媒質內傳播，其聲速，則有

第五十九頁，共六十八頁，2022年，8月28日60反射鏡杠桿架ΔS導出測量公式為按均分原則，E(D)~1%,其余約為2%。鋼絲直徑：0.8mm，千分尺測量，保證E(D)~0.01/0.8=1.2％。彈性極限>200MPa,F~100N。逐差法測量，中間分段，Fm=50N。用多個1kg砝碼累加加載。E量級2×1011Pa(N.m-2)可以計算出ΔL/L~0.0005。取L=1m，則ΔL=0.5mm。采用模型一采用金屬絲的伸長測楊氏模量E，第六十頁，共六十八頁，2022年，8月28日61光杠桿放大光杠桿望遠鏡豎尺DSS0S1d2d1DLqqqq放大倍數=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)=0.005/1=0.5%<2