2013-9物理实验I指导书 - 图文

目 录

目 录 ........................................................................................................................................... 0 第一章 大学物理实验学习须知 ..................................................................................................... 2

（一）《大学物理实验I》2013?2014年度教学管理细则 ...................................................... 2 （二）2013—2014学年第一学期《大学物理实验I》实验课程表 ...................................... 4 第二章 大学物理实验内容提要 ..................................................................................................... 5

（一）“实验误差及数据处理”内容摘要.................................................................................. 5 （二）基本实验方法和基本技能学习内容提要 ................................................................... 10 第三章 物理实验 ........................................................................................................................... 11

（一）偏振光实验 ................................................................................................................... 11 （二）用拉伸法测金属丝的杨氏模量 ................................................................................... 14 （三）激光全息照相 ............................................................................................................... 18 （四）霍耳效应法测量磁场 ................................................................................................... 28 （五）示波器的使用（下课前完成数据处理） ................................................................... 32 （六）伏安法测量非线性电阻 ............................................................................................... 28 （七）牛顿环测曲面半径和劈尖干涉 ................................................... 错误！未定义书签。 第四章 理论课考试模拟试题及参考解答 ................................................................................... 51

大学物理实验理论考试模拟试题1 ........................................................................................ 51 模拟试题1参考答案 ............................................................................................................... 53 大学物理实验理论考试模拟试题2 ........................................................................................ 55 模拟试题2参考答案 ............................................................................................................... 57 大学物理实验理论考试模拟试题3 ........................................................................................ 58 模拟试题3参考答案 ............................................................................................................... 61

本书仅为教材《结构化大学物理实验》（第二版）的实验补

充，预习和做实验都必须携带、阅读教材。

有些实验要求下课前完成部分数据处理内容，请同学们上课

时一定要带好铅笔、直尺、计算器和坐标纸！ 注 意

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第一章 大学物理实验学习须知

（一）《大学物理实验I》2013?2014年度教学管理细则

课程基本情况

1. 《大学物理实验I》和《大学物理实验II》是全校理工科类2年级本科生的必修课，共64学时4学分，其中《大学物理实验I》32学时2学分，于每学年的第一学期开设。

2. 《大学物理实验I》的教学内容分为理论课和实验课两部分。理论课共6.8学时，实验课由7个实验组成，平均每个实验3.6学时。其教学顺序是：理论课2次→做3个实验→理论课考试→做4个实验→结课统计成绩。

理论课安排

1. 理论课安排在第1学期1?2周星期六上午9:00?11:33、下午2:30?5:03，每次3.4学时。 2. 理论课教学内容为《结构化大学物理实验》（高等教育出版社，姚列明主编）第一章。 3. 为保证学生按时到课，上课前老师要按名单点名并记录在册，未到课或迟到者将影响平时成绩。老师要在第一次课后布置适量的作业。

4. 凡由于课程冲突原因不能在规定时段上课的同学可以换到其它时段、其他老师的课堂上课，但必须签到。

实验课基本安排

教学班由行政班组成，分单双周班，于第1学期第3?17周开课，详见“实验课程表”。 实验课准备

1. 课前必须预习并按规定写好预习报告。

2. 每次实验都应带齐《大学物理实验》教材、实验指导书、实验报告纸、坐标纸、钢笔、绘图铅笔（最好是0.3?0.5mm的自动铅笔）、直尺、科学计算器。

3. 如果临时需要实验报告纸、坐标纸，请到A119实验室找胡松君老师。 实验课考勤和上课纪律

1. 学生上课应提前5分钟进入实验室，迟到者会被老师记录并影响课程成绩。迟到半小时及以上者不得参加本次实验。学生上课应携带学生证件备查。

2. 学生进入实验室应坐到规定编号的座位上做实验。老师鼓励学生课前对照仪器进一步预习实验、或完成部分操作内容，但前提是必须先认真预习过，知道本仪器的操作规程，并认真阅读了操作警示牌的各项内容，否则可能带来危险或仪器损坏。严禁野蛮操作和未经老师允许擅自调换仪器或调换座位。凡不按规程操作造成仪器损坏的按学校有关规定进行赔偿。

3. 做完实验后数据必须全部记录到实验报告纸上，经老师签字，整理好实验仪器、摆整齐实验凳后后才能离开实验室。

4. 如实验效果未达到规定要求，老师可要求学生补做实验。补做实验的指导老师应在数据上签字并注明操作的成绩或等级。

5. 教师应当堂向学生说明本实验的学时数，杜绝早退情况发生。做实验快的同学可在签字后继续进行数据处理，下课前半学时之内才能离开实验室。

6. 因缺课需要补做实验的须拿任课老师签字的补课批条到补课老师处补做实验。 实验报告

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1. 实验报告包括预习、操作、数据处理三部分。学生必须在实验开始前写好预习内容，否则不允许做实验，按缺课处理。学生在做完实验后必须于一周以内由班干部统一收齐并按学号排序后交给任课老师或按老师要求交到A120办公室该实验的专用信箱。未按时交报告的将影响平时成绩。助教应在收到报告3天内批改完毕并交给任课老师，确保任课教师在该班下次上课时可以登记成绩、评讲并发给学生。助教批改实验报告只打出数据处理的分项成绩和评语，预习、操作和总成绩由任课教师评定等级。

2. 预习部分（20分）应完成以下七个内容：一、实验室名称（详见课表）；二、实验名称；三、实验原理；四、实验目的；五、实验内容；六、实验器材（设备、元器件）；七、实验步骤及操作（如实验内容有变动也可在操作时写，但在数据签字前必须完成），其中实验原理是重点，应参照教材认真完成。预习部分应工整地书写到实验报告纸第1页至第2页。预习部分必须至少绘一个原理图或接线图等。上课时老师必须检查每个同学的预习报告并签字。

3. 操作部分（40分）应完成实验步骤及操作的内容；记录所有实验仪器的编号；记录温度等实验环境物理量；记录实验规定的全部测量值和相关表格。实验数据必须经老师当堂签字认可后才算有效。学生完成额外的操作内容或有独创的有价值的实验方法可获得总共不超过6分的操作附加分。

4. 数据处理部分（40分）应完成以下四个内容：八、实验数据记录；九、实验数据处理；十、实验结论；十一、对本实验过程、方法及手段的改进意见。完成以上内容很认真或有独创的有价值见解或完成了老师规定的额外数据处理内容可获得总共不超过6分的操作符加分。

5. 每次实验一般都包括两项实验内容，写报告时请将两实验的预习部分、操作部分、数据处理部分合并到一起。

理论课考试

1. 理论课考试安排在第9～10周周末进行（具体时间、地点另定），为90分钟闭卷考试，阅卷、统计分数由任课教师负责。实验缺课两次或两次以上的同学没有考试资格。

2. 考题类型：填空题、选择题、作图题、计算题，参见指导书第四章的三套模拟题。 3. 考试内容限于教材第一章的以下内容：

（1）以下内容要求全部掌握：测量、误差、不确定度、有效数字和数据处理中的列表法。 （2）作图法要求掌握作图法的作用与优点、作图规则、平滑曲线、直线拟合、校正曲线。 （3）最小二乘法要求能根据公式（1?4?9）和（1?4?10）求解斜率b和截距a，要求有求解过程并注明单位。最小二乘法公式不要求背，相关系数r、a和b的不确定度不要求掌握。

成绩管理

1. 课程成绩 = 百分制理论课成绩×40% + 百分制平时成绩×60%，满分为100分。

2. 平时成绩 =（Σ百分制每次实验成绩）÷ 7，迟到、缺课或迟交、不交实验报告将影响平时成绩。如果（Σ百分制每次实验成绩）÷ 7 大于100，记为100分。

3. 每次实验成绩（满分100+12分） = 预习成绩 + 操作成绩（包括操作附加分） + 实验报告成绩（包括数据处理附加分）。三项的满分分别是：20分、40+6分、40+6分，全班平均成绩一般为80分（16分+32分+32分）。

4. 补考：因上学期操作考试不及格造成课程成绩不及格的应参加本学期第1?2周组织的《大学物理实验II》操作补考，具体时间、地点在教务处网站公布。

5. 重修：课程成绩不及格时或补考后仍不及格的，须重新学习。

（1）报到：报名参加重修班的同学于第5周重修班开课时持重修证到科A103报名。 （2）补做实验：第6?12周插班补做实验（除本学期正修的实验外，内容不限，《大学物理实验I》和《大学物理实验II》，包括以前做过的实验均可，必须认真预习，实验，数据经

3

任课老师签字并打分才有效，实验报告须认真完成并于12周考试前全部交到A103）。

（3）考试：第13周进行理论辅导，第14周考试（补够6个实验的有资格参加），重修《大学物理实验I》的参加理论考试，重修《大学物理实验II》的参加操作考试。

（二）2013?2014学年第一学期《大学物理实验I》实验课程表

上课时间 2段 (10:20? 13:02) A循环 B循环 C循环 D循环 E循环 F循环 G循环 程忠： 陈中均： 陈群宇： 俞眉孙(单)/宁智华： 李承跃： 于景侠： 李朝霞(单)/崔海娟： 2012059010（单） 2012059020（单） 2012059030（单） 2012059040（单） 2012059050（单） 2012059060（单） 2012059070（单） 2012059080（双） 2012059090（双） 2012059100（双） 2012059110（双） 2012059120（双） 2012059130（双） 2012059140（双） 程忠： 陈中均： 陈群宇： 俞眉孙(单)/宁智华： 李承跃： 于景侠： 李朝霞(单)/崔海娟： 2012019150（单） 2012019160（单） 2012019170（单） 2012019180（单） 2012019190（单） 2012080080（单） 2012080090（单） 2012080010（双） 2012080020（双） 2012080030（双） 2012080040（双） 2012080050（双） 2012080060（双） 2012080070（双） 霍中生： 郭袁俊： 聂湧： 罗浩文： 李业凤： 姚列明： 付浩： 2012019010（单） 2012019020（单） 2012019030（单） 2012019060（单） 2012019050（单） 2012019040（单） 2012019070（单） 2012019080（双） 2012019090（双） 2012019100（双） 2012019130（双） 2012019120（双） 2012019110（双） 2012019140（双） 霍中生： 郭袁俊： 聂湧： 罗浩文： 李业凤： 姚列明： 付浩： 2012041020（单） 2012042010（单） 2012041030（单） 2012042020（单） 2012041010（单） 2012049010（单） 2012042030（单） 2012001010（双） 2012042040（双） 2012042050（双） 2012059160（双） 2012059150（双） 2012001020（双） 2012059170（双） 霍中生： 李海龙(单)/罗浩文： 聂湧： 宁智华： 李业凤： 崔海娟： 付浩： 2012029010（单） 2012029020（单） 2012029030（单） 2012029040（单） 2012029050（单） 2012029060（单） 2012029070（单） 2012029080（双） 2012029090（双） 2012029100（双） 2012029110（双） 2012029120（双） 2012029130（双） 2012029140（双） 霍中生： 李海龙(单)/罗浩文： 聂湧： 宁智华： 李业凤： 崔海娟： 付浩： 2012029150（单） 2012029160（单） 2012029170（单） 2012029180（单） 2012029190（单） 2012043030（单） 2012043010（单） 2012033040（双） 2012033050（双） 2012034010（双） 2012034020（双） 2012063040（双） 2012063050（双） 2012043020（双） 程忠： 陈中钧： 陈群宇： 罗浩文： 俞眉孙： 姚列明： 李朝霞： 2012060010（单） 2012060020（单） 2012060030（单） 2012060040（单） 2012060050（单） 2012060060（单） 2012060070（单） 2012060080（双） 2012060090（双） 2012060100（双） 2012060110（双） 2012063010（双） 2012063020（双） 2012063030（双） 程忠： 陈中钧： 陈群宇： 罗浩文： 俞眉孙： 姚列明： 李朝霞： 2012079010（单） 2012079020（单） 2012079030（单） 2012079040（单） 2012079050（单） 2012079060（单） 2012079070（单） 2012079080（双） 2012079090（双） 2012079100（双） 2012079110（双） 2012079120（双） 2012079130（双） 2012079140（双） 程忠(单)/陈中钧： 李承跃： 徐世珍： 宁智华： 俞眉孙： 于景侠： 李朝霞： 2012082010（单） 2012082020（单） 2012084010（单） 2012084020（单） 2012084030（单） 2012084040（单） 2012101010（单） 2012102010（双） 2012102020（双） 2012117010（双） 2012117020（双） 2012117030（双） 2012117040（双） 2012101020（双） 程忠(单)/陈中钧： 李承跃： 徐世珍： 2012030010（单） 2012030020（单） 2012030030（单） 2012031030（双） 2012032010（双） 2012032020（双） 宁智华： 俞眉孙： 于景侠： 李朝霞： 2012030040（单） 2012030050（单） 2012031010（单） 2012031020（单） 2012032030（双） 2012033010（双） 2012033020（双） 2012033030（双） 星期二 3段① (13:20? 16:02) 4段 (16:20? 19:02) 5段 (19:30? 22:12) 星期三 4段 (16:20? 19:02) 5段 (19:30? 22:12) 2段 (10:20? 13:02) 3段① (13:20? 16:02) 2段 (10:20? 13:02) 星期四 星期五 3段① (13:20? 16:02) 4段 (16:20? 19:02) 5段 (19:30? 22:12) 李海龙： 徐世珍： 郭袁俊： 宁智华： 2012079150（单） 2012091010（单） 2012092010（单） 2012191010（单） 2012091030（双） 2012091020（双） 2012092020（双） 李海龙： 2012181010（单） 2012181020（双） 郭袁俊： 2012171010（单） 2012171020（双） 上课日期 9月17?20日 9月24?27日 10月1?4日③ 10月8?11日 10月15?18日 10月22?25日 11月5?8日④ 11月12?15日 11月19?22日 11月26?29日 12月3?6日 12月10?13日 12月17?20日 12月24?27日 教学 周次 第3周 第4周 第5周 第6周 第7周 第8周 第10周 第11周 第12周 第13周 第14周 第15周 第16周 第17周 房间号 A104 实验编号 （一） A108+109 （二） A116+118 （三） A119 （四） A121 （五） A204 （六） A206 （七） 实验名称 偏振光用拉伸法测金属光学全息照霍耳效应法测量磁场⑥ 示波器的伏安法测量牛顿环测曲面半上课班级 实验 丝的杨氏模量 相 常规仪器 模块化仪器 使用⑦ 非线性电阻 径和劈尖干涉 单周班 双周班 单周班 双周班 单周班 双周班 单周班 双周班 单周班 双周班 单周班 双周班 单周班 双周班 补课③ 10月29日?11月1日④ 第9周 A A G G F F E E D D C C B B G B B A A G G F F E E D D C C A C C B B A A G G F F E E D D B D1 D1 C1 C1 B1 B1 A1 A1 G1 G1 F1 F1 E1 E1 C1 D2 D2 C2 C2 B2 B2 A2 A2 G2 G2 F2 F2 E2 E2 C2 E E D D C C B B A A G G F F D F F E E D D C C B B A A G G E G G F F E E D D C C B B A A F 备注：①第3段上课时间为中午1:20，请不要迟到。 ②第1?2周星期六全体同学大班上理论课，具体时间、教室另定，内容为2012版《结构化大学物理实验》第一章。 ③法定节假日、校运会放假按学校统一安排调课，第5周国庆节缺的课统一在17周对应时段补，其它缺课由老师与学生及实验员协商补课。④理论课考试安排在9?10周期中考试进行，具体时间另行通知。 ⑤全班已选课同学按学号排序，实验（座位）号依次为1、2、……，补选课同学的实验（座位）号排在最后，依次顺延。 ⑥仪器分常规和模块化两种各20套，操作方法和实验数据不同，需要分别预习，可按学号分组（即全部实验号的前[总人数/2]为第1组，其余为第2组）或自由分组（要保证每组人数不超过18人）。⑦定标用非数显信号源两人共用1台。 4

察牛顿环装置，移动牛顿环装置，使牛顿环在显微镜筒的正下方。 (2) 再用显微镜观察

a．调节目镜，使看到的分划板上十字叉丝清晰。

b．转动套在物镜头上的45o透光反射镜，使透光反射镜正对光源，显微镜视场达到最亮。 c.旋转物镜调节手轮，使镜筒由最低位置，注意不要碰到牛顿环装置，缓缓上升，边升边观察，直至目镜中看到聚焦清晰的牛顿环。并适当移动牛顿环装置，使牛顿环圆心处在视场正中央。

注意：读数显微镜在调节中应使镜筒由最低位置缓慢上升，以避免45透光反射镜与牛顿环相碰。

（二）牛顿环直径的测量

如图3所示，转动读数显微镜读数鼓轮，使显微镜自环心向一个方向移动，为了避免螺丝空转引起的误差，应使镜中叉丝先超过第30个暗环(中央暗环不算)即从牛顿环第一条暗环开始数到35个暗环，然后再缓缓退回到第30个暗环中央(因环纹有一定宽度)，记下显微镜读数即该暗环标度X30，再缓慢转动读数显微镜读数鼓轮，使叉丝交点依次对准第25，20，15，10和5个暗环的中央记下每次计数X25，X20，X15，Xl0，X5。并继续缓慢转动读数鼓轮，使目镜镜筒叉丝的交点经过牛顿环中心向另一方

D左 D右

o

图7?3

向记下第5，10，15，20，25，30暗环的读数X5，X10，X15，X20，X25，和X30。 注意：为了避免测微鼓轮“空转”而引起的测量误差，在每次测量中，测微鼓轮只能向一个方向转动，中途不可倒转。 *

（三）用劈尖干涉法测量纸的微小厚度d

如图7-4所示, 将牛顿环装置换成劈尖装置，为了测定条纹的垂直距离，应使条纹与镜筒的移动方向相垂

（条纹结束处） （纸条边缘）

45

图7-4

直．为了避免螺旋空转引起测量误差，应先转动读数显微镜的测微鼓轮，使镜筒仅向一个方向移动，:

（1）测出相隔n?40条干涉条纹的长度Ln?|xi?n?xi|测三次，求其平均值；

（2）测劈尖端头到夹纸处的总长度L测三次，求其平均值；

同样用逐差法处理数据。当测出纸距棱的距离L和单位长度的条纹数n后，根据(7-11)式，即可求出金属丝的直径d，并计算d的不确定度。写出结果表达式。

注意：拿取牛顿环、劈尖装置时，不要触摸光学面。如有尘埃时，应用专用擦镜纸轻轻擦拭。实验中要小心以免摔坏。 【实验数据记录及处理】

（一）用牛顿环法测定透镜的曲率半径R

表1 用牛顿环法测定平透镜的曲率半径R数据表格

逐差法的m和n 暗环序数 暗环读数(mm) 左右XK XK’ n1 n2 n3 m1 m2 m3 暗环直径DK=∣XK-XK’∣ mm DK(mm)22 Dm2-Dn2(mm2) (m-n=15) Dm2?Dn2 (mm2) R mm （二）用劈尖干涉法测量纸的微小厚度d

用劈尖干涉法测微小厚度的数据记录表 n?40.0，单位：mm 被测量 测量次数 1 2

测量值 x0 测量值 xi 测量值 xi?n 测量值 xL 计算值 xL?x0 计算值 xi?n?xi 46

3 平均值 （三）计算平凸透镜的曲率半径（预习时不写，计算时必须有详细过程）

（1）用最小二乘法计算。

2222与m是线性关系，线性方程是Dm式中D0是零差项，4R?是斜率，Dm?D0?4R??m，

22取m= 20、25、30环的3组数据计算（先分别计算m、m2、Dm、mDm），由最小二乘法

的斜率公式得到

221m?Dm?mDm R??224?m?m【选作】用最小二乘法求不确定度的公式计算?R，并写出写出测量结果其表达式

R?R??R。提示：?m估取0.2环，Dm的估读误差?Dm估=0.002mm，小于?移轴=0.01mm

2?2的1/3，忽略不计，所以，把Dm当成直接测量时，?D2仪??Dm???移轴?2?Dm??移轴。当

m2?2?5?0.01?0.1mm。 Dm=5mm时，?Dm2仪（2） 逐差法处理

22Dm?DnA.利用公式计算出曲率半径R的平均值（R）: R?

4(m?n)?B. 计算Dm2?Dn2统计不确定度，将Dm2?Dn2视为逐差法处理后的多次测量：

22222??(D?D)?D?D??mnimn?S(D2?D2)?mn3(3?1) C. 计算Dm2?Dn2非统计不确定度的估读因素: u估(D?D)?mn22?估3?仪3

D. 计算DmE. 计算Dm22?Dn非统计不确定度的仪器因素：u仪(D2?D2)2mn?

?Dn2的合成不确定度:

22S(2Dm?Dn)?u估?u(Dm?Dn)仪(Dm?Dn)

222222?(Dm?Dn)?22 47

F. 计算曲率半径不确定:?R??(D2?D2)mn4(m?n)?

G. 写出测量结果表达式: R?R??R。 （3） 用图解法出透镜的曲率半径R

根据实验数据，以K为横坐标，DK2为纵坐标，做出DK2~K图线，由图求出直线的斜率，根据式（7-9）再进一步求出透镜的曲率半径R。 （4）计算用劈尖干涉法测得微小厚度

L?xL?x0； Ln?xi?n?xi；

d?n?L Ln2（5）【选作】：计算测得微小厚度的不确定度。（当堂完成可得操作附加分）

【实验操作测量注意事项】

（一）应尽量使叉丝对准干涉暗环中心读数；

（二）由于计算R时，只需知道环数差m?n，故以哪一环作为第一环（习惯就以第一环作为第一环）可以任意选择，但一经选定，在整个测量过程中就不能改变。

（三）注意不要数错环数，读数时测量显微镜始终向一个方向转动，防止空转误差，否则全部数据作废。

（四）在测量过程中，要防止实验台震动引起干涉环的变化。

（五）实验时要把移测显微镜载物台下的反射镜翻转过来，不要让光从窗口经反射镜把光反射到载物台上，以免影响对暗环的观测。

【问题讨论】

（一）实验中使用的是单色光，如果用白光源会是什么结果？

（二）如果牛顿环中心不是一个暗斑，而是一个亮斑，这是什么原因引起的?对测量有无影响? （三）牛顿环实验中，如果平板玻璃上有微小的凸起，将导致牛顿环条纹发生畸变．试问该处的牛顿环将局部内凹还是局部外凸?

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【仪器介绍】

（一）读数显微镜

读数显微镜是用来测量微小长度的仪器（如图7-5所示），显微镜通常起放大物体的作用，而读数显微镜除放大(但放大倍数略小)物体外，还能测量物体的大小。主要是用来精确测量那些微小的或不能用夹持仪器(游标尺、螺旋测微计等)测量的物体的大小。

转动读数显微镜测微鼓轮，显微镜筒可

在水平方向左右移动，移动的位置由标尺上读出，目镜中装有一个十字叉丝，作为读数时对准待测物体的标线。测量前先调节目镜，使十字叉丝清晰，再调节调焦手轮对被测物体进行聚焦．

显微镜系统是与套在测微丝杆上的螺母套管相固定的，旋转读数鼓轮，即转动测微丝杆，就带动显微镜左右移动。移动的距离可以从主尺(读毫米位)和读数鼓轮(相当于螺旋测微计的微分筒)上读出，本显微镜丝杆的螺距为一毫米。读数鼓轮周界上刻有100分格，分度值 为0.01毫米。

图7-5 读数显微镜外形图

使用方法

① 测物放置于显微镜载物台上。

② 调节目镜，使目镜内分划平面上的十字叉丝清晰，并且转动目镜使十字叉丝中的一条线与刻度尺垂直。

③ 调节显微镜镜筒，使它与待测物有一个适当距离，然后再调节显微镜的焦距，能在视场中看到清晰物象，并消除视差，即眼睛左右移动时，叉丝与物象间无相对位移。

④ 转动读数鼓轮，使叉丝分别与带测物体的两个位置相切，记下两次读数值x1,x2,其差值

1．目镜接筒 12．反光镜旋轮 2．目镜 13．压片 3．锁紧螺钉 14．半反镜组 4．调焦手轮 15．物镜组 5．标尺 16．镜筒 6．测微鼓轮 17．刻尺 7．锁紧手轮 18．锁紧螺钉 8．接头轴 19．棱镜室 9．方轴 10．锁紧手轮Ⅱ 11．底座

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图7-6 JCD3型读数显微镜外形图

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