设计性实验基础知识

设计性实验基础知识一、开设设计性物理实验的教学目的开设设计性物理实验的教学目的，是在学生具有一定实验能力的基础上把所学到的物理知识、电子技术以及微机应用知识和技能，运用到解决问题或实际测量问题中。通过独立分析问题、解决问题，使学生把知识转化为能力，为今后的毕业设计、写科研成果报告、学术论文以及开展科学实验研究作基础训练。设计性实验是衡量和考察学生掌握物理实验基本功的有效手段，也是培养和提高学生发现问题、解决问题能力的重要途径．学生在设计及实施实验的过程中，要查阅大量的有关资料，比较若干不同方案，自己动脑设计出符合实验逻辑和物理原理的操作步骤等，将真正体会到学以致用的乐趣．进行设计性实验时，首先要做好三点预备工作：实验方案的选择、实验仪器的选配核试验条件的选取。二、设计性物理实验方案的选择本章安排了“电阻优化测量”等10个设计性实验题目，全部属于基础物理实验内容。实验方案的选择包括实验原理和方法的选择。实验原理是实验的理论依据，实验原理和实验方法是紧密联系在一起的，选用不同的实验原理就有不同的实验方法，同一实验原理也可能有不同的实验方法。如重力加速度的测量原理就有自由摆原理和自由落体原理；转动惯量的测定既可以用刚体转动定律也可以用三线摆原理。而电阻的测量，根据欧姆定律和基尔霍夫定律有伏安法和比较法（电桥法和电位差计法）等。学生应根据自己的选题，查阅有关文献、资料、收集各种实验原理和实验方法（即根据被测量和可测量之间的关系，找出各种可能使用的实验方法），然后比较各种实验方法的优劣性（如实验精确度、使用条件以及在学校实验实所能提供的仪器条件下的可行性等），最后确定一种具体实施方案。例如“测定金属杨氏模量E，要求相对误差Er≤5%”，通过查阅资料发现可采用的方法很多，如拉伸法、梁弯曲法、共振法等，每种方案都是针对不同的研究对象得出的，有其适用条件和优、缺点，因此，需要根据研究对象和实验精度要求，考虑现有的仪器设备、实验环境条件等进行综合分析，来确定具体实施方案。如果研究对象是金属丝，则要采用拉伸法，若研究对象是金属棒或金属型材可考虑选用梁弯曲法或共振法。三、设计性实验的一般程序1、建立物理模型根据实验对象的物理性质，研究与实验对象相关的物理过程原理及过程中各物理量之间的关系、推导数学公式。例：测量兰州地区的重力加速度g。选择实验仪器选择实验参数制定实验步骤实验操作确定实验方法建立物理模型处理数据撰写实验报告测量精度要求：什么物理现象或物理过程与g有关？自由落体运动/物体在斜面上的滑动/抛体运动/单摆/……物理模型的建立2、实验方法的选择一个实验中可能要测量多个物理量，而每个物理量又都可能有多种测量方法。例如：在测量温度时——可以使用水银温度计、热电偶、热敏电阻等多种器具；测量电压——可以用万用表、数字电压表、电位差计、示波器等。必须根据被测对象的性质和特点，罗列各种可能的实验方法，分析各种方法的适用条件，比较各种方法的局限性及可能达到的实验精度等因素，并考虑各种方法实施的可能性，优缺要测某一地区的重力加速度注意适用条件：（1）、只有系小球的细线的质量比小球质量小很多；（2）、小球的直径比细线的长度小很多；（3）、小球在重力作用下做小角度摆动等，周期才满足公式202ttvhggLT2可建立—个自由落体运动的物理模型或者建立一个单摆的物理模型。测量重力加速度的物理模型自由落体模型只能测一个单程的时间与位移，当下落行程h为2m时，所需时间t只有0.6s多，这就对计时仪器的精度提出了很高的要求。单摆模型可测n个周期的累积摆动时间，对于摆长L=1m的单摆，周期T约为2s，若累计测50个周期，则时间间隔达100s左右.显然采用此方案，既简单，又准确。因此，选单摆模型比自由落体要好。202ttvhggLT2%5.0)(ggEg点，综合后做出选择。一般情况下，为减小误差应尽可能采取等精度的多次测量；对于等间隔、线性变化的实验数据的处理可采用“逐差法”、“最小二乘法”等。3、测量仪器的选择与配套（1）不确定度均分原理在间接测量中，每个独立测量量的不确定度都会对最终结果的不确定度有贡献。若测量结果的合成不确定度为，则中的每一项都要大致相等。（1）选择测量仪器选择的方法是通过待测的间接测量量与各直接测量量的函数关系导出不确定度传递公式，并按照“不确定度均分”原理将对间接测量量的不确定度要求分配给各直接测量量，再由此选择精度和量程适合的仪器。例如单摆实验中考虑到测量方便，选摆长L约为lm，则周期约为2s。由此估算出：测长仪器的允许最大不确定度(示值误差)为3.5mm，计时仪器的允许最大不确定度(示值误差)为0.0036s。选择lmm刻度的米尺测长完全可以达到要求；考虑到用停表计时时最小显示为0.01s，又由于操作者技术引起的误差在0.2s左右，所以需采用累积计时法，如先测量100个周期的时间，再转换成一个周期的时间，就能满足上述设计要求。注意：“不确定度均分”只是一个原则上的分配方法，对于具体情况还可具体处理。比如：由于条件限制，某一物理量测量的不确定度稍大，继续降低不确定度又比较困难，这时可以允许该量的不确定度大一些，而将其它物理量的测量不确定度降得更低，以保证合成不确定度达到设计要求。另外，由有效数字运算法则可知，所选测量仪器的测量精度(有效数字位数)应大致相同。为了合理使用仪器，达到相应的测量精度，在选择仪器时应根据实际情况，兼顾仪器的等级和量程，使仪器的量程略大于测量值即可。224TLg)(4)()(222TELEgE不确定度传递公式%5.0)(gE421025.0)(gE4210125.0)(LE4210125.0)(4TE%35.0)(LE%18.0)(TENN2iixf4、测量条件与最佳参数的确定在实验方法及仪器选定的情况下，选择有利的测量条件，最大限度地减小系统误差。如用单摆测重力加速度时，我们选用的实验装置必须满足：球要小，可看成质点；线要轻，可忽略摆线质量；摆角要小于，以满足公式的要求。又如一般电表读数的最有利条件是选取电表刻度盘的2/3附近的区域。另外，环境条件如温度、湿度、气压、射线、电磁场、振动等，对仪器的正常工作都会有一定的影响，也会引起系统误差，所以选定合适的测量环境也是不可忽视的。四、设计性实验的要求为了保证设计性实验的顺利进行，首先要求学生在进入实验室前认真准备，查阅文献资料，要按实验设计要求写好“实验方案”。“实验方案”的主要内容有；1、确定实验项目或题目（项目不宜过大过多，应在实验时间段内能够完成），拟出具体实验方法，阐述实验原，画出必要的原理图．推证有关理论公式；估算出相关参数。2、本方案所用实验仪器（不应超出“可供选择实验仪器”范围）。3、设计出合适的测量方案，并拟出初步实验步骤（尽可能详细）．4、实验注意事项。5、列出数据记录表格6、提出数据处理方法。然后在进入实验室开始实验之前，必须按照实验室要求的时间提前将设计方案提交到指导教师处进行审核，并与指导教师讨论，经同意后自行完成实验，并在实验中检验和完善自已的设计。5.1300%5.01%5.2605.111IE75.075%0.12%25.16075.022IE例如：若待测电流为60mA0.5级量程为300mA的电流表1.0级量程为75mA的电流表仪器示值误差限误差限值的相对值由于待测量的量值与仪器的量程不匹配，用0.5级的表测得的结果反而不如1.0级的表好。比较其结果可见：最后，写出完整的设计性实验报告。报告格式仍与前面一致，其内客包含如下：①设计实验题目；②实验目的；③实验原理（含原理图和理论公式）；④实验仪器：⑤实验内容与步骤：⑥实验数据记录及处理．⑦分析讨论。对实验结果进行分析、评估，并总结进行简单设计性实验的体会；⑧参考资料。列出设计实验方案时，所参考的所有资料。设计性实验报告的重点应放在实验原理、方法的叙述、实验仪器的选择以及对最后结果的分析讨论上。五、科学实验设计应遵循的原则实验方案的选择-最优化原则测量方法的选择-误差最小原则和最小代价率原则测量仪器的选择-误差均分原则测量条件的选择-最有利原则参考书目：1、李平。《大学物理实验教程》2、李平舟。《大学物理实验》3、陈群宇。《大学物理实验》（基础和综合分册）。4、李水泉、《大学物理实验》5、张进治、《大学物理实验》6、华南理工物编组《大学物理实验》（下册）