大学物理实验报告

标签:大学,物理,实验,报告发布时间:2015/8/26 12:29:00

大学物理实验报告

第1篇:大学物理实验报告 热敏电阻

热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻,具有许多独特的优点和用途,在自动控制、无线电子技术、遥控技术及测温技术等方面有着广泛的应用。本实验通过用电桥法来研究热敏电阻的电阻温度特性,加深对热敏电阻的电阻温度特性的了解。

1、引言

热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件,其电阻温度系数一般为(-0.003~+0.6)℃-1。因此,热敏电阻一般可以分为:

Ⅰ、负电阻温度系数(简称NTC)的热敏电阻元件

常由一些过渡金属氧化物(主要用铜、镍、钴、镉等氧化物)在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的,近年还有单晶半导体等材料制成。国产的主要是指MF91~MF96型半导体热敏电阻。由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离,即载流子浓度基本上与温度无关,因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系,随着温度的升高,迁移率增加,电阻率下降。大多应用于测温控温技术,还可以制成流量计、功率计等。

Ⅱ、正电阻温度系数(简称PTC)的热敏电阻元件

常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺,高温烧制而成。这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度,而迁移率随温度的变化相对可以忽略。载流子数目随温度的升高呈指数增加,载流子数目越多,电阻率越小。应用广泛,除测温、控温,在电子线路中作温度补偿外,还制成各类加热器,如电吹风等。

2、实验装置及原理

【实验装置】

FQJ Ⅱ型教学用非平衡直流电桥,FQJ非平衡电桥加热实验装置(加热炉内置MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)以及控温用的温度传感器),连接线若干。

【实验原理】

根据半导体理论,一般半导体材料的电阻率 和绝对温度 之间的关系为式中a与b对于同一种半导体材料为常量,其数值与材料的物理性质有关。因而热敏电阻的电阻值 可以根据电阻定律写为式中 为两电极间距离, 为热敏电阻的横截面。

对某一特定电阻而言, 与b均为常数,用实验方法可以测定。为了便于数据处理,将上式两边取对数,则有上式表明 与 呈线,在实验中只要测得各个温度 以及对应的电阻 的值,以 为横坐标, 为纵坐标作图,则得到的图线应为直线,可用图解法、计算法或最小二乘法求出参数 a、b的值。热敏电阻的电阻温度系数 下式给出。

从上述方法求得的b值和室温代入式(1 4),就可以算出室温时的电阻温度系数。

热敏电阻 在不同温度时的电阻值,可由非平衡直流电桥测得。非平衡直流电桥原理图如右图所示,B、D之间为一负载电阻 ,只要测出 ,就可以得到 值。

当负载电阻 ,即电桥输出处于开路状态时, =0,仅有电压输出,用 表示,当 时,电桥输出 =0,即电桥处于平衡状态。为了测量的准确性,在测量之前,电桥必须预调平衡,这样可使输出电压只与某一臂的电阻变化有关。

若R1、R2、R3固定,R4为待测电阻,R4 = RX,则当R4 R4+△R时,因电桥不平衡而产生的电压输出为:(1 5)

在测量MF51型热敏电阻时,非平衡直流电桥所采用的是立式电桥 , 且 ,则(1 6)

式中R和 均为预调平衡后的电阻值,测得电压输出后,通过式(1 6)运算可得△R,从而求的 =R4+△R。

3、热敏电阻的电阻温度特性研究

根据表一中MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)之电阻~温度特性研究桥式电路,并设计各臂电阻R和 的值,以确保电压输出不会溢出(本实验 =1000.0Ω, =4323.0Ω)。

根据桥式,预调平衡,将 功能转换 开关旋至 电压 位置,按下G、B开关,打开实验加热装置升温,每隔2℃测1个值,并将测量数据列表(表二)。

MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)之电阻~温度特性

温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

电阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

非平衡电桥电压输出形式(立式)测量MF51型热敏电阻的数据

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

温度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4

热力学T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4

0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4

0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9

4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

根据表二所得的数据作出 ~ 图,如右图所示。运用最小二乘法计算所得的线性方程为 ,即MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)的电阻~温度特性的数学表达式为 。

4、实验结果误差

通过实验所得的MF51型半导体热敏电阻的电阻 温度特性的数学表达式为 。根据所得表达式计算出热敏电阻的电阻~温度特性的测量值,与表一所给出的参考值有较好的一致性,如下表所示:

表三 实验结果比较

温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

参考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

测量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823

相对误差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

从上述结果来看,基本在实验误差范围之内。但我们可以清楚的发现,随着温度的升高,电阻值变小,但是相对误差却在变大,这主要是由内热效应而引起的。

5、内热效应的影响

在实验过程中,由于利用非平衡电桥测量热敏电阻时总有一定的工作电流通过,热敏电阻的电阻值大,体积小,热容量小,因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度的附加内热温升,这就是所谓的内热效应。在准确测量热敏电阻的温度特性时,必须考虑内热效应的影响。本实验不作进一步的研究和探讨。

6、实验小结

通过实验,我们很明显的可以发现热敏电阻的阻值对温度的变化是非常敏感的,而且随着温度上升,其电阻值呈指数关系下降。因而可以利用电阻 温度特性制成各类传感器,可使微小的温度变化转变为电阻的变化形成大的信号输出,特别适于高精度测量。又由于元件的体积小,形状和封装材料选择性广,特别适于高温、高湿、振动及热冲击等环境下作温湿度传感器,可应用与各种生产作业,开发潜力非常大。

第2篇:大学物理实验报告 伏安法测电阻

实验目的

(1) 利用伏安法测电阻。 (2) 验证欧姆定律。(3) 学会间接测量量不确定度的计算;进一步掌握有效数字的概念。

实验方法原理

根据欧姆定律, R = ,如测得 U 和 I 则可计算出 R。值得注意的是,本实验待测电阻有两只,I一个阻值相对较大,一个较小,因此测量时必须采用安培表内接和外接两个方式,以减小测量误差。 实验装置 待测电阻两只,0~5mA 电流表 1 只,0-5V 电压表 1 只,0~50mA 电流表 1 只,0~10V 电压表一 只,滑线变阻器 1 只,DF1730SB3A 稳压源 1 台。

实验步骤

本实验为简单设计性实验,实验线路、数据记录表格和具体实验步骤应由学生自行设计。必要时,可提示学 生参照第 2 章中的第 2.4 一节的有关内容。分压电路是必须要使用的,并作具体提示。 (1) 根据相应的电路图对电阻进行测量,记录 U 值和 I 值。对每一个电阻测量 3 次。 (2) 计算各次测量结果。如多次测量值相差不大,可取其平均值作为测量结果。 (3) 如果同一电阻多次测量结果相差很大,应分析原因并重新测量。

实验目的

(1) 了解分光计的原理和构造。

(2) 学会分光计的调节和使用方法 。

(3) 观测汞灯在可见光范围内几条光谱线的波长 实验方法原理

若以单色平行光垂直照射在光栅面上, 按照光栅衍射理论,衍射光谱中明条纹的位置由下式决定: (a + b) sin ψk=dsin ψk= kλ

如果人射光不是单色,则由上式可以看出,光的波长不同,其衍射角也各不相同,于是复色光将被分解,而在中央 k =0、 ψ =0 处,各色光仍重叠在一起,形成中央明条纹。在中央明条纹两侧对称地分布着 k=1,2,3, 级光谱 ,各级光谱 线都按波长大小的顺序依次 排列成一组彩色谱线,这样就把复色光分解为单色光。如果已知光栅常数,用分光计测出 k 级光谱中某一明条纹的衍射角ψ,即可算出该明条纹所对应的单色光的波长λ。 实验步骤

(1) 调整分光计的工作状态,使其满足测量 条件。

(2) 利用光栅衍射 测量汞灯在可见光范 围内几条谱线的波长。

① 由于衍射光谱在中央明条纹两侧对 称地分布,为了提高测量的准确度,测量第k级光谱时 ,应测出 +k级和-k 级光谱线的位置,两位置的差值之 半即为实验时 k取1 。

② 为了减少分光计刻度盘的偏心误差,测量每条光谱线时 ,刻度盘上的两个游标都要读数 ,然后取其平均值 (角 游标的读数方法与游 标卡尺的读数方法基本一致)。

③ 为了使十字丝对准光谱线,可以使用望远镜微调螺钉12来对准。

④ 测量时,可将望远 镜置最右端,从 -l 级到 +1 级依次测量,以免漏测数据。

第3篇:大学物理实验报告 光电效应

实验目的

(1) 观察光电效现象,测定光电管的伏安特性曲线和光照度与光电流关系曲线;测定截止电压,并通过现象了解其物 理意义。

(2) 练习电路的连接方法及仪器的使用 ; 学习用图像总结物理律。 实验方法原理

(1) 光子打到阴极上 ,若电子获得 的能量 大于 逸出 功时则会 逸出 ,在电场力的作用下向 阳极 运动而形成正向 电流 。在 没达到饱和前 ,光电流与电压成线性关系 ,接近饱和时呈非线性关系 ,饱和后电流不再增加 。

(2) 电光源发光后 ,其照度随距光源的距离的平方成 (r 2 )反比即光电管得到的光子数与 r2成反比,因此打出的电子数也与 r 2

成反比,形成的饱和光电流 也与 r2成反比,即 I ∝r-2。

(3) 若给 光电管接反向电压 u 反,在 eU反 《 mvmax/ 2=eUS时(vmax为具有最大速度的电子的速度 ) 仍会有电子移动到阳极而形成光电流 ,当继续增大 电压 U反,由于电场力做负功使 电子减速 ,当使其到达 阳极前速度刚好为零 时 U反=US, 此时所 观察 到的 光电流为零 ,由此 可测 得此光电管在当前光源下的截止电压 US。

实验步骤

(1) 按讲义中的电路原理图连接好实物电路图; (2) 测光电管的伏安特性曲线:

① 先使光电管距光源20cm处,适当选择光源亮度使光电流达最大(不超量程); ② 逐渐远离光源按要求做好记录; 实验步骤

(4) 测光电管的截止电压: ① 将双向开关换向;

② 使光电管距光源20cm处,将电压调至 0 , 适当选择光源亮度使光电流达最大(不超量程),记录此时的光 电流I0,然后加反向电压使光电流刚好为 0 ,记下电压值US;

③ 使光电管远离光源(光源亮度不变)重复上述步骤作好记录。

(3) 零电压下的光电流及截止电压与照度的关系

1. 临界截止电压与照度有什么关系?从实验中所得的结论是否同理论一致?如何解 释光的波粒二象性? 答:临界截止 电压与照度无关,实验结果与理论相符。 光具有干涉、衍射的特性,说明光具有拨动性。从光电效应现象上分析,光又具有粒子性,由爱因斯坦方程来描 述:hν=(1/2)mv2max+A。

大学物理实验报告

摘要:热敏电阻是阻值对温度变化非常敏感的一种半导体电阻,具有许多独特的优点和用途,在自动控制、无线电子技术、遥控技术及测温技术等方面有着广泛的应用。本实验通过用电桥法来研究热敏电阻的电阻温度特性,加深对热敏电阻的电阻温度特性的了解。

1、引言

热敏电阻是根据半导体材料的电导率与温度有很强的依赖关系而制成的一种器件,其电阻温度系数一般为(-0.003~+0.6)℃-1。因此,热敏电阻一般可以分为:

Ⅰ、负电阻温度系数(简称NTC)的热敏电阻元件

常由一些过渡金属氧化物(主要用铜、镍、钴、镉等氧化物)在一定的烧结条件下形成的半导体金属氧化物作为基本材料制成的,近年还有单晶半导体等材料制成。国产的主要是指MF91~MF96型半导体热敏电阻。由于组成这类热敏电阻的上述过渡金属氧化物在室温范围内基本已全部电离,即载流子浓度基本上与温度无关,因此这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要考虑迁移率与温度的关系,随着温度的升高,迁移率增加,电阻率下降。大多应用于测温控温技术,还可以制成流量计、功率计等。

Ⅱ、正电阻温度系数(简称PTC)的热敏电阻元件

常用钛酸钡材料添加微量的钛、钡等或稀土元素采用陶瓷工艺,高温烧制而成。这类热敏电阻的电阻率随温度变化主要依赖于载流子浓度,而迁移率随温度的变化相对可以忽略。载流子数目随温度的升高呈指数增加,载流子数目越多,电阻率越小。应用广泛,除测温、控温,在电子线路中作温度补偿外,还制成各类加热器,如电吹风等。

2、实验装置及原理

【实验装置】

FQJ—Ⅱ型教学用非平衡直流电桥,FQJ非平衡电桥加热实验装置(加热炉内置MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)以及控温用的温度传感器),连接线若干。

【实验原理】

根据半导体理论,一般半导体材料的电阻率 和绝对温度 之间的关系为

(1—1)

式中a与b对于同一种半导体材料为常量,其数值与材料的物理性质有关。因而热敏电阻的电阻值 可以根据电阻定律写为

(1—2)

式中 为两电极间距离, 为热敏电阻的横截面, 。

对某一特定电阻而言, 与b均为常数,用实验方法可以测定。为了便于数据处理,将上式两边取对数,则有

(1—3)

上式表明 与 呈线性关系,在实验中只要测得各个温度 以及对应的电阻 的值,

以 为横坐标, 为纵坐标作图,则得到的图线应为直线,可用图解法、计算法或最小二乘法求出参数 a、b的值。

热敏电阻的电阻温度系数 下式给出

(1—4)

从上述方法求得的b值和室温代入式(1—4),就可以算出室温时的电阻温度系数。

热敏电阻 在不同温度时的电阻值,可由非平衡直流电桥测得。非平衡直流电桥原理图如右图所示,B、D之间为一负载电阻 ,只要测出 ,就可以得到 值。

当负载电阻 → ,即电桥输出处于开

路状态时, =0,仅有电压输出,用 表示,当 时,电桥输出 =0,即电桥处于平衡状态。为了测量的准确性,在测量之前,电桥必须预调平衡,这样可使输出电压只与某一臂的电阻变化有关。

若R1、R2、R3固定,R4为待测电阻,R4 = RX,则当R4→R4+△R时,因电桥不平衡而产生的电压输出为:

(1—5)

在测量MF51型热敏电阻时,非平衡直流电桥所采用的是立式电桥 , ,且 ,则

(1—6)

式中R和 均为预调平衡后的电阻值,测得电压输出后,通过式(1—6)运算可得△R,从而求的 =R4+△R。

3、热敏电阻的电阻温度特性研究

根据表一中MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)之电阻~温度特性研究桥式电路,并设计各臂电阻R和 的值,以确保电压输出不会溢出(本实验 =1000.0Ω, =4323.0Ω)。

根据桥式,预调平衡,将“功能转换”开关旋至“电压“位置,按下G、B开关,打开实验加热装置升温,每隔2℃测1个值,并将测量数据列表(表二)。

表一 MF51型半导体热敏电阻(2.7#from 大学物理实验报告来自学优网http://www.gkstk.com/ end#kΩ)之电阻~温度特性

温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

电阻Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

表二 非平衡电桥电压输出形式(立式)测量MF51型热敏电阻的数据

i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

温度t℃ 10.4 12.4 14.4 16.4 18.4 20.4 22.4 24.4 26.4 28.4

热力学T K 283.4 285.4 287.4 289.4 291.4 293.4 295.4 297.4 299.4 301.4

0.0 -12.5 -27.0 -42.5 -58.4 -74.8 -91.6 -107.8 -126.4 -144.4

0.0 -259.2 -529.9 -789 -1027.2 -124.8 -1451.9 -1630.1 -1815.4 -1977.9

4323.0 4063.8 3793.1 3534.0 3295.8 3074.9 2871.1 2692.9 2507.6 2345.1

根据表二所得的数据作出 ~ 图,如右图所示。运用最小二乘法计算所得的线性方程为 ,即MF51型半导体热敏电阻(2.7kΩ)的电阻~温度特性的数学表达式为 。

4、实验结果误差

通过实验所得的MF51型半导体热敏电阻的电阻—温度特性的数学表达式为 。根据所得表达式计算出热敏电阻的电阻~温度特性的测量值,与表一所给出的参考值有较好的一致性,如下表所示:

表三 实验结果比较

温度℃ 25 30 35 40 45 50 55 60 65

参考值RT Ω 2700 2225 1870 1573 1341 1160 1000 868 748

测量值RT Ω 2720 2238 1900 1587 1408 1232 1074 939 823

相对误差 % 0.74 0.58 1.60 0.89 4.99 6.20 7.40 8.18 10.00

从上述结果来看,基本在实验误差范围之内。但我们可以清楚的发现,随着温度的升高,电阻值变小,但是相对误差却在变大,这主要是由内热效应而引起的。

5、内热效应的影响

在实验过程中,由于利用非平衡电桥测量热敏电阻时总有一定的工作电流通过,热敏电阻的电阻值大,体积小,热容量小,因此焦耳热将迅速使热敏电阻产生稳定的高于外界温度的附加内热温升,这就是所谓的内热效应。在准确测量热敏电阻的温度特性时,必须考虑内热效应的影响。本实验不作进一步的研究和探讨。

6、实验小结

参考文献:

[1] 竺江峰,芦立娟,鲁晓东。 大学物理实验[M]

[2] 杨述武,杨介信,陈国英。普通物理实验(二、电磁学部分)[M] 北京:高等教育出版社

[3] 《大学物理实验》编写组。 大学物理实验[M] 厦门:厦门大学出版社

[4] 陆申龙,曹正东。 热敏电阻的电阻温度特性实验教与学[J]《

中学物理实验报告

物理实验的学习步骤和方法

中学物理实验是培养学生科学的观察、实验能力,科学的思维、分析和解决问题能力的主要课程之一。正向李政道先生所说的那样:“教物理重要的是让学生懂道理……”根据中学物理教学的目的和教学大纲的基本要求,在中学物理实验的教学过程中应使学生在科学实验的基本方法上有一个实在的感受,从而培养他们的探索精神和创造性,并受到科学方法的教育。

1.实验设计

为使实验达到预期的目的,必须明白为什么要做这个实验,做这个实验是要解决现实技术问题、知识问题,还是要探索一下教材中将要出现的物理现象等等。解决实际问题的是什么样的,探索书中的知识问题时,应当明白是哪一个问题及什么现象。目的明确,是实验成功的前题。

设计实验的基本方法归纳为下面几种:

(1)平衡法。用于设计测量仪器。用已知量去检验测量另一些物理量。例如天平、弹簧秤、温度计、比重计等。

(2)转换法。借助于力、热、光、电现象的相互转换实行间接测量,例如打点计时器的设计,电磁仪表、光电管的设计等。

(3)放大法。利用迭加,反射等原理将微小量放大为可测量,例如游标尺、螺旋测微器、库仑扭秤、油膜法测分子直径等。

2.探索性实验的选题

学生探索性实验,并不是去揭示尚未认识的物理规律。而是在经历该实验的全过程之后,对探索性实验有一个实在的感受,掌握探索未知物理规律的基本方法。

探索性实验的选题应与学生的知识水平和学习任务相适应。在选题方面应注意到以下几点:

(1)根据中学生学到的数学知识和在实验时间上的限制,实验结果的经验公式以一次线性为宜。如:

①线性关系:Y=a+bx

②反比关系:Y=a+b/x

③幂关系:Y=axb

改直:logy=loga+blogx

④指数关系: Y=aexp(bx)

改直:Iny=Ina+bx

以上各式中x为自变量,y为应变量,同时又是被测量,a、b为常数。

(2)两个被测量之间的变化特征具有较强的可观察性。

(3)经验公式的理论分析不宜过于复杂。

3.物理实验的操作方法

操作能力,主要是指基本仪器的使用和数据的读出,仪器、设备的组装或连接,故障的排除等三个方面。

(1)基本仪器的作用。中学物理实验涉及的基本测量仪器有:米尺、卡尺、螺旋测微器、天平、停表、弹簧秤、温度计、气压计、安培计、伏特计、变阻箱、万用表、示波器。

使用基本测量仪器的规范要求是:

①了解测量仪器的使用方法,明确测量范围允许极限和精密程度;

②对某些仪器如电表等,在使用前,必须调节零点,或记下零点误差;

③牢记使用规则和操作程序;

④正确读取数据。

例如,弹簧秤的正确使用要求是:明确弹簧秤的测量范围;测量前,记下零点误差;使用弹簧秤时,施力的方向应与弹簧的轴线在同一直线上,不能使弹簧秤受力过久,以免引起弹性疲劳,损坏仪器;正确地观察读数,记取数据时,不仅要记录最小刻度能指示出来的数,还应读出一位估计数字,数据后面要写明单位。

又如,安培计的正确使用要求是:明确量程;使用前,调节零点;正确连接应与待测电路串联,并注意正、负极性;正确读取数据,注明单位。

(2)仪器、设备的组装或连接。要进行一个物理实验,总是需要先把各个仪器、部件、设备组装起来,并要求装配和连接必须正确无误。具体要求是:布局要合理,要便于观察和操作;连接要正确,简单;实验前要检查,必要时进行预备性调节。

例如,电路实验,操作要求是:

①按照实验原理电路图,安排好仪器、元件的布局,要便于连接,便于检查,便于操作,便于读取数据。

②正确地连接电路。

安培表、伏特表是否分别与待测电路串联、并联,正、负极性是否正确;滑线变阻器的接线是否合理;连接线路是否符合先支路、再并列、后干路、最后接电源的程序;电键是否能控制电路;接线是否简捷、牢固。

③实验前应先检查电路,发现问题及时纠正,并进行预备性调节。

④严格按操作程序操作,例如,改变电阻器的阻值,是否由小到大,或由大到小,最后,正确读取数据。

(3)故障的排除

实验中的故障排除,不单是一种操作能力,它涉及对实验原理的掌握程度、分析问题处理问题的方法、对各部件工作情况的了解等,是一种综合运用能力。

实验发生故障时,应根据各部件工作状态及各部件联结处的分析,可能产生故障的几种因素,逐个检查,以致最后排除故障。

总之,培养实验操作能力,是学习物理的必要基础,它有利于对知识的理解,有利于自己创造条件探索问题,有利于学生智力的发展。

在物理学习中,培养操作能力,应有计划地、分阶段地进行。

第一,操作的认知阶段

要求对操作技能有初步的认识,在头脑中形成操作的映象,要求按规定的程序,做一些目的单纯的定向训练;

第二,操作的阶调阶段

要求反复练习操作,提高操作的准确性、协调性。

4.物理实验中的观察内容

观察是对事物和现象的仔细察看、了解。它是思维的知觉,智力活动的门户和源泉。中学物理实验中的观察是一种有目的、有计划而且比较持久的思维知觉,一般需要重点地观察实验的基本仪器、实验的设备和装置,实验中的各种物理现象和数据、图象、图表,以及教师的规范化操作等等。

(1)观察仪器的刻度。仪器刻度的观察,主要是弄清刻度值的单位及其最小分度值,由此可确定测量值应估读到哪一位。

(2)观察仪器的构造。主要是通过观察,了解仪器的结构原理、每个部件的作用、测量范围等等。

例如,液体温度计是利用液体热胀冷缩的原理制成的。它们的底部都有一个玻璃泡,上部是一根顶端封闭、内径细而均匀的玻璃管,在管和泡里有适量的某种液体,管上标有刻度,在温度改变时,液体热胀冷缩,管内液面位置就随着改变,从液体达到的刻度就可读出温度值,温度计由于用途不一,测量范围也各不相同。例如,体温计的测量范围是35~42℃,一般实验室的水银温度计其测量范围是20~100℃。

(3)观察仪器的铭牌。通过对仪器铭牌的观察可了解仪器的名称、规格、使用方法和使用条件等等。

例如,有的变阻器的铭牌上标有“滑动变阻器,1.5A50Ω的意思是滑动变阻器允许通入的最大电流是1.5A,最大阻值是50Ω。

(4)观察图像、图表、示意图、实物图。对图像的观察,主要是观察它反映的是什么物理现象,物理量变化过程怎样,物理量的变化遵循什么规律。

对图表的观察,主要通过观察了解图表的意义、用途、应用条件以及所列物理量的单位。

例如,液体的沸点表反映了不同液体沸腾时的温度,用它可以查找液体的沸点,单位是℃,因液体的沸点跟压强等条件有关系,表中所列的通常是在1标准大气压下的沸点值。

对示意图、电路图、实物图等的观察,主要观察它们分别反映的是什么物理模型,有何用途,仪器和电路的结构是怎样布局的,各个部件(或元件)如何连接,各部分有什么关系等等。

(5)观察实验装置的安装。通过对实验装置安装的观察,可了解该装置的用途,使用了哪些仪器和元件以及仪器配置的顺序和方法等等。

(6)观察实验的操作过程。通过对实验操作过程观察,可了解操作前需做哪些准备工作,操作实验的顺序和过程怎样(例略)。

(7)观察实验的现象。对实验现象的观察,主要是观察现象产生的条件和过程。

例如,两根相距很近的平行导线,当通入相同方向的电流时,两者会相互吸引;当通入相反方向电流时,两者就互相排斥。

(8)观察实验的数据。实验数据的观察,要求观测的方法要正确,数字的读数要根据仪器最小刻度达到一定的准确度,记录测量的结果时必须明确数据的单位。

例如,测物体长度,观察刻度时要眼睛正视制度线,不能斜视,观察装在玻璃量筒里或玻璃量杯里水面到达的刻度时,视线要跟水面凹形的底部相平,观察水银温度计时,视线要和水银面最高处相平。

(9)观察教师的示范演示。对教师示范演示的观察,要观察教师规范化的安装实验装置,合理地安排实验程序和正确的操作过程以及演示物理现象、数据的读取和记录,如何得到实验结果等等(例略)。

5.物理实验中的观察方法

物理实验观察,通常采用的方法有:对比观察法和归纳观察法。

(1)对比观察法。人们认识事物、现象,往往是通过对两个事物、现象的对比,或把某一现象发生变化的前、后情况进行比较来实现的。

例如,观察物质熔解或凝固时的体积变化,就可以把石蜡放在烧杯里,先用酒精灯徐徐加热使其全部熔解。这时,观察到石蜡液面是水平的,标出液面与烧杯接触的高度。撤去酒精灯,等石蜡冷却全部凝固后,经过观察发现:石蜡面与烧杯接触的高度虽然没有明显的变化,但表面凹下去了。

又如,在学习沸腾现象时,可以观察液体在沸腾前和沸腾时的情况,并进行比较。这时,要求学生做到细致、敏捷、全面、准确地观察。结果会发现:沸腾前,液体内部形成气泡,气泡在上升过程中逐渐变大,达到液面后破裂。通过液体沸腾前、后的情况对比,可以得知:沸腾是液体内部和表面都进行剧烈地汽化的现象。

我们还可以人为地控制条件,使液体分别在常压、加压、减压下沸腾,比较不同情况下的沸腾现象可知:同一种液体,沸点随外界压强变化而改变;如果研究对象为不同液体,使它们在相同外界压强的条件下沸腾,通过对比实验观察可知,在相同的压强下,不同液体的沸点是不同的。

从以上两个例子可以看出:使用对比观察法,有利于掌握现象的特征以及它与其它类似现象的区别。

(2)归纳观察法。总结一些现象的一般规律,反映现象的实质时,或研究一些涉及变化因素较多的问题时,通常采用归纳观察法。即通过对个别现象分别进行观察,得到一些个别的结论,再分析、归纳,从而得出一般的规律。

例如,为了便于研究质点的加速度与力、质量的关系,就在先确定质量这个因素是不变情况下,观察加速度与力之间的关系;然后在确定另一个因素——力是不变的情况下,观察加速度与质量之间的关系;最后,通过归纳得出牛顿第二运动定律。

可见,使用归纳观察法,有利于掌握现象的实质以及研究比较复杂现象的一般规律。

总之,培养观察能力,要明确观察的目的、任务,激发学生的观察兴趣,要使学生养成善于观察、勤于思考的习惯,要教给学生观察的方法,对学生进行观察训练,要求观察得准确、全面、细致、敏捷。

6.实验结果的表示

实验结果的表示,首先取决于实验的物理模式,通过被测量之间的相互关系,考虑实验结果的表示方法。常见的实验结果的表示方法是有图解法和方程表示法。在处理数据时可根据需要和方便选择任何一种方法表示实验的最后结果。

(1)实验结果的图形表示法。把实验结果用函数图形表示出来,在实验工作中也有普遍的实用价值。它有明显的直观性,能清楚的反映出实验过程中变量之间的变化进程和连续变化的趋势。精确地描制图线,在具体数学关系式为未知的情况下还可进行图解,并可借助图形来选择经验公式的数学模型。因此用图形来表示实验的结果是每个中学生必须掌握的。

图解法主要问题是拟合面线,一般可分五步来进行。

①整理数据,即取合理的有效数字表示测得值,剔除可疑数据,给出相应的测量误差。

②选择坐标纸,坐标纸的选择应为便于作图或更能方使地反映变量之间的相互关系为原则。可根据需要和方便选择不同的坐标纸,原来为曲线关系的两个变量经过坐标变换利用对数坐标就要能变成直线关系。常用的有直角坐标纸、单对数坐标纸和双对数坐标纸。

③坐标分度,在坐标纸选定以后,就要合理的确定图纸上每一小格的距离所代表的数值,但起码应注意下面两个原则:

a.格值的大小应当与测量得值所表达的精确度相适应。

b.为便于制图和利用图形查找数据每个格值代表的有效数字尽量采用1、2、4、5避免使用3、6、7、9等数字。

④作散点图,根据确定的坐标分度值将数据作为点的坐标在坐标纸中标出,考虑到数据的分类及测量的数据组先后顺序等,应采用不同符号标出点的坐标。常用的符号有:×○●△■等,规定标记的中心为数据的坐标。

⑤拟合曲线,拟合曲线是用图形表示实验结果的主要目的,也是培养学生作图方法和技巧的关键一环,拟合曲线时应注意以下几点:

a.转折点尽量要少,更不能出现人为折曲。

b.曲线走向应尽量靠近各坐标点,而不是通过所有点。

c.除曲线通过的点以外,处于曲线两侧的点数应当相近。

(2)实验结果的方程表示法。方程式是中学生应用较多的一种数学形式,利用方程式表示实验结果。不仅在形式上紧凑,并且也便于作数学上的进一步处理。实验结果的方程表示法一般可分以下四步进行。

①确立数学模型,对于只研究两个变量相互关系的实验,其数学模型可借助于图解法来确定,首先根据实验数据在直角坐标系中作出相应图线,看其图线是否是直线,反比关系曲线,幂函数曲线,指数曲线等,就可确定出经验方程的数学模型分别为:

Y=a+bx,Y=a+b/x,Y=a\b,Y=aexp(bx)

②改直,为方便的求出曲线关系方程的未定系数,在精度要求不太高的情况下,在确定的数学模型的基础上,通过对数学模型求对数方法,变换成为直线方程,并根据实验数据用单对数(或双对数)坐标系作出对应的直线图形。

③求出直线方程未定系数,根据改直后直线图形,通过学生已经掌握的解析几何的原理,就可根据坐标系内的直线找出其斜率和截距,确定出直线方程的两个未定系数。

④求出经验方程,将确定的两个未定系数代入数学模型,即得到中学生比较习惯的直角坐标系的经验方程。

7.分组实验问题

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