设计性实验基础知识和物体密度测量..doc

（密度测量是设计性实验，请大家务必按设计性实验的要求写实验准备报告-预习报告和实验报告；做实验时有几点要求说明如下： 请每一位同学务必选一个题目写出规范的预习报告；每一大组同学务必把所有的题目选完，麻烦每一组的负责同学，把题目给大家分配好。 这个实验需预习报告和实验报告订在一起上交，但每次上课前我要检查大家写的预习报告是否符合要求。 考试时因仅半个小时，无法按照设计性实验要求考试，我们的考试办法是：所有题目中所有符合条件的方法都会考到；所以上课分两步进行：1.前1个小时把所有题目中所有符合条件的方法都测一遍；2.后一个小时大家按照自己选定的题目精确测量。 请大家提前把所有符合条件的方法都预习一遍。 设计性实验基础知识 通过基础实验的学习和训练，学生掌握了基本物理量的测量、基本实验仪器的使用和误差分析等，具备了一定的实验技能。在此基础上进行设计性实验的训练是非常必要的。 设计性物理实验,是让学生应用所学知识,根据指导教师提供的实验题目和实验要求,自主查阅参考文献,根据已有的实验条件,自主设计实验方案,自选或组装实验设备,自拟实验操作步骤,在规定的时间内完成实验。从而培养学生的开拓精神和创新能力。学生通过做设计实验，从成功与失败中受到训练，得到综合素质的提高。 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、实验仪器的选择与配套和测量条件与最佳参数的确定。 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。密度的测量根据密度的定义式有直接测量法、流体静力称衡法、比重瓶法等。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和要求，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室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“测定液体的密度，要求相对不确定度≤1%”，通过查阅资料发现可采用的方法很多，如流体静力称衡法、比重瓶法、粘滞系数测定仪法等，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。如果研究对象是油，则要采用粘滞系数测定仪法，若研究对象是食盐水和酒精可考虑选用流体静力称衡法或比重瓶法。 在我们的教学中，又将设计性实验分为两类： 1.测量型实验 对特定的物理量如密度、重力加速度、电容等进行测量。这一类设计性实验是培养学生发散性思维能力的有效内容和途径。 2.制作型实验 设计并组合装置，以实现对给定物理量（如全息光栅）测量的功能。这类实验既能培养学生对仪器的组合设计能力，又能培养学生的动手制作、创新能力。 初次接触设计性实验，学生难免不知如何下手。为此，我们先介绍设计性实验的一般程序： 设计性实验一般应按上述程序进行。但是，由于实验内容的千变万化，还要针对具体情况做出调整，灵活应用。下面对各步骤作简略说明。 一、建立物理模型 根据实验要求和实验对象的物理性质，研究与实验对象相关的物理过程的原理及过程中各物理量之间的关系、推导数学表达式 。例：测量信阳师范学院所在处的重力加速度g，实验结果的相对不确定度≤0.5%。首先考虑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/ ……，我们可以根据自由下落物体的运动速度与重力加速度的关系可建立—个自由落体运动的物理模型；或者根据单摆小角度摆动情况下，周期与的关系建立一个单摆的物理模型（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）。对于自由落体运动的物理模型：只能测一个单程的时间与位移，当下落行程为2m时，所需时间只有0.6s多，这就对计时仪器的精度提出了很高的要求；对于单摆的物理模型：可测个周期的累积摆动时间，对于摆长的单摆，周期约为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。 二、实验方法的选择 物理模型确定之后，就要选择适当的实验方法。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：在测量体积时——可以使用直接测量法、流体静力称衡法和比重瓶法等多种具体的测量方法；测量温度时——可以使用水