大学物理学实验指导书.

大学物理学实验指导书

大学物理实验 力学部分

实验一 长度与体积的测量

实验类型：验证

实验类别：专业主干课 实验学时：2

所属课程：大学物理

所涉及的课程和知识点：误差原理 有效数字

一、实验目的

通过本实验的学习，使学生掌握测长度的几种常用仪器的使用，并会正确读数。练习作好记录和误差计算。 二、实验要求

（1）分别用游标卡尺、螺旋测微计测金属圆筒、小钢球的内外径及高度，并求体积。 （2）练习多次等精度测量误差的处理方法。 三、实验仪器设备及材料

游标卡尺，螺旋测微计，金属圆柱体，小钢球，铜丝 四、实验方案

1、用游标卡尺测量并计算所给样品的体积。

2、分别用千分尺和读数显微镜测量所给金属丝的直径。 数据处理

注意：有效数字的读取和运用，自拟表格，按有关规则进行数据处理。

描述实验过程（步骤）以及安全注意事项等, 设计性实验由学生自行设计实验方案。 五、考核形式 实际操作过程 实验报告 六、实验报告

实验原理，实验步骤，实验数据处理，误差分析和处理。

对实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。 七、思考题

1、游标卡尺测量长度时如何读数？ 游标本身有没有估读数？

2、千分尺以毫米为单位可估读到哪一位？初读数的正负如何判断？ 待测长度如何确定？

实验二 单摆

实验类型：设计

实验类别：专业主干课 实验学时：2

所属课程：大学物理

所涉及的课程和知识点：力学 单摆周期公式

一、实验目的

通过本实验的学习，使学生掌握使用停表和米尺，测准单摆的周期和摆长。 利用单摆周期公式求当地的重力加速度 二、实验要求

（1）测摆长为1m 时的周期求g 值。

（2）改变摆长，每次减少10cm ，测相应周期T ，作T —L 图，验证单摆周期公式。 三、实验仪器设备及材料 单摆、米尺、游标卡尺、停表。 四、实验方案

利用试验台上所给的设备及材料，自己制作一个单摆，然后设计实验步骤测出单摆的周期，再根据单摆的周期公式计算当地的重力加速速。

改变摆长，讨论对实验结果的影响并分析误差产生的原因 五、考核形式 实际操作过程 实验报告 六、实验报告

实验原理，实验步骤，实验数据处理，误差分析和处理。

对实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。 七、思考题

1、为什么测量周期不宜直接测量摆球往返一次摆动的周期？试从误差分析来说明。 2、在室内天棚上挂一单摆，摆长很长，你设法用简单的工具测出摆长？不许直接测量摆长。

实验三 牛顿第二定律的验证

实验类型：验证

实验类别：专业主干课 实验学时：2

所属课程：大学物理

所涉及的课程和知识点：力学 牛顿第二定律 摩擦

一、实验目的

通过本实验的学习，使学生掌握气垫导轨的使用，使学生通过在气垫导轨上验证牛顿第二定律，更深刻的理解牛顿第二定律的物理本质。 二、实验要求

验证当m 一定时，a ∝F, 当F 一定时，a ∝1／m 。 三、实验仪器设备及材料

气垫导轨，数字毫秒计，光电门，气源 四、实验方案

1、调整气垫导轨水平。

在导轨的端部小心安装好滑轮，使其转动自如，细心调整好导轨的水平。

调整气垫导轨水平是实验前的重要准备工作，要细致耐心地反复调整，可按下列两种方法中的任一种方法

调整：

（1）静态调平法：导轨接通气源，滑行器置在导轨某处，用手轻轻地把滑行器压在导轨上，再轻轻地放开，观察滑行器的运动状态，连续做几次。如果滑行器在导轨上静止不动，或稍有左右移动，则导轨是水平的；如滑行器都向同一方向运动，表明导轨不平。仔细、认真调节水平螺钉，直到滑行器在导轨任意位置上基本保持静止不动，或稍有左右移动。一般要在导轨上选取几个位置做这样的调节。

（2）动态调平法：将气轨与记时器配合进行调平，仪器接通电源，仪器功能选择在“S2”挡上，两个光电门间距不小于30cm 卡装在导轨上，导轨两端装上弹射器，滑行器装上挡光片（如1cm 一种），给气轨通气让滑行器以一定的速度从导轨的左端向右端滑行，先后通过两个光电门G1和G2，记时器就分别记下挡光片通过两个光电门的时间∆t 1和∆t 2。若∆t 1>∆t 2 ，滑行器通过G2的光电门时间短，表明滑行器运动速度加快，导轨左高右低；若∆t 1

2 、在滑行器上装上1cm 的挡光片，对应滑轮一端装上座架，将拴在砝码桶上的细线跨过滑轮并通过堵板上的方孔挂在滑行器的座架上。

3、将起始挡板固定在导轨适当位置上，并将两个光电门置于导轨的相应的位置上（如80cm 和130cm 处），注意当砝码桶着地前，滑行器要能通过靠近滑轮一侧的光电门。

4、记时器的功能选择在“a ”挡，将改变m1所需砝码预先置于滑行器上，在砝码桶内加上一定质量的砝码，导轨通气，让滑行器从起始挡板处开始运动，通过两个光电门，记时器会自动测出时间，计算出加速度a 。 5、逐次从滑行器上取下相等质量的砝码放入砝码桶内，重复步骤4，直到砝码全部移到桶内为止。 6、用天平准确称出滑行器的质量m2、砝码桶和砝码的质量m1。 7、利用测得数据做出a ～F 图象，若为直线，则F 和a 正比关系成立。 五、考核形式 实际操作过程 实验报告 六、实验报告

实验原理，实验步骤，实验数据处理，误差分析和处理。

对实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。 七、思考题

1、实验中滑行器是否都要从同一位置开始释放，位置不同对实验结果有何影响 2、气垫导轨如果没有调平衡或空气层厚度过小或过大，对实验结果有何影响 3、减小摩擦还有那些其它方法

热学部分

实验一 混合法测定固体比热容

实验类型：验证型 实验类别：基础课 实验学时：3 所属课程：大学物理

一、实验目的

1、掌握基本的量热方法——混合法。 2、测定金属的比热容。 二、实验要求

1、学会量热器的使用方法。

2、进一步熟悉物理天平、温度计等的使用。 3、掌握混合法测定固体比热容的原理。

4、学会对系统误差的修正方法——热量出入相互补偿法。

温度不同的物体混合之后，热量将由高温物体传给低温物体。如果在混合过程中和外界没有热交换，最后将达到均匀稳定的平衡温度，在这过程中，高温物体放出的热量等于低温物体所吸收的热量，此称为热平衡原理。本实验即根据热平衡原理用混合法测定固体的比热。

将质量为m 、温度为t 2的金属块投入量热器内筒的水中。设量热器质量为m 1, 比热容为c 1(包括搅拌器) ，量热器内筒中水的质量为m 0，比热容为c 0，待测物投入水中之前的水温为t 1。在待测物投入水中以后，其混合温度为θ，则在不计量热器与外界的热交换的情关系

况下，将存在下列

mc (t 2-θ) =(m 0c 0+m 1c 1+1. 9V )(θ-t 1) （1-1） 即 c =

(m 0c 0+m 1c 1+1. 9V )(θ-t 1)

（1-2）

m (t 2-θ)

单位为cm 3。

图1-1

但V 的1. 9V (J ⋅︒C -1) 为温度计插入水中部分的热容，

上述讨论是在假定量热器与外界没有热交换时

的结论。实际上只

要由温度差异就必然会由热交换存在，因此，必须考虑如何防止或进行修正热散失的影响。热散失的途径主要有三：第一是加热后的物体在投入量热器水中之前散失的热量，这部分热量不易修正，应尽量缩短投放时间。第二是在投下待测物后，在混合过程中量热器由外部吸热和高于室温后向外散失的热量。在本实验中由于测量的是导热良好的金属，从投下物体到达混合温度所需时间较短，可以采用热量出入相互抵消的方法，消除散热的影响。即控制量热器的初温t 1，使t 1低于环境温度t 0，混合后的末温θ则高于t 0，并使

(t 0-t 1) =(θ-t 0) 。第三要注意量热器外部不要有水附着(可用干布擦干净) ，以免由于水的蒸发损失较多的热量。

由于混合过程中量热器与环境有热交换，先是吸热，后是放热，至使由温度计读出的初温t 1和混合温度

θ都与无热交换时的初温度和混合温度不同。因此，必须对t 1和θ进行校正。可用图解法进行，如图1-1所示。

实验时，从投物前5，6分钟开始测水温，每30s 测一次，记下投物的时刻与温度，记下达到室温t 0的时刻τt 0作一竖直线MN ，过t 0作一水平线，二者交于O 点。然后描出投物前的吸热线AB ，与MN 交于B 点，混合后的放热线CD 与MN 交于C 点。混合过程中的温升线EF ，分别与AB 、CD 交于E 和F 。因水温达室温前，量热器一直在吸热，故混合过程的初温应是与B 点对应的t 1，此值高于投物时记下的温度。同理，水温高于室温后，量热器向环境散热，故混合后的最高温度是C 点对应的温度t 2，此值也高于温度计显示的最高温度。

在图1-1中，吸热用面积BOE 表示，散热用面积COF 表示，当两面积相等时，说明实验过程中，对环境的吸热与放热相消。否则，实验将受环境影响。实验中，力求两面积相等。 三、实验仪器设备及材料

量热器，温度计，物理天平，秒表，加热器，小量筒，待测物（金属块）。 四、实验方案

1、用物理天平称衡被测金属块的质量m ，然后将其吊在加热器当中的筒中加热 （直至水沸腾），并用温度计测出室温t 室。

2、将量热器内筒擦干净，用天平称出内筒和搅拌器的质量m 1，然后向量热器内注入适量(约为其容积的

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～) 低于室温的冷水，称得其质量为m 0+m 1，从而求出水的质量m 0。 23

开始测水温并记时间，每隔30s 测一次，连续测6次。

3、将加热的金属块迅速投放入量热器中，立刻盖好盖，记下物体放入量热器的时间和温度；进行搅拌并观察温度计示值，每10s 测一次水温，直到温度由最高均匀下降，再每隔30s 测一次水温，连续测6次为止。

4、用小量筒测出温度计没入水中的体积（实验中温度计一定要没入水中，但不能碰到金属块）。 5、测出大气压强，查附表得到水的沸点，该温度即为金属块加热后的温度t 2。 6、按图1-1绘制t -τ图，求出混合前的初温t 1和混合温度θ。

7、将上述各测定值代入式(2)求出被测物的比热容及其标准偏差。比热容的单位为J ⋅kg -1⋅ C -1。 水的比热容c 0为4. 187⨯103J ⋅kg -1⋅ C -1。量热器(包括搅拌器) 是铝制的，其比热容c 1为

0. 88⨯103J ⋅kg -1⋅ C -1。 【注意事项】

1、量热器中温度计位置要适中，不要使它靠近放入的高温物体，因为未混合好的局部温度可能很高。 2、t 1的数值不宜于比室温低的过多(控制在2～3℃左右即可) ，因为温度过低可能使量热器附近的温度降到露点，致使量热器外侧出现凝结水，而在温度升高后这凝结水蒸发时将散失较多的热量。

3、搅拌时不要过快，以防止有水溅出。 五、考核形式

实验操作平均成绩占30%，实验报告平均成绩占30%，期末考试成绩占40％。 六、实验报告

1、实验预习：包括实验目的和要求；实验内容和原理；用到的实验器材；采用的实验方法，步骤和操作过程，并根据需要合理设计实验数据记录表格。

2、实验过程：实际实验中采用的实验方法，步骤和操作过程及注意事项，实验现象和原始数据的记录。 3、数据处理和实验结论：实验数据的计算处理，分析以及实验结论等。

4、结果分析和实验结论：根据相关理论知识对所得到的实验结果进行解释和分析，包括实验的结果是否与理论相吻合以及原因，实验后的心得体会和建议。 七、思考题

1、混合法的理论依据是什么？

2、量热器中所放水的多少对实验有何影响？

3、分析本实验中哪些因素会引起系统误差？测量时应怎样才能减小误差。

实验二 热功当量的测定

实验类型：验证型 实验类别：基础课 实验学时：3 所属课程：大学物理

一、实验目的

1．用电热法测量热功当量。

2．学会一种热量散失的修正方法—修正终止温度。 二、实验要求

1、进一步学习量热器的使用。

2、掌握电热法测量热功当量的实验原理。

3、进一步熟悉热量散失的修正法——修正终止温度。

4、会正确连接实验电路，弄清电表的正负极与电源正负极的接法。

仪器装置如图2-1所示，M 与B 分别为量热器的内外两个圆筒，C 为绝缘垫圈，D 为绝缘盖，J 为两个铜金属棒，用以引入加热电流，F 是绕在绝缘材料上的加热电阻丝，G 是搅拌器，H 为温度计，E 为稳压电源。

1．电热法测热功当量

强度为I 安培的电流在t 秒内通过电热丝，电热丝两端的电位差为U 伏特。则电场力做功为

W＝IUt （2－1）

这些功全部转化为热量，此热量可以用量热器来测量。设m 1表示量热器内圆筒和搅拌器（一般质料相同，否则应分别考虑）的质量，C 1表示其比热。m 2表示电流引入铜金属棒和电阻丝的质量，C 2表示其比热。m 3表示量热器内圆筒中水的质量，C 3表示水的比热，V 表示温度计沉入水中的体积，T 0和T f 表示量热器内圆筒及圆筒中水的初始温度和终止温度，那么量热器内圆筒及圆筒中的水等由导体发热所得的热量Q 为

Q＝（m 1C 1＋m 2C 2＋m 3C 3＋1.9V ）（T f －T 0） （2－2） 所以，热功当量

J =W =

Q

IUt 焦耳/卡 （2－3）

(m 1C 1+m 2C 2+m 3C 3+1. 9V )(T f -T 0)

J 的标准值J 0＝4.1868焦耳/卡。

2．散热修正

如果实验是在系统（量热器内筒及筒中的水等）的温度与环境的温度平衡时，对电阻通电，那么系统加热后的温度就高于室温θ。实验过程中将同时伴随散热作用，这样，由温度计读出的终止温度的数值T 2必须比真正的终止温度的数值T f 低。（即假设没有散热所应达到的终温为T f ）。为了修正这个温度的误差，实验时在相等的时间间隔内，记下相对应的温度，然后以时间为横坐标，温度为

纵坐标作图，如图2－2所示。图中AB 段表示通电以前系统与环境达到热平衡后的稳定阶段，其稳定温度（即室温）也就是系统的初温T 0，BC 段表示在通电时间t 内，系统温度的变化情况。由于温度的变化存在滞后的现象，因而断电后系统的温度还将略为上升，如CD 段所示， DE段表示系统的自然冷却过程。

根据牛顿冷却定律，当系统的温度T 与环境的温度θ相差不大时，由于散热，系统的冷却速率 dT

dt

=K (T -θ) =FT -b （2－4）

即冷却速率v =dT 与系统的温度T 成线性关系。

dt

当系统自T 0升温到T 2时，其冷却速率相应从0增大到v =∆T 。所以在BD 升温过程中，系统的平均冷却

t 2

速率v =1v =1∆T ，在此过程中由于散热而使系统最终产生的误差

2

2t 2

2t 2

σT =v t 1=t 1∆T

（2－5）

系统的真正终温

T f =T 2+σT =T 2+t 1∆T （2－6）

2t 2

数据处理时，还可用作图的方法求T f 值。如图(2—2) 所示，将DE 线段往左外延，再通过P 点（t 1/2点）作横坐标轴的垂线与DE 的外延线交于F 点，则F 点对应的温度就是系统修正后的终止温度T f 。

如果系统起始加热的温度T 0不等于室温，则由于开始时的温度冷却速率不为零，系统的温度修正值不能用（2－5）式。从牛顿冷却定律知，当系统与环境的温度相差不大时（小于15℃），其温度冷却速率与温度差成正比。于是，可得开始加热时的冷却速率其中v 0=T 0-θv ，v 为用温度计测得系统的终止温度T 2时的冷却

T 2-θ

速率，可从图2－2求得（v =∆T ）。所以在BD 升温过程中系统的平均冷却速率

t 2

v =1(v 0+v ) =1(T 0-θv +v ) =T 0+T 2-2θv

2

2T 2-θ

2(T 2-θ)

系统的真正终温

T f =T 2+v t 1=T 2+T 0+T 2-2θvt 1

2(T 2-θ)

=T 2+T 0+T 2-2θ∆T t 1 （2－7）

2(T 2-θ) t 2

三、实验仪器设备及材料

量热器（附电热丝），温度计（0℃～50℃、0.1℃），电流表，电压表， 直流稳压电源，秒表，物理天平，可变电阻，开关，蒸馏水等。 四、实验方案

1．用物理天平分别称出量热器内圆筒和搅拌器m 1, ，电流引入金属棒和电阻丝的质量m 3由实验室给出。测量环境温度θ，实验开始和结束时各测一次取平均值。

2．在量热器的内圆筒中装上二分之一到三分之二容积的水；

3．按图2－1接好电路，盖好量热器的盖子，插上温度计（浸入水中，又不可触及电热丝），打开电源并调节直流稳压电源的输出电压，用搅拌器缓慢搅动量热器的内圆筒中的水，使内圆筒中的水温每分钟升高1.5℃左右。记下电表测得的电流及电压（电流不可超过3A ）；

4．断开电源，量热器的内圆筒中的温水替换为同量、温度为室温的蒸馏水。用物理天平称量量热器内圆筒中蒸馏水的质量m 2；

5．待量热器内水的温度稳定后（略高于环境温度），记录下数值，此时的温度为初始温度T 0。合上电源开关，使电路通电，同时，用秒表开始计时，每隔一分钟分别记一次温度计、安培表及伏特表的读数（亦可每隔20秒依次对上述三个量进行一次读数，然后周而复始）。实验过程中必须连续缓慢搅动量热器的内圆筒中的水，以使温度均匀，直到温度超过初始温度约12℃，再断开电源。记下实际通电的时间t ，断电后系统温度还会略为升高，故必须仔细观察并记下系统的终止温度T 2及其经历的时间t 1。以后继续搅拌，并每隔一分钟记录一次读数，直到温度下降1o C 左右，以获得自然冷却数据（至少记录6次）。

6．用小量筒估计温度计浸入水中的体积V ； 【注意事项】

1．温度计要浸入水中，但又不能触及电热丝，注意搅拌器、凉热墙壁和电阻丝不要短路。 2．电路接好后，须经指导教师检查无误后，才能接通电源，注意电表的正负极性不要接反。 3．只有当电热丝浸入在水中才能通电，否则，铜棒和电热丝可能会被烧坏。

4．通电后每隔一定时间记下导体温度，断电后继续连续记温，到导体自然冷却一段时间后再停止。 五、考核形式

实验操作平均成绩占30%，实验报告平均成绩占30%，期末考试成绩占40％。 六、实验报告

1、实验预习：包括实验目的和要求；实验内容和原理；用到的实验器材；采用的实验方法，步骤和操作过程，并根据需要合理设计实验数据记录表格。

2、实验过程：实际实验中采用的实验方法，步骤和操作过程及注意事项，实验现象和原始数据的记录。 3、数据处理和实验结论：实验数据的计算处理，分析以及实验结论等。

4、结果分析和实验结论：根据相关理论知识对所得到的实验结果进行解释和分析，包括实验的结果是否与理论相吻合以及原因，实验后的心得体会和建议。 七、思考题

1．切断电源后，水温还会上升少许，然后才开始下降，记录T 2、t 1及用作图的方法求出T f 时，如何处理为正确？

2．为什么要限制加热的温升速率？过大或过小的温升速率对实验结果有什么影响？

电磁学部分

实验一 伏安法测电阻及二极管伏安特性曲线

实验类型：设计 实验类别：专业基础 实验学时：3

所属课程：电磁学

一、实验目的

通过本实验的学习，使学生了解或掌握元器件伏安特性的测量方法。 二、实验要求

实验要求：根据实验室中给出的仪器设备，自行设计测量电路，包括选用仪器，确定测量电路，测量条件，实验步骤等。要求尽量减小误差，测量中不要使电表过载。 三、实验仪器设备及材料

电阻元件, 伏安特性测试仪, 电流表, 电压表, 滑线变阻器. 四、实验方案

由学生自行设计实验方案。 五、考核形式

1．平时成绩占60%：包括：对实验原理、方法、步骤、实验技能、实验设计等的掌握，实验报告的

书写，实验前后的预习及总结等，综合评定。

2．期末操作考试+笔试占40%：单人单桌，随机抽题。 二项成绩之和为总成绩。 六、实验报告

主要内容包括，对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。 七、思考题

试分析本实验中引起测量误差的各主要因素, 并比较各因素引起误差的大小?

实验二 静电场的描绘

实验类型：综合 实验类别：专业基础 实验学时：3

所属课程：电磁学

所涉及的课程和知识点：电磁学课程中静电场和稳恒电流的内容

一、实验目的

1. 了解用电流场模拟静电场的基本原理 2. 加深对静电场性质的理解 3. 学习用回归法处理数据 二、实验要求

1．预习《普通物理实验》（朱俊孔等编）中“静电场描绘”实验，回顾《电磁学》课程中的静电场与稳恒电流场的内容。根据实验原理来比较静电场与稳恒电流场的异同，理解模拟场与被模拟场之间要满足的条件，根据内容要求确定实验方案。

2．预习思考题：

（1）为什么要用模拟法测量静电场的结构？用电流场模拟静电场要满足什么条件？ （2）能否模拟点电荷所激发的电场？ 三、实验仪器设备及材料

静电场描绘器 直流稳压电源 滑动变阻器 万用欧姆表等 四、实验方案

1．无线长共轴电缆之间的静电场模拟描绘； 2．填写实验报告。 五、考核形式

1．平时成绩占60%：包括：对实验原理、方法、步骤、实验技能、实验设计等的掌握，实验报告的书写，实验前后的预习及总结等，综合评定。

3．期末操作考试+笔试占40%：单人单桌，随机抽题。 二项成绩之和为总成绩。 六、实验报告

学生实验报告的主要内容包括，对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。 七、思考题

1. 从实验结果看，能否说明电极与导电膜间的接触是否良好？如果某处接触不良，会出现什么现象？ 2.能否在导电膜上模拟带任意电量的两个平行圆柱间的电场分布？

实验三 惠斯登电桥测电阻

实验类型：综合 实验类别：专业基础 实验学时：3

所属课程：电磁学

所涉及的课程和知识点：电磁学课程中稳恒电流和电路的内容

一、实验目的

通过本实验的学习，掌握用惠斯登电桥测电阻的原理，学会用惠斯登通电桥测电阻的方法，初步了解电桥的灵敏度概念。 二、实验要求

1．预习《普通物理实验》（朱俊孔等编）中“单臂电桥”实验，根据内容要求确定实验方案； 2．预习思考题：

（1）电桥平衡的条件是什么？

（2）电桥灵敏度与那些因素有关？电桥灵敏度是否越高越好？ 三、实验仪器设备及材料

标准电阻箱4个, 待测电阻若干个, 直流稳压电源, 指针式检流计, 开关, 导线等。 四、实验方案

1． 用自组电桥测电阻。

1) 开启检流计锁扣，调节检流计使之指针为零；

2) 用三个电阻箱，检流计和Rx 组成电桥, 根据实验步骤进行测量。

注意测量之前用万用表粗测Rx ，比例臂不宜取的太小，用逐次逼近法调节平衡。 2．测量电桥灵敏度。

3．测量标称值不同的中值商品电阻，数值不少于10个，求平均值。 4．填写实验报告。 五、考核形式

1．平时成绩占60%：包括：对实验原理、方法、步骤、实验技能、实验设计等的掌握，实验报告的书写，实验前后的预习及总结等，综合评定。

4．期末操作考试+笔试占40%：单人单桌，随机抽题。 二项成绩之和为总成绩。 六、实验报告

学生实验报告的主要内容包括，对实验步骤，实验数据、实验中的特殊现象、实验操作的成败、实验的关键点等内容进行整理、解释、分析总结，回答思考题，提出实验结论或提出自己的看法等。 七、思考题

1．在调节电桥平衡的过程中，检流计开关为什么采用“跃接法”？你如何根据检流计偏转的方向来调节Rs ，很快找到“平衡点”？

2．在调节电桥平衡的过程中，如果检流计始终不偏转，可能的原因是什么？如果无论怎样改变Rs 的值，检流计始终偏向一边，其原因是什么？

光学部分

实验一 薄透镜焦距的测定

实验类型： 验证型 实验类别：专业基础 实验学时： 3 所属课程： 光学

一、实验目的

1、掌握会聚透镜和发散透镜焦距的测量方法。

2、验证透镜成像公式，学会光学系统的共轴调节。 二、实验要求：

1、预习会聚透镜焦距的测量方法。方法1：利用高斯公式求焦距。方法2：利用贝塞尔法求焦距。 2、预习发散透镜焦距的测量方法：辅助透镜成像法求焦距。 三、实验仪器设备

光具座；会聚透镜；发散透镜；光源；像屏；物屏 四、实验方案

1、光具座上各光学元件的共轴调节

因物距、像距都是沿光轴计算长度的，而长度是靠光具座上的标尺刻度来读数。为准确测量，透镜光轴应与光具座的导轨平行。并且各透镜应调节到共同的光轴上，且光轴与导轨平行。这些步骤称共轴调节，调节方法如下：

① 粗调 把透镜、物、屏等用光具夹夹好后，先将它们靠拢，调节高低适中。使光源、“1”字中心、透镜中心、光屏中央大致在一条和导轨平行的直线上。并使透镜、屏的平面等互相平行且垂直于导轨。这一步骤靠眼睛观察判断。

② 细调 靠成像规律来判断。若“1”字的中心偏离透镜的光轴，那么在移动透镜的过程中，像的中心位置会改变，即大像和小像的中心不重合。此时可根据偏移方向判断“1”字中心究竟是偏左还是偏右，偏上还是偏下，然后加以调整。

2、测量薄凸透镜的焦距

注意使L>4f，固定“1”字屏与像屏的位置。反复多次判断成放大像和缩小像时透镜的位置（光具凳红线指示为准，读到0.1mm ），记下“1”字屏、凸透镜、像屏的位置，将数据填表。 次数 1 2 3 4 5

“1”字与像放大像时透缩小像时透屏间距L 镜位置X1 镜位置X2

d

f '

'

3、测量凹透镜的焦距

先用凸透镜成缩小像，记下像的位置。然后放上凹透镜，注意透镜的光轴要共轴。移动凹透镜和像屏，反复多次判断成像的位置，记录数据并填表。

凸透镜成凹透镜最后成像位S 像位置 位置 置

S '

次数 1 2 3 4

f '

'

5

五、实验报告要求

1、实验报告要规范整洁，数据记录真实，数据处理按实验误差理论进行。

测量误差计算公式为：σN =

∑(f

i =1

n

'

i

-') 2

（n 为测量次数）

n (n -1)

测量结果表示为：f '='±σN

六、思考题

共轴调节的目的是实现哪些要求，不满足这些要求对测量会有什么影响？

实验二 等厚干涉法测球面的曲率半径

实验类型：验证

实验类别：专业基础课 实验学时： 3 所属课程：光学

牛顿环装置是由一块曲率半径较大的平凸玻璃透镜，以其凸面放在一块光学玻璃平板（平晶）上构成的，如图1所示。平凸透镜的凸面与玻璃平板之间的空气层厚度从中心到边缘逐渐增加，若以平行单色光垂直照射到牛顿环上，则经空气层上、下表面反射的二光束存在光程差，它们在平凸透镜的凸面相遇后，将发生干涉。从透镜上看到的干涉花样是以玻璃接触点为中心的一系列明暗相间的圆环，称为牛顿环。由于同

一干涉环上各处的空气层厚度是相同的，因此它属于等厚干涉。

图1装置图

图2牛顿环

由图１可见，如设透镜的曲率半径为Ｒ，与接触点Ｏ相距为ｒ处空气层的厚度为ｄ，其几何关系式为：

R 2=(R -d )+r 2

2

=R 2-2Rd +d 2+r 2

由于Ｒ>>ｄ，可以略去d 2得

r 2

(1) d =2R

•• 光线应是垂直入射的，计算光程差时还要考虑光波在平玻璃板上反射会有半波损失，从而带来λ/2的附加程差，所以总程差为

•• ∆

=2d +产生暗环的条件是：

λ

2

(2)

•• ∆

=(2k +1)

λ

2

(3)

其中ｋ＝0，1，2，3，... 为干涉暗条纹的级数。综合上述式子可得第ｋ级暗环的半径为： •• r k 2=kR λ (4)

由(4)式可知，如果单色光源的波长λ已知，测出第ｍ级的暗环半径ｒm ，即可得出平凸透镜的曲率半径Ｒ；反之，如果Ｒ已知，测出ｒm 后，就可计算出入射单色光波的波长λ。但是用此测量关系式往往误差很大，原因在于凸面和平面不可能是理想的点接触；接触压力会引起局部形变，使接触处成为一个圆形平面，干涉环中心为一暗斑。或者空气间隙层中有了尘埃，附加了光程差，干涉环中心为一亮（或暗）斑，均无法确定环的几何中心。实际测量时，我们可以通过测量距中心较远的两个暗环的半径ｒm 和ｒn 的平方差来计算曲率半径Ｒ。因为

•• ｒm 2＝ｍλＲ ｒn 2＝ｎλＲ 两式相减可得

•• r m 2-r n 2=R (m -n )λ

r -r n

所以•• R =m (5)

m -n λ

22

•• 由上式可知, 只要测出Ｄm 与Ｄn （分别为第m 与第n 条暗环的直径）的值，就能算出Ｒ或λ。这样就可

避免实验中条纹级数难于确定的困难，利用后一计算式还可克服确定条纹中心位置的困难。 一、实验目的

1．进一步熟悉移测显微镜使用，观察牛顿环的条纹特征。 2．利用等厚干涉测量平凸透镜曲率半径。 • 3. 学习用逐差法处理实验数据的方法。 二、实验要求

1. 课前必须认真阅读教材和有关资料，掌握等厚干涉的原理。并到实验室看一下实验设备，基本了解有关

的测量仪器的使用方法，明确哪些物理量是间接测量，哪些是直接测量，用什么方法和测量仪器来测定等。

2. 写出预习报告。内容包括：实验的目的要求、实验内容和原理的或设计的知识点、实验条件、实验方法、

步骤、操作过程或实验设计方案、记录数据的表格。预习报告中最重要的是拟定出主要实验步骤和指明作好实验的关键，不可照抄教材，在预习中要对做好本次实验的几个关键步骤作到心中有数，绝不可应付了事。

3. 写出实验方案。包括安排实验步骤、记录数据的表格、数据处理及问题分析 三、实验仪器设备及材料 牛顿环仪，移测显微镜，低压钠灯 四、实验方案

1. 调整显微镜的十字叉丝与牛顿环中心大致重合。

2. 转动测微鼓轮, 使叉丝的交点移近某暗环, 当竖直叉丝与条纹相切时（观察时要注意视差），从测微鼓轮

及主尺上读下其位置x 。为了熟练操作和正确读数，在正式读数前应反复练习几次，直到同一个方向每次移到该环时的读数都很接近为止。

3. 在测量各干涉环的直经时，只可沿同一个方向旋转鼓轮，不能进进退退，以避免测微螺距间隙引起的回

程误差。在测量某一条纹的直径时，如果在左侧测的是条纹的外侧位置，而在右侧测的是条纹的内侧位置，此条纹的直径可认为就等于这两个位置之间的距离。因为实验时主要测量间隔为ｋ个干涉环的两个暗环的直经平方差。为了减少读数误差，应将ｋ值取得大一些。如取ｋ＝10，则干涉条纹的相对误差就可减小近10倍。只要依次测出从ｋ＝3～22的每一暗环的直经，利用逐差法分组求取条纹的直经平方差，则可获得较好的Ｒ的实验值。 4. 数据处理

n

r m -r n

根据计算式R =，对，r m 、r n 分别测量n 次，因而可得n 个R i 值，于是有=∑R i ，我们要得

m -n λi =1

22

到的测量结果是R =±σR 。下面将简要介绍一下σR 的计算。

22

D 2=D m -D n =2±σ2=

σR =

1

σ2=

4⨯10λ

R ±σR =

5. 注意事项：

•• １．牛顿环仪、透镜和显微镜的光学表面不清洁，要用专门的擦镜纸轻轻揩拭。 •• ２．测量显微镜的测微鼓轮在每一次测量过程中只能向一个方向旋转，中途不能反转。

•• ３．当用镜筒对待测物聚焦时，为防止损坏显微镜物镜，正确的调节方法是使镜筒移离待测物（即提升镜筒）。

五、实验报告

1. 实验名称、实验者姓名、实验日期 2. 实验目的

3. 实验原理和方法。简要叙述，不要照抄教材。 4. 实验仪器（型号、编号、规格）及装置 5. 实验步骤

6. 实验数据和处理，这是报告的核心，要认真计算和处理。

7. 小结。对实验中感到最深刻、最有收获的地方，可以作一小结。包括回答思考题，提出实验结论或提

出自己的看法等。小结全文不要超过200字。原始记录随同实验报告在实验完后的第三天必须交上，由任课教师批改. 六、思考题

１．牛顿环干涉条纹形成在哪一个面上？产生的条件是什么？ ２．牛顿环干涉条纹的中心在什么情况下是暗的？什么情况下是亮的

３．分析牛顿环相邻暗（或亮）环之间的距离（靠近中心的与靠近边缘的大小）。

４．为什么说测量显微镜测量的是牛顿环的直经，而不是显微镜内被放大了的直经？若改变显微镜的放大倍率，是否影响测量的结果。

５．如何用等厚干涉原理检验光学平面的表面质量？