普通物理实验（力学、热学部分）.pdf

普通高等教育“十三五”规划教材 21世纪应用型本科规划教材 普通物理实验（力学、热学部分）周小珠 谢 冰 吴兹起 主编 黄天宇 张 爽 副主编 内 容 简 介 本书是根据 高等学校应用物理学本科指导性专业规范 中物理实验知识体系而编写的，包含绪论、力学实验和热学实验的内容，属于基础物理实验。本书共有 21 个实验，其中有 13 个力学实验，8 个热学实验。绪论部分主要介绍基本物理实验方法、基本物理量、常用实验数据处理方法等，突出应用计算机通用软件处理实验数据的基本方法。本书可作为高等院校本科物理学及相近专业第一层次物理实验课和本科非物理学理工类专业大学物理实验课的教材，也可供相关专业的读者学习、参考。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 普通物理实验.力学、热学部分/周小珠，谢冰，吴兹起主编.北京：电子工业出版社，2018.2 ISBN 978-7-121-33257-9 I普 II周 谢 吴 III普通物理学实验高等学校教材 力学实验高等学校教材 热学实验高等学校教材 IV.O4-33 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 306166 号 策划编辑：王晓庆 责任编辑：王晓庆 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：787980 1/16 印张：7.5 字数：192 千字 版 次：2018 年 2 月第 1 版 印 次：2018 年 2 月第 1 次印刷 定 价：29.90 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：(010)88254113，。前 言 2010 年国务院常 务会 议审 议 通 过的 国 家中 长 期 教育 改 革 和发 展 规 划纲 要（20102020 年）指出，“要加大教学投入，重点扩大应用型、复合型、技能型人才培养规模”。2014 年 2 月 26 日召开的国务院常务会更明确提出要开创新的职业教育模式，要引导一批地方普通本科院校向应用技术型院校转型。同年 3 月，教育部副部长鲁昕在中国发展高层论坛上透露，教育部计划将 600 多所地方本科高校（大部分是新建本科院校）向应用技术、职业教育类型转变。而我国普通高等院校共 1200 所左右，这就意味着有 50%的高校将要转型，它们将更多地承担培养技术应用型人才的任务，特别是培养生产、服务一线技术工程师。可见，应用型人才培养作为我国高等教育人才培养体系中的重要组成部分，已经提上议程。新建本科院校已成为我国高等教育体系的重要组成部分，是我国高等教育大众化的有生力量。2011 年，广西区政府同意在钦州学院的基础上筹建北部湾大学，被列为自治区重点推进项目。2013 年成为教育部首批应用型大学联盟理事高校，2014 年成为广西新建本科院校整体转型发展试点单位。钦州学院虽然是应用型大学联盟理事高校，是新建本科院校整体转型发展的试点单位，但应用型教材建设滞后。如大学物理实验或普通物理实验教材，大多借用传统本科教材，这些教材相对而言内容较多，理论较深，在数据记录和处理上不够详细，学生完成实验并上交实验报告的效率不高，在学生理解能力有限的情况下，给教与学带来了一定困难，当然也严重影响了教学质量和教学目标实现，这显然不能适应学校定位特色。本书包含绪论、力学实验和热学实验，是根据高等学校应用物理学本科指导性专业规范中物理实验知识体系而编写的，属于基础物理实验。本书共有 21 个实验，其中有13 个力学实验，8 个热学实验。绪论部分主要介绍基本物理实验方法、基本物理量、常用实验数据处理方法等，突出应用计算机通用软件处理实验数据的基本方法。本书可作为高等学校本科物理学及相近专业第一层次物理实验课和本科非物理学理工类专业大学物理实验课的教材。除此之外，本书尽可能简化实验原理、突出实验数据记录和处理上的详细化，让 80%的学生在规定的实验时间内能完成实验，基础较薄弱的少数学生即使在看不明白原理的情况下，按照实验内容和步骤，在本书数据记录、数据处理的“引导”下也能完成实验，减少学生设计实验数据、记录表格等环节所需的时间，同时使数据记录和处理更规范、更准确。本书主要由钦州学院理学院物理教研室从事物理实验教学的教师编写，具体编写任务如下：周小珠，负责热学实验部分的编写；谢冰，负责统稿、审核和数据处理方法的编写；吴 IV兹起，负责力学实验部分的编写；黄天宇，负责绪论部分的编写；张爽，负责计算机通用软件处理实验数据部分的编写。由于作者水平有限，书中难免出现错误与不妥之处，敬请有关专家和读者批评指正。编 者 2018 年 1 月 目 录 绪 论 1 1 物理实验的基础知识 1 1-1 物理实验课的任务与教学环节 1 1-2 测量与误差 3 1-3 有效数字及其运算规则 5 1-4 测量的不确定度 8 1-5 数据处理的一般方法 12 2 力学、热学实验基本仪器 17 2-1 游标卡尺 17 2-2 螺旋测微计 19 2-3 物理天平 20 力学实验部分 22 实验一 速度、加速度的测定 22 实验二 动量守恒的验证 25 实验三 用三线摆测量刚体转动惯量 28 实验四 拉伸法测定杨氏模量 34 实验五 固体和液体的密度测定 40 实验六 受迫振动 43 实验七 弦振动实验 49 实验八 声速的测量 53 实验九 双孔应变传感器称重实验 57 实验十 集成霍尔传感器特性与简谐振动实验 58 实验十一 用单摆测重力加速度 65 实验十二 信号的傅里叶分析 67 实验十三 耦合摆的研究 70 热学实验部分 75 实验十四 固体比热容的测定（混合法）75 实验十五 冰熔解热的测量 80 实验十六 水的汽化热的测定 83 实验十七 金属丝的线膨胀系数的测量 85 VI实验十八 稳态平板法测量非良导体的导热系数 88 实验十九 用落球法测液体的粘度 91 实验二十 中、高真空的获得与测量 93 实验二十一 温度传感器及其标定和应用 99 附录 A 中华人民共和国法定计量单位 103 附录 B 常用物理常数表 105 附录 C 常用物理常量表 106 参考文献 112 绪 论 1 物理实验的基础知识 1-1 物理实验课的任务与教学环节物理实验课的任务与教学环节 一、物理实验课的任务 物理学是一门实验科学，物理学的形成和发展是以实验为基础的，物理实验的重要性不仅表现在通过实验发现物理定律，而且物理学中的每一项重要突破都与实验密切相关。历史表明，在物理学的建立和发展过程中，物理实验一直起着重要的作用，并且在今后探索和开拓新的科技领域时，物理实验仍然是强有力的工具。物理实验课是理工科大学学生进行科学实验基础训练的一门重要课程，是学生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练的开端，是大学生今后从事科学研究工作的启蒙，它的主要任务如下。（1）学习物理实验的基本知识、基本方法，培养实验技能。实验技能包括：通过阅读教材或其他资料，能概括出实验原理和方法要点；正确使用实验仪器，掌握基本物理量的测量方法和实验技能；能记录和处理实验数据，分析实验结果和撰写实验报告。（2）对物理实验现象的观测和分析，学习运用理论指导实验、分析和解决实验中出现的问题，从理论和实际的结合上加深对物理概念与规律的理解。（3）通过设计性实验的实践训练，学习并初步掌握物理实验基本设计方法。（4）通过实验，培养良好的实验习惯，严慎、细致、实事求是的科学态度和工作作风。二、物理实验课的教学环节 物理实验是学生在老师指导下独立进行实验的一种实践活动，但是无论实验的内容如何，也无论采用何种实验方法，其基本程序大致相同，一般都有三个环节。1课前预习 要在规定的时间内高质量地完成实验任务，必须在实验之前做好充分的预习工作，只有这样，才能掌握实验工作的主动性，自觉地、创造性地获得知识，否则，就只能机械地、盲目地照搬实验教材，更谈不上理解物理现象的实质、分析实验中的各种现象了。普通物理实验（力学、热学部分）2 预习时应仔细阅读实验教材或有关的资料。在理解本次实验的目的、原理的基础上，弄清楚要观察哪些现象，测量哪些物理量，以及用什么方法和仪器来测定，同时写出预习报告。预习报告应包括：画出实验原理图，列出实验所依据的理论公式，画出数据记录表格。表格上应标明文字符号所代表的物理量及其单位，并确定测量次数。2进行实验 实验是整个教学中最重要的一环，动手能力、分析问题和解决问题的能力的培养，主要在具体实验时完成。因此，必须充分利用课内的有限时间，提高学习效率。（1）仪器的安装与调节：实验前要熟悉仪器，了解仪器的工作原理和用法，然后耐心地将仪器安装调整好。不注意耐心细致地调整仪器，而忙于进行测量，这是很多同学容易出现的毛病。使用仪器测量时，必须按规程进行操作。在仪器的安装与调整中一般应注意：安排仪器时，应尽量做到便于观察、读数和记录。灵敏度高的仪器（如物理天平、灵敏电流计）都有制动器，不进行测量时，应使仪器处于制动状态。停表、温度计、放大镜等小件仪器，在用完之后要放到实验台中间的仪器盒中。拧动仪器上的旋钮或转动部分时，不要用力过猛。注意仪器的零点，必要时需进行调零。砝码、透镜、表面镀膜反射镜等器件，为了保持其测量精确度和光洁，不许用手去摸，也不要随便用布去擦。使用电学仪器要注意电源电压、极性，并需经教师允许后方能接通电源。实验后要将仪器整理、恢复到实验前的状态。（2）观测：实验中必须仔细观察、积极思考、认真操作、防止急躁。要在实验所具备的客观条件（如温度、压力、仪器精度等）下，进行认真的实事求是的观察和测量。（3）记录：每次测量后，应及时将实验数据细心地记录在预习报告的数据表格内，并注明单位。要根据仪表的最小刻度单位或准确度等级决定实验数据的有效数字的位数。记录时要用钢笔或圆珠笔，不要用铅笔。如果发现记错了，也不要涂改，应轻轻画上一道，在旁边写上正确值，使正误数据都能清晰可辨，以供在分析测量结果和误差时参考。此外，还应记录环境温度、湿度、气压等实验条件，仪器型号规格与编号及实验现象等。总之，测量实验数据时要特别仔细，以保证读数准确，因为实验数据的优劣往往决定了实验结果的成败。3写实验报告 实验报告是实验工作的全面总结，要求文字通顺，字迹端正，图表规矩，结论明确，逐步培养以书面形式分析、总结科学实验结果的能力。实验报告内容包括以下几部分。（1）实验名称、实验者姓名、实验日期、实验地点、指导老师。（2）实验目的。（3）仪器和用具：应注明所用仪器的规格、精度或分度值。绪 论 3（4）实验原理：用自己的语言简要叙述实验原理，列出测量中依据的主要公式、电路图、光路图。（5）实验内容与步骤：根据实际的实验过程，条理分明地写出实验步骤及安全注意要点，可参考书上的步骤，但不要照抄。（6）数据记录与处理：对实验中记录的“原始数据”重新列表整理，根据实验要求完成数据计算、图线的绘制等。计算要按照有效数字的运算法则进行，并求出结果的不确定度，正确运用不确定度表示实验结果。在表达实验结果时，一般包括不可分割的两部分，即结果的测量值 x，测量不确定度()u x，结果写为()xxu x=+，()100%u xEx=。（7）结果及讨论：该部分要明确给出实验结果，并对结果进行讨论（如实验中观察到的现象分析、误差来源分析、实验中存在的问题讨论、回答实验思考题等）。也可对实验本身的设计思想、实验仪器的改进等提出建设性意见。1-2 测量与误差测量与误差 一、测量 物理实验是以测量为基础的，研究物理现象、了解物质特性、验证物理原理都要进行测量。测量可以分为两类。根据测量方法，可分为直接测量和间接测量。直接测量就是把待测量与标准量直接比较得出结果。如用米尺测量物体的长度、用天平称量物体的质量、用电流表测量电流等，都是直接测量。间接测量是借助函数关系由直接测量的结果计算出待测的物理量。例如，测量地球