实验预习

怎样做好大学物理实验课程的实验预习

王殿生

中国石油大学物理实验中心

摘要：简要说明了大学物理实验的重要地位和实验预习的重要性。详细介绍如何做好大学物理实验课程的实验预习，包括预习要求、预习重点、设计性实验的预习、预习报告的内容；并以“拉伸法测量钢丝杨氏模量”这一实验项目为例，具体说明了怎样做好实验预习。

一、大学物理实验的重要地位

大学物理实验是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。

大学物理实验覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。

在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面，大学物理实验具有其他实践类课程不可替代的作用。

二、大学物理实验的预习要求

与理论课程不同，实验课程的特点是学生在教师的指导下自己动手，独立完成实验任务。所以实验预习尤其重要。上课时教师要检查实验预习情况，评定实验预习成绩。没有预习的学生不能做实验。

实验预习的目的是全面认识和了解所要做的实验项目。因此，要求在预习时应理解实验原理，了解实验仪器和实验方法，明确实验任务，写出简单的预习报告。

1．实验预习的重点

（1）明确实验任务

要明确实验中需要测量哪些物理量，每个待测量又分别需要什么实验仪器和采用什么实验方法来测量。

（2）清楚实验原理

要理解实验基本原理。例如，电位差计精确测量电压实验用到补偿法原理进行定标，应该理解补偿电路的特点，什么是定标，定标的作用以及如何利用补偿电路定标；电位差计测量的主要误差来源，怎样减小误差。

（3）了解实验仪器

要初步了解实验仪器，通过预习知道需要使用哪些仪器，并对仪器的相关知识进行初步学习，特别是仪器的结构功能、操作要领、注意事项等。

（4）了解实验误差

要了解引起实验误差的主要因素有哪些，思考在做实验时应当怎样减小误差。

（5）总结实验预习

尝试归纳总结实验所体现的基本思想，自己在预习过程做了哪些工作，遇到了哪些问题，解决了哪些问题，怎么解决的，还有哪些问题不清楚，等等。

总之，实验预习时要认真阅读实验教材，积极参考网上实验学习辅导，必要时主动查阅相关资料，明确实验目的和要求，理解实验原理，掌握测量方案，初步了解仪器的构造原理和使用方法，在此基础上写好预习报告。

2．设计性实验的预习

设计性实验项目除了做好一般实验项目的预习工作以外，还要做好下列预习工作。

（1）阐述实验原理，选择实验方案

根据实验内容要求和实验教材中实验原理的提示，认真查阅有关资料，详细写出实验原理和实验方案。

（2）选择测量仪器、测量方法和测量条件

根据实验方案的要求，确定出使用什么样的实验仪器、采用什么样的测量方法、在什么样的条件下进行测量。选择测量方法时还要考虑到选用什么样的数据处理方法。

（3）确定实验过程，拟定实验步骤

明确实验的整体过程，拟定出详细的实验步骤。

三、预习报告的主要内容

1．实验名称

2．实验目的

3．实验原理（必要的计算公式、原理图、电路图、光路图、相关说明等）

4．实验内容

5．数据记录表格（这项内容特别重要，单独一页，设计出所有需要记录的数据的记录表格。）

特别说明：

预习报告为预习时写的实验报告，不一定冠名“预习”。如果预习实验报告1～4项内容书写完整规范，整齐清晰，可以作为实验报告的一部分。撰写实验报告时可以在此基础上续加其他内容。

四、实验预习举例

下面以“拉伸法测钢材的杨氏模量”这一实验项目为例，具体说明实验预习的主要内容。

1．实验预习的重点问题

首先根据实验目的和实验内容要求，有针对性地阅读教材，重点思考和解决如下问题：（1）什么是杨氏弹性模量？

（2）测量杨氏模量的计算公式如何？

（3）通过杨氏模量的计算公式明确要测量哪些物理量？这些物理量如何测量？

（4）实验测量中用到什么测量方法？

（5）实验中的数据如何记录和处理？

2．预习报告正文

实验5－3 拉伸法测钢材的杨氏模量

【实验目的】

（1）学会拉伸法测量杨氏弹性模量的基本原理和实现方法。

（2）掌握用光杠杆法测量微小伸长量的原理和方法。

（3）学会用逐差法处理实验数据。

（通过实验目的可以知道本实验中要用到几种测量长度的器具，要提前预习使用方法，并且要熟悉“光杠杆”测微小长度变化的方法以及用逐差法处理数据。) 【实验原理】

（1）什么是杨氏弹性模量

设钢丝截面积为S ，长为L 。若沿长度方向施以外力F 使钢丝伸长△L ，则比值F ／S 是单位截面上的作用力，称为应力；比值△L /L 是物体的相对伸长量，称为应变，表示物体形变的大小。根据胡克定律，在物体的弹性限度内，应力与应变成正比，即

L

L E S F ?= （1） 式中比例系数E 的大小，只取决于材料本身的性质，与外力F 、物体原长L 及截面积S 的大小无关，叫做杨氏模量。

根据4/2

d S π=，d 为钢丝的直径，由式（1）可得

L

d FL

E ?=

2

4π （2） （所以实验当中需要测量F 、L 、S 或d 、ΔL 几个量才能计算出杨氏模量，究竟如何测量呢？）

（2） 用光杠杆法测量微小长度变化量ΔL 光杠杆结构如图1所示，光杠杆是一个带有可旋转的平面镜的支架，平面镜的镜面与三个足尖决定的平面垂直，其后足即杠杆的支脚与被测物接触，当杠杆支脚随被测物上升或下降微小距离ΔL 时，镜面法线转过一个φ 角，而入射到望远镜的光线转过2φ角，如图2 所示。当φ 很小时，有

K

L

?=

≈??tan （3） 式中K 为支脚尖到刀口的垂直距离(也叫光杠杆的臂长)。根据光的反射定律，反射角和入射角相

等，故当镜面转动φ 角时，反射光线转动2φ 角，由图2可知

D

l

=

≈??2tan 2 （4） 式中D 为镜面到标尺的距离，l 为从望远镜中观察到的标尺移动的距离（设长度变化前望远镜中的叉丝横线读出标尺上相应的刻度值为x 0，当长度变化ΔL 时，读数为x ，两次读数差为l = x -x 0）。

由式（3

）和

图1 光杠杆结构

图2 光杠杆原理

式（4）得微小伸长量为

l D

K

L 2=

? （5） 式中K D /2为光杠杆的放大倍数。

（3）测定钢丝杨氏模量的理论公式

由式（2）和式（5）可得实验测定钢丝杨氏模量的理论公式为

Kl

d FLD

E 28π=

（6）

【实验仪器】

杨氏模量测定仪、光杠杆、望远镜尺组、米尺、千分尺等。

（应该在下面阅读中仔细查阅杨氏模量测定仪、千分尺的结构及使用方法如杨氏模量仪中光杠杆及其测微小长度变化的原理、千分尺的读数方法；并思考如何选择上面几种测量仪器。）

【实验内容】

（1）调整杨氏模量仪

（2）光杠杆及望远镜尺组的调节 （3）测量相应物理量 （4）逐差法处理数据

（实验中要注意光杠杆（望远镜、平面镜、标尺）的调节，特别注意如何消除十字叉丝像和标尺像的视差；千分尺的读数（注意初末位置的读数），初步理解不同量如何选择相应测量仪器的方法。）

【实验数据表格】