1、设计性、研究型实验,绪 论自大学物理实验课实践以来，我们经历了基本实验、提高型实验两个层次的实验训练，今天开始进入第三个阶段，即设计性、研究型实验的学习和讨论。通过设计性或研究型实验，能使同学们在实验方法的考虑、测量仪器的选择和配合、测量条件的确定等方面受到初步训练。经过第三个层次的实验，不仅可以进一步提高科研素养、增强创新意识，同时也给大家提供了某种发挥创造性的机会。,设计性、研究型实验的功能、作用和目的科学研究、工程设计工作的一般程序设计性、研究型实验的一般方法和要求设计性、研究型实验题目,关于设计性、研究型实验,一、设计性、研究型实验的功能、作用和目的,1. 了解科学研究、工程设计工作的
2、一般程序。2. 学习运用所学知识解决实际问题。3. 培养良好的科研素养、较强的创新意识和独立进行科研工作的能力，以便能更好的适应将来各种科学研究工作的需要。,科学研究工作是一项开创性的工作。正是由于科研工作本身独特的性质，所以很难归纳为一个一成不变的常规过程，即自然科学研究方法无一定格式。虽然如此，仍可从前人大量成功和失败的经验教训中归纳出科研工作的一般规律，给予我们引导或启迪。科学研究工作关键在于“实践”。科学研究的训练主要是自我训练，而科研工作的主要工具是头脑，只有在创造性的实践中不断的积累经验，才能不断地武装自己的头脑。基本实验和提高型实验-基本都是预先安排好的。 （该阶段实验过程好比跟
3、团旅游）。大家只需根据讲义的实验目的与要求、原理、内容步骤和数据处理方法，逐步操作，即可完成 。设计性、研究型实验-其实验题目、目的、原理、内容、方法和所用仪器的选择都由同学自己来确定。,( 完成这第三阶段的实验，需要对工程设计、科学研究的一般程序有一定了解。这就要求一方面把过去所学的知识激活、灵活运用过去所学的知识；另一方面需要查阅一些文献资料，充实自己的知识库，最后，运用过去所学的知识来解决实际问题。无论是工程设计，还是科研项目，要靠一定的科研素养和能力来完成。而素养、能力不仅仅是看书看出来的，很重要的是从实践中一步步培养出来的) )下面我们着重讲一下：科研工作、工程设计工作的一般流程和步
4、骤。科研和工程设计工作的程序一般分为6个方面，即： 研究课题的选择查阅文献资料实验方案的设计实验实施实验数据的分析与处理最终写出报告。,二、科学研究和工程设计的一般程序 （一）选择研究课题 （4个原则）1. 需要性-对解决实际需要解决的问题有一定贡献，或对某一科学理论有一定的突破作用。 2科学性-有科学依据，符合自然规律。 3创新性-在科学理论上有所发展、有所突破，或在实际应用上有所改进、有所创新，有一定的学术意义和应用价值。 4可能性-具备完成选题的现实条件（即主、客观条件）。如技术储备、材料设备、经费、可用时间及可用人员的能力、水平和信心。,美国著名科学家FBWilson有句名言： “所谓
5、优秀科学家，主要在于选择课题时的明智，而不在于解决问题的能力。”（需要性原则-是选择研究问题的一条首要的基本原则。科学研究是一种目的性很强的探索活动，需要性原则，正体现了这种目的性。因此，选题必须面向实际，按需要选择。在多数情况下，小课题选择不可范围过大、包罗万象。它可以是对解决某一实际问题有一点点贡献，或对某一理论问题有一点突破。）,科学性原则-即有科学依据，符合自然规律。科学无禁区，但选题要有约束。科学实践一再证明，行不通的课题就不宜去选，否则就要违反科学。但是，在科学与非科学之间是一个很广大的空间，并不是由一条鸿沟截然分开的，有时还很难区分。因此，有的课题看似荒谬绝伦，毫无意义，但在事实
6、材料和理论根据还不足以断定是错误时，就不轻易的加以否定。如哥白尼的太阳学说。,创新性原则-（即选择的课题要有独创性、突破性，创新性是科研的灵魂。创造性原则体现了科研的价值意义，能使所选的问题在科学理论上有所发展，有所突破，或在应用上有所改进，有所创新，从而保证预期的研究成果具有一定的学术意义和应用价值。）选择前人未做过的问题当然有创造性，但古老问题也可以做出创造性的成果。科学研究总是在前人已经做出科学发现的基础上进行探索的，即“站在巨人的肩上”（牛顿） ，向更高的科学高峰攀登。,例如：到不同学派激烈争论的领域、到研究的空白区、到学科交叉的边缘地带、到实践提出了迫切需要的方面去选题。,（可能性原
7、则-指对预期完成问题的主观、客观条件尽可能充分的估计，根据已实际具备的和经过努力可具备的条件来选择研究问题。科学需要幻想，但幻想并不就是科学。要把幻想变成科学，就要满足现实“可能性”原则。如果没有现实的可能性条件，问题尽管合乎“需要性、科学性、创造性”三原则，也无法进行。）可能性原则-要求选题时考虑如下几个主、客观条件:研究所需材料是否充足？是否易得？ （客观条件）研究所需费用如何？能否解决？ （客观条件）研究所需时间多少？能否保证？ （客观条件）研究者的能力、水平、志趣和完成课题的信心如何？（主观条件）,选题不要好高骛远贪大求全，也不要妄自菲薄，知难而退。要充分考虑各方面的条件，扬长避短，善
8、于发挥自己的优势，量力而行。要对各方面条件深思熟虑，认为对问题的研究有了一定的把握，然后及时动手。（当然，所谓“可能”并非说宁愿把难度较大而有重要意义的问题放弃，专门去选择那些无意义但是容易做的课题，而是说，应该研究那些既有价值又有可能的问题，或力所能及的问题。可能性原则强调了研究问题的现实条件，若不具备现实条件，问题的研究就可能达不到既定的目的。）综上所述，选题在科研工作中有举足轻重的位置，选题不好极容易走入歧途，多年工作下来只有失败的教训。要是找到了可以预见、具有巨大发展前途的好课题，就等于研究工作已完成了一大半。对于小课题实验，是在物理实验室里进行，因此选题不可避免的受到实验仪器条件的限
9、制。,（二）查阅文献资料1.注重广泛性利用各种手段，如国内外专著、期刊、互联网、情报检索中心，广泛收集信息，做到知己知彼。2.独立思考要寻找自己的知识空白、不同作者的观点差异和矛盾。通过分析、实验，独立思考，避免因循守旧，逐步形成自己的观点，并能有所发展、有所创新。,发现问题通常有两种途径：“发现从不满意开始”，通过亲身的观察或实践发现周围事物存在的问题；通过调查研究和其他各种信息渠道，间接的获得某一事物存在的问题。（ 注重广泛性-利用各种手段，如国内外专著、期刊、互联网、情报检索中心，广泛收集信息，做到知己知彼。）科学本身特点-就是一个在前人建筑的大厦顶层添砖加瓦，使其不断增长的建筑结构。对
10、过去的东西一无所知，在科研上是做不出成就的。（在科研前，必须对课题有关的情况做一个全面了解，无论是过去、现在的，还是国内、国外的，各种信息都要掌握。知己知彼，才能既不重复他人，又能扩大视野，活跃思维，吸取别人成果的精华。在科研中，还要经常了解与课题有关的科技发展动态和信息，以便不断的调整课题内容和进度。在现代社会中，“时间就是金钱，信息就是财富” 。在科学研究中，信息同样具有重要的作用。）在信息爆炸的时代，大量信息每天如潮水般涌来，因此要学会用先进的手段来获取有用的信息。最简捷的方法-到有关专门情报检索中心，申请联机检索，可很快获得国内外的各种信息；或者是上网、进图书馆、资料室查阅有关期刊或教
11、科书、专著等有关信息。,（独立思考-要寻找自己的知识空白、不同作者的观点差异和矛盾。通过分析、实验，力求独立思考，避免因循守旧，逐步形成自己的观点，并力求有所发展有所创新。）一个新的科学领域的开创，常常由外行提出，可能就是这个道理。例如交叉学科易出成果。解决这个问题的最好办法是批判的阅读，力求保证自己独立的思考，避免因循守旧。所以在阅读资料的过程中应寻找自己的知识空白和不一致的地方，逐渐形成自己的想法，应注意不同作者报告的差别和矛盾，去寻找线索。,（三）设计实验方案1.确定实验原理，实验目的，计划测量的物理量。要灵活运用物理规律，注意借鉴其它学科成果。 2.选择适当的测量仪器和测量条件。注意仪
12、器的匹配，根据不确定度均分原则估算各个测量对主要结果精度的影响，选择一套符合精确度的而且有经济、实用的仪器装置；并确定合理的测量条件。 3.选择适当实验方法。 4.选择适当实验测量方法。 “成功艰苦的劳动正确的方法 少谈空话。” 爱因斯坦,（三）设计实验方案（ 1. 确定实验原理，实验目的，计划测量的物理量。要灵活运用物理规律，注意借鉴其它学科成果。）（当选定了科学研究课题，并查阅了大量文献资料后，通过对资料的归纳、分析，结合自己以往的经验和训练，在头脑中形成联想，确定自己的假说，明确实验目的、原理、计划测量的物理量等，并在一定范围研讨后，即可确定的实验方案。）方案形成的过程-是充分发挥研究者
13、的科学想象力和创造力的过程，有丰富创造经验的人，其方案可能就有创造性。因此，在物理实验中应注意灵活的应用物理规律，并善于借鉴其他学科的成果。,2.测量仪器的选配和测量条件的选择当实验的主导思想确立以后，指定具体的实验方案要充分考虑仪器设备条件，要了解仪器的性能、精度，注意仪器搭配，特别应设法解决测量的难点。测量仪器的选配-在实际工作中，往往在测量之前，对间接测量的精确度提出一定的要求，并根据此要求来确定各直接测量量的精确度要求，从而根据误差均等的分配原则，选择和配套合适的仪器进行测量，即在总误差一定的情况下，各个直接测量的分误差应平均分配。3.选择适当实验方法、方案经过精密设计才能成为一个可实
14、施的实验方案。设计方案时，应对自己的实验结果有所预测。,4.选择适当实验测量方法在实验方案选定之后，就需要确定具体的测量方法。因为测量某一物理量时，往往有好几种测量方法可以采用。应尽量选择测量不确定度最小的那种方法，或者说是测量结果的误差最小的那种方法。测量方法的精确度分析-常采用分项误差分析综合法，（就是针对准备采用的测量方法、测量工具可能产生的各种误差来源、各种影响因素以及它们所造成的分项误差值，加以逐项分析，分析过程中往往需要简化一些次要因素，并需要进行某些假设，然后选择出其中的主要项目。）,例如：用单摆测定重力加速度实验中，需要测定单摆的周期值，可以采用光电计方法，用数字毫秒计计时，也
15、可采用累计放大法用秒表计时等。这就需要对测量方法进行精确地分析，以判断该方法是否能够满足实验任务对测量精确度提出的要求。,（四）实施实验方案1观察： 注意实验过程是否按预定方式进行，是否有异常现象发生。往往很多发现就是通过异常现象的产生而发现的。2测量： 注意测量过程和测量方法系统误差对测量结果的影响。,（四）实施实验方案实验实施的主要工作是测量和观察。（ 观察-注意实验过程是否按预定方式进行，是否有异常现象发生。往往很多发现就是通过异常现象的产生而发现的。）不要把观察仅看成是对客观的描述过程，实际上它包含着思维过程，观察又导致描述，这种描述包含主观的和客观的描述。在物理实验中由于仪器的现代化
16、，不少观察都有量化的纪录，大大减少了人为的主观因素。例如：转动，讲转动的快与慢是模糊的概念，但一旦测出物体转动的角速度，就有了转动观察精确的量的概念。所以观察应思考，特别注意一些反常现象。（ 测量-注意测量过程和测量方法系统误差对测量结果的影响。）现在精密的测量仪器可提供精确的测量结果。仪器设备越来越先进，在测量中越要注意测量误差的影响，特别是系统误差，因为搞不好将造成错误的结果。,（五）实验数据分析与处理实验数据分析与处理包括：各类数据表格，二维、三维曲线图，数据归纳，误差分析，结果表示等。 （六）完成实验报告（小论文）,实验报告是科研工作的总结，把自己的工作用文字形式表达出来，出版交流，促
17、进科学的发展。报告应包含有：目的，原理，使用仪器设备，所测的原始数据、最后的结果及自己对结果的分析和评价。报告应使别人看后能了解你的工作成果和达到的水平。综上所述，创新在科学研究过程中十分重要。科研工作的主要工具是头脑，而创新则是大脑的一个非常复杂的思维活动过程，只要掌握一定的科学思维方法，并勇于创新，才能保证创新工作沿着正确的方向前进。,我国著名科学家钱学森-非常重视思维科学，将思维科学看作是现代科学技术的一个主要研究领域。诺贝尔物理学奖获得者李政道博士-认为，科学和艺术不可分，提倡科学和艺术对话。逻辑思维和形象思维是科技创新中的主要思维方法，这两种思维方法的综合运用是取得科技成果的重要条件
18、。科学中逻辑思维相对用得多一些，艺术中形象思维相对用得多一些。科学和艺术的交融，越来越受到人们的关注，并已成为当前世界科学文化发展的方向。这对于促进一个人的科学思维的全面发展，对于培养创新意识和创新思维无疑是有益的。在创新工作中还经常用到逆向思维、发散思维、集中思维和辩证思维等几种思维形式。另外科学研究的日趋复杂性还要求更多的学科交叉和科学家的合作和共事，共同完成科学研究的课题。研究资料表明-19世纪以前的技术创新大都以独立的个人发明形式出现，而20世纪个人重大发明大为减少，发明更具群体性。因此，希望同学们在做小课题实验时也可以小组的形式进行，这样可锻炼同学们的组织能力和协调能力，以便更好的适
19、应当今科学技术发展趋势的需要。,三、设计性、研究型实验的具体方法和要求1提前一周选题。实验中心给出一组题目（含实验要求、原理提示，学生从中选择一个适合自己的题目(在提前一周时间内完成)2实验课前查阅文献资料、确定实验原理、设计实验方案。包括选择实验方法、实验仪器、画出实验电路图或光路图，拟定实验操作步骤等（在提前一周时间内完成）3提交设计实验方案报告。所提交的原始设计实验报告，经教师审查并帮助修正设计实验方案，然后发还学生（在第二周时间内完成）4在预定的时间内独立实施设计实验方案并完成实验报告（小论文）。在课堂上通过与教师的交流进一步修改与完善实验方案并最后实施，采集数据，进行数据处理，完成实
20、验报告。,四、设计性、研究型实验题目物理实验中心备有10多个设计性、研究型实验课题，例如：1.单摆测重力加速度2.气垫导轨上滑块的运动3.用光杠杆测定固体的线胀系数4.用焦利秤测弹簧的有效质量5.变阻器分压和限流特性6.用伏安法测电阻7.测量透明固体与液体折射率8.用双棱镜测量钠光波长9.用分光计测定液体折射率,10。温度传感器特性测量及应用设计 11。压力传感器特性测量及应用设计 12。电磁传感器特性测量及应用设计 13。计算机数据采集应用设计,设计实验1 单摆测重力加速度实验目的 1.掌握实验原理及方法。 2.利用单摆测定重力加速度g值，要求Eg0.5%。 3.分析受力情况，讨论误差原因，
21、评价测量结果。 4.进一步熟悉并掌握根据什么以及如何选择实验仪器和用量。实验要求 1.根据单摆的等时性原理和所学过的知识，自行设计用“单摆测定重力加速度”的实验。 2.通过该设计实验，体会并掌握在设计实验时选择仪器与参数的方法。 3.测定重力加速度g值，要求0.5%，并将实验值g与标准值g0=9.8017/s2（天津地区重力加速度值）进行比较。 4.测绘周期与摆长的关系曲线：T2l曲线。 5.测绘周期与摆角的关系曲线：T曲线。 6.验证摆球质量与周期的关系。 7.写出完整的设计预习和实验报告。实验仪器与条件 单摆仪、秒表、米尺、游标卡尺,1583年，伽利略在比萨大教堂内观察了圣灯的缓慢摆动。他
22、发现“连续摆动的圣灯（单摆）的每次摆动时间间隔是相等的，与摆动的振幅无关。这一观察结果，为单摆作为记时装置奠定了基础。这就是单摆的等时性原理。,实验原理提示应用单摆来测重力加速度既简单，又方便。因为单摆的振动周期决定于振动系统本身的性质，即决定于重力加速度g和摆长l，如图36-1所示。所以，需要测量出单摆的摆长l，并测出其摆动的平均周期，就可以算出重力加速度g的值。图36-1中，摆长可调，两个金属球m分别为钢球和铝球。,地球上，各地区重力加速度g随该地区的地理纬度和相对于海平面的高度不同而稍有差异。接近南北极时g值最大，而赤道附近g值最小，但两者相差也仅仅1/300左右。天津地区的g=9080
23、17m/s2。本实验以此为实验标准值。,设计要点与理论根据 一、理论及公式推导 1推导出利用单摆测重力加速度的公式2根据误差理论，推导出标准不确定度 以及的表达式。 其中，,、,图36-1 单摆仪原理示意图,（36-1）,（36-2）,二、实验方法和实验仪器的选择,1根据误差的“等量分配原则”，以及本实验对,的要求，列出关于 ,的方程。,（36-3）,（36-4）,根据误差的“等量分配原则”，即各物理量的分误差对总误差的贡献相等。因此,（36-5）,(36-6),由此，可以求得各分误差大小为,（36-7）,（36-8）,2根据各个分误差的大小要求，去选择合适的量具或仪器。即选择好测量T与l 的
24、器具。选择测l 量具：若选米尺测l ，取l =1.0000m，由(36-7)可得,（36-9）,因为米尺的最小分度值为,，仪器误差为,（36-10）,所以测量l ，选用米尺即可。其测量次数也不用太多，即可满足设计要求。 选择测T量具：若选用秒表测量T，假设单摆的摆动周期T=2.0s，由（36-8）可知，,（36-11）,一般的秒表准确度等级为a=0.1，a=0.2，即分度值,。其仪器误差为,0.2级秒表 ：,0.1级秒表：,（36-12）,（36-13）,显然，即使用0.1s级的秒表进行测量，也不能满足设计要求。然而，我们的实验只有0.1和0.2级两种秒表。如何利用现有的精度较低的仪器，测出符
25、合设计要求的测量结果呢？为此作如下考虑，即，选择合理的实验方法。选择原则是从既经济合理，又符合设计要求出发，去选择试验的方法。我们知道增加测量次数可以减少误差，提高测量精度。为此选择测量次数（即每次测量周期的个数）n=50，而每次测量的时间 t=50T=502.0s=100.0s。,对于一次测量50个周期T来说，,（36-14）,这相对于每一个周期T来说，,（36-15）,可见选用0.1级或0.2级秒表测T，在每次测量50个周期以上时，即可以达到设计要求。,三、实验内容提要1取l =1.0000m，分别利用钢球，铝球，测3次t=50T。列表进行数据处理，计算g 、g、E g等。2分别取l=0.
26、5000m，0.6000m，0.7000m，0.8000m，0.9000m，1.0000m，各测1次t=50T。列表进行数据处理，计算g 、 g、E g 等。3描绘 曲线，求其斜率，并计算g。4对上述测量结果进行验证，看是否符合 的设计要求，并且和本地区的g标准值进 行比较分析，并得出实验结论。,实验报告要求1在充分预习的基础上，写好设计预习报告。2实验结束后，整理出完整的实验报告。3报告内容如下： 目的要求；仪器；原理（文字叙述、公式推导、图形等；）实验内容与步骤；数据表格与数据处理（测l表格、测d表格、测T表格、T与l关系表格、数据处理主要步骤（包括公式）；结果表示；误差分析；结论或体会。*特别注意：其中、是预习报告的重点内容；、是实验必不可少的重点内容。,参考资料 1大学物理讲义的简谐振动部分。 2大学物理实验的误差处理部分以及常用仪器与量具部分。分析讨论题 1.摆长是指哪两点间距离？如何测量？ 2.如何测量单摆周期？为什么计算周期个数时应以摆球通过平衡位置开始计算？ 3.实验要验证什么规律？测重力加速度g的主要步骤是什么？ 4.根据间接测量误差传递公式，分析哪个物理量对g测量的影响最大？ 5.单摆在摆动中受到空气阻尼后，振幅会越来越小，试问它的周期是否会变化？并说明理论依据。,
