大学物理学实验 (讲稿) 教师 授课时间 所在院系
大 学 物 理 学 实 验 ( 讲 稿 ) 教 师: 授课时间: 所在院系:
实验项目一览表 班级 实验项目 测定薄透镜焦距 等厚干涉实验 化分06 旋光现象和旋光仪 酒精的折射率与其浓度关系的研究 密度的测量 金属比热容的测定 化工06 液体粘滞系数的测定 测定液体的表面张力系数
实 验 项 目 一 览 表 班 级 实 验 项 目 化分 06 测定薄透镜焦距 等厚干涉实验 旋光现象和旋光仪 酒精的折射率与其浓度关系的研究 化工 06 密度的测量 金属比热容的测定 液体粘滞系数的测定 测定液体的表面张力系数
实验三金属比热容的测定 、实验目的 1、学习用混合法测量金属的比热容 2、学习一种修正散热的方法——修正温度 3、用测量结果的最佳值与标准值计算计算其百分误差,并进行实验结果的评判。 、实验原理 当系统与外界没有热量交换时,高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量,此称 为热平衡原理。 该实验中,系统中放热的物体是质量为m1,温度为T1,比热容为Cx的金属块;吸热 的物体为量热器内筒、搅拌器、水(水的初温为2)。而外界是空气,它的温度为室温 若系统与外界无热量交换,由热平衡原理得 n1C(71-7)=(m0C0+m2C2+m2C3+q)7-72) c(mo Com2C2+ C3+q)(T-T2) m1(T1-7) 式中q=1.94V,V为温度计插入水中的体积。 被测物体的质量和比热容为:m1、Cx、T1 水的质量和比热容为:m、C0、T2、T-—平衡温度 量热器的质量和比热容为:m2、C2(铝) 搅拌器的质量和比热容为:m3、C3(铜) 上述表达式是假定实验系统是一个孤立系统,与外界没有热交换。但是由于系统不可 避免的与外界有热交换,故要对温度进行修正。修正温度有两种做法 1、用外推法进行温度修正 (1)使水的初温低于室温,平衡温度高于室温 (2)在投放高温金属块之前5、6分钟开始测水温,每隔30秒测一次,记录投入的时 刻和水温,投入后每5-10秒记录一次温度,水温达到最高值后每隔30秒测一次,测5
实验三 金 属 比 热 容 的 测 定 一、实验目的 1、学习用混合法测量金属的比热容； 2、学习一种修正散热的方法——修正温度。 3、用测量结果的最佳值与标准值计算计算其百分误差，并进行实验结果的评判。 二、实验原理 当系统与外界没有热量交换时，高温物体放出的热量等于低温物体吸收的热量，此称 为热平衡原理。 该实验中，系统中放热的物体是质量为 m1 ，温度为 T1 ，比热容为 Cx 的金属块；吸热 的物体为量热器内筒、搅拌器、水（水的初温为 T2 ）。而外界是空气，它的温度为室温。 若系统与外界无热量交换，由热平衡原理得： ( ) ( )( ) m1Cx T1 −T = m0C0 + m2C2 + m3C3 + q T −T2 ( ) ( )( ) 1 1 0 0 2 2 3 3 2 m T T m C m C m C q T T Cx − + + + − = 式中 q =1.94V ，V 为温度计插入水中的体积。 被测物体的质量和比热容为： m1 、Cx 、T1 水的质量和比热容为： m0 、C0 、T2 、T ——平衡温度 量热器的质量和比热容为： m2 、C2 （铝） 搅拌器的质量和比热容为： m3、C3 （铜） 上述表达式是假定实验系统是一个孤立系统，与外界没有热交换。但是由于系统不可 避免的与外界有热交换，故要对温度进行修正。修正温度有两种做法： 1、用外推法进行温度修正： ⑴使水的初温低于室温，平衡温度高于室温； （2）在投放高温金属块之前 5、6 分钟开始测水温，每隔 30 秒测一次，记录投入的时 刻和水温，投入后每 5－10 秒记录一次温度，水温达到最高值后每隔 30 秒测一次，测 5
分钟; (3)做温度一时间曲线,如图3-3-1,AE段表示在未放入金属块前水温的上升阶段 系统从外界吸热),FD段表示投入高温金属块后系统温度稳定后稳定下降的部分(系统 向外界散热),作AE、DF的延长线,在测量的曲线的EF段找一点0,过0作时间坐标轴的 垂线,O点的位置(一般根据目测选取)应使0CF、EB所围的面积相等,即SCPo=SEBo, 二面积分别对应于系统向外界耗散的热量和从外界吸收的热量,此时C、B两点对应的温 度分别为修正后水的终温与初温。经过作图最终得出修正后水的初温T2和终温T。 2、用直接调节温度的方法 第一次是粗测:当量筒中水约有2/3时,把高温金属块放入水中,记录初温与终温, 以计算温度的变化,找出ΔT=T-72。第二次是细测,水的质量不变,通过调节水的初 温,尽量使初温、终温与室温的差值为47/2。即:T2-7室=T-7室。 将散热修正后将确定的初温与终温代人(3-3-2)式,即可得金属的比热容。 三、教学过程 1、检査学生实验预习报告册完成情况。解惑答疑。 2、讲:比热容:单位质量的物质,温度改变1℃所吸收或放出的热量称为该物质的比 热容。要求:用测量结果的最佳值与标准值(Cx=385J/kg℃),计算计算其百分误差 【注意事项】 (1)、把金属块从沸水中取出投入量热器中时,动作要迅速,且尽量不要带水进去; (2)、实验前先熟悉温度计的刻度,读数要准确、迅速 (3)、温度计插入水中时不要碰到金属块,且不要靠的太近 3、学生实验,巡回辅导。 四、检查数据,抽査 五、思考题 1、实验中为什么要搅拌? 2、混合法测金属块比热容的理论依据是什么? 3、试分析本实验的误差来源?在实验过程中如何尽量减小其影响? 4、试举出用混合法测定金属比热容的不同实验方案? 为什么要在实验中,使量热器内的初温略低于环境温度,混合后的末温略高于环
分钟； （3）做温度－时间曲线，如图 3-3-1，AE 段表示在未放入金属块前水温的上升阶段 （系统从外界吸热），FD 段表示投入高温金属块后系统温度稳定后稳定下降的部分（系统 向外界散热），作 AE、DF 的延长线，在测量的曲线的 EF 段找一点 O，过 O 作时间坐标轴的 垂线，O 点的位置（一般根据目测选取）应使 OCF、EBO 所围的面积相等，即 SCFO = S EBO ， 二面积分别对应于系统向外界耗散的热量和从外界吸收的热量，此时 C、B 两点对应的温 度分别为修正后水的终温与初温。经过作图最终得出修正后水的初温 T2 和终温 T。 2、用直接调节温度的方法 第一次是粗测：当量筒中水约有 2/3 时，把高温金属块放入水中，记录初温与终温， 以计算温度的变化，找出 T = T −T2。第二次是细测，水的质量不变，通过调节水的初 温，尽量使初温、终温与室温的差值为 T / 2 。即： T2 −T室 = T −T室 。 将散热修正后将确定的初温与终温代人（3-3-2）式，即可得金属的比热容。 三、教学过程 1、检查学生实验预习报告册完成情况。解惑答疑。 2、讲：比热容：单位质量的物质，温度改变 1℃所吸收或放出的热量称为该物质的比 热容。要求：用测量结果的最佳值与标准值（ Cx =385J/kg.℃），计算计算其百分误差。 【注意事项】 （1）、把金属块从沸水中取出投入量热器中时，动作要迅速，且尽量不要带水进去； （2）、实验前先熟悉温度计的刻度，读数要准确、迅速； （3）、温度计插入水中时不要碰到金属块，且不要靠的太近。 3、学生实验，巡回辅导。 四、检查数据，抽查 五、思考题 1、实验中为什么要搅拌？ 2、混合法测金属块比热容的理论依据是什么？ 3、试分析本实验的误差来源？在实验过程中如何尽量减小其影响？ 4、试举出用混合法测定金属比热容的不同实验方案？ 5、为什么要在实验中，使量热器内的初温略低于环境温度，混合后的末温略高于环
境温度? 6、测量中,如发现温度计温度先升高,后降低,最后温度不变,这是什么原因? 7、如何测量温度计插入水中的体积? 实验四密度的测量 、实验目的 1、学习天平的调整与使用。 2、学习测定物体密度的两种方法一流体静力称衡法、比重瓶法 3、学习间接测量量的不确定度公式的推导和间接测量量的不确定度估算。 、实验原理 1、用静力称衡法测固体的密度 设:不规则物体在空气中的质量为m1,而在水中的称衡值为m2根据力的平衡条件 和阿基米德定律有: m2g+prig=m,8 P pn-水的密度(与温度有关) 2、用静力称衡法测液体的密度 物体在水中的称衡值为m3g,根据力的平衡条件有 m38 +p,vg=m,g 物体在待测液体中的称衡值为m2g,根据力的平衡条件有 m2gtpvg=m,g 3、用比重瓶测液体的密度 设:比重瓶的质量为m1,充满密度为的待测液体时的质量为P,充满同温度水时的质
境温度？ 6、测量中，如发现温度计温度先升高，后降低，最后温度不变，这是什么原因？ 7、如何测量温度计插入水中的体积？ 实验四 密 度 的 测 量 一、实验目的 1、学习天平的调整与使用。 2、学习测定物体密度的两种方法—流体静力称衡法、比重瓶法。 3、学习间接测量量的不确定度公式的推导和间接测量量的不确定度估算。 二、实验原理 1、用静力称衡法测固体的密度 设：不规则物体在空气中的质量为 m1 ，而在水中的称衡值为 m2 ，根据力的平衡条件 和阿基米德定律有： m2 g + w vg = m1g w m m v 1 − 2 = 1 2 1 1 m m m v m w − = = w −水的密度（与温度有关） 2、用静力称衡法测液体的密度 物体在水中的称衡值为 m g3 ，根据力的平衡条件有 m3 g + w vg = m1g w m m v 1 − 3 = 物体在待测液体中的称衡值为 m2 g ，根据力的平衡条件有 m2 g + vg = m1 g 1 3 1 2 1 2 m m m m v m m w − − = − = 3、用比重瓶测液体的密度 设：比重瓶的质量为 m1 ，充满密度为的待测液体时的质量为 ，充满同温度水时的质
量为m2,则用上面的推导方法可得 三、教学过程 1、检査学生实验预习报告册完成情况。解惑答疑。 2、讲:实验注意事项。要求:计算不确定度。 3、注意检查学生使用物理天平时操作是否正确。 4、强调用静力称衡法测液体的密度、用比重瓶测液体的密度用一液体,可进行比较ε 问题:如何消除天平不等臂的影响? 四、检查数据,抽查,签字 五、思考题 如何消除天平不等臂的影响? ①复称法。将待测物体在同一物理天平上称两次,分别放在左、右盘,设两次的称衡 质量为m1、m2,待测物体的质量为m,则有 m ②配称法。将待测物体置于右盘,在左盘上方上一些碎小物体作为配重使天平平衡 然后用砝码代替被测物体,重新使天平平衡,则砝码总质量就是被测物的质量。这种方法 整体消除了横梁两臂不等或横梁变形而产生的影响。 实验七用落球法测定液体的粘滞系数 、实验目的 1、用多管落球法测定液体的粘度系数: 2、加深对斯托克斯公式的理理解 3、掌握测量长度、时间、温度的基本仪器的使用方法 4、学习用作图法处理数据。 二、实验原理 实际流体在作层流流时,由于流速的不同,在相邻两层流体之间产生内摩擦力,此力
量为 m2 ，则用上面的推导方法可得 3 1 2 1 m m m m w − − = 三、教学过程 1、检查学生实验预习报告册完成情况。解惑答疑。 2、讲：实验注意事项。要求：计算不确定度。 3、注意检查学生使用物理天平时操作是否正确。 4、强调用静力称衡法测液体的密度、用比重瓶测液体的密度用一液体，可进行比较。 问题：如何消除天平不等臂的影响？ 四、检查数据，抽查，签字。 五、思考题 如何消除天平不等臂的影响？ ①复称法。将待测物体在同一物理天平上称两次，分别放在左、右盘，设两次的称衡 质量为 m1 、 m2 ，待测物体的质量为 m ，则有 m = m1m2 ②配称法。将待测物体置于右盘，在左盘上方上一些碎小物体作为配重使天平平衡， 然后用砝码代替被测物体，重新使天平平衡，则砝码总质量就是被测物的质量。这种方法 整体消除了横梁两臂不等或横梁变形而产生的影响。 实验七 用 落 球 法 测 定 液 体 的 粘 滞 系 数 一、实验目的 1、用多管落球法测定液体的粘度系数； 2、加深对斯托克斯公式的理理解； 3、掌握测量长度、时间、温度的基本仪器的使用方法； 4、学习用作图法处理数据。 二、实验原理 实际流体在作层流流时，由于流速的不同，在相邻两层流体之间产生内摩擦力，此力
也叫粘滞力。半径为r的小球在粘度为η的无限广延的液体中下落时,小球所受到向上的 粘滞阻力f=6xU 当质量为m、半径为r的小球在密度为液体中下落时,作用在小球上的力有三个 重力mg铅直向下,浮力 3g和粘滞力f铅直向上。开始,由于重力大于浮力和粘滞 力的和,所以小球加速下落,随之速率增大,粘滞力也增大。当三力平衡后,小球将以U 匀速下落,即 从而可得液体的粘度为 U称为收尾速度,它是小球在无限广延的液体中匀速下落时的速度。实验时,测量小 球匀速下落通过距离s所需的时间和各管的直径用D。以t为纵轴,为横轴,延长直 线与纵轴相交于1,则l就是当D→ν时,即在无限广延的液体中小球匀速下落通过距离s 所需的时间,则有 (4-16-2) lo 测出m、r、p、U,代人式(3-7-1)即可求出7 三、教学过程 1、检査学生实验预习报告册完成情况。解惑答疑 2、给出已知条件:小球的质量、直径、油的密度 3、实验步骤 ①调节实验装置的底板螺钉,使底板上的水准器气泡居中,以保证管子中心轴线处于 铅直状态 ②测量各管的直径,测量各管上两刻线间的距离。 ③测量油的温度 ④用镊子夹起小球,将其沿第一个圆管的轴线慢慢放入待测液体,同时用秒表测量小 球通过两刻度线所需的时间。同理,依次测出小球通过各管上两刻度线所用的时间。 ⑤测量液体的温度,并记录
也叫粘滞力。半径为 r 的小球在粘度为的无限广延的液体中下落时，小球所受到向上的 粘滞阻力 f = 6r 当质量为 m、半径为 r 的小球在密度为的液体中下落时，作用在小球上的力有三个， 重力 mg 铅直向下，浮力 r g 3 3 4 和粘滞力 f 铅直向上。开始，由于重力大于浮力和粘滞 力的和，所以小球加速下落，随之速率增大，粘滞力也增大。当三力平衡后，小球将以 0 匀速下落，即 6 0 3 4 0 3 mg − r g − r = 从而可得液体的粘度为 g r mg r 0 3 6 3 4 − = 0 称为收尾速度，它是小球在无限广延的液体中匀速下落时的速度。实验时，测量小 球匀速下落通过距离 s 所需的时间 ti 和各管的直径用 Di 。以 t 为纵轴， D d 为横轴，延长直 线与纵轴相交于 t0，则 t0 就是当 D→时，即在无限广延的液体中小球匀速下落通过距离 s 所需的时间，则有 0 0 t s = （4－16－2） 测出 m、r、、0，代人式（3－7－1）即可求出。 三、教学过程 1、检查学生实验预习报告册完成情况。解惑答疑。 2、给出已知条件：小球的质量、直径、油的密度。 3、实验步骤 ①调节实验装置的底板螺钉，使底板上的水准器气泡居中，以保证管子中心轴线处于 铅直状态。 ②测量各管的直径，测量各管上两刻线间的距离。 ③测量油的温度。 ④用镊子夹起小球，将其沿第一个圆管的轴线慢慢放入待测液体，同时用秒表测量小 球通过两刻度线所需的时间。同理，依次测出小球通过各管上两刻度线所用的时间。 ⑤测量液体的温度，并记录
⑥作1-一图,求出t0,然后计算U及门 4、【注意事项】 (1)小钢球应沿各圆管的中心轴线铅直下落 (2)实验时,待测液体中应无气泡且静止,每下落一粒小球要间隔一定时间,不能 连续放入 (3)小钢球应干燥、无油污,放入时应轻而稳,不要将空气带入, (4)液体的粘度受温度的影响较大,因此在实验过程中不要触摸管壁和小钢球,以 及尽量避免其它热接触。 5、检查数据,抽查 四、思考题 用斯托克斯法测定液体粘度的条件是什么?本实验是怎样去满足这些条件的? 2、测量小球通过两刻度线所用时间时,如何避免视差? 测量小球在各管中下落同一高度所需的时间为什么不从液面开始计时,而在距液 面一定距离处开始计时? 4、在一定的液体中,若减小小球直径,小球下落的收尾速度怎样变化?如果减小 球密度又会如何 5、用实验结果说明下列因素将给测量结果带来多大误差 a、投入的小球偏离中心轴线 b、油不静止 c、放油的管子不铅直 d、小球不圆 实验二十液体表面张力系数的测定 实验目的 1、加深对液体表面张力的理解 2、学习传感器的定标方法 3、测量水的表面张力系数。 、实验原理 1、表面张力现象
⑥作 D d t − 图，求出 0 t ，然后计算 0 及 。 4、【注意事项】 （1）小钢球应沿各圆管的中心轴线铅直下落。 （2）实验时，待测液体中应无气泡且静止，每下落一粒小球要间隔一定时间，不能 连续放入。 （3）小钢球应干燥、无油污，放入时应轻而稳，不要将空气带入。 （4）液体的粘度受温度的影响较大，因此在实验过程中不要触摸管壁和小钢球，以 及尽量避免其它热接触。 5、检查数据，抽查 四、思考题 1、用斯托克斯法测定液体粘度的条件是什么？本实验是怎样去满足这些条件的？ 2、测量小球通过两刻度线所用时间时，如何避免视差？ 3、测量小球在各管中下落同一高度所需的时间为什么不从液面开始计时，而在距液 面一定距离处开始计时？ 4、在一定的液体中，若减小小球直径，小球下落的收尾速度怎样变化？如果减小小 球密度又会如何？ 5、用实验结果说明下列因素将给测量结果带来多大误差： a、 投入的小球偏离中心轴线； b、 油不静止； c、 放油的管子不铅直； d、 小球不圆。 实验二十 液体表面张力系数的测定 一、实验目的 1、加深对液体表面张力的理解； 2、学习传感器的定标方法； 3、测量水的表面张力系数。 二、实验原理 1、表面张力现象
表面张力现象在日常生活中随处可见。例如:荷叶上的水珠、玻璃板上的小水银滴、焊 接金属时熔化了的小滴焊锡等都呈球形,即液体表面有收缩的趋势,这种收缩趋势以及由 此产生的种种效应叫表面张力现象。 2、表面张力 液体表面张力是液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。是分子力的一种表 现。液面上的分子受液体内部分子吸引而使液面有趋向收缩,这就表现为液面任何两部分 间具有相互牵引力(张力),其方向和液面相切,并和两部分的分界线垂直。表面张力的 大小由实验得知:与张力所在的边界成正比,即f∝L 写成等式,则为∫=αL。式中α称为液体的表面张力系数,与液体的性质、温度、 液体的纯度有关 本实验是一个金属环固定在传感器上,将该环浸没于液体中,并渐渐拉起圆环,当 它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值∫为 f=x(D1+D2) 式中:D1、D2分别为圆环外径和内径,a为液体表面张力系数,g为重力加速度 所以液体表面张力系数为 U-U. B(D1+D2) 式中:B为力敏传感器灵敏度,单位VN。UU2为液面拉破前、后电压表的读数。 B一一用最小二乘法定标。 、教学过程 1、介绍表面张力、表面张力系数的概念。检查预习报告册的完成情况。 2、强调:注意事项。 3、在实验过程中,随机检査同学对实验原理、仪器测量原理的掌握。 问题:要得到较好的数据,本实验中应注意哪些问题 ①震动的影响是影响测量精密度的一个主要原因: ②圆环是否水平对实验的影响,请同学考虑如何调节使圆环截面水平
表面张力现象在日常生活中随处可见。例如：荷叶上的水珠、玻璃板上的小水银滴、焊 接金属时熔化了的小滴焊锡等都呈球形，即液体表面有收缩的趋势，这种收缩趋势以及由 此产生的种种效应叫表面张力现象。 2、表面张力 液体表面张力是液体表面相邻两部分间单位长度的相互牵引力。是分子力的一种表 现。液面上的分子受液体内部分子吸引而使液面有趋向收缩，这就表现为液面任何两部分 间具有相互牵引力（张力），其方向和液面相切，并和两部分的分界线垂直。表面张力的 大小由实验得知：与张力所在的边界成正比，即 f L 写成等式，则为 f L = 。式中 称为液体的表面张力系数，与液体的性质、温度、 液体的纯度有关。 本实验是一个金属环固定在传感器上，将该环浸没于液体中，并渐渐拉起圆环，当 它从液面拉脱瞬间传感器受到的拉力差值 f 为 f = (D1 + D2 ) 式中： D1、 D2 分别为圆环外径和内径， 为液体表面张力系数， g 为重力加速度， 所以液体表面张力系数为： ( ) 1 2 1 2 B D D U U + − = 式中： B 为力敏传感器灵敏度，单位 V/N。U U 1 2 、 为液面拉破前、后电压表的读数。 B ——用最小二乘法定标。 三、教学过程 1、介绍表面张力、表面张力系数的概念。检查预习报告册的完成情况。 2、强调：注意事项。 3、在实验过程中，随机检查同学对实验原理、仪器测量原理的掌握。 问题：要得到较好的数据，本实验中应注意哪些问题？ ①震动的影响是影响测量精密度的一个主要原因； ②圆环是否水平对实验的影响，请同学考虑如何调节使圆环截面水平；
③测量过程中应在什么情况下读数 检查数据,抽查 四、思考题 1、本实验中液膜的重量对实验是否有影响? 2、本实验所用液体为自来水,与用蒸馏水进行测量比较,待测量是否相同? 五、测量举例 1、硅压阻力敏传感器定标 表4-20-1 硅压阻力敏传感器定标 硖码质量 m/g0.500100150012002501303500 输出电压U/m 90.2 应用最小二乘法处理数据,其中x=ng,y=U xy=1471N,mx=196×10-3Ny=60.0428N·m x2=4802×10-N2x2=38416×10-N2 ry-x·y 3.064×103mV/N =0.9999961 a=y-bx=0.0115m1 2、测定自来水的表面张力系数 测量次数 2 6 U1/mV|23.3 l1.4 31.9 47.1 57.7 3.2 U2/mV-180 6.9 -44.8 △UmV|41.3 41.1 41.0 40.2 40.2 41.6 1U=40.9ml a4(4U)=0.171m l2=0.3m AU=(40.9±0.3)ml bz(D1+D2)=62460N/m
③测量过程中应在什么情况下读数。 4、检查数据，抽查。 四、思考题 1、本实验中液膜的重量对实验是否有影响？ 2、本实验所用液体为自来水，与用蒸馏水进行测量比较，待测量是否相同？ 五、测量举例 1、硅压阻力敏传感器定标 表 4-20-1 硅压阻力敏传感器定标 砝码质量 m/g 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 输出电压 U/mv 15.1 30.0 45.0 59.9 75.0 90.2 105.1 应用最小二乘法处理数据，其中 x =mg ， y =U xy =1.4711N mV x N 3 19.6 10− = y =60.0428N mV 2 6 2 x 480.2 10 N − = 2 4 2 x 3.8416 10 N − = mV N x x xy x y b 3.064 10 / 3 2 2 = − − = 0.9999961 ( )( ) 2 2 2 2 = − − − = x x y y xy x y r a = y −bx =0.0115mV 2、测定自来水的表面张力系数 测量次数 1 2 3 4 5 6 U1/ mV 23.3 11.4 31.9 47.1 57.7 -3.2 U2/ mV -18.0 -29.7 -8.1 6.9 17.5 -44.8 △U1/ mV 41.3 41.1 41.0 40.2 40.2 41.6 U = 40.9mV uA (U) = 0.171mV uB (U) = 0.2mV uc = 0.3mV U =(40.9 0.3)mV N m b D D U 62.4616 10 / ( ) 3 1 2 − = + =