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
（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
，d为钢丝的直径，由式（1）可得
（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
（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
（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x0，当长度变化ΔL 时，读数为x，两次读数差为l = x-x0）。
由式（3）和式（4）得微小伸长量为
（5）
式中
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
（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】
表1 测量加减砝码时光杠杆镜内标尺的读数
表2 相关物理量测量数据记录表
第二篇：《大学物理实验》实验预习报告-力学
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日期： 20## 年 月 日 天气：__________ 实 验 室：___________
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【实验题目】
实验1 用米尺、游标尺、螺旋测径器、读数显微镜测量长度
【实验目的】
1．掌握__________、__________、_______________、_____________的测量原理和使用方法。
2．掌握一般仪器的_____________。
3．掌握多次等精度测量误差的__________与有效数字的基本运算。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1． 米尺（本实验使用的米尺）
最小分度值__________
仪器误差
=__________。
（读数练习）：
=___________________
=___________________
=__________________
2． 游标卡尺（本实验使用的游标卡尺）
最小分度值__________
仪器误差=__________。
3．如何记录游标卡尺的零点读数? （读数练习）：___________________
若副尺零线在主尺零线左边，且副尺上第p个刻度和主尺上某个刻度对准时，零点读数取______(正号、负号)，若副尺零线在主尺零线右边时，零点读数取______(正号、负号)。若测量物体长度的读数为L'，则物体的长度结果修正为
_______________。
4．试述螺旋测微计的分度原理及使用方法。
一般实验室用的螺旋测径器量程为__________， 分度值是__________，仪器误差=__________。
5．螺旋测微计的零点读数
螺旋测微计的微分筒的零线应对准固定套筒上的微测基准线。如未对准，就要读出零点读数。顺刻度方向读出的零点读数取______(正号、负号)，，逆刻度方向读出的零点读数取______(正号、负号)。每次测量之后，要从测量值的平均值中减去零点读数。 （练习：螺旋测径器零点读数）
6．螺旋测微器读数练习
___________________ ___________________ ___________________
7．如何利用读数显微镜测量物体的长度？
转动鼓轮，使叉丝交叉点分别与被测物体的左右两个位置相切，记下两次读数
，则待测物的长度
。
【实验思考题】
1．欲测量半经为2cm左右的钢球体积，要求单次测量的相对不确定度不大于0.5%，应使用什么仪器测量才能满足精度要求？为什么？
2．利用读数显微镜测量物体的长度时如何避免回程误差？
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【实验题目】
实验2 随机（偶然）误差的统计分布
【实验目的】
1．通过对单摆周期的多次测量，认识________________________，以及______________的意义。
2．掌握随机误差的估算方法。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1．大量次数等精度测量的观测的结果服从随机误差的__________分布的统计规律，即：
⑴________________________________________________________
⑵________________________________________________________
⑶________________________________________________________
⑷________________________________________________________
2．正态分布统计规律：
正态分布概率密度函数：
________________________________
测量值落在区间
之间的置信概率为___________，
测量值落在区间
之间的置信概率为___________，
测量值落在区间
之间的置信概率为___________。其中
。
【实验思考题】
1.阐明在分区统计数据，做几率统计表格时划分区间的原则和方法
2.若存在系统误差，它对统计直方图的形状、大小有何影响，为什么？
【实验数据分析训练】（选做）
1．下面的数表是某同学测量单摆周期的150次的测量数据，请计算
⑴单摆周期的平均值
⑵标准偏差
⑶构建以（
）为 参量的正态分布函数
⑷分区统计数据，做几率统计表格
⑸用测量值的科学表达式报导测量结果
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【实验题目】
实验3 重力加速度的测定（落球法）
【实验目的】
1．熟悉_______________和_______________的调整和使用。
2．掌握用______________________________的方法。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1．根据自由落体公式
测出
、
，就可以算出重力加速度
。
将小球放在_____________的位置，在小球开始下落的同时开始计时，则是小球下落的时间，是时间内小球下落的距离。
2．为了解决确定的困难，我们采取如下方法。
将光控门
放在
的位置，记下小球从静止开始下落到的时间
，
；再将
放在
的位置，记下小球从静止下落到的时间
，
；则
重力加速度
。
这样可以不测
和
而测_______________，可以由支柱上的刻度较准确地读出。
3．为了避免测不准的困难，同时消除电磁铁剩磁的影响。
是自由落体下落的轨迹。将放在靠近支柱顶部位置，放在中间位置，如图所示。记下
之间的距离和小球相应得下落时间；然后，把放在接近底部的位置
，记下
间的距离和小球相应得下落时间，于是有
其中
是小球经过点的速度。
重力加速度。
如果将每隔一定的距离下移，记下相应的
、
，则有
【实验思考题】
1．实验中，为什么只改变光电门2的位置，而不改变光电门1的位置？
2．以误差分析说明，用（3-12）测时，
⑴A要靠近顶部，即要小。
⑵C要靠近底部，即要大。
⑶B的位置有一个最佳值。根据你所用仪器的实际数据，估算B应在什么位置为好。
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【实验题目】
实验4 固体密度的测量
【实验目的】
1．熟练掌握物理天平的__________和____________。
2．掌握测定固体密度的方法——流体静力称衡法。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1．物体的密度定义为
2．间接测量体积----流体静力称衡法
⑴测定铜圆柱体的密度
测出物体在空气中和浸没在液体中
和
的质量，
为液体的密度，所测固体密度：
⑵测定白蜡（
＜1）的密度
如果待测物体的密度小于液体的密度，则可以采用重物助沉法测量：将物体拴上一个重物，加上这个重物后物体连同重物可以全部浸没在液体中，这时进行称衡，如图(要求绘制测量的原理图)
———————————— ————————————
图（a） 图（b）
测量蜡块的质量、蜡块重物都在水中的质量
、蜡块在空中重物在水中的质量
。待测固体的密度为
【实验思考题】
1．设计一个实验，用静力学称衡法测量白砂糖的密度
2．设计一个实验，用静力学称衡法测量酒精的密度
3. 估计一个成年人的体积（体重约60千克）
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【实验题目】
实验5 速度和加速度的测量
【实验目的】
1．学习气____________、______________、_________________的使用方法。
2．学会在气垫导轨上测量_________和______________。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1．速度
当滑块从左向右通过光电门时，挡光片边缘________(填44’、22’)遮光时起动计时，挡光片边缘________(填44’、22’)遮光时停止计时。若测出挡光片不相邻两条边的距离
，计时计数测速仪显示的时间为
，则滑块通过光电门的速度
2．加速度
设滑块经某点时的速度为
，经某点处的速度为
，经过、间的时间为，加速度
如果能测出滑块经过到的距离
，根据匀变速直线运动公式，
则有
3．理论加速度
用垫块把已调好的水平导轨上的单脚端垫高，则加速度
【实验分析与讨论】
1．具体分析本实验产生误差的各种原因
2．本实验可用 
和
两种方法测量加速度，试从测量的不确定度的角度分析哪种方法测量的较好？
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【实验题目】
实验6 声速的测定
【实验目的】
1．学会用______________、______________测定空气中的声速。
2．了解利用电声换能器进行_______________和_________的原理与方法。
3．初步熟悉___________和_______________________的功能和使用方法。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
频率
和波长
的声波在空气中的传播速度
可从_________________________测得，则用________________或__________________来测定。
1．共振干涉法（驻波法）
超声声速测定仪上二端面间距为
时，入射波与反射波相干形成驻波。
声驻波中，波腹的声压(即气体因声波传播产生的附加压强）最______（媒质最疏），波节处声压最______（媒质最密），换能器将其转换为电压信号的__________变化，由_____________显示，从而判断是否出现稳定的驻波，进一步依据电压的__________依次找出一个个波节的位置。由
求出
2．相位比较法（行波法）
从声源不断发出的频率为的声波在传播过程中形成一个声场，该场中任一点和声源的振动位相之差
若将__________________和______________的信号分别接入示波器的
、
轴输入端，改变接收器的位置，可观察到两个正弦量合成的一系列______________，如图所示。当相位差改变
时，相应的
的改变量即为______________，由波长和频率值可求出声速
。
图形：
_________ __________ __________
3．理想气体中的声速值
声波在理想气体中的传播速度为：
= __________________________________________
式中，
时的声速，为摄氏温度。
【实验思考题】
1．下图是试验中从示波器上观察到的电压信号幅值随接收器S2位置变化的关系曲线，从曲线分析为什么测L时不测波腹间的距离而要测波节间的距离？
2．若不从第一个波节而从任一个波节开始测量，是否同样能得出实验结论？但会引起什么问题？
3． 如何寻找谐振频率？依据是什么？
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【实验题目】
实验7 弦的振动实验
【实验目的】
1. 观察弦振动形成的_______。
2. 学会测量弦线上横波__________的方法。
3. 用________法验证弦振动________与________的关系。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1. 
简述驻波及其特点
在电动音叉策动下，弦线与音叉臂的联接点P的振动沿弦线向滑轮一端的方向传播而形成__________，再由P’端反射沿弦线朝音叉端传播，形成__________。当入射波与反射波符合相干条件时，两列相向传播的波在弦线上就可合成为横波的_______。
在驻波中，相邻两波节（或波腹）间的距离，等于__________。在本实验中，由于弦的两端______的，故两端点为_______。所以，只有当均匀弦线的两个固定端之间的距离（弦长）等于________________，才能形成驻波。由此可得沿弦线传播的横波波长
＝____________
2. 弦振动规律
弦振动的频率为f，驻波波长λ，则弦线上横波传播的速度为V =________________。
由力学理论可知：在线密度为ρ、张力为T的弦线上，横波传播的速度为
。
3. 
当弦线在频率为
的音叉策动下振动时，适当改变
、
和
，则可能和强迫力发生共振的不一定是基频，而可能是谐频。取对数，得
上式表明在
和
、
之间存在线性关系，本实验将分别验证这一关系。
【思考题与习题】
1. 根据什么现象判断驻波已经稳定？
2. 弦线的粗细和弹性对于实验有什么影响？应如何选择？
2.如果要研究波长
与弦线密度的关系，实验如何安排？
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【实验题目】
实验8 碰撞实验
【实验目的】
1.验证_______________。
2.深入了解____________________与____________________的特点。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1．检验动量守恒定律
本实验是检验两物体沿一直线碰撞时，如果保持在碰撞方向上合外力为零，则碰撞前后的动量维持不变，即
——————————————————————
在实验中，利用__________使两个滑块在近似水平的平面内作直线碰撞，若忽略滑块与导轨间的摩擦力，则满足碰撞时合外力为零的条件。如取
，则上式简化为
——————————————————————
不论碰撞是________的或是___________的，动量守恒定律都成立。
2．碰撞前后动能的变化
若碰撞物体由弹性材料组成、碰撞物体没有发生形变，则物体的总动能____________，这就是_________碰撞。若物体具有一定塑性，碰撞结束后有部分形变，则物体系的总动能有____________，这就是非弹性碰撞。
3．验证全弹性碰撞与完全非弹性碰撞的特点的计算方案
用所测得的数据代入公式
______________________、_____________________________
的具体动量和动能，然后算出百分比。（请具体阐明）
1）．完全非弹性碰撞
______________________________________________________________
______________________________________________________________
2）．完全弹性碰撞
______________________________________________________________
______________________________________________________________
【思考题与习题】
（1）碰撞过程中滑块速度太快和太慢会给实验和实验仪器带来什么影响？
（2）动量的百分比
的值为什么有正、有负？
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【实验题目】
实验9 杨氏弹性模量的测定（拉伸法）
【实验目的】
1．掌握用__________________________的原理和方法，测金属丝的________________。
2．训练正确地调节测量系统的能力和用_____________处理数据的方法。。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1． 杨氏模量
设金属丝的长度为l，截面积为S，一端固定，一端在延长度方向上受力为F，并伸长△l。根据胡克定律，杨氏弹性模量
若钢丝的直径为
，则。
是长度的___________改变量，难于用普通测长仪器测出，本实验中借助
_____________________________。
2.光杠杆原理:由图，平面镜转过
角，反射线旋转了
角：
由以上两式即得钢丝的伸长量
由此可见，光杠杆的作用在于________________
__________________________________________。
3. 测量公式
【思考题与习题】
1.估算：实际上是一个微小的长度变化量，以钢丝为例：
设钢丝
=100.00cm，直径=0.0480cm，由有关手册查得
=2.00×
，当金属丝所悬挂的钩码为
1.00kg时的长度变化
2.本实验中各种长度是用不同精度的仪器来测量的，这些仪器是如何选取的？为什么？
3.请估算本实验所用的光杠杆和望远镜的放大倍率，它能够分辨最小长度的变化为多少？怎样提高它？
4.导出本实验杨氏模量相对误差公式，并分析哪些量的误差对于测量效果影响最大，如何克服其误差。
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【实验题目】
实验11 刚体转动惯量的测定
【实验目的】
1．了解_______________________________，验证_______________________________。
2.研究刚体的转动惯量与其_______、______________及________________的关系。
3.熟练掌握___________________________的方法。
【实验仪器及型号】
_______________________________________________________________________
【实验原理及预习】
1．转动定理
刚体绕定轴转动的转动定理为_________________。
为验证转动定理，采用原理图装置，若以加速度
从静止开始运动，经过时间t后下落的距离为
，则
，即
，故可由、的测量值来计算。
当下落，塔轮转动，忽略定滑轮和细线的质量及转动时的空气阻力，将转轴与轴承之间的摩擦力矩
视为一常数，则由转动定理，可得
———————————————————
或 _____________________________________
若摩擦力的影响可以略去，即有____________________
1).实验时可改变 ，测量，值，然后以为纵坐标，
为横坐标作图。如果它们的关系确为__________，即转动定理得到验证。同时，由曲线的斜率
可求得塔轮系统的转动惯量
：
2).若保持、
、不变，对称地改变
距
轴的距离，根据刚体转动惯量的平行轴定理，刚体系绕的转动惯量
如果直角坐标图
是一斜率为
的直线，说明随质量分布的变化且验证了_______________和________________________。
3).如果维持、、不变，将两个放入（3，3′）、（2，4′）、(1,
)位置上，这相当于由两个距离一定，质量各为的物体组成的刚体绕不同的平行轴转动，由此可以观测刚体绕不同轴的转动惯量，并验证平行轴定理。
设两个分别在上述位置时下落时间分别为
、
、
，相应的转动惯量为
，
，
。得
【思考题与习题】
1.影响实验结果的精确度的主要因素是什么?如何改进？
2.实验中如何保证
的条件？由于作了这一近似，会对结果产生什么影响？
3.
式中
值如何由实验方法定出来？