大学物理实验讲义(B1) 物理实验教学中心 大学物理实验教研室修订 2017.1
大学物理实验讲义（B1） 物理实验教学中心 大学物理实验教研室修订 2017.1
目录 序言 .2 测量误差及数据处理 实验一长度测量 41 实验二固体和液体密度的测定 实验三单摆实验 .52 实验四简谐振动特性研究与弹簧劲度系数测量 .60 实验五验证牛顿第二定律 66 实验六拉伸法测定金属丝的杨氏模量 .7 实验七液体表面张力系数的测定（拉脱法） 80 实验八刚体转动惯量的测定… 86
1 目录 序 言.................................................................................................................................... 2 测量误差及数据处理.......................................................................................................... 7 实验一 长度测量............................................................................................................ 41 实验二 固体和液体密度的测定.................................................................................... 46 实验三 单摆实验............................................................................................................ 52 实验四 简谐振动特性研究与弹簧劲度系数测量........................................................ 60 实验五 验证牛顿第二定律............................................................................................ 66 实验六 拉伸法测定金属丝的杨氏模量........................................................................ 71 实验七 液体表面张力系数的测定（拉脱法）............................................................ 80 实验八 刚体转动惯量的测定........................................................................................ 86
序言 一、物理实验的地位和作用 物理学研究的是自然物质的最基本最普遍的形式。物理学研究的运动，普遍地 存在于其它高级的、复杂的物质运动形式之中。因此，物理学所研究的物质运动规 律，具有最大的普遍性。物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的研究都以 严格的实验事实为基础，并且不断受到实验的检验。用人为的方法让自然现象再现， 从而加以观察和研究，这就是实验。实验是人们认识自然和改造客观世界的基本手 段。科学技术越进步，科学实验就显得越重要，任何一种新技术、新材料、新工艺、 新产品都必须通过实验才能获得。由实验观察到的现象和测出的数据，加以总结和 抽象，找出内在的联系和规律就到得理论，实验是理论的源泉。理论一旦提出，又 必须借助实验来检验其是否具有普遍意义，实验是检验理论的手段，是检验理论的 裁判。麦克斯韦提出的电磁理论（他预言电磁波存在）只有当赫滋做出电磁学实验 后才被人们公认：杨振宁、李政道在1956年提出基本粒子在“弱相互作用下的宇称不 守恒的理论，只有当实验物理学家吴健雄用实验验证后，才被同行学者承认，从而 才有可能获得诺贝尔奖。然而，人们掌握理论的目的是在于应用它来指导生产实际， 促进科学进步，推动社会前进。当理论在实际中应用时，仍必须通过实验，实验是 理论和应用的桥梁。任何一门科学的发展都离不开实验，这就是实验物理课有了充 实的教学内容。物理实验是主要基础课程之一。 任何物理概念的确立，物理规律的发现，都必须以严格的科学实验为基础。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。物理学史表明，经典物理学的形成，是伽俐略、牛顿、麦 克斯韦等人通过观察自然现象，反复实验，运用抽象思维的方法总结出来的。近代 物理的发展，是在某些实验的基础上提出假设，例如普朗克根据黑体辐射提出“能量 子假设”，再经过大量的实验证实，假设才成为科学理论，实践证明物理实验是物理 2
2 序 言 一、 物理实验的地位和作用 物理学研究的是自然物质的最基本最普遍的形式。物理学研究的运动，普遍地 存在于其它高级的、复杂的物质运动形式之中。因此，物理学所研究的物质运动规 律，具有最大的普遍性。物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的研究都以 严格的实验事实为基础，并且不断受到实验的检验。用人为的方法让自然现象再现， 从而加以观察和研究，这就是实验。实验是人们认识自然和改造客观世界的基本手 段。科学技术越进步，科学实验就显得越重要，任何一种新技术、新材料、新工艺、 新产品都必须通过实验才能获得。由实验观察到的现象和测出的数据，加以总结和 抽象，找出内在的联系和规律就到得理论，实验是理论的源泉。理论一旦提出，又 必须借助实验来检验其是否具有普遍意义，实验是检验理论的手段，是检验理论的 裁判。麦克斯韦提出的电磁理论（他预言电磁波存在）只有当赫兹做出电磁学实验 后才被人们公认；杨振宁、李政道在1956年提出基本粒子在“弱相互作用下的宇称不 守恒”的理论，只有当实验物理学家吴健雄用实验验证后，才被同行学者承认，从而 才有可能获得诺贝尔奖。然而，人们掌握理论的目的是在于应用它来指导生产实际， 促进科学进步，推动社会前进。当理论在实际中应用时，仍必须通过实验，实验是 理论和应用的桥梁。任何一门科学的发展都离不开实验，这就是实验物理课有了充 实的教学内容。物理实验是主要基础课程之一。 任何物理概念的确立，物理规律的发现，都必须以严格的科学实验为基础。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。物理学史表明，经典物理学的形成，是伽俐略、牛顿、麦 克斯韦等人通过观察自然现象，反复实验，运用抽象思维的方法总结出来的。近代 物理的发展，是在某些实验的基础上提出假设，例如普朗克根据黑体辐射提出“能量 子假设”，再经过大量的实验证实，假设才成为科学理论，实践证明物理实验是物理
学发展的动力。在物理学发展的进程中，物理实验和物理理论始终是相互促进、相 互制约、相得益彰的。没有理论指导的实验是盲目的，实验必须经过总结抽象上升 为理论，才有其存在的价值，而理论靠实验来检验，同时理论上的需要又促进实验 的发展。1752年富兰克林利用风筝把天空的电引入室内，进行室内雷鸣闪电实验， 证实了雷电与电火花放电有同样的本质，进而找出了雷电的成因，并且在此基础上 发明了避雷针。这个简单的实验事实，足以说明物理实验在物理学发展中所起的重 要作用。物理学发展到当今的时代，与实验的关系就更为密切，而且在许多边缘科 学的建立过程中，物理实验也起了重要的桥梁作用。物理实验在探索和研究新科技 领域，在推动其它自然科学和工程技术的发展中，起到的重要作用是不可低估的。 自然科学迅速发展，新的科学分支层出不穷，但基础学科就是数学和物理两门，物 理实验是研究物理测量方法与实验方法的科学，物理实验的特点是在于它具有普遍 性：力、热、光、电都有：具有基本性一它是其它一切实验的基础：同时它还有通 用性一适用于一切领域，把高、精、尖的复杂实验分解成为“零件”，绝大部分是常 见的物理实验。在工程技术领域中，研制、生产、加工、运输等都普遍涉及物理量 的测量及物理运动状态的控制，这正是成熟的物理实验的推广和应用。现代高科技 发展，设计思想，方法和技术也来源于物理实验。因此，物理实验是自然科学、工 程技术和高科技发展的基础，科学技术的发展离不开物理实验。 二、物理实验课的目的和任务 1.大学物理实验课的目的 (1),通过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 实验中的问题和方法。从理论和实际的结合上加深对理论的理解。 (2)·培养学生从事科学实验的初步能力。通过实验阅读教材和资料，能概括 出实验原理和方法的要点：正确使用基本实验仪器，掌握基本物理量的测量方法和 实验操作技能：正确记录和处理数据，分析实验结果和撰写实验报告：以及自行设 计和完成不太复杂的实验任务等
3 学发展的动力。在物理学发展的进程中，物理实验和物理理论始终是相互促进、相 互制约、相得益彰的。没有理论指导的实验是盲目的，实验必须经过总结抽象上升 为理论，才有其存在的价值，而理论靠实验来检验，同时理论上的需要又促进实验 的发展。1752年富兰克林利用风筝把天空的电引入室内，进行室内雷鸣闪电实验， 证实了雷电与电火花放电有同样的本质，进而找出了雷电的成因，并且在此基础上 发明了避雷针。这个简单的实验事实，足以说明物理实验在物理学发展中所起的重 要作用。物理学发展到当今的时代，与实验的关系就更为密切，而且在许多边缘科 学的建立过程中，物理实验也起了重要的桥梁作用。物理实验在探索和研究新科技 领域，在推动其它自然科学和工程技术的发展中，起到的重要作用是不可低估的。 自然科学迅速发展，新的科学分支层出不穷，但基础学科就是数学和物理两门，物 理实验是研究物理测量方法与实验方法的科学，物理实验的特点是在于它具有普遍 性：力、热、光、电都有；具有基本性──它是其它一切实验的基础；同时它还有通 用性──适用于一切领域，把高、精、尖的复杂实验分解成为“零件”，绝大部分是常 见的物理实验。在工程技术领域中，研制、生产、加工、运输等都普遍涉及物理量 的测量及物理运动状态的控制，这正是成熟的物理实验的推广和应用。现代高科技 发展，设计思想，方法和技术也来源于物理实验。因此，物理实验是自然科学、工 程技术和高科技发展的基础，科学技术的发展离不开物理实验。 二、物理实验课的目的和任务 1．大学物理实验课的目的 （1）．通过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 实验中的问题和方法。从理论和实际的结合上加深对理论的理解。 （2）．培养学生从事科学实验的初步能力。通过实验阅读教材和资料，能概括 出实验原理和方法的要点；正确使用基本实验仪器，掌握基本物理量的测量方法和 实验操作技能；正确记录和处理数据，分析实验结果和撰写实验报告；以及自行设 计和完成不太复杂的实验任务等
(3),培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风，勇于探索、坚韧不拔 的钻研精神以及遵守纪律、团结协作、爱护公物的优良品德。 2.大学物理课的具体实验任务是： (1)·通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验的基本 知识、基本方法和基本技能，加深对物理概念和规律的认识、对物理学原理的理解， 为后继课打下基础。 (2)·培养和提高学生的科学实验素养，要求学生具有： ①理论联系实际和解决实际问题的能力： ②勒奋学习，认真实验的良好学风： ③主动研究和积极探索的创新精神： ④遵守实验室守则，注意仪器操作要领，爱护仪器的优良品德。 (3),培养学生组织有关中学物理教学、指导中学物理实验的基本能力。物理 实验课的进行程序大致可分为：提出问题，确定方案，选择仪器设备，安装调试， 观察测量，记录数据，总结分析写出科学论文（实验报告）。每个实验环节都有一 定的基本要求，基本技能训练，科学实验基本技能的训练贯穿于实验的全过程中， 实验方法各自分散在不同的实验中。因此，实验课有它自身的体系，要达到学会实 验、掌握基本技能的目的，就要认真进行每个实验环节的训练，并且在不同实验中 学习实验方法。 (4),培养学生做好实验的能力。 ①实验前要作好预习。预习时，主要阅读实验教材，了解实验目的，搞清楚实 验内容，要测量什么量，使用什么方法，实验的理论依据（原理）是什么，使用什 么仪器，其仪器性能是什么，如何使用，操作要点及注意事项等，在此基础上，回 答好思考题，草拟出操作步骤，设计好数据记录表格，准备好自备的物品。只有在 充分了解实验内容的基础上，才能在实验操作中有目的地观察实验现象，思考问题， 减少操作中的忙乱现象，提高学习的主动性。因此，每次实验前，学生必须完成规 定的预习内容，一般情况下，教师要检查学生预习情况，并评定预习成绩，_没有
4 （3）．培养学生实事求是的科学态度、严谨的工作作风，勇于探索、坚韧不拔 的钻研精神以及遵守纪律、团结协作、爱护公物的优良品德。 2．大学物理课的具体实验任务是： （1）．通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验的基本 知识、基本方法和基本技能，加深对物理概念和规律的认识、对物理学原理的理解， 为后继课打下基础。 （2）．培养和提高学生的科学实验素养，要求学生具有： ① 理论联系实际和解决实际问题的能力； ② 勤奋学习，认真实验的良好学风； ③ 主动研究和积极探索的创新精神； ④ 遵守实验室守则，注意仪器操作要领，爱护仪器的优良品德。 （3）．培养学生组织有关中学物理教学、指导中学物理实验的基本能力。物理 实验课的进行程序大致可分为：提出问题，确定方案，选择仪器设备，安装调试， 观察测量，记录数据，总结分析写出科学论文（实验报告）。每个实验环节都有一 定的基本要求，基本技能训练，科学实验基本技能的训练贯穿于实验的全过程中， 实验方法各自分散在不同的实验中。因此，实验课有它自身的体系，要达到学会实 验、掌握基本技能的目的，就要认真进行每个实验环节的训练，并且在不同实验中 学习实验方法。 （4）．培养学生做好实验的能力。 ① 实验前要作好预习。预习时，主要阅读实验教材，了解实验目的，搞清楚实 验内容，要测量什么量，使用什么方法，实验的理论依据（原理）是什么，使用什 么仪器，其仪器性能是什么，如何使用，操作要点及注意事项等，在此基础上，回 答好思考题，草拟出操作步骤，设计好数据记录表格，准备好自备的物品。只有在 充分了解实验内容的基础上，才能在实验操作中有目的地观察实验现象，思考问题， 减少操作中的忙乱现象，提高学习的主动性。因此，每次实验前，学生必须完成规 定的预习内容，一般情况下，教师要检查学生预习情况，并评定预习成绩，__没有