《全國中學生物理競賽實驗指導書》是為參加省、市和全國物理競賽的學生編寫的，但競賽的宗旨 為了提高學生在物理實驗方面的素質(zhì)和修養(yǎng)，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際物理問題的能力，而不是單純?yōu)榱藸幟�次。因而本書是從如何培養(yǎng)學生既有踏實的物理實驗基礎，又有創(chuàng)新能力的角度來選題的。
　　《全國中學生物理競賽實驗指導書》是中國物理學會全國中學生物理競賽常務委員會組織編寫的全國中學生物理競賽實驗指導書,主編和參與編寫人員均為北京大學物理學院基礎物理中心教師。本書包括三十余個力學、熱學、光學、電磁學實驗,每個實驗均有對實驗目的、儀器設備、實驗原理和內(nèi)容的詳細描述不僅適用于備戰(zhàn)物理競賽的中學生,也可作為中學物理教學的參考書。
　　我們希望并相信，按照本書“序”和“前言”中所闡述的指導思想，《全國中學生物理競賽實驗指導書》定會在全國中學生物理競賽中發(fā)揮應有的作用，更有效地、更廣泛地提高對物理有興趣的中學生的物理實驗水平。

　　受中國物理學會全國中學生物理競賽委員會常務委員會的委托，為規(guī)范物理實驗競賽的范圍和內(nèi)容，我們編寫了這本《全國中學生物理競賽實驗指導書》。
　　本書是為參加省、市和全國物理競賽的學生編寫的，但競賽的宗旨是為了提高學生在物理實驗方面的素質(zhì)和修養(yǎng)，提高發(fā)現(xiàn)、分析和解決實際物理問題的能力，而不是單純?yōu)榱藸幟�次。因而本書是從如何培養(yǎng)學生既有踏實的物理實驗基礎，又有創(chuàng)新能力的角度來選題的。
　　為使教學與實際應用做到有機的結(jié)合、學用一致，我們選題時盡量做到：有重要的物理內(nèi)容；有實際的應用價值；采用教學、生產(chǎn)、科研中通用的儀器設備。
　　物理學是一門實驗科學，物理實驗在物理學發(fā)展中的重要性是不言而喻的，只有被實驗證明的物理理論才是正確的理論。但由于各種原因，目前在中學教育中對物理實驗教學不夠重視，學生的動手能力普遍較差，在競賽中反映為理論成績好于實驗成績，我們希望學生經(jīng)過物理實驗的訓練能在一定程度上緩解這個矛盾。
　　學生在學習物理實驗時，首先應該學習嚴謹?shù)摹�實事求是的科學態(tài)度，認真地對待實驗中的每一個細節(jié)，記下每一個數(shù)據(jù)；其次是在實驗中學會發(fā)現(xiàn)問題，并用學到的理論去解決或解釋這些問題；第三是學習物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能。
　　作實驗時，不僅要動手更需要動腦，既要掌握實驗的原理，又要學會用掌握的知識去分析實驗現(xiàn)象，解決實驗中出現(xiàn)的問題。在理論課中我們作了很多簡化假設使現(xiàn)象簡單、公式簡明，而實際情況要復雜得多，現(xiàn)象也豐富得多，如何在復雜的現(xiàn)象中去偽存真，去保證滿足實驗條件，得到好的實驗結(jié)果是作實驗時必須思考的問題。為了使學生在作實驗時不僅要知其然而且要知其所以然，我們對實驗原理作了詳細的闡述，希望學生認真閱讀這部分內(nèi)容，并能用到實驗中。
　　作實驗時，先要定性地觀察物理現(xiàn)象和變化的規(guī)律，確認無誤后再仔細地定量測量，不要只顧測量數(shù)據(jù)而不知測量這些數(shù)據(jù)的目的。我們的實驗內(nèi)容也是按此規(guī)律安排的。我們還提供了一些思考題供學生參考。帶“*”的實驗內(nèi)容供有興趣的學生選用。
　　本書還有一個特點，就是對于有些實驗(特別是設計實驗)我們沒有寫出實驗的具體步驟以及詳細的注意事項。我們認為，對較優(yōu)秀的學生來說，這應當是要求他們自己來設計的事情，即在理解實驗原理、儀器用具、實驗目的和要求的基礎上，理論聯(lián)系實際地進行獨立思考，自行設計實驗步驟。這對充分發(fā)揮學生的主觀能動作用，培養(yǎng)學生良好的科學素養(yǎng)、獨立思考能力和創(chuàng)造性思維能力特別重要。根據(jù)這一目的，在用本書對學生進行實驗培訓時，對于這些實驗，我們不贊成老師給學生補充實驗步驟，將培養(yǎng)鍛煉學生的環(huán)節(jié)變成學生被動接受知識的過程，喪失應有的教學效果；也不贊成有人去補寫、出版這些實驗的實驗步驟以及思考題的解答，或者編寫、出版關于實驗步驟的各種輔導材料。我們希望使用本書的老師、學生充分認識此書這一特點的重要性，堅持正確的學習方向和方法。
　　我們選用的實驗裝置多數(shù)為通用儀器，市場上可供選擇的型號和廠商很多，我們不要求統(tǒng)一。個別實驗因敘述上的需要在舉例時列出了部分儀器的型號，但不意味一定要用這種型號的儀器，只要能滿足實驗要求，培訓單位可盡量利用已有的設備�；�于以上原因，書中在描述儀器時，大量用的是示意圖，而不是實際裝置圖。我們提倡讓學生直接看儀器說明書，這也是培養(yǎng)學生實驗素質(zhì)的一個內(nèi)容。
　　參加本書編寫的有段家低教授(實驗八至十)、陳凱旋教授(實驗二十八至三十四)、張潔天教授(實驗十一至二十七)、王勝教授(實驗一至七)，由呂斯驊教授統(tǒng)稿、審定。他們長期從事物理實驗教學，并有對我國參加國際物理奧林匹克競賽的學生進行培訓的經(jīng)驗，但由于參加物理競賽實驗指導書的編寫工作還是第一次，難免有不妥之處，請不吝指正。
　　編者
　　2005年秋








收起全部↑

實驗一 實驗誤差
實驗二 在氣軌上研究瞬時速度
實驗三 測定金屬的楊氏模量
（一） 用金屬絲的伸長測定楊氏模量
（二）用CCD成像系統(tǒng)則定楊氏模量
實驗四 研究單擺的運動特性
實驗五 氣軌上研究碰撞過程中動量和能量變化
實驗六 測量空氣中的聲速
實驗七 弦線上的駐波實驗
實驗八 測定冰的熔化熱
實驗九 測定固體的線膨脹系數(shù)
實驗十 測定液體的熱容
實驗十一 學習使用數(shù)字萬用電表
實驗十二 制流和分壓電路
實驗十三 測定直流電源的參數(shù)并研究其輸出特性
實驗十四 磁電式直流電表的改裝
實驗十五 用量程為220mv的直流數(shù)字電壓表組裝多量程的直流電壓表和直流電流表
實驗十六 測量非線性元件的伏安特性
實驗十七 直流平衡電橋
實驗十八 學習使用示波器
實驗十九 觀測電容特性
實驗二十 黑盒子
實驗二十一 測量溫度傳感器的溫度特性
實驗二十二 測量熱敏電阻的溫度特性
實驗二十三 用堆爾效應測量磁場
實驗二十四 測量光敏電阻的光電特性
實驗二十五 研究光伏探測器的光電特性
實驗二十六 發(fā)光二極管的光電特性
實驗二十七 研究亥姆堆茲線圈軸線磁場分布
實驗二十八 測定玻璃的折射率
實驗二十九 測量薄透鏡的焦距
實驗三十 望遠鏡和顯微鏡
實驗三十一 光的干涉現(xiàn)象
實驗三十二 研究光的夫瑯禾費衍射現(xiàn)象
實驗三十三 調(diào)節(jié)分光計并用掠入射法測定折射率
實驗三十四 觀測氫原子光譜

　　實驗一實驗誤差
　　【實驗原理】
　　一、物理實驗和測量誤差
　　1.測量誤差的普遍存在
　　物理學是一門實驗科學，對它的研究離不開對各種物理量進行測量。作物理實驗主要也是要進行各種測量。測量分為兩種：由儀器直接讀出測量結(jié)果的叫做直接測量；由直接測量結(jié)果經(jīng)過公式計算才能得出結(jié)果的叫做間接測量。每一個待測物理量在一定實驗條件下具有確定的大小，稱為該物理量的真值。當我們進行測量時，由于理論的近似性、實驗儀器分辨率或靈敏度的局限性、環(huán)境條件的不穩(wěn)定性等因素的影響，測量結(jié)果總不可能絕對準確。待測物理量的真值同我們的測量值之間總會存在某種差異，這種差異就稱為測量誤差，定義為測量誤差一測量值一真值。
　　由測量所得的一切數(shù)據(jù)都毫無例外地含有一定數(shù)量的測量誤差。沒有誤差的測量結(jié)果是不存在的。測量誤差存在于一切測量之中，并貫穿于測量過程的始終。隨著科學技術水平的不斷提高，測量誤差可以被控制得越來越小，但是卻永遠不會降低到零。
　　2.測量誤差理論和物理實驗的關系
　　既然測量誤差的存在是一切測量中的普遍現(xiàn)象，那么，研究測量誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生的原因，研究如何有效地減小測量誤差對實驗結(jié)果的影響，研究如何科學地表達含有測量誤差的實驗結(jié)果，以及對實驗結(jié)果如何評價等等，這一系列問題就顯得十分重要。當然，要想深入地討論測量誤差理論，需要有豐富的實驗經(jīng)驗和較充分的數(shù)學知識；這里只能對基本的方面作些簡單介紹，作為一個入門的學習。
　　二、偶然誤差和系統(tǒng)誤差
　　按照習慣的分類方法，根據(jù)誤差的性質(zhì)，可以把測量誤差分為偶然誤差和系統(tǒng)誤差兩種。
　　1.系統(tǒng)誤差
　　在相同的條件下，多次測量同一物理量時，測量值對真值的偏離(包括大小和方向)總是相同的，這類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的來源大致有：
　　(1)理論公式的近似性。例如，單擺周期公式的成立條件是擺角趨于零，而在利用該公式求重力加速度g時，這個條件是不可能實現(xiàn)的。
　　(2)儀器結(jié)構(gòu)不完善。例如，溫度計的刻度不準，天平的兩臂不等長等。
　　(3)環(huán)境條件的改變。例如，在20℃條件下校準的儀器拿到一20℃條件下去使用。
　　(4)測量者生理、心理因素的影響。例如，記錄某一信號時有滯后或超前的傾向，對準標志線進行讀數(shù)時總是偏左或偏右、偏上或偏下等。
　　系統(tǒng)誤差的特點是恒定性，不能用增加測量次數(shù)的方法使它減小。在實驗中發(fā)現(xiàn)和消除系統(tǒng)誤差是很重要的，但它需要積累豐富的實驗經(jīng)驗。對于初學者，我們先學習偶然誤差。
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