大学物理综合设计性实验(完整)

综合设计性物理实验指导书 黑龙江大学普通物理实验室 I 目 录 绪论 实验1 几何光学设计性实验 实验2 LED特性测量 实验3 超声多普勒效应的研究和应用 实验4 热辐射与红外扫描成像实验 实验5 多方案测量食盐密度 实验6 多种方法测量液体表面张力系数 实验7 用Multisim软件仿真电路 实验8 霍尔效应实验误差来源的分析与消除 实验9 自组惠斯通电桥单检流计条件下自身内阻测定 实验10 用迈克尔逊干涉仪测透明介质折射率 实验11 光电效应和普朗克常数的测定液体电导率测量 实验12 光电池输出特性研究实验 实验13 非接触法测量液体电导率 1

绪 论 一．综合设计性实验的学习过程 完成一个综合设计性实验要经过以下三个过程： 1．选题及拟定实验方案 实验题目一般是由实验室提供，学生也可以自带题目，学生可根据自己的兴趣爱好自由选择题目。选定实验题目之后，学生首先要了解实验目的、任务及要求，查阅有关文献资料（资料来源主要有教材、学术期刊等），查阅途径有：到图书馆借阅、网络查询等。学生根据相关的文献资料，写出该题目的研究综述，拟定实验方案。在这个阶段，学生应在实验原理、测量方法、测量手段等方面要有所创新；检查实验方案中物理思想是否正确、方案是否合理、是否可行、同时要考虑实验室能否提供实验所需的仪器用具、同时还要考虑实验的安全性等，并与指导教师反复讨论，使其完善。实验方案应包括：实验原理、实验示意图、实验所用的仪器材料、实验操作步骤等。 2．实施实验方案、完成实验 学生根据拟定的实验方案，选择测量仪器、确定测量步骤、选择最佳的测量条件，并在实验过程中不断地完善。在这个阶段，学生要认真分析实验过程中出现的问题，积极解决困难，要于教师、同学进行交流与讨论。在这种学习的过程中，学生要学习用实验解决问题的方法，并且学会合作与交流，对实验或科研的一般过程有一个新的认识；其次要充分调动主动学习的积极性，善于思考问题，培养勤于创新的学习习惯，提高综合运用知识的能力。 3．分析实验结果、总结实验报告 实验结束需要分析总结的内容有：（1）对实验结果进行讨论，进行误差分析；（2）讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法；（3）写出完整的实验报告（4）总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。实验结束后的总结非常重要，是对整个实验的一个重新认识过程，在这个过程中可以锻炼学生分析问题、归纳和总结问题的能力，同时也提高了文字表达能力。 在完成综合性、设计性实验的整个过程中处处渗透着学生是学习的主体，学生是积极主动地探究问题，这是一种利于提高学生解决问题的能力，提高学生的综合素质的教学过程。 在综合设计性实验教学过程中学生与教师是在平等的基础上进行探讨、讨论问题，不要产生对教师的依赖。有些问题对教师是已知的，但对学生是未知的，这时教师应积极诱导学生找到解决问题的方法、鼓励学生克服困难，并在引导的过程中帮助学生建立科学的思维方式和研究问题的方法。有些问题对教师也是一个未知的问题，这时教师应与学生共同思考共同解决问题。 二．实验报告书写要求 实验报告应包括：1实验目的；2实验仪器及用具；3实验原理；4实验步骤；5测量原始数据；6数据处理过程及实验结果；7分析、总结实验结果，讨论总结实验过程中遇到的问题及解决的办法，总结实验成功与失败的原因，经验教训、心得体会。 三．实验成绩评定办法 教师根据学生查阅文献、实验方案设计、实际操作、实验记录、实验报告总结等方面综合评定学生的成绩。 （1）查询资料、拟定实验方案：占成绩的20%。在这方面主要考察学生独立查找资料，并根据实验原理设计一个合理、可行的实验方案。 （2）实施实验方案、完成实验内容：占成绩的30%。考察学生独立动手能力，综合运用知识解决实际问题的能力。 （3）分析结果、总结报告：占成绩的20%。主要考察学生对数据处理方面的知识运用情况，分析问题的能力，语言表达能力。 （4）科学探究、创新意识方面：占成绩的20%。考察学生是否具有创新意识，善于发现问题并能解决问题。 （5）实验态度、合作精神：占成绩的10%。考察学生是否积极主动地做实验，是否具有科学、 2

严谨、实事求是的工作作风，能否与小组同学团结合作。 四．综合设计性实验上课要求 1．做每个实验前要做实验前的开题报告，开题报告应包括： （1）实验的目的、意义、内容； （2）对实验原理的认识、拟定的测量方案等； （3）对实验装置工作原理、使用方法等方面的了解； （4）对实验的原理、测量方法、仪器使用等方面存在的问题、需进一步研究的内容等。 2．实验结束要求做实验总结报告，总结报告应包括： （1）阐述实验原理、测量方法； （2）介绍实验内容，分析测量数据、实验现象，总结测量结果； （3）实验的收获、实验的改进意见，对实验教学工作提出意见和建议等。 3

实验1. 几何光学设计性实验 ——组装显微镜与望远镜

显微镜与望远镜是常用的助视光学仪器。显微镜主要用来帮助人们观察近处的微小物体，望远镜则主要帮助人们观察远处的目标，它们在天文学、电子学、生物学和医学等领域中都起着十分重要的作用。为适应不同用途和性能的要求，有各种类型的显微镜与望远镜，构造上也各有差异，但是它们的基本光学系统都是由一个目镜和物镜组成。 一．实验目的 （1）掌握透镜成像规律； （1）组装简单的显微镜与望远镜，以熟悉它们的构造及其放大原理，掌握其调节与使用方法； （2）用自己组装的望远镜测量凸透镜和凹透镜的焦距。 二．实验室可提供的器材 1.2m光学导轨一个，焦距为4、8、20㎝的凸透镜各一个，待测凸透镜、凹透镜各一个，玻璃叉丝屏（分划板）一个，物屏一个。 三．实验内容 1．区分凸、凹透镜，分辨不同凸透镜的焦距长短。 2．选择较短焦距的凸透镜做目镜，与分划板构成目镜系统，调整目镜到透镜之间的距离，使分划板成像清晰。 3．利用透镜成像法测量所有凸透镜的焦距（用目镜系统观察成像）。 4．组装显微镜 要求： （1）画出显微镜的光路图； （2）选择合适的凸透镜做物镜，利用目镜和分划板组成的目镜系统，组装显微镜。 （3）调整显微镜系统看清放大的像，观察显微镜放大的现象。 5．组装望远镜 要求： （1）画出开普勒望远镜的光路图。 （2）选择一个焦距较长的凸透镜做物镜，利用目镜系统，组装望远镜。 （3）用组装的望远镜系统，观察远处物体成像的现象。 4．用上述组装成的望远镜测量待测凸透镜的焦距 要求：画出测量光路图，并叙述测量原理及过程。 5．用上述组装成的望远镜测量待测凹透镜的焦距。 要求：画出测量光路图，并叙述测量原理及过程。 五．实验报告要求 1．阐述实验的基本原理及测量方法 内容包括：透镜成像原理，测量透镜焦距的方法，显微镜望远镜的结构、组装方法等 2．记录实验步骤及各种实验现象，画出光路图，记录实验数据。 3．总结本次实验的收获和体会。 4

实验2 LED特性测量 LED是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光，具有体积小，耗电量低，易于控制，坚固耐用，寿命长，环保等优点，其主要应用领域包括：照明、大屏幕显示、液晶显示的背光源、装饰工程等。本实验通过测试各种LED特性，分析实验结果，从而进一步了解LED工作原理及相关应用。

实验目的 1.测量LED的伏安特性 2.测量LED的电光转换特性 3.测量LED输出光空间分布特性

实验仪器及用具 LED光发射器，照度检测探头，激励电源，测试控制器，实验仪及LED组件。 实验原理 一．LED工作原理 发光二极管是由P型和N型半导体组成的二极管。P型半导体中有相当数量的空穴，几乎没有自由电子。N型半导体中有相当数量的自由电子，几乎没有空穴。当两种半导体结合在一起形成P-N结时，N区的电子（带负电）向P区扩散， P区的空穴（带正电）向N区扩散，在P-N结附近形成空间电荷区与势垒电场。势垒电场会使载流子向扩散的反方向作漂移运动，最终扩散与漂移达到平衡，使流过P-N结的净电流为零。在空间电荷区内，P区的空穴被来自N区的电子复合，N 区的电子被来自P区的空穴复合，使该区内几乎没有能导电的载流子，又称为结区或耗尽区。 当加上与势垒电场方向相反的正向偏压时，结区变窄，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，从而在PN结附近产生电子与空穴的复合，并以热能或光能的形式释放能量。采用适当的材料，使复合能量以发射光子的形式释放，就构成发光二极管。发光二极管发射光谱的中心波长，由组成P-N结的半导体材料的禁带能量所决定，采用不同的材料及材料组分，可以获得发射不同颜色的发光二极管。 LED的光谱线宽度一般有几十纳米，可见光的光谱范围是400－700纳米，白光LED一般采用三种方法形成。第一种是在蓝光LED管芯上涂敷荧光粉，蓝光与荧光粉产生的宽带光谱合成白光。第二种是采用几种发不同色光的管芯封装在一个组件外壳内，通过色光的混合构成白光LED。第3种是紫外LED加3基色荧光粉，3基色荧光粉的光谱合成白光。 二．LED光电特性 1.LED的伏安特性 伏安特性反映了在LED两端加电压时，电流与电压的关系，如图2所示。 在LED 两端加正向电压，当电压较小，不足以克服势垒电场时，通过LED的电流很小。当正向电压超过死区电压（图2中的正向拐点）后，电流随电压迅速增长。 正向工作电流指LED正常发光时的正向电流值，根据不同管子的结构和输出功率的大小，其

N 势垒电 空间 场方向 电荷区 P

图1 半导体P-N结示意图

I V 图2 LED的伏安特性曲线