物理实验（下） 绪 论 课 物理教学实验中心 2016年3月.

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1 物理实验（下） 绪 论 课 物理教学实验中心 2016年3月

2 什么是物理？ Physics is not just a subject; rather, it is a way of approaching scientific discovery, which requires personal observation and physical experimentation. 实验教学的目的： “Thinking like a physicist” and constructing knowledge of our physical universe。 ——from AAPT Recommendations for the Undergraduate Physics Laboratory Curriculum

3 总体安排 具体要求 评分与考核 实验介绍

4 总体安排 组 周次 姓名 1 2-4 5-7 8 9-11 12-14 15 第 一 10名学生 绪论 第一循环 第二循环 口头报告
第三循环 第四循环 二 第五循环 三 四 五

5 第一循环： 声速的研究 弹性模量（三种方法） 音叉振动的研究 第二循环： 光栅光谱仪 光电探测器 第三循环： 衍射光强分布测量 基于分光计的SPR 微波光学与参数测量 第四循环： 液体表面张力的研究 液体表面张力随温度的变化 玻璃折射率的温度系数 数字体温计的设计 第五循环 Labview系列实验

6 具体要求 实验预习 专业： 姓名： 学号： 实验课时间： 明确实验目的 掌握实验原理 上一次实验数据处理 明了实验步骤 控制实验时间
准备2本实验记录本

7 实验操作与记录 不要随意涂改数据！ 遵守各项制度，注意安全。 如实记录，清晰详尽。 注意及时记录实验中发现的问题或异常。
原始数据直接记录在记录本上，不要记在草稿纸上再誊写。 记录实验仪器。 实验完毕，要整理好实验仪器。 不要随意涂改数据！

8 实验记录 1.光谱仪波长定标以高压汞灯作为光源进行波长定标，光源和入射缝之间加入凸透镜用以会聚汞灯发出的光，使得入射到单色仪中的光通量最大。探测器使用的是CR114型光电倍增管。光谱仪可测量波长范围为 nm。 （此处画出装置草图，标明各部分元器件名称） 思考：如果使用不同焦距，口径的凸透镜可能会对入射到单色仪中的光通量有影响？ 波长定标扫描范围方案 I.精确定标，需要扫描较大波长范围，可从400扫描到650（对应汞灯可见光范围），扫描间隔0.1nm。 II.粗略定标，只需扫描双黄线的所处范围，可从550扫描到600，扫描间隔0.1nm，该方案的优点是效率高。 考虑到后续实验要求精度不高，为了提高效率，采用方案II进行定标。 第一次扫描，得到双黄线的波长值为XX和XX。第二次扫描，得到双黄线的波长值为XX和XX（检验波长重复性，如不同需多次扫描确定其不确定度）。

9 实验报告 内容完整，规范。 处理实验所得的数据，解释实验中看到的现象。 认真地分析和解释实验结果，得出实验结论。
对实验结果作简要评论，分析误差的主要原因和改进方法等。 “讨论”不要相互抄袭。 对本实验的体会和建议。

10 实验报告的格式要求（电子版） 报告标题（小二、宋体、加粗、居中） 作者1、作者2，系别（小四、楷体、居中，二人以上姓名之间用顿号隔开）
摘 要：小四、宋体， 字左右（10%） 正文小标题（四号、宋体、加粗），具体内容（小四、宋体、首行缩进2个字符） 引言（5%） 实验原理（5%） 实验装置及过程（10%） 实验结果及分析（60%） 图、表直接放在正文中，图名、表名：五号、宋体、居中 实验结论（5%） 参考文献（5%） [序号] 作者1、作者2、…. 文章题目. 杂志名称，？年第？卷第几？期第？—？页 [序号] 作者1、作者2、…. 书名. 出版社所在城市：出版社. 出版年份 [序号] 详细网址 页边距：上下左右均为2.5cm；页码居右 所有内容均按1.5倍行距编排（注意：将“如果定义了文档网格，则对齐到网格”选项前的“√”去掉）。总页数不超过10页 注意：1、文件保存为PDF文件，文件名为“学号_姓名_实验报告标题” 2、在正文中引用参考文献处要有相应的标记 3、若表格中有大量数据需要特别给出，可作为附录放在最后 －－

11 基于P-N 结的太阳能电池伏安特性的分析与模拟
任　驹　郭文阁　郑建邦 (西北工业大学理学院光信息技术实验室，西安710072) 摘　要：通过分析实际P2N 结与理想模型之间的差别，建立了P-N 结二极管及太阳能电池的数学模型；利用Matlab 中的系统仿真模块库建立仿真模型，设置参量，求解模型方程并绘制了图形。 对太阳能电池在一定光照下旁路电阻及串联电阻取不同数值时对其开路电压、短路电流及填充因子的影响做了模拟，并与实际测得的硅太阳能电池伏安特性进行了比较。模型分析与实验测量的结果表明：等效的旁路电阻和串联电阻分别影响电池的开路电压和短路电流。仿真结果与实验测量结果一致。 关键词：P-N 结；伏安特性；等效电路模型；太阳能电池

12 引言举例 　生命科学领域中的许多问题需要在单分子层次上去研究,分散体系中粒子的动力学过程需要研究微粒间相互作用,微型的机器则需要在微/纳尺度上组装和传动,还有许多问题都需要从微/纳米尺度上去解决。尽管现有许多技术都能在这个尺度上操纵微粒,但是对于无损伤的研究生物分子和微小的胶体粒子而言,光镊[ 1-4 ]和介电泳技术[ 5-8 ]无疑是最佳的选择。光镊在上世纪八十年代出现至今,已形成各种各样的光镊设备,国内开展这方面的研究也比较早。介电泳( dielectrophoresis) 现象被发现了近九十年,国外开展的研究比较多,从上世纪九十年代开始研究其在生物上的微操纵以及应用于芯片实验室(Lab2on2a2chip)而备受重视,而目前国内少有这方面的研究。 一束强会聚的激光束操纵微粒,这便形成了光镊。利用光镊可以俘获、分选细胞,测量微小力,还能促使微粒在溶液中旋转,因而被广泛运用于生物和胶体领域。微粒由于非均匀电场的作用而定向运动,这便是介电泳。介电泳技术也能实现粒子的捕获、分选和测量物理量等。尽管光镊和介电泳技术对微粒都能进行微操纵,但不同的研究目的需要选择合适的研究手段。就目前而言,光镊在操纵单粒子、力学量的测量和位移测量上有明显的优势,而介电泳技术在大规模分离微粒、电学量的测量和微粒旋转上有优势。因而本文简要介绍光镊和介电泳现象的原理,从粒子操纵、分选、旋转和物理量的测量等方面进行初步比较,分析不同研究目的需要,选择合适的研究手段。 周金华, 龚　錾, 李银妹.光镊与介电泳微操纵技术.激光生物学报.Vol. 16 No. 1 Feb

13 评分与考核 两个实验提交正式报告 实验50分 报告50分 两个实验做口头报告 实验50分口头报告50分 总分400分 总评
A等占30%，B等占40-45%，C等占20-25%，D、F占5%

14 origin 数据处理的要求 利用函数表达式对整列数据进行赋值

15 2. 导入实验数据 3. 二维数据点关系图的绘制 4. 线性拟合（带误差）

16 5. 自定义函数拟合（Origin8.0版本）

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19 第一循环 声速的测量 实验方法：相位法、共振法、时差法 实验对象：空气、水、固体

20 弹性模量的研究 伸长法和弯曲法测量杨氏模量 扭转法测量钢的切变模量 第一循环 研究不同扭转角度所对应的周期，试分析扭转角 度对实验结果的影响
在合适的扭转角度下测量切变模量

21 音叉受迫振动的研究 第一循环 1、研究音叉振动系统在周期性外力作用下振 幅与强迫力频率的关系 受迫振动、受迫振动的描述
测量及绘制共振曲线，求出共振频率和 品质因数 观察共振曲线的对称性，并给出解释 2、拓展：在位置x上固定质量m的物块 研究共振频率f、最大振幅Amax与物块 质量m之间的关系 研究共振频率f、最大振幅Amax与物块 位置x之间的关系

22 光谱仪的应用 第二循环 1802年，英国化学家沃拉斯顿(Wollaston）发现太阳光谱不是一道完美无缺的彩虹，而是被一些黑线所割裂。
1814年，德国光学仪器专家，也是物理学家的夫琅和费(Fraunhofer)继续的细心地研究了这些割裂太阳光谱彩虹的黑线，研究了这些主要黑线的相对位置，并绘出光讲图，按英文字母顺序取名为，A、B、C、D、E、F、G、H、K……等，后人称之为夫琅和费线。 铜原子谱线强度随时间变化关系图[1] 1. 许厚谦 耿继辉 王莹“膛口二次燃烧温度原子光谱遥测方法研究” 《弹道学报》，14 2 (2002)

23 第二循环 选做A： 测量不同光源光谱的发射光谱，比较研究入射缝和出射缝的大小对光谱谱线的影响，定量分析缝宽和信号强度以及光谱半高宽的关系。
测量太阳光光谱。 选做B 测量硫酸铜溶液吸收光谱，并算出其最大吸收波长及其对应的物质吸收系数。 测量混合溶液（高锰酸钾和铁氰化钾）的吸收光谱，并分别算出高锰酸钾和铁氰化钾浓度。 测量不同波长滤色片的透射光谱。 设计实验辨别出不同级次光谱。 光谱仪内部结构

24 光电探测器特性测量实验 第二循环 热释电探测器——钽酸锂热释电器件 光谱响应测试装置 硅光电二极管 画出硅光电二极管的光谱响应曲线
选频放大器 调制盘

25 光电探测器特性测量实验 第二循环 光敏电阻 光电探测器响应时间的测试 用脉冲法测量光电二极管的响应时间
用幅频特性法测量CdSe光敏电阻的响应时间 用截止频率测量CdSe 光敏电阻的响应时间 时间常数实验仪 设计实验，研究光敏电阻的频率特性 在光敏电阻突然接受光照和光照突然消失时，分别测量其响应时间。（要求：照度为100 lux。） 在不同照度下，测量光敏电阻的频率特性；并根据结果推算响应时间的大致数值，及其随照度的变化。 光敏电阻

26 衍射光强分布测量 第三循环 夫琅禾费单峰衍射 单缝衍射示意图 单缝衍射光强分布
夫琅禾费衍射公式成立的条件 光源和光屏足够远；具体实验时，什么条件可以用此公式近似，什么条件下不行？转化成菲涅尔衍射？ 单缝衍射示意图 单缝衍射光强分布

27 衍射光强分布测量 实验仪器 氦氖激光器，衍射缝，自动光强记录仪 实验内容 分别观察单缝、单丝、圆孔、圆屏衍射图样。
第三循环 衍射光强分布测量 实验仪器 氦氖激光器，衍射缝，自动光强记录仪 实验内容 分别观察单缝、单丝、圆孔、圆屏衍射图样。 定量测量单缝、单丝、多缝衍射强度分布 定量研究缝宽和衍射强度分布变化关系。

28 Surface plasmon resonance
第三循环 Surface plasmon resonance 基于分光计的SPR 实验装置图。29、激光器 30、光电探头 31、偏振器 32、微调座33、准星（图中未标出） 34、SPR样品 Three-layer Kretschmann configuration for SPR excitation [2] [2] Gaurav Gupta, Jun Kondoh .Tuning and sensitivity enhancement of surface plasmon resonance sensor. Sensors and Actuators B 122 (2007) 381–388.

29 基于分光计的SPR 第三循环 http://en.wikipedia.org/wiki/Surface_plasmon_resonanc
Typical SPR reflection curves for two different dielectric media

30 微波光学与参数测量 第三循环 微波300MHz-300GHz的电磁波，波长毫米—米范围
微波和光波都是电磁波，都具有波动这一共同性，即能产生反射、折射、干涉和衍射等现象，模拟晶体的布拉格衍射。

31 第三循环 微波光学与参数测量 描述微波的参数： 波长、频率、功率、驻波比等 同学以搭积木的方式，自己组装探究微波的性质

32 第四循环 液体表面张力的研究 实验方法： 拉脱法、滴重法 实验内容： 测量水的表面张力系数。 测量不同浓度酒精溶液的表面张力系数。

33 液体表面张力随温度的变化 实验方法： 实验内容： 第四循环 毛细管法 测量纯水的表面张力系数随温度的变化。 测量纯水的黏滞系数随温度的变化。
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34 数字温度计的设计 思路：温度传感器 + 电路  数字温度计 温度传感器：NTC热敏电阻 实验内容 第四循环 NTC热敏电阻特性研究
思路：温度传感器 + 电路  数字温度计 温度传感器：NTC热敏电阻 零功率电阻、测量功率、额定功率、温度特性、热时间常数 实验内容 NTC热敏电阻特性研究 用二种方法设计数字温度计 要求：测温范围10℃，误差不大于0.1℃；测温范围50℃，误差不大于0.3℃ 实验中使用的NTC为玻璃封装

35 第四循环 玻璃热膨胀系数和折射率温度系数的测量 热膨胀系数： 折射率温度系数： 实验样品 实验支架

36 LabVIEW系列实验 第五循环 示波器/信号发生器样例 熟悉LabVIEW编程语言 尝试通过LabVIEW 进行数据采集和仪器控制
示波器！ 控制机器人！ 示波器/信号发生器样例 熟悉LabVIEW编程语言 尝试通过LabVIEW 进行数据采集和仪器控制 1. 温度传感器(LM35)—— AD输入信号 2. LED颜色渐变—— PWM信号输出

37 网上选课：

38 请各位同学到实验室 熟悉预习下周的实验完成下周选课