　　《全国中学生物理竞赛实验指导书》是为参加省、市和全国物理竞赛的学生编写的，但竞赛的宗旨为了提高学生在物理实验方面的素质和修养，提高发现、分析和解决实际物理问题的能力，而不是单纯为了争名次。因而本书是从如何培养学生既有踏实的物理实验基础，又有创新能力的角度来选题的。
　　《全国中学生物理竞赛实验指导书》是中国物理学会全国中学生物理竞赛常务委员会组织编写的全国中学生物理竞赛实验指导书,主编和参与编写人员均为北京大学物理学院基础物理中心教师。本书包括三十余个力学、热学、光学、电磁学实验,每个实验均有对实验目的、仪器设备、实验原理和内容的详细描述不仅适用于备战物理竞赛的中学生,也可作为中学物理教学的参考书。
　　我们希望并相信，按照本书“序”和“前言”中所阐述的指导思想，《全国中学生物理竞赛实验指导书》定会在全国中学生物理竞赛中发挥应有的作用，更有效地、更广泛地提高对物理有兴趣的中学生的物理实验水平。

内页插图

实验一实验误差
实验二在气轨上研究瞬时速度
实验三测定金属的杨氏模量
（一）用金属丝的伸长测定杨氏模量
（二）用CCD成像系统则定杨氏模量
实验四研究单摆的运动特性
实验五气轨上研究碰撞过程中动量和能量变化
实验六测量空气中的声速
实验七弦线上的驻波实验
实验八测定冰的熔化热
实验九测定固体的线膨胀系数
实验十测定液体的热容
实验十一学习使用数字万用电表
实验十二制流和分压电路
实验十三测定直流电源的参数并研究其输出特性
实验十四磁电式直流电表的改装
实验十五用量程为220mv的直流数字电压表组装多量程的直流电压表和直流电流表
实验十六测量非线性元件的伏安特性
实验十七直流平衡电桥
实验十八学习使用示波器
实验十九观测电容特性
实验二十黑盒子
实验二十一测量温度传感器的温度特性
实验二十二测量热敏电阻的温度特性
实验二十三用堆尔效应测量磁场
实验二十四测量光敏电阻的光电特性
实验二十五研究光伏探测器的光电特性
实验二十六发光二极管的光电特性
实验二十七研究亥姆堆兹线圈轴线磁场分布
实验二十八测定玻璃的折射率
实验二十九测量薄透镜的焦距
实验三十望远镜和显微镜
实验三十一光的干涉现象
实验三十二研究光的夫琅禾费衍射现象
实验三十三调节分光计并用掠入射法测定折射率
实验三十四观测氢原子光谱

精彩书摘

　　实验一实验误差
　　【实验原理】
　　一、物理实验和测量误差
　　1.测量误差的普遍存在
　　物理学是一门实验科学，对它的研究离不开对各种物理量进行测量。作物理实验主要也是要进行各种测量。测量分为两种：由仪器直接读出测量结果的叫做直接测量；由直接测量结果经过公式计算才能得出结果的叫做间接测量。每一个待测物理量在一定实验条件下具有确定的大小，称为该物理量的真值。当我们进行测量时，由于理论的近似性、实验仪器分辨率或灵敏度的局限性、环境条件的不稳定性等因素的影响，测量结果总不可能绝对准确。待测物理量的真值同我们的测量值之间总会存在某种差异，这种差异就称为测量误差，定义为测量误差一测量值一真值。
　　由测量所得的一切数据都毫无例外地含有一定数量的测量误差。没有误差的测量结果是不存在的。测量误差存在于一切测量之中，并贯穿于测量过程的始终。随着科学技术水平的不断提高，测量误差可以被控制得越来越小，但是却永远不会降低到零。
　　2.测量误差理论和物理实验的关系
　　既然测量误差的存在是一切测量中的普遍现象，那么，研究测量误差的性质和产生的原因，研究如何有效地减小测量误差对实验结果的影响，研究如何科学地表达含有测量误差的实验结果，以及对实验结果如何评价等等，这一系列问题就显得十分重要。当然，要想深入地讨论测量误差理论，需要有丰富的实验经验和较充分的数学知识；这里只能对基本的方面作些简单介绍，作为一个入门的学习。
　　二、偶然误差和系统误差
　　按照习惯的分类方法，根据误差的性质，可以把测量误差分为偶然误差和系统误差两种。
　　1.系统误差
　　在相同的条件下，多次测量同一物理量时，测量值对真值的偏离(包括大小和方向)总是相同的，这类误差称为系统误差。系统误差的来源大致有：
　　(1)理论公式的近似性。例如，单摆周期公式的成立条件是摆角趋于零，而在利用该公式求重力加速度g时，这个条件是不可能实现的。
　　(2)仪器结构不完善。例如，温度计的刻度不准，天平的两臂不等长等。
　　(3)环境条件的改变。例如，在20℃条件下校准的仪器拿到一20℃条件下去使用。
　　(4)测量者生理、心理因素的影响。例如，记录某一信号时有滞后或超前的倾向，对准标志线进行读数时总是偏左或偏右、偏上或偏下等。
　　系统误差的特点是恒定性，不能用增加测量次数的方法使它减小。在实验中发现和消除系统误差是很重要的，但它需要积累丰富的实验经验。对于初学者，我们先学习偶然误差。
　　……

前言/序言

　　受中国物理学会全国中学生物理竞赛委员会常务委员会的委托，为规范物理实验竞赛的范围和内容，我们编写了这本《全国中学生物理竞赛实验指导书》。
　　本书是为参加省、市和全国物理竞赛的学生编写的，但竞赛的宗旨是为了提高学生在物理实验方面的素质和修养，提高发现、分析和解决实际物理问题的能力，而不是单纯为了争名次。因而本书是从如何培养学生既有踏实的物理实验基础，又有创新能力的角度来选题的。
　　为使教学与实际应用做到有机的结合、学用一致，我们选题时尽量做到：有重要的物理内容；有实际的应用价值；采用教学、生产、科研中通用的仪器设备。
　　物理学是一门实验科学，物理实验在物理学发展中的重要性是不言而喻的，只有被实验证明的物理理论才是正确的理论。但由于各种原因，目前在中学教育中对物理实验教学不够重视，学生的动手能力普遍较差，在竞赛中反映为理论成绩好于实验成绩，我们希望学生经过物理实验的训练能在一定程度上缓解这个矛盾。
　　学生在学习物理实验时，首先应该学习严谨的、实事求是的科学态度，认真地对待实验中的每一个细节，记下每一个数据；其次是在实验中学会发现问题，并用学到的理论去解决或解释这些问题；第三是学习物理实验的基本知识、基本方法和基本技能。
　　作实验时，不仅要动手更需要动脑，既要掌握实验的原理，又要学会用掌握的知识去分析实验现象，解决实验中出现的问题。在理论课中我们作了很多简化假设使现象简单、公式简明，而实际情况要复杂得多，现象也丰富得多，如何在复杂的现象中去伪存真，去保证满足实验条件，得到好的实验结果是作实验时必须思考的问题。为了使学生在作实验时不仅要知其然而且要知其所以然，我们对实验原理作了详细的阐述，希望学生认真阅读这部分内容，并能用到实验中。
　　作实验时，先要定性地观察物理现象和变化的规律，确认无误后再仔细地定量测量，不要只顾测量数据而不知测量这些数据的目的。我们的实验内容也是按此规律安排的。我们还提供了一些思考题供学生参考。带“*”的实验内容供有兴趣的学生选用。
　　本书还有一个特点，就是对于有些实验(特别是设计实验)我们没有写出实验的具体步骤以及详细的注意事项。我们认为，对较优秀的学生来说，这应当是要求他们自己来设计的事情，即在理解实验原理、仪器用具、实验目的和要求的基础上，理论联系实际地进行独立思考，自行设计实验步骤。这对充分发挥学生的主观能动作用，培养学生良好的科学素养、独立思考能力和创造性思维能力特别重要。根据这一目的，在用本书对学生进行实验培训时，对于这些实验，我们不赞成老师给学生补充实验步骤，将培养锻炼学生的环节变成学生被动接受知识的过程，丧失应有的教学效果；也不赞成有人去补写、出版这些实验的实验步骤以及思考题的解答，或者编写、出版关于实验步骤的各种辅导材料。我们希望使用本书的老师、学生充分认识此书这一特点的重要性，坚持正确的学习方向和方法。
　　我们选用的实验装置多数为通用仪器，市场上可供选择的型号和厂商很多，我们不要求统一。个别实验因叙述上的需要在举例时列出了部分仪器的型号，但不意味一定要用这种型号的仪器，只要能满足实验要求，培训单位可尽量利用已有的设备。基于以上原因，书中在描述仪器时，大量用的是示意图，而不是实际装置图。我们提倡让学生直接看仪器说明书，这也是培养学生实验素质的一个内容。
　　参加本书编写的有段家低教授(实验八至十)、陈凯旋教授(实验二十八至三十四)、张洁天教授(实验十一至二十七)、王胜教授(实验一至七)，由吕斯骅教授统稿、审定。他们长期从事物理实验教学，并有对我国参加国际物理奥林匹克竞赛的学生进行培训的经验，但由于参加物理竞赛实验指导书的编写工作还是第一次，难免有不妥之处，请不吝指正。
　　编者
　　2005年秋

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