《物理实验教学仪器设计与制作》实验教学大纲

 

课程总学时：56                     学分：3.5

实验学时：40                      实验个数：8              实验学分：2.5

课程性质（必做、选做）：必做    适用专业：物理学

教材及参考书： 《物理教学仪器设计与制作》自编讲义

大纲执笔人：廖磊               大纲审定人： 刘莉

 

一、实验课的性质与任务

根据师范教育特点和培养目标要求，使学生在通过本课程的学习之后能掌握物理实验的研究和实验设计方法，通过一些典型实验的研究学习和实验教具设计制作，逐步培养学生的创新精神；同时掌握物理实验中的重点、难点以及调节方法技巧及教学仪器、教具的一般设计、加工制作原理和方法；能根据科学技术的发展和物理教学改革的需要更新教学实验内容、改进教学仪器和实验方法。

本课程的任务是：

(1)   通过对物理实验研究方法和实验设计方法的理论学习，使学生掌握物理实验研究、设计的一般原则、思路和方法；

(2)   通过对典型实验的学习研究，使学生掌握物理实验的设计、仪器配置方法及常规和典型实验仪器调节使用方法和调节技巧；

(3)   通过教具设计（仪器）的设计、制作，掌握常规加工方法、工具使用技能，能自制和改进教具，并能应用新技术、新材料更新和充实中学物理实验内容。学会根据中学物理教学的要求，和改进实验。

(4)   培养和提高学生实验的科学素养，培养学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的创新探索精神，遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。

二、实验课程目的与要求

     1．实验目的

通过本课程的教学，使学生能学习和掌握物理实验的设计、仪器配置方法；掌握常规和典型实验仪器的调节使用方法和调节技巧；懂得如何运用实验研究方法和设计方法去研究某个物理问题，加深对物理学原理的理解；通过对教具（仪器）的设计、制作，掌握常规加工方法、工具使用技能，学会根据中学教学需要改进和设计相应的教学仪器。

2．实验要求

(1)      了解物理实验中的实验方法和测量方法，能够进行常用物理量的测量；能够对常用实验仪器设备正确布局联接，借助教材和说明书正确使用、操作仪器；能够排除实验中的简单故障，掌握和运用基本的物理实验技能；

(2)      了解测量误差、实验不确定度的基本知识，具有正确处理实验数据的能力；

(3)      掌握常规材料的加工方法，常见工具的使用技能，具备简单的电子电路的设计制作能力；

(4)      具有一定的分析判断能力，能够对物理现象进行初步分析、判断和解释，运用理论方法去指导实验教具（仪器）的设计和制作。

(5)      能够根据实际需要，改进、设计和制作相应的实验教具（仪器）。

三、实验项目及内容提要

电子系统设计与创新实验课程
序号	实验项目编号	实验名称	学时	必做	选做	学分数	实验类型				内容提要
							基本操作	验证	综合	设计
1	YQZZ01	应变片、电桥与电子秤设计	4	√				√		√	应变片的使用方法，研究电桥性能，并设计电子秤
2	YQZZ02	热电传感器及温控实验	4	√				√		√	研究常用热电偶传感器特性，并构建简易温控器。
3	YQZZ03	电路板基础知识及原理图设计	4	√			√				文件建立与保存；原理图基本绘制。
4	YQZZ04	PCB设计及硬件制作	4	√						√	封装含义、元件摆放及连线；电路板制作；元件焊接。
5	YQZZ05	数字电压表设计与制作	4	√						√	设计并制作数字式电压表，完成电压表的安装、调试、测试，并利用所设计的电压表实现温度测量。
6	YQZZ06	电路设计与仿真	4	√			√		√	√	以带负反馈的单管放大电路为例，利用Multisim完成电路设计输入、分析和调试
7	YQZZ07	物理实验仿真	4	√					√		熟悉普通物理仿真实验的内容、使用流程和操作方法，会进行仿真实验操作、数据收集及报告撰写;了解Virtools、VRP等常见虚拟仿真实验制作软件的使用技巧。
8	YQZZ08	弦线振动实验仪器的设计与制作	12	√					√	√	深刻理解驻波形成条件，用驻波测定弦线的振动频率和弦线的密度；掌握仪器构造的基本原理，学会解决实际问题；掌握信号产生与测量的基本原理，学会信号的调试方法；学会分享并表达自己的设计方案。

 

四、实验内容安排

 

实验一   应变片、电桥与电子秤设计

（验证性、设计性实验 4学时）

1．实验目的

（1）了解箔式应变片的结构及粘贴方式。

（2）测试应变梁变形的应变输出。

（3）掌握单臂、半桥与全桥测量电路的不同性能及特点。

（4）比较单臂、半桥、全桥输出时的灵敏度和非线性度的变化。

（5）设计简易电子秤，并标度。

2．实验内容：

（1）理解金属箔式应变片的应变效应，学习应变片的使用方法，掌握单臂，半桥，全桥的工作原理。

（2）分别研究各桥路的性能并计算相应的输出灵敏度，非线性误差，并改善非线性。

（3）设计一个简易电子秤，并完成电子秤的标度。

3．主要仪器设备：CSY传感器实验仪、双孔悬臂梁称重传感器、示波器、砝码、直流电源。

 

实验二   热电传感器及温控实验

（验证性、设计性实验 4学时）

1．  实验目的

（1）理解热电偶、热敏电阻测量温度的原理。

（2）掌握热电偶、热敏电阻传感器特性参数的测量方法，以及热电偶分度表的应用。

（3）设计构建简易温度控制器。

2．实验内容：

（1）学习热电偶、热敏电阻等热电传感器的测温原理，并通过实验研究热电偶、热敏电阻的特性。学会对热电偶分度表的使用。

（3）设计构建简易温度控制器，并测试。

3．主要仪器设备：CSY传感器实验仪、压电传感器、K(E)热电偶、热敏电阻、万用表、直流电源、示波器

实验三  电路板基础知识及原理图设计

（操作性性实验    4学时）

1.         目的要求：

（1）了解电路原理图设计流程、电路原理图常用设计软件。

（2）掌握电路设计中常用术语、软件基本组成。

（3）掌握电路设计软件基本操作，能够绘制原理图。

（4）掌握电路设计中常用快捷方式。

2.         实验内容：

（1）熟悉电路原理图设计过程；

（2）熟悉软件布局，学会工程、原理图文件的建立与保存。

（3）会设置图纸大小、方向、颜色以及放置元器件。

（4）学会原理图绘制基本步骤，会加载和移除元件库，并查找元器件，给元件自动编号及元件命名基本技巧规则。

3.         主要仪器设备：计算机

 

实验四  PCB设计及硬件制作

（综合设计性实验    4学时）

1.         目的要求

（1）学会元件封装设置及封装库的加载查找，将原理图参数导入到PCB文件中并能够合理摆放元件，学会基本布线规则设置,并完成连线。

（2）学会电路板制作流程，并完成电路板制作。

（3）学会焊接及焊接技巧。

2.         实验内容

（1）掌握PCB中不同“层”的概念；

（2）了解封装的概念，可以根据元件选择合适的封装；

（3）掌握布线规则，学会连线，布地线，板子的大小设置；

（4）学会批量修改连线的属性、元件引脚的属性；

（4）能够完成PCB图绘制，并能完成电路板制作；

（5）掌握元件安装和焊接工艺，及焊接中的方法和技巧。

3.     主要仪器设备：计算机、热转印机、打印机、腐蚀机、烙铁、剪刀、万用表、铜板、元器件。

 

实验五  数字电压表设计与制作

（综合设计性实验    4学时）

4.         目的要求

（1）理解数字电压表结构与工作原理；

（2）掌握数字电压表设计方法；

（3）掌握数字电压表的安装、调试与测试方法，熟练掌握数字电压表的校准原理和方法；

（4）学会利用数字电压表实现常用物理量数字测量方法。

5.         实验内容

（1）根据设计电压表原理图，进行数字电压表元器件安装；

（2）对数字电压表进行调试、测试；

（3）测试数字电压表的测试精度、线性性等技术指标；

（4）通过功能扩展，实现温度测量。

6.         主要仪器设备：烙铁、剪刀、万用表、直流稳压电源、实验电路板。

 

实验六  电路设计与仿真

（综合设计性实验    4学时）

1.         目的要求

（1）掌握仿真软件的主窗口、菜单栏、工具栏、元器件库、仪器仪表库的基本界面；

（2）掌握仿真软件的基本操作，包括电路图选项的设置、导线的操作、输入/输出端等电路创建，元器件库及常用元件的操作、仪表库中常用仪器的操作等；

（3）掌握电路分析菜单和分析方法。

2.         实验内容

（1）以带负反馈的单管放大电路为例，完成电路的设计与输入；

（2）通过仪器库中的常用仪器完成对电路的分析、调试和测试；

（3）利用常用分析方法完成对电路的分析、调试和测试；

（4）具体测试要点应包括：静态工作点的分析、动态分析；负反馈对失真的改善作用，负反馈对频带的展宽；射极跟随器的瞬态特性分析；多级放大器电路的频率响应和仿真分析、极点－零点分析、电路传递函数分析；差动放大器的电路结构、静态工作点分析、差模电压放大倍数和共模电压放大倍数、共模抑制比CMRR；OTL低频功率放大器电路的设计与分析。

3.         主要仪器设备：计算机、电路仿真软件。

 

 

实验七  物理实验仿真       

 （综合设计性实验    4学时）

1.         目的要求

（1）熟悉大学物理仿真实验的内容和原理;

（2）学会常见大学物理仿真实验的操作要领和使用方法;

（3）了解常见虚拟仿真实验软件的使用方法。

2.         实验内容

（1）学习大学物理学中常见的30个（及以上）普通物理仿真实验的使用流程、操作要领，并进行仿真实验操作、打印操作结果和撰写实验报告及体会；

（2）了解虚拟仿真实验的制作，对常见的Virtools、VRP、Flash等制作软件，制作一些简单的仿真仪器或实验。

3.         主要仪器设备：计算机、大学物理仿真实验软件。

实验八 弦线振动实验仪器的设计与制作

(综合设计实验    12学时)

1.         目的要求

（1）深刻理解研究弦线共振频率f与弦线长度L、弦中张力T及弦线密度ρ之间的关系；

（2）掌握仪器构造的基本原理，学会解决实际问题。

（3）掌握信号产生与测量的基本原理，学会信号的调试方法。

（4）学会分享并表达自己的设计方案，提升学生的表达能力。

2.         实验内容

（1）实验方案的确定

1）根据驻波的主要特点，确定实验方法为横波驻波，测量方法为直接测量法；

2）测量仪器为频率计，数字式电压表；

3）将测量数据放到设计的表格中，数据分析方法为最小二乘法，分析数据的特点，和理论值进行比较。

4）综合比较分析仪器的可操作性，数据稳定性等因素。

（2）仪器的主要功能和模块化进行设计。

1）可调频率的正弦信号发生器

2）可直接测量该信号的频率，数字显示

3）可测量弦线驻波的波长

4）可测弦线的张力

5）弦线密度可以改变

6）实验数据可以进行定量分析

（3）实践设计部分

查阅相关资料，了解各个部分的信号产生与测量方案，比较分析，确定最优方案。进行电路原理图的设计与绘制，利用Protel设计制成PCB电路图，完成电路板的制作，焊接电子元器件，实验调试，仪器外壳及固定装置的设计与制作，优化改进。

（4）数据分析

进行相关数据的测量与分析，探究频率和弦线距离，弦线张力，弦线密度等因素的主要关系，分析所设计实验仪器的主要技术指标。

（5）实验展示与改进

结合自身仪器设计的主要特点，提出改进方案，为下一步优化改进提供依据和参考。完成实验报告和实验指导书的撰写。

3.         主要实验仪器设备

电子计算机、PCB板、数字万用电表、示波器、相关电子元件等

 

五、实验报告的格式

实验名称

(1)      实验目的

(2)      实验原理

(3)      主要仪器设备

(4)      实验内容：写出实验步骤及流程

(5)      结果与分析：用文字、表格、图形等将数据表示出来，根据实验要求对数据进行分析讨论和误差处理。

(6)      问题讨论：对实验中的问题进行分析和讨论，并找出解决问题的方法。

六、考核方式、方法及实验成绩评定方法  

考核内容包括课题样机的性能指标测试，实验过程的完成情况，实验记录，实验报告，仪器设备操作使用情况和遵守实验室规章制度情况等；

成绩考核采用百分制或优秀、良好、中等、及格、不及格五级记分制。