专利实验验证

2024-10-09

专利实验验证（通用12篇）

专利实验验证篇1

专题四验证性小实验

力学

惯性现象。

（1）小车上立放个木块，然后迅速拉动小车，发现木块向后倾倒，这就证明静止物体有惯性。

（2）小车上立放个木块，先让小车匀速运动，然后突然刹车，发现木块向前倾，这就证明运动的物体有惯性

重心位置。

用细线把物体悬挂起来，使其自由静止，以悬挂点为起点，画一条竖直向下的线；再找另一点用细线悬挂起来，重复上述过程，画出竖直向下的线，则两条线的交点即为物体的重心

重力的方向。

（用细线拴住石块让石块在空中静止，发现细线的指示方向是竖直方向，这就说明了重力的方向是竖直向下的。）

定、动滑轮的特点。(证明优点)

（1）用一个定滑轮提升重物，发现向下用力，物体向上运动，这就证明使用定滑轮可以改变力的方向。

（2）用弹簧测力计拉者一个物体竖直向上做匀速直线运动，读出拉力F1，用动滑轮拉这该物体竖直向上做匀速直线运动，读出拉力F2，发现F2 小于F1，这就证明使用动滑轮可以省力

大气压强现象。

（将装满水的烧杯口朝下倒置在水槽的水中，向上提烧杯，发现只要烧杯口不脱离水面烧杯中的水就不会减少，这就说明了大气压强的存在。）

流体（气体和液体）的压强与流速的关系。

（将纸竖直放在下唇处，用力向水平方向吹气，发现纸片向上飘起，这就说明了流体流速大的位置压强小。）

动能和势能可以相互转化

（将滚摆旋至顶端后松手，发现滚摆上下反复运动，且向下运动时速度加快、向上运动时速度减慢，这就说明了动能和重力势能可以相互转化。）

重力势能大小与质量（高度）有关

将质量不同的小球放在同一高度（将质量相同的小球放在不同高度），使其自由下落到沙子上，发现质量大的小球（高度大的小球）下陷的深，这就说明了重力势能大小与质量（高度）有关。

专利实验验证篇2

1 英国实验室能力验证概况

能力验证的出现是一些管理者因实验室检测准确性而经常引发的检测数据纠纷寻求的解决办法。英国是世界上较早实行实验室自发参加能力验证计划的国家。英国的能力验证都是非强制性的,由一个或几个专门的机构来组织,具有很高的权威性。在英国,提供能力验证的机构主要有英国中央实验室和英国政府化学家实验室,并且均是我国合格评定国家认可委员会承认的能力验证项目提供者。

1.1 英国主要实验室能力验证计划

1.1.1 英国政府化学家实验室(LGC)能力验证计划

政府化学家实验室(Laboratory of Government Chemist,LGC)由英国政府于1842年设立,并将设立政府化学家列入了议会法律条文中,在食品安全法和农业法中也有规定,任何实验室之间发生数据纠纷,并因此需要付诸法律或影响行政层面的最高问题时,最高仲裁者应将保留样品交由政府化学家进行分析。英国政府化学家每届只有一位,任期三年,到目前为止,所有的政府化学家都出自LGC。

LGC在英国与中国计量院在中国的工作类似,主要职责是使不同的测量方法能够溯源到国际标准单位,以保证不同国家、不同实验室之间测量结果的可比性。LGC在英国的工作职责之一就是确保英国国内实验室的测量一定要具有目的性,即要为某些正确目的做测量,并且数据也要准确。LGC与不同国家的计量院开展实验比对活动,以便发现不同计量系统间测量的差异,从而确保该层面测量数据的一致性。

1996年LGC开始私有化,虽已私有化,但LGC一直是化学和生物计量及标准物质方面的市场领导者,并一直深受英国政府的信赖。2004年,作为LGC的重要分支机构——LGC标准品公司,其生产要求通过了ISO 34的最高要求,成为全球第一个获得此证书的标准品生产商,证书编号为0001,主要提供标准物质分销、组织实验室能力验证和分析能力培训等业务。目前LGC在英国设有8个分支机构和12个实验室,在法国、印度等国设有办事处和实验室,每年全球检测的样品数量可达数百万个。2009年,LGC在中国设立了办事处,进一步开拓亚洲市场,部分中国实验室对LGC的标准品和能力验证计划也开始有了初步认识,并积极参与,毕竟通过国际公认的能力验证计划已成为检测实验室检测结果获得认可的重要条件。

1.1.2 英国中央实验室(CSL)能力验证计划

英国中央实验室(Central Science Laboratory,CSL),由英国政府食品和乡村事务部(Defra)负责管理。1990年,英国农业部和卫生部创办FAPAS,是Defra的一个执行机构,属于非赢利性官方组织,由CSL负责管理。FAPAS是专门从事食品、水质、化工等检测方面的能力验证机构,在全球提供4种主要的能力验证服务:FAPAS (食品化学分析)、FEPAS (食品微生物检测)、GEMMA (转基因生物分析)和LEAP (水/环境分析检测)。

FAPAS目前约为世界3,000家实验室提供医学、食品检测等方面的能力验证计划,已经建立起一套完整的能力验证提供者的评价制度。该体系在全球各国的食品分析实验室迅速普及,已是食品分析领域全球第一的国际评价体系。2004年FAPAS进入中国,目前有4个国内代理商,所提供的能力验证计划是我国检测实验室参加最广泛的国际实验室间比对活动,也是农产品质检机构参加最多的国际实验室能力验证活动。

1.2 主要特点

无论是LGC还是FAPAS都拥有世界顶尖水平的检测队伍,每年投入大量的资金和力量研究全球食品安全及检测方法,使能力验证体系更适合全球检测机构的最高需求。总的来说,英国的能力验证体系主要有以下几个特点。

1.2.1 测试材料广泛,测试项目齐全。

例如:FAPAS测试项目的材料广泛,包括初级农产品、农业投入品、加工品和食品成品等,测试指标包括FAPAS、FEPAS、GEMMA和LEAP项目中的营养成分、食品配料成分、污染物、农兽药残留、添加剂、食品真实性分析等。LGC在食品、饮料、水、环境等方面都有检测计划,项目也基本包括农残、微生物、转基因、过敏原等各方面。

1.2.2 测试次数多,周期短。

LGC每年都组织多次能力验证计划,帮助用户杜绝检测不稳定现象的发生,参评实验室可以参加1～12月组织的所有测试,LGC可以出具评价12个月表现的报告,也可给予阶段性的评价报告。FAPAS每年都会根据全球食品安全事件发生的风险,由风险评估专家编制全年的能力验证计划,并通过网站、邮件、传真等形式公布。用户无论是参加LGC或是FAPAS能力验证计划都可根据公布的能力验证项目,结合自身实验室的工作性质选择性参加。

1.2.3 测试灵活性高,服务针对性强。

参加能力验证计划的实验室可以自愿选择FAPAS或是LGC提供的测试项目,自行选择参加时间和分析方法,并按照要求网上填报测试结果。能力验证提供者会运用统计学的方法对结果、方法等进行评估,并向参评实验室提供评价报告,提供参考性建议和个性化的服务。

1.2.4 测试结果不公开,仅作为检测实验室自身质量控制的手段之一。

对于检测实验室来说,参加能力验证相当于日常小测验,只是借此对实验室的质量管理进行一次阶段性的检查,从而完善检测质量,提高检测能力。无论是FAPAS或是LGC都不会对外公布能力验证单位的国籍、名称和测试结果,对每个参加能力验证计划的实验室只提供一个编号和密码,用于检测实验室查询自身的测试结果。

1.3 质量保障

英国实验室能力验证体系之所以在全球有较高的声誉并且结果与欧盟互认,除了其拥有上述特点外,主要是拥有一套完善而规范的质量保障体系。

FAPAS用于测试的样品全部由其统一制备,测试样品完成后,由FAPAS的一个实验室进行同一性和均匀性试验,随机抽选一定数量的样品进行测试,并对有效值运用统计学方法进行判定;样品分发过程通过优选包装材料和邮递公司,以及实时追踪邮递信息等措施保障测试样品及时到达目的参评实验室。

LGC也有一套解决实验室数据纠纷的保障体系:制定良好的质量控制体系,健全管理体系,严格分析人员的操作规程,校准检测时采用高质量的标准物质和低水平的测试样品等。

此外,鉴于参评实验室数量较大,为保证判定结果的合理性,进行结果统计时FAPAS或LGC都会选定一个“指定值”(所有采用不同方法的参评实验室共同认可的值),采用国际上通行的离群Z值的方法,根据Z值的范围判定结果是否满意。

通过对自身体系的不断完善和规范,FAPAS或LGC已拥有各自完整的评价制度和用户权益保障制度,保证能力验证计划的可信性和公认度。

2 我国主要的实验室能力验证概况

2.1 中国合格评定国家认可委员会(CNAS)

中国合格评定国家认可委员会(CNAS)于2006年正式成立,是由原中国认证机构国家认可委员会(CNAB)和原中国实验室国家认可委员会(CNAL)整合而成的。CNAS根据国际实验室认可合作组织(ILAC)、亚太实验室认可合作组织(APLAC)相关要求制定能力验证政策和要求,组织开展能力验证活动并参加国际能力验证计划。2006年5月,《实验室能力验证管理办法》发布,国家认监委负责我国实验室的能力验证工作,由CNAS具体实施,每年结合国家质检总局的工作重心和社会的关注重点,设置能力验证项目。截至2009年初,国内约有1,600多家实验室参加CNAS组织的能力验证计划。

国家认监委的能力验证计划包括A、B两类计划项目,其中A类是带有强制性的,B类是自愿性的。能力验证通知规定国家质检总局直属获得相关检测项目资质(计量认证)的各省级(自治区、直辖市、计划单列市)产品质量监督检验院(所)、各直属出入境检验检疫局技术中心(实验室)、各相关部委或行业产品质检中心必须参加相关A类计划测试项目;获得食品安全检测专项项目中相关检测项目资质(计量认证)的各省级(自治区、直辖市、计划单列市)产品质量监督检验院(所)、各直属出入境检验检疫局技术中心(实验室)、各相关部委或行业产品质检中心必须参加A类计划中相关食品安全检测项目,不能参加上述两项项目的机构要向国家认监委提交书面报告;其他实验室可自愿参加A类项目,实验室也可自愿参加B类计划项目。以2010年国家认监委下达的能力验证通知为例,A类计划项目有19项,其中8项是食品安全检测专项,B类计划项目20项。

2.2 各行业部委能力验证计划

以农业部为例,近年来我国农业系统也加强了对本系统内各检测机构开展能力验证工作。2003年农业部开始组织能力验证,项目主要包括蔬菜中农药残留、畜禽水产品中兽药残留,土壤肥料中重金属污染以及乳制品中添加剂含量测定等,已有超过200家农业系统内质检机构和相关检测实验室参加此项计划。行业内部的考核通常带有一定的强制性,农业部能力验证计划也不例外,要求承担农业部任务的检测机构必须参加,并将能力验证结果作为考评检测机构检测能力的一个重要方面。

3 英国实验室能力验证体系对我国能力验证体系的借鉴作用

3.1 我国能力验证体系存在的不足

我国在实验室能力验证工作方面起步较晚,体系建设还有待完善,现有水准与英国、美国、欧盟等国家或地区有一定差距,尚未与欧盟达成互认,国际化程度不高。无论是CNAS还是农业部组织的能力验证计划都带有一定的政策性,并且我国的能力验证体系没有专门的毒理研发和生产质量控制样本的专一机构,能力验证项目的提供者由能力验证管理者委派一些权威性相对较高的实验室来具体执行质控样本的生产工作,导致我国能力验证的专业化总体水平低、能力验证项目欠缺,行业之间参差不齐,另外由于某些项目的参评实验室数量不大,结果统计存在差异,结果评定的合理性还有待研究,对结果的趋势性分析和利用率也不高。

目前,全国范围内通过实验室资质认定的实验室约26,000家,但由于能力验证的测试项目较少,大多数只局限于与产品质量安全相关的重点产品和项目。因此,参加能力验证的实验室覆盖面少,能力验证计划尚不能作为提高全国实验室技术和管理能力的有效措施,管理者也不能通过这些能力验证项目全面掌握我国实验室的总体检测技术能力。由于我国实验室参加国际能力验证计划的数量较少,数据也还不能完全得到国际认可。

3.2 建议

为进一步完善我国能力验证体系,通过对英国两大能力验证体系概况的基本了解,有利于我国借鉴其先进经验,笔者提出如下建议:

能力验证提供者要公平、公正地服务于每个参评实验室,不断提高自身实验室质控水平,确保考核样品的均匀性和稳定性,这是保障能力验证计划顺利实施的关键环节;

能力验证参加者要客观地认识能力验证的目的和作用,将能力验证作为考核本实验室检测质量的一次日常小测试,正确地对待能力验证结果,不特别关注分数和排名,只作为促进自身检测能力和技术水平的有效手段,这是保障能力验证计划顺利实施的前提条件;

能力验证组织者要正确引导和宣传实验室能力验证工作的重要性,监督能力验证计划的组织和实施,对能力验证提供者实行有效的技术考核与监督检查,这是保障能力验证计划顺利实施的有效手段。

此外,对能力验证相关大类项目和测试样本的提供者进行整合,有利于分散资源的统一,有利于监督管理的实施,有利于全面提升我国能力验证体系的专业化、国际化水平。

参考文献

[1] 全国认证认可标准化技术委员会.GB/T 15483． 1-1999利用实验室间比对的能力验证第1部分:能力验证计划的建立和运作.北京:中国标准出版社,1999．

[2] Tish Shukla.Overview of Proficiency Testing Services at CSL.The Third International Food Safety Symposium,Hangzhou,2008．

[3] Brain Brokman.LGC Standards Proficiency Testing.The Fourth International Food Safety Symposium,Shanghai,2009．

[4] 崔野韩,刘鹏程,王嫒.实验室能力验证现状及对策初探.农业质量标准,2009(6) :35-38．

如何上好“验证性实验” 篇3

【中图分类号】G623.9 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）03-0177-02

在青岛版小学科学实验操作中，经常会遇到验证性的实验，那么什么是验证性实验呢？它又有什么特点呢？

所谓验证性实验就是学生在实验猜想的基础上，自行设计出实验方案，再由学生通过实验观察和操作，验证猜想，并获得新知的实验方式。

它的特点是：在这种实验中并不能产生很多的新知识，注重的是通过自行设计实验来验证猜想，并将实验后的结论与猜想进行对照，从而获得新知。

为了更好的上好验证性实验，我从以下三个方面提出了自己的想法。

一、“预热”——实验猜想

猜想是实验的一部分，它是一个实验开始的“预热”阶段，没有猜想的实验是一个不完整的实验。对实验进行猜想是科学课的一个重要环节，他可以让学生对这个实验的过程、结果以及实验过程中应该注意的事项进行一个大体的“预测”。

为了让猜想更具条理性、可操作性，可以将实验猜想，设置为表格的形式。例如，在上《浮与沉》一课时，可将猜想设置为以下形式：

这里需要注意的是，猜想和实验应该分开，猜想的时候不能实验。许多老师没有强调好这一点，学生们在猜想的时候，同时进行实验，结果与我们的实验预期目标大相径庭。

二、实验过程

经历了实验的猜想，学生们特别想知道自己的猜想是否正确，教师要抓住机会，趁热打铁，引起学生对实验的向往与热情。

1.实验器材的介绍。

小学科学中的有些实验器材非常简单，学生一看就明白，对于这样的实验，教师可直接放手让学生进行实验。而有些实验器材，学生头一次接触，或者实验操作中有一定的危险性，这样的话，就需要教师来讲解它们的用途，以便学生在实验操作中，正确的使用它们。

2.设计实验方案。

让学生根据要研究的问题，小组合作设计一个好的实验方案。有了方案，学生在实验过程中就会有的放矢，就会知道自己要去干什么，如何去研究，知道如何去使用教师提供的实验器材等。

具体做法：可让学生以小组为单位先行设计，然后进行汇报，在汇报过程中，教师要加以指导，使之最合理化、科学化、规范化。

3.设计一个完整有效的实验报告单。

实验报告单对于整个实验来讲，起着一个指示实验过程与记录实验结果的作用。一个好的实验报告单意味着实验成功了一半。

实验报告单不一定很长，但是一定要有。有了它，学生在实验的时候，才会有的放矢，目标明确。

4.实验操作。

学生是实验的主体，只有学生进行高效的实验，实验才会有效果，学生们才会学到真正的知识。

选好小组长，以小组为单位进行实验操作，要互相合作，学生之间分工明确，有观察的、实验的、记录的等。

教师要当好“巡逻兵”，分小组对学生的实验情况及时的加以指导。

5.实验汇报，与猜想进行对照。

实验汇报可让学生根据实验报告单进行汇报，多个小组进行汇报，其他组进行补充完善，如果概括的不全面，教师就要适当进行引导、点拨、补充。从而使问题的结论正确呈现。

学生实验后，教师要引导学生与实验前的猜想进行对照，学生会发现有可能一样，有可能不一样，此做法，是让学生正确的猜想加以巩固，不正确的猜想得以改正。

6.归纳、提升。

对于重要的概念或者问题，教师要及时的引导，点拨，进行拓展与变化，要在课堂中引起讨论，引起学生的思维，让学生深层次的理解本节课的知识。

总结概念要依据本节课实验的数据，最好由学生总结出，总结不完善的地方教师要加以引导。

三、拓展延伸

科学课上，可以采用两种方法来进行拓展延伸。一是“头脑风暴”，二是“小组互助课下学习”。

“头脑风暴”就是针对某一个问题，让学生们在头脑中进行大胆的想象，充分发散自己的思维。例如，《认识太阳》一课，可以提这样的问题：假如没有太阳，我们的世界会怎么样？

在科学课上，有许多问题是一节课难以解决的，那就需要学生在课下解决。比如，种花、养小动物等。

实验分析用测试方法验证报告篇4

方法名称：

验证单位：

通讯地址：报告编写人：

报告日期：原始测试数据

1.1实验室基本情况

表1-1参加验证的人员情况登记表

表1-2使用仪器情况登记表

表1-3使用试剂及溶剂登记表

1.2方法检出限、测定下限测试数据

表1-4 方法检出限、测定下限测试数据表

验证单位：测试日期：

1.3方法精密度测试数据

表1-5精密度测试数据

验证单位：测试日期：

1.4方法准确度测试数据

表1-6有证标准物质/标准样品测试数据

验证单位：测试日期：

表1-7实际样品加标测试数据

验证单位：测试日期：

1.5其他需要说明的问题

（1）测试中的异常或意外情况。

戴维南定理的实验验证报告篇5

学号：姓名：成绩：

一实验原理及思路

一个含独立源，线性电阻和受控源的二端网络，其对外作用可以用一个电压源串联电阻的等效电源代替，其等效电压源的电压等于该二端网络的开路电压，其等效内阻是将该二端网络中所有的独立源都置为零后从从外端口看进去的等效电阻。这一定理称为戴维南定理。

本实验采用如下所示的实验电路图a

50%

等效后的电路图如下b所示

50%

测它们等效前后的外特性，然后验证等效前后对电路的影响。

二实验内容及结果

⒈计算等效电压和电阻

计算等效电压：R1

R3R11

R33,电桥平衡。Uoc=R1

R1R3=2.6087V。

计算等效电阻：R=



R2

11



R1R3









R22

11



R11R33





=250.355

⒉用Multisim软件测量等效电压和等效电阻测量等效电阻是将V1短路,开关断开如下图所示

Ro=250.335

测量等效电压是将滑动变阻器短路如下图

50%

Uo=2.609V

⒊用Multisim仿真验证戴维南定理仿真数据

原电路数据

8765

电流/mA

432

10-1电压/V

通过OriginPro 软件进行绘图，两条线基本一致。

电流/mA

电压/V

由上面的数据及图线得知等效前后不影响电路的外特性，即验证了戴维南定理。

三结论及分析

本实验，验证了戴维南定理即等效前后的电路的外特性不改变。进行板上实验时，存在一定的误差，而使电路线性图不是非常吻合。可能是仪器的误差，数据不能调的太准确，也可能是内接和外接都有误差。

本实验最大的收获是学会用一些仿真软件，去准确的评估实际操作中的误差。

方法验证原理和实验操作数据结果篇6

是指在其他成分可能存在的情况下，采用的方法能准确测定出被测物的特性，能反映分析方法在有共存物时对供试物准确而专属的测定能力;是方法用于复杂样品分析时相互干扰程度的度量。比如：

（气相色谱法测定杆菌肽原料药中的正丁醇含量）在本测试方法条件下将一个空白稀释液（甲醇）进样进行测试。所得图谱应当基线平整，不存在有影响正丁醇峰积分的干扰。证明稀释液（甲醇）不影响本方法对正丁醇的测试。

3.指某一分析方法在给定的可靠程度内可以从样品中检测待测物质的最小浓度或最小量。所谓检测是指定性检测，即断定样品中确定存在有浓度高于空白的待定物质。信噪比法：把低浓度的试样测出的信号与空白样品尽心比较，计算出较能被可靠检测出的最低浓度或量。

基线噪声看的是高度，而你的积分的是峰面积，之间无法换算。工作站里有个积分方式，你给转换成峰高，就可以顺利算出检出限了，对应浓度从而算出S/N=3的浓度。

4.是指样品中被测物（正丁醇）能被定量测定的最低量，其测定结果应具有一定的准确度和精密度。

5.线性and范围（略）

线性(linear)，指量与量之间按比例、成直线的关系

线性以六个不同浓度的对照品溶液: 1）LOQ 浓度，2）4mg/100ml(～40%);3）6mg/100mL（～60%）;4）8mg/100mL（～80%）, 5）10mg/100mL（～100%）和6）12 mg/100mL（～120%），以及一个空白溶液，按方法进行GC测试。以浓度（x）和峰面积（y）进行线性回归。

6.在样品中加入高中低三个水平的标准，进行测定，计算回收率。

一般的回收率公式是=（加标后测定的浓度-样品本底的浓度）/加入的标准的浓度*100% 比如：任意选取一个批号的杆菌肽原料样品。以加标量的方法准确加标配制正丁醇含量约为0.08mg/ml, 0.1mg/ml及0.12mg/ml 及LOQ浓度等四个不同浓度的样品溶液。每个浓度重复配制三次。该浓度相当于正丁醇限度（5000ppm）的80%, 100% 及120%。按照本测试分析方法中的仪器条件及方法描述进行测试，并计算结果，扣除原批号杆菌肽原料样品中原来已含的正丁醇，计算回收率，回收率应当在100%+ 10.0范围内。

将计算结果填入下表。

7.重复性（方法精密度）相同条件下，同一分析人员测定所得结果的精密度称为重复性。制备100%浓度水平供试品（含正丁醇约为3000至5000ppm的杆菌肽原料药。按照本测试分析方法描述的步骤进行正丁醇含量测定，重复配制样品六次并测试。计算正丁醇含量）6

份，进行测定。相对偏差RSD%必须不大于10.0%，结果用偏差和相对偏差衡量。中间精密度验证中，要求不同的分析人员采用相同的分析方法、在不同的时间、使用不同的仪器进行测试，以确认方法的适用性。

同一实验室不同时间不同分析人员不同设备（色谱柱）测定结果之间的精密度。８.耐用性

对照品（杂质正丁醇）溶液、样品溶液的稳定性，将对照品溶液及样品溶液分别置于室温及冰箱(约4゜C)内保存若干天后检测(建议收集0，1，2，3，4，5 天的冰箱数据及0，8，16，24小时的室温数据)。将检测结果与原始测试结果比对。计算峰面积的%RSD。%RSD应不大于10.0%。

验证牛顿运动定律实验篇7

1. 实验原理

控制变量法:在所研究的问题中, 有两个以上的参量在发生牵连变化时, 可以控制某个或某些量不变, 只研究其中两个量之间的变化关系的方法.这也是物理学中研究问题时经常采用的方法.

本实验利用砝码和砝码盘通过细线牵引小车做加速运动的方法研究加速度a与力F、质量M的关系.实验时采用控制变量法, 共分两步研究:第一步保持小车的质量不变, 改变m的大小, 测出相应的a, 验证a与F的关系;第二步保持m不变, 改变M的大小, 测出小车运动的加速度a, 验证a与M的关系.实验应测量的物理量:

(1) 小车及车上砝码的总质量M:用天平测出.

(2) 小车受到的拉力F:拉力等于砝码和砝码盘的总重力mg.

(3) 小车的加速度a:通过打点计时器打出纸带, 由计算出.

2. 实验操作时的注意事项

(1) 在本实验中, 必须平衡摩擦力, 在平衡摩擦力时, 不要把重物系在小车上, 即不要给小车加任何牵引力, 并要让小车拖着打点的纸带运动.

(2) 安装器材时, 要调整滑轮的高度, 使拴小车的细绳与斜面平行, 且连接小车和砝码盘应在平衡摩擦力之后.

(3) 改变小车的质量或拉力的大小时, 改变量应尽可能大一些, 但应满足砝码盘和盘内砝码的总质量远小于小车和车上砝码的总质量.一般来说, 砝码盘和盘内砝码的总质量不超过小车和车上砝码总质量的10%.

(4) 改变拉力和小车质量后, 每次开始时小车应尽量靠近打点计时器, 并应先接通电源, 再放开小车, 且应在小车到达滑轮前按住小车.

例1图1是某同学做验证牛顿第二定律的实验时正要打开电源进行实验的情况.指出该同学的几个错误.

解析: (1) 未平衡摩擦力; (2) 应使用低压交流电源; (3) 拉小车的细线应与木板平行; (4) 小车应靠近打点计时器; (5) 打点计时器应置于木板右端.

点评:本实验中, 平衡摩擦力是重要的一步, 如果没有平衡摩擦力, 小车的加速度就不能与拉力F成正比, 导致实验失败.使用直流电源则无法让打点计时器正常工作.每次实验时, 小车应尽量靠近打点计时器, 并应先接通电源.

二、数据处理与误差分析

(1) 先在纸带上标明计数点, 测量各计数点间的距离, 根据公式计算加速度.

(2) 需要记录各组对应的加速度a与小车所受牵引力F, 然后建立直角坐标系, 用纵坐标表示加速度a, 横坐标表示作用力F, 描点画a-F图象, 如果图线是一条过原点的直线, 便证明加速度与作用力成正比.再记录各组对应的加速度a与小车和砝码总质量M, 然后建立直角坐标系, 用纵坐标表示加速度a, 横坐标表示总质量的倒数, 描点画图象, 如果图线是一条过原点的直线, 就证明了加速度与质量成反比.

提示:1.a与是正比关系, 图象是直线, a与M是反比关系, a-M图象是曲线, 在研究两个量的关系时, 直线更易确定两者之间的关系, 故本实验作图象.

2. 误差分析

(1) 质量的测量、纸带上打点计时器打点间隔距离的测量、拉线或纸带不与木板平行等都会造成误差.

(2) 因实验原理不完善引起误差.

通过适当的调节, 使小车所受的阻力可忽略, 当M和m做加速运动时, 可以得到.

只有当Mm时, 才可近似认为小车所受的拉力T等于mg, 所以本实验存在系统误差.

(3) 平衡摩擦力不准造成误差.在平衡摩擦力时, 除了不挂砝码盘外, 其他的都应跟正式实验一样 (比如要挂好纸带、接通打点计时器) , 匀速运动的标志是打点计时器打出的纸带上各点间的距离相等.

例2“探究加速度与物体质量、物体受力的关系”的实验装置如图2甲所示.

(1) 在平衡小车与桌面之间摩擦力的过程中, 打出了一条纸带如图2乙所示.计时器打点的时间间隔为0.02 s.从比较清晰的点起, 每5个点取一个计数点, 量出相邻计数点之间的距离.该小车的加速度a=______m/s2. (结果保留两位有效数字)

(2) 平衡摩擦力后, 将5个相同的砝码都放在小车上.挂上砝码盘, 然后每次从小车上取一个砝码添加到砝码盘中, 测量小车的加速度.小车的加速度a与砝码盘中砝码总重力F的实验数据如表1所示:

请根据实验数据在图3中作出a-F的关系图象.

(3) 根据提供的实验数据作出的a-F图线不通过原点.请说明主要原因.

解析: (1) 由题意知:连续两个计数点的时间间隔为T=0.1 s、连续相邻相等时间内的位移差Δs= (3.68-3.52) ×10-2m.由Δs=aT2可得加速度a=0.16 m/s2. (也可以使用最后一段和第二段的位移差求解, 得加速度a=0.15 m/s2)

(2) 设好刻度建立坐标, 根据数据确定各点的位置, 将各点用一条直线连起来, 延长交于坐标轴某一点, 即为a-F的关系图象.如图4所示.

(3) 图线与纵坐标相交而不过原点, 说明当不挂砝码时, 小车有加速度, 即未计入砝码盘的重力.

答案: (1) 0.16

(0.15也对) (2) 如图4所示

(3) 未计入砝码盘的重力

点评:作图时要充分利用好坐标纸且使图线倾斜程度合适 (以与水平方向夹角45°左右为宜) .本题中F的范围从0设置到1 N较合适, 而a则从0到3 m/s2较合适.观察描出的各数据点, 可以看出本题中各点大体在一条直线上, 由于误差的存在, 不可将各数据点直接连起来, 应使这些点尽可能地对称分布在直线的两侧, 然后作出实验结果图.

三、同类实验拓展与创新

本实验中可以用气垫导轨来代替长木板, 这样就省去了平衡小车摩擦力的麻烦, 小车的加速度也可以利用传感器借助计算机来处理.

例3如图5所示, 质量为M的滑块A放在气垫导轨B上, C为位移传感器, 它能将滑块A到传感器C的距离数据实时传送到计算机上, 经计算机处理后在屏幕上显示滑块A的位移—时间 (s-t) 图象和速率—时间 (v-t) 图象.整个装置置于高度可调节的斜面上, 斜面的长度为l、高度为h. (取重力加速度g=9.8 m/s2, 结果可保留一位有效数字)

(1) 现给滑块A一沿气垫导轨向上的初速度, A的v-t图线如图6所示.从图线可得滑块A下滑时的加速度a=_______m/s2, 摩擦力对滑块A运动的影响_______ (选填“明显, 不可忽略”或“不明显, 可忽略”) .

(2) 此装置还可用来验证牛顿第二定律.实验时, 通过改变_____可验证质量一定时, 加速度与力成正比的关系;通过改变______, 可验证力一定时, 加速度与质量成反比的关系.

解析: (1) 下滑时滑块速度越来越大, v-t图线的斜率表示加速度的大小, 则, 从图象可以看出, 滑块沿导轨上滑与下滑的加速度相等, 这说明摩擦力对滑块运动的影响不明显, 可忽略.

(2) 验证质量一定, 加速度与力的关系时, 可通过改变斜面倾角即改变斜面高度h的方法去改变滑块受力的大小;在验证力一定, 加速度与质量的关系时, 可改变滑块的质量和斜面的高度, 由于, 要保证力不变, 则Mh一定不变.

验证机械能守恒实验创新题赏析篇8

图1题1(2011年海南高考题)现要通过实验验证机械能守恒定律.实验装置如图1所示：水平桌面上固定一倾斜的气垫导轨；导轨上A点处有一带长方形遮光片的滑块，其总质量为M，左端由跨过轻质光滑定滑轮的细绳与一质量为m的砝码相连；遮光片两条长边与导轨垂直；导轨上B点有一光电门，可以测试遮光片经过光电门时的挡光时间t，用d表示A点到导轨低端C点的距离，h表示A与C的高度差，b表示遮光片的宽度，s表示A ,B 两点的距离，将遮光片通过光电门的平均速度看作滑块通过B点时的瞬时速度. 用g表示重力加速度.完成下列填空和作图；

（1）若将滑块自A点由静止释放，则在滑块从A运动至B的过程中，滑块、遮光片与砝码组成的系统重力势能的减小量可表示为.动能的增加量可表示为.若在运动过程中机械能守恒，1t2与s的关系式为1t2= .

图2图3

(2)多次改变光电门的位置，每次均令滑块自同一点（A点）下滑，测量相应的s与t值，结果如下表所示：

12345S(m)0.6000.8001.0001.2001.400t(ms)8.227.176.445.855.431/t2(104s-2)1.481.952.412.923.39以s为横坐标，1t2为纵坐标，在如图2所示的坐标纸中描出第1和第5个数据点；根据5个数据点做直线，求得该直线的斜率k=×104m-1·s-2(保留3位有效数字).由测得的h、d、b、M和m数值可以计算出1t2-s直线的斜率k0，将k和k0进行比较，若其差值在试验允许的范围内，则可认为此试验验证了机械能守恒定律.

解析（1）重力势能的减小量为Mgshd-mgs，动能的增加量为12（Ｍ＋ｍ）（bt）2.若在运动过程中机械能守恒有Mgshd-mgs=12 （Ｍ＋ｍ）（bt）2，解得，1t2与s的关系式为1t2=2gs（Mh-md）（M+m）db2.

（2）根据实验数据作图象如图3所示，据图象求出斜率

k=(2.92-1.48)×1041.200-0.600

=2.40×104m-1·s-2.

点评本题主要考查实验原理和图象法数据处理，在实验设计和数据处理上作出了创新.本题利用光电门测得速度，改变以往利用打点计器打纸带求速度的方法，由于挡光条宽度很小，因此将挡光条通过光电门时的平均速度当作瞬时速度.在数据处理上改变了直接计算重力势能的减少量和动能的增量，再进行比较大小关系，而是利用1t2-s图象斜率为定值的特点来判断机械能是否守恒.

题2（2008年江苏高考题）某同学利用图4如图4所示的实验装置验证机械能守恒定律. 弧形轨道末端水平，离地面的高度为H. 将钢球从轨道的不同高度h处静止释放，钢球的落点距轨道末端的水平距离为s.

（1）若轨道完全光滑，s2与h的理论关系应满足s2= （用H、h表示）.

（2）该同学经实验测量得到一组数据，如下表所示：

请在图5坐标纸上做出s2-h关系图.

h(10-1m)2.003.004.005.006.00s2(10-1m2)2.623.895.206.537.78（3）对比实验结果与理论计算得到的s2-h关系图线（图中已画出），自同一高度静止释放的钢球，水平抛出的速率（填“小于”或“大于”）理论值.

（4）从s2-h关系图线中分析得出钢球水平抛出的速率差十分显著，你认为造成上述偏差的可能原因是.

图5图6解答：（1）设钢球离开轨道末端的速度为v，若轨道完全光滑，则有mgh=12mv2. 钢球离开轨道后做平抛运动，则有s=vt，H=12gt2. 整理可得：s2=4Hh.

（2）实验数据做出的s2-h关系图如图5所示.

（3）由图6可知，高度h一定，平抛水平位移s2的实际值小于理论值，故钢球平抛的速率小于理论值.

（4）钢球速率出现偏差的可能原因，一是轨道粗糙存在摩擦；二是钢球除了平动还要转动，存在转动的动能. 故答案为：摩擦，转动（回答任一合理答案即可）.

点评本题主要考查实验原理与方法、图象法处理数据、误差分析.首先在实验设计上作出了创新，用旧装置（探究平抛运动的斜槽装置）验证新结论（机械能守恒定律），让学生感觉问题情景既熟悉又陌生.其次是数据处理上根据s2-h图象的理论值与实验值比较来判断机械能是否守恒.最后在寻找引起误差原因的答案上具有开放性与探究性.

题3如图7（a）所示，将包有白纸的圆柱棒（总质量为m）替代纸带和重物，蘸有颜料的毛笔固定在马达上并随之转动，使之替代打点计时器．当烧断挂圆柱的线后，圆柱棒竖直自由落下，毛笔就在圆柱棒面上的纸上画出记号，如图7（b）所示.测得记号之间的距离依次为26 mm、42mm、58mm、74mm、90mm、106mm，已知马达铭牌上有“1500r/min”字样，由此验证机械能守恒.由以上内容回答下列问题：

图7(1) 毛笔画的线距时间间隔T=，（b)图中圆柱棒的端是悬挂端．(填“左”或“右”)

(2) 根据图7（b)中所给数据，可知毛笔画下记号C时，圆柱棒下落速度vC=，画下记号D时，圆柱棒下落速度vD=，动能的变化量为，在这段位移上，圆柱棒重力势能的变化为，由此可得出结论为．

解析（1）马达的转速为1500r/min，可知其周期为T=0.04s.由于棒做自由落体运动，故画线间距越靠近悬挂端越大，因此左端为悬挂端.

(2)由匀变速直线运动规律，可得圆柱棒下落速度为：vC=sBD2T=(42+58)×10-32×0.04m/s=1.25 m/s， vD=sCE2T=(74+58)×10-32×0.04m/s=1.65 m/s，所以C、D间圆柱棒动能的变化量为ΔEK=12m(v2D-v2C)=0.58 mJ，重力势能的改变量为ΔEp=mghCD=0.58 mJ.由此可得出结论为：物体在自由下落过程中机械能守恒.

点评本实验设计是对课本实验原理的拓展，主要考查在新情境中，对已学知识的迁移应用，分析、处理实际问题的综合能力.本题的创新之处是在计时方式的创新，巧妙之处在于利用毛笔在圆柱棒上的划痕周期等于马达的转动周期，从而推导出两个线距之间的时间间隔.

题4为了验证碰撞中两个小球的机械能是否守恒，某同学选取了两个体积相同、质量不相等的小球，按下述步骤做了如下实验:

①用天平测出两个小球的质量(分别为m1和m2，且m1＞m2).

图8②按照如图8所示的那样，安装好实验装置.将斜槽AB固定在桌边，使槽的末端点的切线水平.将一斜面BC连接在斜槽末端.

③先不放小球m2,让小球m1从斜槽顶端A处由静止开始滚下，记下小球在斜面上的落点位置.

④将小球m2放在斜槽前端边缘处，让小球m1从斜槽顶端A处滚下，使它们发生碰撞，记下小球m1和小球m2在斜面上的落点位置.

⑤用毫米刻度尺量出各个落点位置到斜槽末端点B的距离.图中D、E、F点是该同学记下的小球在斜面上的几个落点位置，到B点的距离分别为LD、LE、LF.

根据该同学的实验，回答下列问题：

(1)小球m1与m2发生碰撞后，m1的落点是图中的点，m2的落点是图中的点.

(2)用测得的物理量来表示，只要再满足关系式，则说明两小球的碰撞过程中没有能量损失.

解析

（1）D、 F

（2）设斜面倾角为θ，小球平抛运动，由Lsinθ=12gt2，Lcosθ=vt，得抛出速度v∝L，若没有机械能损失，则12m1v20=12m1v21+12m2v22，代入v∝L ，得m1LE=m1LD+m2LF.

点评本题主要考查实验原理的理解、迁移能力.本题在设计过程中巧妙地将不易测量的速度转化为容易测量的距离，并且根据物理公式求得v∝L，故EK∝mL.因此只要量得落点到抛出点的距离就可以求出碰撞前后的动能，从而达到验证是否守恒的目的.

从以上几道创新题可以看出，这类实验问题具有器材新、视角新、方案新等特点，着重考查同学们对知识的迁移能力和变通能力.它既要求同学们对课本实验的原理、方法要有较为透彻的理解，又要求能正确运用在这些实验中学过的方法解决新的问题.因此我们在平时教学和学习当中，要特别注意创新能力的培养，要从思维训练上下功夫，着重培养学生的发散思维和求异思维.

(收稿日期：2013-12-19)

参加实验室能力验证工作总结篇9

为保证出具的检验报告数据科学、准确，综合考察检测能力，2011年我所参加了由中国实验室国家认可委员会统一组织的食品、化妆品二个领域二个品种的能力验证活动，提交的二个品种4项数据均为满意结果。四项Z比分值通过Z值柱状图观察，均接近于中心位置。现将参加该活动的过程总结如下：

一、项目概况

由沈阳产品质量监督检验院组织实施的＂酱油中山梨酸、苯甲酸的测定＂项目，共有134个实验室参加，分布于全国26个省、自治区和直辖市，参加的实验室涉及检验检疫、疾控中心、质检、药检所、检测公司以及相关生产企业。获满意结果的有109家，结果有问题的有6家、不满意结果的有19家，其中有6家两项测定均为不满意结果。我所由××室××同志作为检验人员提交了该项目全部数据，两项结果均为满意。

由广东省疾病预防控制中心组织实施的＂化妆品中铅、砷含量的检测＂项目，共有98个实验室参加，分布于27 个省（自治区）、直辖市及香港地区，包括疾病预防控制机构、出入境检验检疫机构、产品质量监督检验机构、食品药品检验机构及科研单位、企业等其他机构，获满意结果的有78家，有问题结果的有10家、不满意结果的10家，有1家两项测定均为不满意结果。我所由××室××同志作为检验人员提交了该项目中＂化妆品中铅含量的检测＂全部数据，由××室××同志作为检验人员提交了该项目中＂化妆品中砷含量的检测＂全部数据，两项结果均为满意.二、过程控制

一是所领导班子高度重视，质量负责人全程参与。项目申报后，质量负责人立即组织相关实验室对实验的全过程进行了研讨，从确定主检人员，到确定关键控制点，包括对实验过程的环境条件控制、仪器设备的控制、玻璃容量仪器的选择、预实验的次数、实验过程的具体操作、试剂试药的要求、实验数据的分析处理、原始记录的模板、报告书的填写以及不同实验阶段时间的分配都进行了周密的安排。在实验过程中，及时研讨分析实验数据，指导确定下一步的实验进程。

二是检验人员精心实验。我所××室、××室接到测试样品后，设计了检验方案，进行了预试验，根据标准曲线浓度范围，确定盲样的大致浓度，折算出盲样正确的取样量，使得正式实验的整个过程顺利进行，最终取得满意结果。实验室的全体检验人员，主动参与到实验中，协助主检人员对实验进行了精心的准备，对实验的关键控制点进行重点控制，从而为验证实验的顺利进行打下了坚实的基础。

三是相关科室密切协作，各司其职，保证了这次能力验证活动的圆满完成。

以上能力验证结果表明我所检验技术稳定，人员检验操作规范，仪器状态良好，数据控制严谨，测定结果可靠，检测能力处于良好状态。

专利实验验证篇10

刘佃庆

机械能守恒定律是力学中的一个重要规律。本节由学生小组合作设计验证这个规律的实验方案，并按照设计的实验方案进行实际操作、观察、测量、记录和处理实验数据。因此，本教学设计注重了在过程中培养学生的科学素养。通过积极的创造性活动，使学生参与并体验了设计方案形成的思维过程，从中体会实验设计的乐趣和艰辛，感悟了科学实验的本质和价值，从而使学生形成科学的情感态度与价值观。经过这样的过程，所获得的不仅仅是验证了一条规律，而是像科学家那样经历了一次科学探究的过程，会体验到发现、创造和成功的乐趣。

这节课的流程如下：

1、通过播放生活中三个常见的运动实例，第一个实例为蹦极（自由落体运动），第二个为投篮（抛体运动），第三个为荡秋千（摆动），通过实例情景引入本课内容、回顾机械能守恒的条件及表达式，激发学生的学习兴趣，同时三个物理模型也为下一步学生利用实验验证机械能守恒定律提供了三种不同方案，学生从中选择出最易操作、最简单的运动即自由落体运动。

2、在学生选择了自由落体运动作为研究方案后，设置问题，即质量为m的物体从O点自由下落的过程，通过问题串的形式引导学生自主合作探究出本节课要做什么（即实验目的），怎么做（实验原理），测量那些物理量，如何测量，选择哪些器材测量等问题，通过小组合作在解决了这些问题的同时也就把本节课的实验原理、实验操作、器材的选择等问题解决了，也就设计出了实验方案。

3、学生设计完实验方案后，进行分组实验，分组实验先由组长分配任务，再开始实验操作，在操作过程中每个同学都有事做，而且要在操作过程中发现操作中的困惑，及时提出问题，讨论问题，老师巡回指导，在指导过程中帮助学生解决问题。

4、实验操作完后学生要选择纸带进行数据的记录。引导学生从实验中打出的5、6条纸带中选择一条理想的纸带，并引导学生准确测量数据并记录。

5、实验数据处理，先是让学生提出自己处理数据的方法，学生很容易想到把每一组数据都计算出来后，比较每组数据的gh是否等于v2／2，这种方法固然很好，可以验证。这时老师引导学生用这种方法计算量大且不直观，如何更方便快捷直观的处理数据，继续引导学生利用所学信息技术知识，应用电脑数据处理软件拟合出实验数据的图像，分析如果图像呈现什么特点说明可以验证。学生动手操作计算机，将数据输入电脑软件，拟合图像，教师通过局域网和电脑软件将学生处理数据的过程投放到大屏幕供所有学生观看。这样除了动手操作的学生，每个学生都能看到操作过程，让每个学生都有事做。拟合完图像后再由教师引导学生分析图像，得到结论即在误差允许的范围内，机械能守恒。

6、最后是课堂评价，留给学生3分钟时间，思考反思这节课学到了什么，存在的不做，主要从实验操作和小组合作两个方面进行。小组互评老师点评。结束课程。

这节课的课堂改进点主要体现在以下几点：

1、采用小组合作探究式教学方式。

传统的实验教学是老师讲实验原理、实验步骤、实验操作等，然后让学生按照老师的讲解做实验，老师认为各个细节都讲解到了，学生也该理解了。实际上，在实践中，学生不止一次地暴露这样或者那样的问题，而这些问题在老师看来，自己讲了那么多次，学生的错误实在让他们费解。

于是采用小组合作探究方式，教师设置问题情境，通过问题串的形式，引导学生讨论出实验原理，设计出实验方案。在学生讨论和设计的过程中，同时解决做什么，怎么做，如何做，用什么做等问题，为下一步的分组实验做好准备。

2、提供大量实验器材供学生选择。

这节课提供给了学生大量器材供学生选择，主要因为器材的选取是高考和学业水平考试的考点之一，而且通过学生自主选择器材能加深学生对本实验的理解。实验中实验器材的选择，同样也是在探究完实验原理和实验步骤之后，学生很自然的总结出来的。

3、数据处理采用信息技术辅助处理。

这节课的数据处理原来要占用大量的时间和精力，因为都是测量值，小数点本身就多，而且还要计算平方，计算量特别大，而现在的高考及学业水平考试对数值的计算要求比较低，所以通过计算机数据处理软件来处理数据，学生只需将测量数据输入电脑，就可以拟合出图像，通过分析图像得到结论。再通过局域网的架设，将学生处理数据的过程全程展示给所有学生。现在随着信息技术的普及，越来越多的应用到我们的教学中来，如何实现信息技术与教学的融合，值得我们不断思考和实践，这节在这方面做了大胆那的尝试，效果比较明显。

整节课是以小组合作的方式进行的，通过小组合作探究实验原理，设计出实验方案；通过小组合作分工进行实验、测量数据、分析数据。学生们在合作的过程中相互帮助，通过讨论解决问题，在实验操作中相互协作，共同完成实验。成功的完成了本课的学习任务，达到了实验的效果。通过以上教学过程不仅在课堂形式上进行了改进，而且的确让学生在亲身体验中学到了知识，掌握了实验操作。

改进验证牛顿第二定律的实验装置篇11

实验器材：打点计时器，纸带，复写纸，小车，一端附有定滑轮的长木板，小盘，夹子，细绳，低压交流电源，导线，天平，刻度尺，砝码。

如图甲，这个实验需要测量的物理量有三个：物体的加速度，物体所受的力，物体的质量。质量可以用天平测量，本实验要解决的主要问题是怎样测量加速度和怎样提供并测量物体所受的力。

由于小车做初速度为0的匀速直线运动，测量物体加速度最直接的办法就是用刻度尺测量位移并用秒表测量时间，再由a=2x/t 算出。

书中本节参考案例：是两个相同的小车放在光滑水平板上，两个小车后端各系一条细线，用一个黑板擦或夹子把两条细线同时按下黑板擦或夹子两个小车同时停下来。用刻度尺测出两个小车通过的位移，位移之比就等于它们的加速度之比。

a /a =x /x

为了改变小车的质量，可以在小车中增减砝码。

笔者认为既然是物理实验就应尽可能准确地反映物理事实或规律。当黑板擦或夹子同时压住两根细绳，要保证t相同，小车起步要相同，也要保证同时停住，黑板擦或夹子要同时压住两小车后面的细绳，但细绳被小车拉上向前运动，起步不能保证同时，也不能保证同时停止，也就是细绳也要或多或少地也向前移动一点位移，小车运动时间不准确，即由关系式x=at /2知，所以导致位移不够准确。a /a 不等于x /x ，为了让实验更严谨，笔者认为书中的参考案例实验需要改进，对高一物理老师应有更科学的指导，最好能按以下实验图加以改装，可以较巧妙地解决两小车所运动的时间相同的问题。

此实验装置笔者也是受到了宁夏高考模拟试题的启发，想着能将该实验按此题的实验图作为书中的案例实验装置较合适。宁夏高考模拟题是;某实验小组设计了如图所示实验装置探究加速度与力，质量的关系，开始闭合电建，电磁铁将A，B两个小车吸住断开电建，两小车同时在细绳拉力作用下在水平桌面上，沿同一直线相向运动。实验中始终保持小车质量远远大于托盘和砝码的质量，实验装置中各部摩擦阻力均可忽略不计。

1.该小组同学认为，只要测出小车A，和B由静止释放到第一次碰撞前通过的位移S ，S ，即可将知小车A，和B的加速度a ，a 与位移S ，S 的关系。这个关系式可写成？摇？摇？摇？摇。（a /a =x /x ）

2.实验时，该小组同学先保持两小车质量相同且不变，改变左右托盘内的砝码的重力，测量并记录对应拉力下小车A和B通过的位移S ，S ，经过多组数据分析得出了小车运动的加速度与所受拉力的关系。然后保持两小车所受的拉力相同且不变。研究小车的加速度与小车质量的关系，此时要改变的实验变量是？摇？摇？摇？摇。（质量，即加减砝码）

必须测量并记录的物理量？摇？摇？摇？摇（要求对物理量的字母做出说明）（m ，S ，m ，S ）。S 为小车1的位移，m 为小车1的质量，S 为小车2的位移，m 是小车2的质量）这些测量并记录的物理量之间的关系式可写成？摇？摇？摇？摇。（m /m =x /x ）

笔者认为上述的电磁铁是由同一电建控制解决了两小车的同时起步和同时停止的问题，也就是小车运动时间t相同，比课本中用黑板或夹子压住两细绳效果要好得多。

此实验装置的好处为：小车的起步由电磁铁控制，当开关闭合时，标记下初位置，小车被吸在电磁铁上不动，保证初速度为0，当开关断开时，拉小车的砝码盘和砝码的重力不同，对两小车的拉力不同，在此不同拉力作用下，两小车加速运动。然后两小车相碰停止，标记下末位置，这样确实保证了两小车的同时性，但它们的加速度不同走过的位移就不同，然后测出位移，求出加速度与位移的比值即可。加速度大的位移自然就大。即力与加速度成正比。再当两砝码及砝码盘的重力不变情况下，这样保证力不变，给小车上加减砝码，即小车的质量变了，再断开开关，让两小车做初速度为0的匀加速运动，同样记下末位置，质量变，在测出位移x，由x=at /2，得（m /m =x /x ），即m /m =a /a ，加速度与质量成反比。这样很容易地验证了这个实验。

专利实验验证篇12

空间目标单光子探测的原理是采用被动红外探测作为辅助手段, 主动激光探测为主要手段的, 两种方法相结合的方法, 通过前者辅助发现目标的位置范围, 通过后者将主动激光出射至目标, 然后单光子探测器接收目标回波信号, 通过回波信号对目标进行探测, 分析。在空间目标探测平台中引入主动激光探测手段可以弥补被动探测方法的缺陷, 是一种有益的尝试。

在空间目标单光子探测系统中, 由于探测距离的远近不确定性, 而且易受宇宙辐射和太阳光影响及系统自身振动影响等等, 其研究除了光谱滤波技术 (如加入带宽极窄的滤波片等) , 以及复杂的捕获、跟踪和瞄准系统外, 还包括在探测距离相对短的情况下, 人们利用和发展了漫反射光探测方案。漫反射光探测方案采取激光极窄发散角发射、目标近似漫反射和光敏面接收技术, 在激光目标探测领域, 具有创新性[1]。

为了验证整个方案的可行性, 我们要解决二个关键问题:一是漫反射单光子探测回波光电子数公式推导;二是用室内单光子探测模拟实验来验证第一点单光子探测回波光电子数公式。我们可以通过对比所建模型算得的回波功率值 (回波光子数) 和实际室内实验回波功率值 (回波光子数) 来达到目的。

1空间目标单光子探测体制简述

本文讨论的单光子探测系统方案采用直接探测法 (又称非相干探测) , 不要求光信号具有相干性, 直接响应激光回波的光子数变化 (或称能量变化) , 单光子探测器相应地转化为电压的变化。探测系统包括发射、接收、光学系统、信号处理等组成部分。其探测原理是被动红外系统辅助发现目标后由基准信号发生器产生的脉冲信号经过激励电路, 激励激光器发出脉冲激光, 再通过发射光学系统发射出去;光束穿过介质到达目标表面, 产生的回波信号再穿过介质;经接收光学系统直接入射到光探测器的光敏面上, 由单光子探测器将光信号转化为相应的电流或电压;再经后续放大、滤波等信号处理电路, 获得需要的处理信号, 从而可以对目标进行测距或者别的方面的分析。

这一体制构想利用激光主动探测手段, 配合红外被动探测手段, 不依赖于目标的热特性, 弥补了空间目标探测手段单一的不足;另外, 单光子探测技术的引入, 有效提升探测距离, 具有积极意义。

2 单光子探测公式推导

空间目标的激光反射特性包括一般熟知的镜面反射、漫反射, 还有介于两者之间的反射。实际的目标通常不是理想漫反射面, 但大部分目标表面足够粗糙, 偏离漫反射的程度不大, 在工程应用所允许的误差范围内, 通常可以利用目标对光束的漫反射特性进行激光建模仿真[2]。分析过程中发射脉冲参数均为已知、目标能均匀地进行朗伯漫反射, 并采取适当措施使光束能量在截面积上近似均匀分布[3], 那么, 根据红外辐射理论[4]。

2.1 对于点源产生的辐照度

已知:点源辐射强度为J;点源到被照面元dA的距离为l; 面元法线与入射光线的夹角为θ。有接收系统处辐照度:

$Η = \frac{J d Ω}{d A} = \frac{\frac{J d A c o s θ}{l^{2}}}{d A} = J \frac{\cos θ}{l^{2}} (1)$

式 (1) 中dΩ为点源对面元所张的立体角。

假设接收系统入瞳面积为Se, 那么单位时间内系统接收光子数为

$Ν_{Ρ} = \frac{Η S_{e} λ}{h c} (2)$

式 (2) 中λ为激光波长。

2.2 对于面源产生的辐照度

由亮度守恒定律知:如果忽略传输损失, 辐射源的亮度等于仪器接收端的辐亮度。如考虑传输损失, 两者也仅差一个传输效率。

由于利用辐射的一些基本定律可较为方便地求得源的辐亮度, 接收辐亮度则等于源的辐亮度, 或源的辐亮度乘以传输效率。知道了仪器接收的辐亮度, 就不难求得辐照度和辐射功率。当测量方向与仪器光轴重合时, 公式更为简洁。有接收系统处辐照度:

$Η = Ν Ω = Ν ω^{2} (3)$

式 (3) 中:Ω, ω 分别为接收仪器的视场立体角和视场角。

当把面源视为理想的朗伯辐射面体, 有辐射通量密度:

$W = \int_{Ω} Ν \cos θ d Ω = Ν \int_{0}^{2 π} d φ \int_{0}^{π / 2} c o s θ \sin θ d θ = π Ν (4)$

有辐射强度:

$J = \frac{Ρ}{π} (5)$

2.3 对于单光子探测系统

假设激光束打在目标后漫反射, 将目标上所成的光斑视作理想的朗伯辐射面体, 整个传输过程中的大气传输损耗忽略不计, 且目标的法线是和整个接收系统光轴平行的。

接收光纤的瞬时视场:

$Ι F Ο V = d_{光纤} / f (6)$

瞬时视场所张的立体角:

$d Ω = (Ι F Ο V)^{2} (7)$

单像元能看到的有效辐射面积:

$S_{e f f} = (l \cdot Ι F Ο V)^{2} (8)$

式 (8) 中l为面源到接收系统的距离。

激光在目标上的光斑大小:

$S = \frac{π d_{激光}^{2}}{4} (9)$

当S<Seff时, 即单像元能够看见所有面源, 那么激光散射的辐射强度:

$J = \frac{Ρ_{激光源}}{π} (10)$

按点源式 (1) , 接收系统入瞳处处辐照度

$Η = \frac{J}{l^{2}} = \frac{Ρ_{激光源}}{π l^{2}} (11)$

当S>Seff时, 即辐射源已充满瞬时视场, 由式 (4) 可先求激光散斑的辐亮度:

$Ν = \frac{W}{π} = \frac{Ρ_{激光源}}{π S^{'}} (12)$

式 (12) 中 S′为发散光斑面积。再求得系统入瞳处的辐照度:

$Η = Ν d Ω = Ν \cdot Ι F Ο V^{2} = \frac{Ρ_{激光源}}{π S^{'}} \cdot Ι F Ο V^{2} (13)$

像元单位时间内接收的光子数为:

$Ν_{Ρ} = \frac{Ρ_{激光源} S_{e} λ}{π S^{'} h c} Ι F Ο V^{2} (14)$

公式 (14) 即为本文中单光子探测回波光子数普遍模型。

3 室内单光子探测实验

3.1 体制室内具体化实现

在室内单光子探测实验中, 将目标设为无论什么入射角度都有较好的朗伯特性的白色打印纸[5]。

由图3, 系统组成包括:

3.1.1 光学系统

在进行初步模拟实验中, 根据目前国内单光子探测器的技术, 一般以单模光纤接受 (数值孔径一般为0.11—0.14) , 因此, 选用口径130 mm, 焦距650 mm, 主反射面为抛物面的牛顿反射式光学系统进行模拟实验验证 (收集光斑数值孔径为0.1) 。

3.1.2 激光器

总体方案采用高重复频率为兆赫兹的1.55 μm光纤激光器, 平均功率为毫瓦量级, 在室内短距离的条件下, 满足要求;前置激光准直器, 保证室内激光传播的准直性。

3.1.3 探测器

总体方案采用近红外单光子探测器SPAD (SPD3) :用于对近红外光的超灵敏探测, 可以达到响应单个光子的探测极限。探测器使用了InGaAs/InP雪崩光电二极管, 工作在窄门脉冲探测模式, 采用该技术可以有效地降低暗噪声并保持较高探测效率。SPD3 提供TTL和NIM数字信号输出, 同时内置两个高速计数器分别显示光子信号和时钟信号。 SPD3 提供 RS—232 或 USB2.0计算机接口。

3.1.4 电子学处理系统

用一个信号发生器对激光器和单光子计数模块提供一个基准时钟;初步利用一个示波器同时连接信号发生器和单光子探测器, 从而实现单光子计数模块的测距功能。

3.2 探测器技术性能定标

SPAD在制冷温度为217 K的条件下, 我们定制反向偏压VA为53.15 V, 有平均暗计数为15 k, 死时间控制在2 μs。在上述条件下为了得到探测器响应接收能量的计数性能曲线, 本人已经在本人的另一篇文章中叙述了详细的过程, 下面简要介绍实验过程。

我们固定激光器的输出能量和脉冲频率, 也就是使前端输入能量为已知, 通过调节衰减器的衰减量, 利用能量计得到已知的输入能量, 然后输入到探测器上, 读出所用SPAD的读数范围, 得到一系列的数据, 再利用国产数学软件1stOpt进行非线性曲线拟合得到图5。

图5反映了在一定客观条件下所用单光子探测器响应接收能量的计数性能。

为了验证图5拟合曲线的可靠性, 我们又取了5组数据, 在图像中以x形式标出:

通过图6可以得到:说明通过国产数学软件1stOpt, 利用其内核默认算法Levenberg-Marquardt法 (LM) +通用全局优化算法 (Universal Global Optimization-UGO) , 非线性拟合出来的所用单光子探测器的输入功率 (能量) 与探测器计数平均值之间的关系曲线是能够真实反映在一定前提条件下的所用单光子探测器的计数性能的[6]。

4 室内单光子探测验证

实验光路, 参数如图7。

如上图, 脉冲激光器的出射位置 (激光驱动器所连的准直器位置) 到反射镜的距离为L1, 反射镜到某一目标 (白色打印纸) 的距离为L2, 反射镜到望远系统的主反射镜距离为L3;

已知:接收望远镜光学系统口径d1=130 mm, 那么接收光学系统口径 (入瞳) 面积 $S_{1} = π (\frac{d_{1}}{2})^{2} = 13 266.5 m m^{2}$ , 焦距f=650 mm;

入瞳处中心遮挡直径d4=34.5 mm;

面积 $S_{2} = π (\frac{d_{4}}{2})^{2} = 934.3 m m^{2}$ ;

接收光纤的口径d3=0.008 mm。

接收光纤的瞬时视场IFOV=d3/f=0.008/650=1.23×10-5rad;那么接收光纤单像元所能看到的有效辐射面积Seff=[ (L2+L3) ·IFOV]2;所用外触发式的脉冲激光器出射功率为P0;

由第2节, 实验中假设光照射到目标的光斑为一个均匀朗伯辐射体面源, 其直径为d2, 此面源在空间漫射传播, 其面积 $S = \frac{π d_{2}^{2}}{4}$ 。激光出射至目标 (白色打印纸) 1时, 选激光源功率P0=100 μW, 有:

通过测量, 激光出射至目标 (白色打印纸) 1上激光形成光斑直径d2=20 mm, 其面积 $S = \frac{π d_{2}^{2}}{4} = 314.16 m m^{2}$ , 如果希望单像元能够看见所有面源, 即S<Seff, 也就是Seff=[ (L2+L3) ·IFOV]2>314.16 mm2, 得L2+L3>1 441.02 m, 我们是在纵向空间最大仅有20 m左右的实验室中做的实验, 显然L2+L3>1 441.02 m不成立, 也就是说是S>Seff, 即辐射源已充满接收光纤瞬时视场, 因此, 只有部分光斑的能量能到达探测元。

那么, 由第2.3章节公式 (14) , 可求得系统像元接收到的光子数NP和回波功率: $p^{'} = \frac{Ν_{p} h c}{λ} = 0.000 189$ nw, 此为建模值。

通过实验, 我们把接收光纤置于光学系统焦点处, 观察探测器的反应, 由于系统中心遮挡的关系, 此时接受的是漫反射回波的能量, 数据显示计数为:155 000～215 000, 平均计数为185 000, 对照3.2章节单光子探测器的输入功率 (能量) 与探测器计数平均值之间的关系曲线, 有:

当探测器有185 000的计数时, 表明有0.000 2 nW左右的激光功率 (能量) 进入了探测器, 此为实验值。

当改变激光源的输出功率, 使P0取不同值时 (P0=10 μW, 20 μW, 30 μW, 40 μW, 50 μW, 60 μW, 70 μW, 80 μW, 90 μW) , 同上述计算过程和实验过程, 可以得到仿真模型求得的激光回波功率建模值和室内激光回波功率实验值, 将两者进行对比, 有对比图如图8。

依照上面的方法, 使激光出射至目标 (白色打印纸) 2时, 同样选取不同的激光源功率 (P0=10 μW, 20 μW, 30 μW, 40 μW, 50 μW, 60 μW, 70 μW, 80 μW, 90 μW, 100 μW) 时, 同样会有对比图:

注:P0=10 μW, 20 μW, 30 μW时, 对应的实验值无法与暗计数区分, 舍弃。

观察图8和图9, 在测量到实验系统的必要参数后, 改变脉冲激光器的输出功率, 代入前述的公式中, 可以得到光纤接收处的功率值——这是激光回波功率仿真建模值;同时通过室内模拟实验, 改变脉冲激光器的输出功率, 经目标漫反射后, 单光子探测器SPAD通过光纤接收激光回波, 得到光子计数值, 通过前述的SPAD计数性能曲线, 转换为接收功率——这是激光回波功率实验值。两者在同一幅图中进行对比, 如图8, 图9, 差值是极小的, 某些地方甚至相同。建模值和实验值有区别是由于很多原因:模型建立时忽略了一些因素 (如:大气衰减) , 单光子探测器温控不能绝对恒定导致暗计数浮动等等。但是两者:建模值和实验值基本符合, 其变化规律基本一致, 证明了第2章节中所建立的模型和所推导的公式的正确性。

5 结论

本文主要介绍了空间目标单光子探测的一些理念, 分析了单光子探测系统的回波光子数模型和建立推导了回波功率的公式, 之后通过室内单光子探测模拟实验来验证前述推导公式的正确性, 发现所推导的公式, 也就是建立起的回波光子功率的模型是正确的, 可行的。那么借助被验证的公式模型, 我们就可以探讨系统设计规律, 优化设计系统参量, 可以获得单光子探测系统近似实际工作状态时可能的各项数据, 从而为系统设计、性能改进提供有效指导。

参考文献

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[2]季云松, 张凯.自然光照下目标的光学特征仿真.红外与激光工程, 2002;31 (2) :161—165

[3]赵桂芬, 邓甲昊.一种激光目标探测系统的模型仿真.科技导报, 2006;24 (12) :31—33

[4]曾光宇, 张志伟, 牟静竹, 等.光电检测技术.北京:清华大学出版社, 2005

[5]文晶娅, 杨坤涛, 章秀华.非合作目标相位式激光测距中目标漫反射特性的实验研究.光学与光电技术, 2007;5 (1) :35—38

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