上海交大物理实验绪论12222

1、1 F11030038 F110300914的班长注意： 请到讲台前来领资料袋2345 物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。 物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。6 伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。 经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。 近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。 很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。7以诺贝尔物理学奖为例以诺贝尔物理学奖为例： 80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。 20%的奖中很多是实验和理论物理

2、学家分享的。 实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。 有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。8 1997：发明了用激光冷却和俘获原子的方法 Steven Chu Cohen-Tannoudji William D. Phillips 1998：量子霍耳效应，电子能够形成新型粒子 Robert B. Laughlin Horst L. Stormer Daniel C. Tsui9 2001：玻色-爱因斯坦凝聚 Eric A. Cornell Wolfgang Ketterle Carl E. Wieman1011 通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物

3、理实验知识和设计思想，掌握和理解物理理论。12 借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器； 运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断； 正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告； 能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。13 培养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； 主动研究和创新的探索精神； 遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。14 物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，可使同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能诸方面得到较为系统、严格的训练，是大学里从事科学实验的起步，同时在培养科学工作

4、者的良好素质及科学世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。 希望同学们能重视这门课程的学习，经过半年或一年的时间，真正能学有所得。1516 测量 有效数字的读取 有效数字的运算 有效数字尾数的舍取规则17 物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。18 直接测量：直接将待测物理量与选定的同类物直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到测量值；理量的标准单位相比较直接得到测量值； 间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的利用直接测

5、量的量与被测量之间的已知函数关系，求得该被测物理量。已知函数关系，求得该被测物理量。 测量值 = = 读数值读数值( (有效数字有效数字)+)+单位单位 有效数字可靠数字可疑数字可靠数字可疑数字（一位）（一位）1915.2mm15.0mm510152051015202222m/s89km/s009800m/s809980.s/cm20加、减法：诸量相加（相减）时，其诸量相加（相减）时，其和（差）数在小数点后所应保留的位和（差）数在小数点后所应保留的位数与诸数中小数点后位数最少的一个数与诸数中小数点后位数最少的一个相同。相同。 4.178 + 21.3 25.478 = 25.521乘、除法：诸

6、量相乘（除）后其积（商）诸量相乘（除）后其积（商）所保留的有效数字，只须与诸因子中有效所保留的有效数字，只须与诸因子中有效数字最少的一个相同。数字最少的一个相同。 4.178 10.1 4178 4178 421978=42.222 乘方开方: 有效数字与其底的有效数有效数字与其底的有效数 字相同。字相同。 对数函数: 运算后的尾数位数与真数运算后的尾数位数与真数 位数相同。位数相同。 例：例：lg1.938 = 0.2973 lg1938 = 3 + lg1.938 = 3.2973 指数函数:运算后的有效数字的位数与指运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数数的小数点

7、后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。点后的零）。 例：例： 106.25 = 1.8 106 100.0035 = 1.00823 三角函数:取位随角度有效数字而定。取位随角度有效数字而定。 例：例：Sin3000= 0.5000 Cos2016= 0.9381 正确数不适用有效数字的运算规则。 取常数与测量值的有效数字的位数相同。24数值修约规则（按国家标准文件：GB8170-87） 在进行具体的数字运算前，按照一定的规则确定一致的位数，然后舍去某些数字后面多余的尾数的过程被称为数字修约，指导数字修约的具体规则被称为数字修约规则。口诀： 4舍6入5看右，5后有数进上去， 尾数为0向左看，左

8、数奇进偶舍弃。 25 例：将下列数字全部修约为四位有效数字例：将下列数字全部修约为四位有效数字 1）尾数）尾数 5，1.118600001.119 3）尾数）尾数5， a）5右面还有右面还有不为不为0的数的数 1.118599991.119 1.118500011.119 b） 5右面尾数右面尾数为为0则凑偶则凑偶1.117500001.118 1.118500001.118 26 一次性修约到指定的位数，不可以进行数次一次性修约到指定的位数，不可以进行数次修约，否则得到的结果也有可能是错误的。修约，否则得到的结果也有可能是错误的。例：将数字例：将数字10.2749945001修约为四位有效数

9、字。修约为四位有效数字。一步到位：一步到位：10.274994500110.27（正确）。（正确）。错误结果：错误结果：10.274994500110.274995 10.27510.2827 误差 随机误差的处理 测量结果的不确定度表示 间接测量不确定度的合成28对一待测物理量 x 误差dx 测量结果 x 真值 真值：物理量在一定实验条件下物理量在一定实验条件下 的客观存在值的客观存在值误 差29 测量误差存在于一切测量过程中，可以控制得越来越小，不可能为零。随机系统误差 误 差30系统误差 定 义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和 符号保持恒

10、定或随测量条件的改变而按确定符号保持恒定或随测量条件的改变而按确定 的规律变化。的规律变化。 产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入。由于测量仪器、测量方法、环境带入。 分类及处理方法：1 1 已定系统误差：必须修正电表、螺旋测微计的零位误差；电表、螺旋测微计的零位误差； 测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。2 未定系统误差：要估计出分布范围 如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。31 定 义： 在对同一量的多次重复测量中绝对在对同一量的多次重复测量中绝对 值和符号以不可预知方式变化的测值和符号以不可预知方式变化的测

11、 量误差分量。量误差分量。 产生原因产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变实验条件和环境因素无规则的起伏变 化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。 例如：l电表轴承的摩擦力变动l螺旋测微计测力在一定范围内随机变化l操作读数时的视差影响32 (1) 小误差出现的概率比大误差出现的概率大；(2) 无穷多次测量时服从正态分布；(3) 具有抵偿性。取多次测量的平均值有利于消减随机误差。 的分布函数为为标准差为真值xxf)( 1)(21exp21122nxxxxfnii 小xf(x)33 标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高； 标准差大

12、：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。 大 小xf(x)标准差表示测量值的离散程度34 任意一次测量值落入区间 的概率为 683. 0dxxfP, xf(x)x 这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应的区间叫置信区间，表示为。35 扩大置信区间，可增加置信概率 954. 02,222dxxfP 997. 03,333dxxfP36 在测量次数n较小的情况下，测量将呈t分布； n 较小时, 偏离正态分布较多， n 较大时, 趋于正态分布。 t t分布时，置信区间和置信度的计算需要对特殊函数积分，且不同的测量次数对应不同的值，计算很繁。37平均值 假定对一个物理量进行了n次测量，

13、 测得的值为xi (i =1, 2，n) 可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。nxxnii/ )(138 有限测量时，算术平均值不等于真值，它的标准偏差为： 的意义可以理解为： 待测物理量处于区间待测物理量处于区间 内的概率为内的概率为0.683。nnnxxxix12x,xxxx39 物理实验中，置信度一般取作0.95,这时 t 分布相应的置信区间可写为: 一般，我们取测量次数为6次。xxntxtxx95. 095. 0nt950.n345672.481.591.241.050.92640测量结果的不确定度表示 概念：不确定度不确定度u是

14、由于测量误差存在而对是由于测量误差存在而对 被测量值不能确定的程度。被测量值不能确定的程度。 意义：不确定度是一定不确定度是一定置信概率置信概率下的下的误差误差 限值限值, 反映了可能存在的误差分布范围。反映了可能存在的误差分布范围。 置信概率一般取0.9541 A 类分量 : 可以用统计学方法估算可以用统计学方法估算 的分量，一般指随机误差。的分量，一般指随机误差。 AxAxxAntn95. 0,22,测量次数不大时测量次数很大时不确定度组成42B 类分量 : 不能用统计学方法估算的分不能用统计学方法估算的分 量，一般指系统误差。量，一般指系统误差。 若不特别说明 c 叫置信因子,置信度取0

15、.95时，c = 1.05cB仪器允差B不确定度组成43合成方法:相对不确定度:结果表示结果表示:22BAxu%100 xuuxrx%100 xuuuxxxrxx4445 1.求测量数据的平均测量值 判断有无应当剔除的判断有无应当剔除的异常数据，异常数据，如有如有, ,剔除后重新计算剔除后重新计算 2.用已知系统误差修正平均值 3.计算标准差nxxi/ )() 1/(2nxxix46 4.标准差乘以与0.95置信度对应 的系数得到 5.根据仪器允差确定 6.合成不确定度 7.表示测量结果BA22BAxu%100 xuuuxxxrxx47直接测量不确定度计算举例 例1：用螺旋测微计测某一钢丝的直

16、用螺旋测微计测某一钢丝的直 径，原始数据见下表，请给出完径，原始数据见下表，请给出完 整的测量结果。整的测量结果。d0 = +0.004 mm , 螺旋测微计的仪器允差为仪= 0.004mm123456（mm） 0.2490.2500.2470.2510.2530.250 原始数据表格id48 例解： 0iidddidd0 = +0.004 mm , 螺旋测微计的仪器允差为仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-

17、0.001-0.0030.000id 没有异常数据,不用剔除idd 49)(002. 0) 1/(2mmnddidmmntxxA002. 005. 195. 0)(004. 005. 1mmB仪)(004. 022mmuBAd%2%100duudrd 例解： 50测量结果表示为测量结果表示为%2)(004. 0246. 0rdummd51 设待测量与各直接测量之间有函数关系： nxxxxfx,321nxxxxfx,321不可分别计算再取平均不可分别计算再取平均非线性非线性 待测量的可直接用各量平均值计算， 则：52 待测量的与各直接测量量的不确定度的关系为：2iixixuxfuixixiuxf

18、xu2ln53常用公式 同学们可以用偏微分知识自己推导这些公式同学们可以用偏微分知识自己推导这些公式 22212221212221)()(/212121rxrxrxmkrxrxrxxxxmukuuxxxuuuxxxxxuuuxxx或54 1.求出各直接测量量的平均值和合成不 确定度(加减时)或相对不确定度(乘 除、指数时); 2.根据公式求出间接测量量的合成不确 定度或相对不确定度; 3.用各量的平均值求出间接测量量的平 均值。利用平均值并求出相对不确定 度或合成不确定度; 4.表示测量结果55 例2： 已测得金属环的外形尺寸如下，要求给出其体积的测量结果cm 004. 0575. 2cm 0

19、04. 0600. 3cm 004. 0880. 2hDD、外径内径解： 2. 由于间接测量与直接测量量之间没有简单关系，故先推导出间接测量的合成不确定度)(436. 9)(4322cmhDDV内径外径1.)(08. 0)()2()2(43222222222cmuDDhuDhuDuhVuDVuDVuxfuhDDhDDixiVi内径外径外径内径外径内径内径外径内径外径56%8 . 0VuuVrV%8 . 0)(08. 044 . 93rVucmV 例解： 3. 求相对不确定度4. 实验结果表示5758 作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据

20、处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。U (V )0.741.522.333.083.664.495.245.986.767.50I (mA)2.004.0512.00 13.99 15.92 18.00 20.011.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小 坐标分度值的选取应能基本反映测量值的准确度或精坐标分度值的选取应能基本反映测量值的准确度或精密度。根据表数据密度。根据表数据U 轴可选轴可选1 1cmcm对应于对应于1.0V1.0V，I 轴可选轴可选1 1cmcm对应于对应于2 2. .0 0 mA mA，并可定，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围

21、、坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围）数据范围） 约为约为130130 mm mm130 m130 m。表1：伏安法测电阻实验数据步骤 例3： 592.标明坐标轴： 用粗实线画坐标轴，用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位轴的名称或符号、单位, ,再按顺序标出坐标轴整分再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。格上的量值。I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004. 连成图线： 用直尺、曲线板等

22、把用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。点连成直线、光滑曲线。一般不强求直线或曲线通一般不强求直线或曲线通过每个实验点，应使图线过每个实验点，应使图线线正穿过实验点时可以在线正穿过实验点时可以在两边的实验点与图线最为接近且分布大体均匀。图两边的实验点与图线最为接近且分布大体均匀。图点处断开。点处断开。3.标实验点： 实验点可用实验点可用“ ”“ ”、 “ ” “ ”、“ ”“ ”等符号标出（同一坐标系等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号下不同曲线用不同的符号）。）。 605.标出图线特征： 在图上空白位置标明在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的实验条件或从图上得出的某些参数。如利

23、用所绘直某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻线可给出被测电阻R大小大小：从：从所绘直线所绘直线上读取两点上读取两点 A、B 的坐标就可求出的坐标就可求出 R 值。值。I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.006.标出图名： 在图线下方或空白位在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些置写出图线的名称及某些必要的说明。必要的说明。A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上A、B两点可得被测电阻R为：)k(379. 076.

24、258.1800. 100. 7ABABIIUUR至此一张图才算完成电阻伏安特性曲线作者：作者：xxxx61不当图例展示：n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图图 1不当：曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、应该用直尺、曲线板等工具曲线板等工具把实验点连成把实验点连成光滑、均匀的光滑、均匀的细实线。细实线。62n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图改正为：63图 2I (mA)U (V)0

25、02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特性曲线不当：横轴坐标分度选取不当。横轴以横轴以3 cm3 cm 代表代表1 1 V V，使作图和读图都使作图和读图都很困难。实际在选很困难。实际在选择坐标分度值时，择坐标分度值时，应既满足有效数字应既满足有效数字的要求又便于作图的要求又便于作图和读图，一般以和读图，一般以1 1 mm mm 代表的量值是代表的量值是1010的整数次幂或是其的整数次幂或是其2 2倍或倍或5 5倍。倍。64I (mA)U (V)o o1.002.003.004.008.004.0020

26、.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特性曲线改正为：65作图方法可参见讲义附录，中心机房可提供计算机66设此两物理量 x、y 满足线性关系 y = a+bx，等精度地测得一组互相独立的实验数据 xi，yi i = 1,.,n当所测各yi 值与拟合直线上的 a +bxi之间偏差的平方和最小，即 所得系数a,b最好,拟合公式即为最佳经验公式。21()niiiQyabx最小叫残差Q670)( 20) 1)( 211niiiiniiixbxaybQbxayaQ68解方程得:niiniiniiiniiniiniiniiniiniiniiniiixnxyxn

27、xybxnxxyxyxa122111112211211122xxxyyx222xxyxxxy69 相关系数r ： 最小二乘法处理数据除给出 a、b 外，还应给出相关系数 r ， r 定义为 r 表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，r-1，1。|r|1，x、y 间线性关系好， |r|0 ，x、y 间无线性关系，拟合无意义。 物理实验中一般要求 r 绝对值达到0.999以上(3个9以上) 。22)()()( )(yyxxyyxxriiiinxxinyyi其中其中70 a、b、r 的具体求解方法： 1. 用计算机Excel 程序; 2.用计算机Origin软件或Matlab软件，可以在以下地址

28、下载Origin软件的试用版， ftp:/ ; 3. 可以根据实际情况自己编程。 71 实验预习实验预习实验能否取得主动的关键实验能否取得主动的关键 实验操作实验操作 实验报告实验报告实验的总结实验的总结72 明确实验目的， 预习实验原理， 了解实验注意事项。 预习报告是实验工作的前期准备，是写给预习报告是实验工作的前期准备，是写给自己参考用的，故要求自己参考用的，故要求简单明了简单明了。实验前应清。实验前应清楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方法和测量哪些数据才能实现实验的目的。法和测量哪些数据才能实现实验的目的。73实验名称，实验目的；实验简图（

29、电路图或光路图），记录主要公式；列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。无需照抄实验原理！无需照抄实验原理！74遵守实验室规则；了解实验仪器的使用及注意事项；正式测量之前可作试验性探索操作；仔细观察和认真分析实验现象；如实记录实验数据和现象;整理仪器，清扫实验室。75 实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电路图或光路图，要有主要的数据处理过程，尤其是利用作图求得的一些物理量。中心目前暂不接受电子版实验报告！中

30、心目前暂不接受电子版实验报告！76实验名称；实验目的；原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主 要计算公式等）；主要实验仪器设备；实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；实验现象分析、误差评估、小结和讨论。77学生上课必须准时，迟到按缺课处理。未完成预习和预习报告者，教师有权停止其实验或成绩降档！进实验室做实验，其实验者序号必须与仪器组号一一对应！离开实验室前，数据记录须经教师审阅签名。实验报告（含预习报告）必须在一周内交至物理实验楼三楼的教师信箱（按图章）！不然该实验按缺席处理。78每次实验成绩，按满分100分进行评分，其中预习10分，操作和报告75分（具体分配按实验而定）

31、、创新15分，。预习马虎、缺项（见预习要求）视情扣除5分至10分。抄袭及被抄袭者，按考试作弊处理。违章操作损坏仪器者酌情扣除10至40分。操作能力差和不能完成全部操作内容者扣除10至40分。报告内容不完整等逐项扣分。79由于各个实验难易程度不同，同一实验不同上课教师的评分也略有差异，为公平起见，实验中心将以全体同学的所有成绩之平均做为标准分，而将每位教师名下所有学生成绩的平均分将调整至该标准分实验中心允许学生多选实验（一般安排在第15-17周），为鼓励学生多进实验室，中心将选取调整后的8个最好成绩加上绪论成绩计算最终成绩，其中绪论成绩的权重为10%多选实验项目也必须完成预习、操作和实验报告，不

32、然该实验成绩计为0分以上内容可参阅教材以上内容可参阅教材“上课需知上课需知”80由于生病缺做实验的，事后可持正式病假单至物理实验楼308室办理消除0分手续，否则该次实验按0分处理 凡缺做实验造成实验0分的，可以在期末实验中心开放的时候补选实验，补选时间统一安排在每学期的最后两周（详见实验中心网站通知）若不补选则按所得成绩除以8计算.由于缺做造成一个0分，最终成绩将降一档（5分）如果有两个0分，最终成绩降两档，以后依次类推 例：同学一，选了8个实验，完成了7个，没有补选， 7个成绩除以8即为实验平均成绩。80 70分 同学二，选了8个实验，同样完成了7个，但补选了一个实验，8个成绩除以8即为实验

33、平均成绩，但最终成绩降一档。80 75分 81 为解决学生由于突发事件影响实验课的出席情况，学生可课前自行上选课网退课，退课的时间节点为： 所需退课时间前一天的24点前例：我想退3月7日的课，那就必须在3月6日24点前上网退课。 82 请将所有实验报告保存到学期结束在第17周周三前，请每位同学上网查对自己所有实验成绩，如有误则请带好该次实验的实验报告至教务办公室登记更正成绩一旦确定并发出将不再更改83 周一、二周一、二下午：下午： 13:30开始开始 晚上：晚上： 18:00开始开始 周四、五周四、五中午：中午： 13:00开始开始 晚上：晚上： 15:50开始开始84选课时尽量选择不同类型的

34、实验内容，学习不同的实验方法；学习用最小二乘法和逐差法处理实验数据；学习利用Origin作图并表示实验结果如果你到实验中心机房作图，为方便你保存数据请你带好U盘； 学习用不确定度表示实验结果 实验中心共提供16个实验，每个同学按要求完成8个实验 85序号房间号实验名称主讲教师联系方式1实验楼-211静物全息照片的摄制与观察周 红 实验楼-316室 电话54742906-829 2实验楼-315非线性元件伏安特性的测量王锦辉 实验楼-310室 电话54742906-831 3实验楼-204集成霍耳传感器的特性测量及应用张月蘅 物理楼-903B 电话34203751 4实验楼-207连续信号和瞬态

35、信号的测量用夏樟根 实验楼-310室 电话54742906-831 5实验楼-206落球法测液体粘滞系数倪凯旋 粒子所-407A 电话34202904 6实验楼-205光学测角仪的调整与使用王长顺 物理楼-703室 电话 54742203 7实验楼-307薄透镜焦距的测量李向亭 实验楼-310室 电话54742906-840 8实验楼-201声速的测量李向亭 实验楼-310室 电话54742906-840 9实验楼-414简谐振动的研究王锦辉 实验楼-310室 电话54742906-831 10实验楼-409用CCD成像系统观测牛顿环周 红 实验楼-316室 电话54742906-829 11实验楼-407光敏电阻基本特性的测量 钟晓霞 实验楼