大物实验绪论

1、大学物理实验(一）绪 论 Imagination is more important than knowledge.-Albert Einstein 开设物理实验课程目的http:/ 院系 物理学院 物理基础教学中心 下载大学生的现状： 习惯于知识的被灌输， 迷信课本答案 重理论轻实践 不敢思考 怕犯错误 好奇心被催眠 动手能力弱 因此物理实验课程： 不仅是实验能力的培养 还要激发好奇心和质询能力、创新能力的培养。 创新能力是综合能力的一部分，从学生培养的的角度看，主要包含两部分： 一、提出问题 二、解决问题现在的教育偏重于后者，即学生的知识储备、分析问题、解决问题的能力。让学生能够发现问题、

2、提出问题这在当今高校人才培养已经开始重视，是学生创新能力的一个重要方面。著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在2010年首届“创新中国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”实验注重：实验能力 ：动手，思维，协作，独立性，表达方法：思维方法，测量方法，兴趣：好奇心，耐心意识：创新意识，实验意识实验意识上述过程中，会使得你综合能力得到培养。上述过程中，会使得你综合能力得到培养。 当然实验：可能成功，可能失败，因为这是实验！交叉学科发展，物理学成为必备的基础交叉学科发展，物理学成为必备的基础 引 言 物理学是研究物质运动一般规律的学科，是一门以实验为基础的学

3、科。新的理论是否准确，一定要经过实验的检验。 物理实验在培养学生独立从事科学技术研究工作的能力、理论联系实际的分析综合能力与思维和表达能力等具有独特的优势。 而物理学从根本上来说是一门实验科学而物理学从根本上来说是一门实验科学物理学中实验与理论物理学中实验与理论 理论依赖于实验，再好的理论没有实验证明都是无效的。 理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。任何物理理论总是临时性的：你永远不可能证明它。 理论是认识事物的依据，实验是事实。所以实验在物理研究中具有突出地位。一、实验安排二、实验要求三、实验数据处理基本方法四、误差与有效数字理论一、实验的安排

4、一、实验的安排第6周第8周：物理实验（3个） 第9周：实验小结第10周17周 物理实验第18周 实验考试时间安排时间安排：第4周：实验绪论课（9月22-25日）下午 14：0016：30晚上 17：5020：20 （如下午7-8节有课时间可与老师商 量） 星期六实验室有选择开放星期六实验室有选择开放 8：4014：40（具体看丙区电（具体看丙区电梯间通知梯间通知）可自由进行实验或预习及补做实验 实验课时间：实验课时间：购买实验讲义：地点：纪忠楼 丙区316时间：9月25日（星期五）9：00-16：40 电话：周老师江老师材（包含实验中坐标纸等

5、）21元报告纸 5元 总计26元请年级长或班长统计人数收费购买实验序号、内容、地点表实验序号、内容、地点表 力力 学学实验序号实验序号实验题目实验题目实验地点实验地点实验一拉脱法测量液体表面张力系数丙302实验二用光杠杆法测量钢的杨氏模量丙301实验三弦振动丙305实验四冷却法测量金属比热容丙303电 学实验序号实验序号实验题目实验题目实验地点实验地点实验五地磁水平分量的测量乙309实验六霍耳效应乙314实验七直流万用电表设计与组装乙307实验八示波器的使用乙316光学光学实验序号实验序号实验题目实验题目实验地点实验地点实验九用分光计测量玻璃的折射率丙317实验十平行光束在球形界面的反射与折射

6、丙321实验十一牛顿环丙320实验十二单缝衍射丙323物理实验循环表：物理实验循环表：1234567181一一二二三三实实验验小小结结与与讨讨论论五五六六七七实验实验考试考试2二二三三四四六六七七八八3三三四四一一七七八八五五4四四一一二二八八五五六六5五五六六七七九九十十十十一一6六六七七八八十十十一十一十十二二7七七八八五五十一十一十二十二九九8八八五五六六十二十二九九十十9九九十十十一十一一一二二三三10十十十一十一十二十二二二三三四四11十一十一十二十二九九三三四四一一12十二十二九九十十四四一一二二学生分组：学生分组： 每一单元时间学生分为12个组，分组名单见丙区电梯间3楼附近的墙上

7、。 (分组名单9月28日前公布）。 每组学生由三位老师分别指导力学、电学、光学实验注意：注意： 名单上没有的同学可以在一组同学少于名单上没有的同学可以在一组同学少于20人的人的名单上自己选择时间加上（标注院系）并在第一次名单上自己选择时间加上（标注院系）并在第一次实验时间与带老师联系。实验时间与带老师联系。二、实验要求二、实验要求 实验分三个阶段： 预习、实验、报告 预习阶段：预习阶段： 需要将所做实验讲义预习一遍，准备好预习报告，包含实验题目、目的、原理（要点以及公式、图）和使用仪器（该部分可以作为正式报告的一部分）。并准备好实验中需要的数据表格，老师会检查。实验阶段实验阶段： 按学号顺序入

8、坐。按学号顺序入坐。 注意仪器的使用方法（实验前老师会讲注意事项和要领），按实验要求进行操作。实验测量数据必须用有有色笔色笔记录，经过老师的认可签字老师的认可签字，该实验原始记录数据作为实验报告的附件与实验报告同时交。 实验完成后，必须将实验仪器整理实验仪器整理好才能离开实验室。 实验仪器损坏按实验室赔偿制度执行，要求学生写损坏情况说明并张贴实验室，期末统一处理。 实验报告实验报告： 要完整：包含题目、目的、仪器、原理、数据记录和处理、思考题、实验讨论。 原理：应列出主要的理论公式和实验线路图。 实验数据：必须将原始实验记录重新誊写。 数据处理：要有代数式、算术式和结果；可能的话，需要给出实验

9、测量误差。 实验讨论：可以将实验中遇到的问题、异常现象以及实验仪器的使用体会等都列入讨论范围，也可以向老师请教。鼓励独立思考，提出问题并加以讨论鼓励独立思考，提出问题并加以讨论。 实验报告于下一次实验时交给老师，老师同时发回上次报告 本学期共计完成11个实验实验成绩以平时成绩为主。 实验报告发现不诚实的行为，将严重影响实验成绩 同学们如觉得自己的报告老师评分明显出入大，把该报告期末交到乙325周进。实验考试为实验成绩评定的重要补充。 列表法列表法 作图法作图法 逐差法逐差法 最小二乘法（回归法）最小二乘法（回归法）三、实验数据处理的基本方法三、实验数据处理的基本方法列表法： 列表：可以将物理量

10、之间的对应关系简明、醒目，有助于发现其间的规律，比如递增或递减。 要注意：（1）表格设计合理、简明，便于观察（2）栏目中物理量注明名称名称 和单位单位（3）一般，顺序与测量顺序一致（4）用有效数字填写原始数据原始数据作图法：优点和应用： 求间接量可以省去繁杂的计算 易于求经验公式 物理量之间的关系直观 验证物理定律和寻找统计规律 定标作图方法和规则: 物理量列表 坐标的选择，物理量，单位 实验测量点的标定符号 连线的方法 注明实验条件和从图上获得的某些有用参数 标定图的名称及其必要的说明电流I/mA1.02.03.01020 30 4050A(I1,V1)B(I2.V2)电压U/V图一 交流回

11、路中电压与电流关系累加法： 对应线性变化的关系，可以采用累加法。 如满足x, y线性关系y=kx,求比例系数k 测量值x1, y1, x2, y2, xn, ynnnxxxyyyk 2121其他方法： 分组逐差法：线性关系时用 经验公式拟合方法： 判断和假定、改直试验、检验四、误差与有效数字理论四、误差与有效数字理论 测量测量与误差与误差 误差计算的基本方法误差计算的基本方法 有效数字的基本知识有效数字的基本知识测量测量与误差与误差(一一) 真值、测量值和误差真值、测量值和误差 物理实验中离不开对物理量的测量真真 值：值： 反映物理量的客观存在的真实数值，用 A 表示。 实验中常以标准值或理论

12、值或平均值代替真值。 测量值：测量值：用实验手段测量出来的值用X表示误差：误差：测量值与真值差称为误差 测量误差测量值真值测量误差测量值真值 XXA (二二) 测量及测量结果的评价测量及测量结果的评价(1) 直接测量及间接测量直接测量及间接测量 一般仪器都有一定刻度，以便直接读数，这种用仪器直接读数的测量称为直接测量。 由直接测量通过一定函数计算得到的测量称为间接测量。(2) 等精度测量和不等精度测量等精度测量和不等精度测量 用同一种仪器在相同条件下对物理量进行多次测量时，这些测量具有相同的精度，称为等精度测量。 仪器条件变化时的测量称为不等精度测量。(3) 测量的精密度、准确度、精确度测量的

13、精密度、准确度、精确度测量的精密度、准确度、精确度都是评价测量结构优劣程度的标志，与测量误差有关。精密度：一个等精度测量物理量得到的一组数据彼此接近程度称为精密度。准确度： 测量数据与真值靠近的程度称为准确度。精确度：测量数据精密度与准确度的结合称为精确度。xaxaxaxaxaxa精密度低 精密度高 准确度低 准确度高精确度低 精确度高 （三）系统误差和偶然误差（三）系统误差和偶然误差 系统误差：系统误差： 1）仪器误差 如电表刻度不准，天平不等臂、砝码质量不准确等。 2）方法误差 例如，单摆的周期计算公式成立的条件是摆角趋于零，再加上公式中没有考虑空气浮力和摆线质量影响等因素，这就决定了测量

14、结果必然存有误差。 3）个人误差 由于人的心里和生理因素实验时反应和感觉灵敏度的差别产生误差。4）环境误差 测量时周围环境如温度、气压、振动电磁场等影响与标准状态不一致产生的误差。 一般来说，系统误差可以设法减小或部分加以消除。 2、偶然误差偶然误差：偶然误差：又称随机误差。如实验环境温度的起伏，空气的不规则流动，电源电压的随机微扰，等等，但有一定的统计规律。 设物理量的真值A，测量量 xi，根据误差的定义，各次测量的误差 xi = xiA i = 1, 2 , , n误差计算的基本方法误差计算的基本方法1、直接测量误差的计算、直接测量误差的计算 设物理量的真值A，测量量Xi，根据误差的定义，

15、各次测量的误差 Xi = XiA i = 1, 2 , , n（1）单次测量）单次测量 可按仪器注明的误差作为单次测量的误差，或者取仪器上最小刻度的一半作为单次测量的误差。例如： LL L（287.50.5）mm平均值：一般来说算术平均值是测量的最佳值或近真值。算术平均偏差：NoImage niinxxn)xxxxxx(nx12111niiXnX11（2）多次测量）多次测量 NoImageXXX用算术平均偏差表示：用算术平均偏差表示： 用标准差表示：用标准差表示：当测量数足够多时，随机误差满足一定的分布。通常用平均值标准偏差来表示：2、物理量（测量结果）的表示：、物理量（测量结果）的表示：)1

16、()(12nnXXnii XX%100 xxEr绝对误差与相对误差绝对误差与相对误差绝对误差（误差）：绝对误差（误差）：相对误差（百分误差）：相对误差（百分误差）：x),(zyxfp x, y, z 为直接测量量，其结果为为直接测量量，其结果为:间接测量量由直接测量量的算术平均值代入函数间接测量量由直接测量量的算术平均值代入函数关系计算得到。关系计算得到。设物理量：设物理量：zyxzzyyxx3、间接测量的误差估算：、间接测量的误差估算：),(zyxfp p 的测量结果为的测量结果为: p 的误差的误差由x, y, z 测量误差传递形成222222)()()(zyxpzfyfxf p 的相对误

17、差的相对误差:222222)ln()ln()ln(zyxpzfyfxfP误差计算原则：误差计算原则： 当间接测量误差计算中 含加减运算时，先计算绝对误差,后计算相对误差较为方便。 当计算公式中含有乘除，乘方或开方运算时，先算相对误差，后算绝对误差较为方便。zyxzyxf),(乘除运算的相对误差等于各直接测得量的相对误差之和。zzyyxxzyxzzyxyzyxxzyxff111对应于算式平均误差间接测量值其相对误差为：例zzyyxxff不确定度的概念 由于物理量不能知道真值，因而用误差的概念并不准确，现在提出不确定度的概念，即由于测量误差的存在，测量值不能肯定的程度。简单的考虑就是前面的误差。准

18、确的描述可以参考近年出版的误差分析方面的资料.一、有效数字的定义、有效数字的定义 测量结果中数位可靠数字可靠数字和一位一位具有误差的可疑数字可疑数字，统称为测量结果的有效数字有效数字。3、有有效效数数字字及及其其运运算算一一、 有有效效数数字字的的定定义义测量结果中数位可靠数字和一位具有误差的可疑数字，统称为测量结果的有效数字。如图0-2（a） ，测量结果是4. 5厘米，第二位5是估计读数，是可疑数字，用下划线表示。不同人可能读出结果不一样，可能是4. 4厘米也可能是4. 6厘米。一般来说，可疑数字只取一位。如果采用更精密的尺子来测量上述同一物体，如图0-2（b）所示。物体长度测量结果为4.4

19、3cm，有效数字的位数为三位。由于3是估读可疑的，因此3以下数字的估计就没有必要。(b)(a)65432106543210图 0-2（a）测量结果是4.5厘米，两位有效数字。（b）测量结果为4.48厘米，三位有效数字。一般来说，可疑数字只取一位。有效数字的基本知识有效数字的基本知识二、几点应注意的问题二、几点应注意的问题1、有效数字的位数和小数点的位置无关 例如： 8.37cm = 0.0837m，仍然是三位有效数字。 1.000c m 与1.0cm两者测量精确度不同 。 在测量结果的单位变换中，有效数字的位数不变。2、无论直接或间接测量的结果，其有效数字位数取舍的最后依据是：末位的可疑数字必

20、须与误差所在的位对齐 如，经计算得出某体积测量结果10.67cm3,而误差是0.3cm3，则最后结果应为 (10.70.3)cm3。3、一般来说，绝对误差和相对误差都只取一位有效数字。如果相对误差超过10，可取二位三、有效数字的运算规则三、有效数字的运算规则1、可靠数字与可靠数字相运算，其结果仍为可靠数字2、可靠数字与可疑数字相运算，或可疑数字之间相运算，其结果均为可疑数字。（进位除外）3、运算的结果一般只保留一位可疑数字。末尾多余的可疑数字取消时，一般可采用“四舍六入”五凑偶原则。例：将下列数据保持四位有效数字。3.14159 3.142 2.71729 2.7174.51050 4.510 3.21550 3.2164、在运算中，