合川实验绪论wdx

1、 物 理 实 验 绪 论 12.物理实验课的任务和要求3.测量误差与数据处理的基本知识4.基本操作技能及常用仪器的介绍1.物理实验的重要性21.物理实验的重要性物理学研究的是自然物质的最基本最普遍的形式。物理学研究的运动，普遍地存在于其它高级的、复杂的物质运动形式之中。因此，物理学所研究的物质运动规律，具有最大的普遍性。物理学从本质上说是一门实验科学，物理规律的研究都以严格的实验事实为基础，并且不断受到实验的检验。用人为的方法让自然现象再现，从而加以观察和研究，这就是实验。实验是人们认识自然和改造客观世界的基本手段。33物理学一词的英文physics，早先来源于希腊文，意为自然规律，可延伸为自

2、然及其发展规律，现在指研究物质运动的最一般的规律及物质基本结构的科学。物理学是实验科学，实验是物理学的基础。凡物理学的概念、规律及公式等都是以客观实验为基础的，即物理理论绝不能脱离物理实验结果的验证。此处所指的实验是近代科学实验，是有目的地去尝试实践，是对自然的积极探索。科学家提出某些假设或预见，为对其进行证明筹划适当的手段和方法，根据由此产生的现象来判断原设计假设或预见的真与否即为科学实验。 44 从认识主体所起的作用来看，科学实验同被动的经验、单纯的观察之间有很大的不同。仅仅停留在观察试验上还不能称为科学实验和方法，还必须使观察试验和理论研究结合起来。可以说科学实验是人类文明发展的积极推动

3、力之一。因此科学实验的重要性是不言而喻的，其中物理实验自然也雄居要位。下面通过两个例子进行说明： (1)当代最引人注目的诺贝尔奖金，宗旨是奖给有最重要发现和发明的人。因此，获得诺贝尔物理学奖金的成果均是物理学中划时代的、里程碑级的重大发现和发明。55 从1901年第一次授奖至今已有近百年的历史，有近150名获奖者。其中因实验物理学方面的伟大发现或发明而获奖的占三分之二以上。如1901年，首届诺贝尔物理学奖金得主德国人伦琴(W.C.Roentgen)，他因发现X射线而获奖；1902年的得主是荷兰人塞曼(P.Zeeman)，他在1894年发现光谱线在磁场中分裂的现象；1903年的得主是法国人贝可勒

4、尔(H.A.Becquerel)和居里夫妇(P.Curie，M.S.Curie)，他们发现了天然放射性，由此成为了核物理学的奠基人。由此看出，这些实验方面的发现已被公认为是物理学发展中的最伟大的成就。可见实验物理在物理学发展中的地位是多么重要。 66 (2)从物理规律的建立过程看实验物理的重要性。1924年法国人德布罗意(De Broglie)在光波具有微粒性的启发下，明确提出实物粒子具有波动性，即物质波和粒子的缔合概念，通常人们将它描述为波粒二重性或二象性。这是一个大胆而伟大的假设。物理伟人爱因斯坦(A.Einstein)对此给予充分的肯定，他称这是照亮我们最难解开的物理学之谜的第一缕微弱的

5、光。并提名德布罗意获诺贝尔物理学奖金。要强调说明的是，理论上美妙的假设或推理，要最终成为被公认的物理规律，还必须有实验结果的验证。德布罗意本人当时指出，可以通过电子在晶体上的衍射实验来证明上述假设。77果然，在1927年美国科学家戴维孙(C.J.Davisson)和革末(L.H.Germer)用被电场加速的电子束打在镍晶体上，从而得到衍射环纹照片，恰如光波在光栅上的衍射花样。同时由加速电场计算出电子束动量对应的物质波长与在晶体光栅上衍射极大值对应波长的关系，证实了德布罗意关于实物粒子具有波粒二象性的假设关系成立。最终使德布罗意的假设得到公认，他本人也获得了1929年的诺贝尔物理学奖。 杨振宁、

6、李政道在1956年提出基本粒子在“弱相互作用下的宇称不守恒”的理论，只有当实验物理学家吴健雄用实验验证后，才被同行学者承认，从而才有可能获得诺贝尔奖。88麦克斯韦提出的电磁理论（他预言电磁波的存在），只有当赫兹做出电磁学实验后才被人们公认。 这些历史事实雄辩地说明了实验结果在物理学概念的提出、理论规律的确立及被公认的过程中所占的重要地位和所起的关键作用。 9 物理学是一门实验科学。物理实验的知识、方法、技能和习惯是高等工程技术人员所必须具备的。 (1) 物理实验课的任务 1) 通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。2) 培养与提高学生的科学实验能

7、力。其中包括：2.物理实验课的任务和要求10 能够自行阅读实验教材或资料，做好实验前的准备； 能够借助教材或仪器说明书，正确使用常用仪器； 能够运用物理学理论知识，对实验现象进行初步分析判断； 能够正确记录和处理实验数据、绘制曲线、分析误差原因、说明实验结果、撰写合格的实验报告； 能够完成简单的设计性实验。 113) 培养与提高学生的科学实验素养。要求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、整洁有序的良好习惯、勇于探索的创新精神和遵守纪律、团结协作、爱护公物的优良品德。 (2) 物理实验课程教学基本要求 1) 学习和运用实验原理、方法去研究某些未知现象并进行具体测试，得出

8、某些结论； 2) 进行实验基本技能的训练，熟悉常用仪器的基本原理、结构性能、调整操作、观测、分析与排除故障； 123) 学习数据处理的基本方法，了解实验方法、实验条件、实验环境等对测量结果的影响并能自行进行分析和处理； 4) 培养学生进行科学实验的能力，即如何从测量目的（研究对象）或课题要求出发，依据实验原理，通过某种方法，正确选用实验仪器和确定测量程序去获得准确的实验结果； 5) 通过实验培养学生严谨认真、实事求是的科学态度和克服困难、坚韧不拔的工作作风，培养良好的实验习惯和遵守纪律、爱护公物的美德。 13(3) 怎样做好物理实验1) 课前预习 包括：实验目的、实验原理、实验方法等， 绘出数

9、据记录表格。 上课前应熟悉本次实验相关内容，以求对本次实验有个全面了解，明确要测的物理量，了解主要仪器的功能及使用方法。 课前预习必须写书面预习报告（实验题目、实验目的、实验仪器、实验原理等），课上请老师审阅。实验预习报告占每次实验成绩的10%。做实验前无预习报告者不准做实验。142) 课堂操作 包括：调整仪器装置，观察实验现象， 学习排除故障，测读实验数据。 未写预习报告者需重新写好预习报告后，方可补做实验，但本次成绩按“不及格”计分。若没有补做实验，则实验成绩按 “零分”计。 提前五分钟进入实验室，按分组就座，检查实验仪器设备是否齐备，如发现缺损应立即报告。不要擅自动手，以免造成仪器损坏或

10、发生事故。严格按操作要求进行操作，误操作而损坏仪器要按规定赔偿。实验操作成绩占本次实验总成绩40%。1515 注意在细节上培养科学作风。 如仪器布局合理整齐；操作姿式正确文明；电学仪器经教师检查后才能通电；不要触摸光学元件的工作表面；实验完毕及时断开电源；整理仪器并恢复到原来的陈列状态；主动请老师指导操作、检查数据、验收仪器。 记录完整实验数据，老师签字的原始数据要求字迹工整、无任何修改、不能用铅笔抄写，更不允许抄袭、拼凑和伪造数据。若发现抄袭或伪造实验数据者，实验成绩均按“不及格”计。操作完毕应主动请教师审核实验记录并签字，不经老师签字的实验数据记录无效。老师审核合格签字后，归整实验仪器后才

11、允许离开。1616 对于在规定的时间内测量实验数据不合格者或不能按时完成实验的学生本次实验成绩按“不及格”记，并要求其重做，若未重做实验者，实验成绩按 “零分”记。 完成实验后，但不交实验报告者，本次实验成绩按“零分”记。 凡学生因事因病请假者，必须持有其班主任签字并加盖学院公章的假条才能补做实验。如果没有补做实验，本次实验成绩按“零分”记。 在不影响正常上课的情况下，可以进入实验室预习下次实验，并在“实验室开放记录”本上登记。 1717 保持实验环境的安静整洁，不得在室内吸烟、吃零食、扔废纸、吐口香糖、大声喧哗，要爱护室内设施, 不要刻画桌面。3)实验报告 包括：按照要求做实验报告，进行数据

12、处理 与误差分析，有关问题的讨论等。 在预习报告的基础上添加内容 数据整理后重新写入报告正文（原始数据必须附在实验报告后面） 数据处理及结论。 数据处理包括结果计算、不确定度评定及作图等内容。凡属计算，均应有原始公式、代入数据和计算结果等主要运算步骤，不要漏写单位。1818 结论包括测量结果的规范表示和观察现象、研究规律所得出的结论。 问题讨论:对本实验的原理、方法、仪器、不确定度评定的进一步探讨或改进建议。要有具体分析，切忌泛泛空谈。有则写，无则免。 回答思考题 实验报告应在实验完成的第二周上课前，由学习委员收齐后，交任课教师。实验报告成绩占本次实验总成绩50%。1919实验报告格式实验名称

13、 实验目的 实验仪器，注明型号和精度等级。 实验原理:简要叙述实验原理，包括计算公式、实验电路图及光路图等。 实验内容和步骤：简要写出实验内容、步骤及注意事项。 数据记录和数据处理：数据记录要用有效数字，该列表 的要列表，该画图的要画图，计算要按照有效数字的运算法则进行，并求出结果的不确定度，正确用不确定度表示实验结果。 误差来源分析。 问题讨论。2021关于本课程的几点说明本课程总课时为32学时，分两个学期开设，其中，绪论6学时，考核2学时，实验24学时(共8个实验，每个实验3学时)。对学生的要求：遵守学生守则和物理实验中心规章制度；课前预习实验教材上相应的实验项目并写好预习报告；上课不得迟

14、到和早退；认真实验，严禁抄袭实验数据或伪造数据；实验完毕整理好仪器用具。2122原始实验数据须交指导教师审核签字才有效，交实验报告时，须附上教师签字的原始数据。数据不得遗失，不得涂改。成绩评定：每个实验包括：预习报告实验操作实验报告。其中，预习报告占10%，实验操作40%，实验报告占50%。若总评成绩不及格，则进行重修，本课程没有补考。223.测量误差与数据处理的基本知识 (1) 测量的概念 所谓测量，就是将被测的物理量与作为测量单位的标准量进行比较，从而确定被测量的数值和单位。 1) 直接测量 指使用仪器或量具，直接测得（读出）被测量数值的测量，该物理量称为直接测得量。 2) 间接测量 指依

15、据直接测得量，通过一定的函数关系计算而得到，这种测量称为间接测量，需要通过间接测量求得结果的物理量称为间接测得量。 23(2) 测量误差 物理量的真值: 一个待测物理量的大小，在客观上应该有一个确定的真实数值，叫做“真值”。真值在一般情况下是未知的，它只是表示客观上存在着这样一个值，但人们无法知道。在有些时侯，国际公认的最高基准量也可看着是一种真值。 测量误差简称为“误差”，以 表示。误差定义为测量值 与真值 之差（也称为绝对误差）: 24 绝对误差与被测量具有相同的量纲，表示的是测量值偏离其实际值的大小。 通常，用多次测量的算术平均值作为测量的最佳值来代替真值。即： 相对误差 相对误差定义为

16、绝对误差与最佳值之比，它是没有量纲的，通常写成百分比的形式。2525引用误差 引用误差 = 示值误差/量程100% 引用误差 的大小规定了仪器的精度等级。如精度等级为0.2的电表，其最大允许的引用误差就是0.2%。例：经检定发现，量程为250V的电压表在200V处的示值误差最大，为5V。请问此电压表是否合格？(设合格的电表为2.5级) 解：2.5级的电表的最大允许引用误差为2.5%。该电表的检定结果说明其实际的最大引用误差为： q=5/250100%=2%，即：实际的最大引用误差小于2.5级电表规定的引用误差2.5%，故该电表合格。2626(3) 测量误差的分类 1) 系统误差 特点：总是使测

17、量结果向一个方向偏离，它有固定的大小，或是按一定规律变化。系统误差的来源主要有下面几个方面： 仪器误差：仪器本身不可能制造得无限精密，总是存在着某些缺陷。 理论（方法）误差：理论公式的近似性、实验条件达不到要求、测量方法不够完善等。 个人误差：由于实验者本人生理或心理特点 所带来的误差。 272) 随机误差（又称偶然误差） 由于环境有起伏变化和偶然因素的干扰，使测量结果略有差异，因而产生误差，这类误差称为随机误差。 特点：测量结果的误差大小和符号都不固定，其值时大时小，其符号时正时负，就某一次测量而言没有一定的规律，但在测量次数很大时，随机误差整体上服从正态分布的统计规律。 283)粗大误差

18、也称过失误差，是指超出正常范围的异常的误差。如：12.56、12.57、12.56、13.85、12.55、12.56，显然，13.85为粗大误差，这样的数据应去除。 28随机误差分布的特点： 正态分布曲线正态分布的概率密度函数为： 表示出现几率最大的值；称为标准差，是反映测量值离散程度的参数，越小，测量值精密度越高，随机误差越小。服从正态分布的随机误差具有下列特点： 对称性：分布曲线关于纵轴对称，表明随机误差正值与负值出现的机会均等。 292930 单峰性：绝对值小的误差出现的概率大，而绝对值大的误差出现的概率小。 有界性：超过一定数值范围的误差出现的概率趋于零。 抵偿性：当测量次数无穷多时

19、，该随机误差的算术平均值趋向于0。 置信概率：表示随机变量在区间出现的概率，称为置信概率。说明：对满足正态分布的物理量作任何一次测量，其结果为68.3%的可能性落在区间内。30(4)随机误差的处理: 1)测量的平均值：在实验测量中，由于只能进行有限次测量，一般将测量结果的算术平均值作为测量结果的最佳值。物理实验中常将 作为判断数据异常的标准， 称为极限误差。如果某个测量值的误差的绝对值大于 ，则认为该测量值为异常数据而予以剔除。 31312)测量列的标准差： 它反映该测量列离散性的参数，即用于表示测量值的精密度。3)平均值的标准差： 多次测量可以减小随机误差3232测量结果的表示：本课程中，一

20、般按均匀分布考虑：(7)偶然误差与系统误差的合成(6)系统误差(5)测量结果的评价精密度反映随机误差的大小。测量结果重复性的评价。正确度反映系统误差的大小。不能反映随机误差的大小。准确度反映系统误差和随机误差的综合大小的程度。33(8) 间接测量的误差估算 1) 间接测量结果的一般表示： 即：间接测得量的平均值等于将各直接测得量的平均值带入函数关系式后的结果。 342) 间接测量的标准差传递公式： 34(1)、不确定度的概念不确定度是指由于测量误差的存在而对被测量的真值不能肯定的程度。(2)、标准不确定度A类评定(A类分量)指用统计的方法计算出的不确定度分量。测量的不确定度和结果表示测量列的标

21、准差：(贝塞尔公式)测量列的标准差是反映该测量列离散程度的参数，可用它表示测量列的精密度。它是标准差的估计值。其统计意义为：被测量真值落在区间3536算术平均值的标准差：的概率小于68.3%，只有测量次数较多时才接近68.3%。算术平均值的标准差的统计意义为：被测量真值落在区间的概率约为68.3%。测量列的不确定度：（A类分量）36约定上式中的 称为“ 因子”，与测量次数 和置信概率有关，在本教材中， 因子按取值，在测量次数10次以内时，则37测量结果的表示:B类不确定度的评定（B类分量）:指用其他方法计算出的不确定度分量 总不确定度的合成： 本课程中，B类不确定度常按仪器的最大误差限 来估算

22、：38B类不确定度的估算仪器误差 举例：电流表（量程30mA, 0.5级）仪 器 名 称量 程最小分度值最 大 允 差钢板尺150 mm500 mm1000 mm1 mm1 mm1 mm0.10 mm0.15 mm0.20 mm游标卡尺125 mm0.02 mm0.05 mm0.02 mm0.05mm螺旋测微器（千分尺）025 mm0.01 mm0.004 mm七级天平（物理天平）500g0.05g0.08g（接近满量程）0.06g（1/2量程附近）0.04g（1/3量程附近）普通温度计精密温度计（水银）0100010010.110.2电表级别%量程数字万用电表39 单次测量的不确定度单次测量

23、的几种情况： (1) 仪器精度较低。(2) 对测量的准确程度要求不高。(3) 受测量条件限制。40由此可见某个输入量的不确定度对y的不确定度的贡献，不仅取决于该量的不确定度的大小，还取决于它的灵敏度系数。(3)、不确定度的传递公式414243常用函数的不确定度合成公式 同下44(4) 在物理实验中，不确定度的有效数字只取一位。任何测量结果，其数值的最后一位要与不确定度所在的这一位取齐。 例如：正确：(3.520 0.004)cm 错误：(3.52 0.004)cm，(3.5200.04)cm45(5)间接测量的数据处理步骤1.求出各直接测量量的平均值 和(总)不确定度2.求y的平均值3.据 求

24、出 或4.用求 ，或先用 求出 ，再求 。5. 完整表示出 的结果： 46应用举例： 测量不确定度的评定步骤： 确定被测Y与各直接测量 之间的函数关系。此函数关系称为测量模型，例如，伏安法测电阻的测量模型为 R=V/I。 确定各直接测量量 的估计值。 由测量模型计算被测量Y的估计值。 计算A类或B类不确定度分量。 当 彼此独立时，计算合成标准不确定度。47例1 对某物体的长度L进行10次测量，设仪器误差限为0.05cm所得实验数据如下表所示，试求 L的平均值和测量不确定度，并写出测量结果的表达式。测量次数 1 2 3 4 5 L(cm) 63.57. 63.58 63.55 63.56 63.

25、56 6 7 8 9 10 63.75 63.54 63.57 63.57 63.55解：这是直接测量问题。 48B类不确定度4949环体积的对数及其偏导数为：解：这是间接测量问题。环的体积为：50代入(0-19)式得：51因此，环体积为：523.有效数字及其运算规则 (1) 有效数字的定义 有效数字 = 多位准确数字 + 最末一位存疑数字。 例：l=23.4mm (3位有效数字)1) 准确数字是指在测量中不包含误差的测量数字，一般是在测量中能够直接从仪器上读得的数字。 有关有效数字的几点说明： 53532) 存疑数字是指在测量中人为估计、估读的数字或指示器所示数字中的最末一位。3) 有效数字

26、的位数与小数点的位置无关。例如：0.00430m = 0.430cm =4.30mm 皆为三位有效数字。（有效数字前的零不是有效数字）4) 数字中间的0和末尾的0均算有效数字，所以末尾的零不能随意增减。 例如：200.5mm 和 30.50cm 都是四位有效数字。5) 在任何数值中，数值的最后一位应与误差位对齐。 正确错误5454(2) 有效位数 测量结果用且只用它的有效数字表示，有效数字的个数叫作有效位数。 不确定度决定有效位数。具体为：不确定度的有效位数取1位，测量结果的末位与不确定度末位对齐。 测量结果的有效位数越多，其相对不确定度越小，精确度越高。 5555记为例：光速C=30万公里每

27、秒不正确的写法：C=300000km/s；正确的写法：C=3.0105km/s=3.0108m/s例：电子电量 e = 1.602189 10-19 C(3) 科学记数法（数字较大或较小时）5656(4) 仪器的读数规则1) 刻度式仪表，在最小分度值后要估读一位。2) 数字显示仪表，直接读取仪表的示值。3) 游标类量具，读到游标分度值的整数倍。57刻度式仪表精度：0.01mm千分尺5.5000.237=5.737mm58数显仪表及有十进步式标度盘的仪表59游标类量具60（5）数值的修约规则（4舍 6入 5凑偶）1) 要舍弃的数字小于5时，舍去； 保留3位有效位数：9.8249=9.82，53.

28、236=53.22) 要舍弃的数字大于5时，进1； 保留3位有效位数： 9.82671=9.83，53.284=53.3 3) 要舍弃的数字刚好是5时，5后没有数字或全为零，则 应看尾数“5”的前一位，采取奇进偶不进的原则。 保留3位有效位数： 9.835=9.84， 9.82500=9.824) 要舍弃的数字刚好是5时，而尾数“5”的后面还有任何不为0的数字时，无论前一位在此时为奇数还是偶数，也无论“5”后面不为0的数字在哪一位上，都应向前进一位。 保留3位有效位数： 9.825001039.83， 9.82529.836161 *运算过程应多保留1至2位， *最终结果的有效位数由不确定度决

29、定. 要点： (1). 避免运算过程引入不必要的“舍入误差” (2). 最终结果按有效位数的规则进行修约. 归根到底，不确定度决定有效位数.有效数字的运算规则62 (1). 两数相加（减），其和（差）的有效位数的最后（即最右）一位与 两数中最后一位位数高者相同。如：11.4+3.56 =15.0 ； 75-10.350 =65 十分位 十分位 个位 个位 (2). 两数相乘（除），其积（商）的有效位数与两数中有效位数少者相 同。如：98 2003 =2.0105 ； 2.0000.991=2.02 二位 二位 三位 三位 注：正确数不适用上述规则. 常数应取足够的有效位数参与运算.简化的运算规

30、则P14634.实验数据的处理方法包括四部分内容：1 数据列表2 作图法处理实验数据3 逐差法4 最小二乘法644.1 数据列表要求所有实验数据都要用列表的方法记录表1：伏安法测电阻实验数据例：伏安法测电阻实验数据 列表法的具体要求：见P16 优点：物理量之间的对应关系简单醒目，便于检查和发现试验中的问题，有助于找出有关物理量之间的关系式。654.2 作图法处理实验数据用坐标纸作图.根据坐标分度值和数据范围，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.坐标轴的标注（所代表的物理量的名称、单位、分度值等）.标出数据点.连成光滑曲线，标注图题及必要的说明.作图规则：（以伏安法测电

31、阻实验为例）表1：伏安法测电阻实验数据作图应遵从以下规则：66I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00电阻伏安特性曲线67I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00利用所绘直线作有关计算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：68不当图例展示

32、：n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。69n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图改正为：70I (mA)U (V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00图2.电学元件伏安特性曲线横轴坐标分度选取不当。横轴以3 cm 代表1 V，使作

33、图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1 mm 代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。71I (mA)U (V)o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特性曲线改正为：72定容气体压强温度曲线1.20001.60000.80000.4000图3P(105Pa)t()60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00图纸使用不当。实际作图时，坐标原点的读数可以不从零开始。73定容气体压强温度曲线1.00001.15001.20001.10001.0500 P(105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t()改正为：744.3图解法图解法就是从图形所表示的函数关系来求出所含的参数。1、确定直线图形的斜率和截距。7575例：电阻伏安特性曲线I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.