物理实验绪论04名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件

大学物理试验绪论

张训生浙江大学物理试验中心第1页课程简介物理试验是物理学发展基础。本课程是为本科生了解基本物理试验内容而设置。由基础试验、设计试验、高级试验、提升试验等部分组成，课时数为54课时左右。适合用于全校本科生。本教学系统主要由教材、多媒体网络版课件和试验室说明书组成学生试验操作前预习体系。要求同学在进入试验室前必须写好预习汇报，并在试验过程中，发挥自主试验能动性，主动探索。本课件得到世界银行贷款项目和浙江大学课程建设基金资助。第2页教学要点

了解物理学是建立在试验基础上自然科学，及其在二十一世纪新科技发展地位和试验与理论相互依存关系。掌握测量误差和不确定度概念。和对直接测量和间接测量不确定度计算。正确掌握数据处理方法和有效数字运算。第3页一、概述二、物理试验与测量误差三、测量不确定度与误差四、数据处理与有效数字、作图法与表格法五、对同学基本要求六、试验汇报评分标准目录第4页一.概述物理学试验物理理论物理计算物理第5页

试验提供条件比自然界出现更富改变和灵活可控；

物理理论给出对自然界数学描述；

计算物理学可经过计算机试验提供比通常试验更为改变丰富和灵活控制条件。任何理论和计算结果是否成立，都要经过试验确实认。

物理学已成为试验物理、理论物理、计算物理三足鼎立科学。

第6页1-1.物理学首先是一门试验科学物理试验是以客观事实为基础，依靠观察和试验来研究物质结构及其运动规律科学。任何物理概念建立或物理规律认可都必须以严格科学试验为依据，并为以后试验所证实。第7页牛顿在1672年给奥尔登堡信中写道：“探求事物属性准确方法是从试验中把它们推导出来，考查我理论方法就在于考虑我所提出试验是否却实证实了这个理论；或者提出新试验去验证这个理论”。试验是打开科学大门钥匙第8页物理学首先是一门试验科学

试验是打开科学大门钥匙著名物理学家海森堡(W.Heisenberg)说：显而易见，不论在那里，实验方面研究总是理论认识必要前提，而且理论方面主要进展，只是在实验结果压力下而不是依靠思辨来取得。其次，实验结果沿之向前发展方向，应该总是由理论途径来实现。第9页试验能够发觉新事实，为物理规律建立提供依据。

X射线、放射性和电子发觉等为原子物理学和核物理学发展奠定了基础。卢瑟福从大角度粒子散射试验提出了原子模型。试验是检验理论唯一判据。第10页在物理学发展过程中，物理试验一直起着直接推进或标尺作用。杨氏双缝试验和光电效应试验等更推进了光波动性和量子性研究发展。第11页

在20世纪前夕，当物理学家们正高兴地认为：在已经建成科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎修补工作就行了时候，是热辐射试验和迈克耳孙-莫雷两个试验结果—两朵乌云，使物理学发生了巨大革命，建立了当代物理学两大基石—量子论和相对论。第12页测量材料表面组分光电子谱仪

用STM测量到量子干涉电子波(Cu表面48个铁原子)

1-2.物理试验是当代科学发展先驱和创新源泉超导磁悬浮列车

第13页年2月1日“哥伦比亚”号航天飞机在重返地球时，突然解体，机上7名宇航员全部遇难。物理试验模拟在科学研究中主要作用年8月26日调查委员会发表了248页失事调查汇报：泡沫材料脱落惹祸。调查人员在试验室模拟来说明事故情况。第14页经过观察、试验、计算机模拟得到事实和数据；用已知可用原理分析这些事实和数据；形成假说和理论给予解释；预言新事实和结果；用新事例修改和更新理论。科学研究方法第15页物理试验是用试验测量方法去研究物理学规律。与理论在一定简化条件下研究不一样是试验在有很多因数影响下实际环境中进行研究，要从中得出符合实际结果和规律性东西。这就要求我们善于设计试验方案，正确选择仪器设备以及分析数据。什么是物理试验物理思想、巧妙构思和动手能力。物理试验要求第16页

试验需要很好设备，不过更主要是物理基本思想ThomasYoung双缝衍射试验在年被民间评选为最美十大物理试验之五他试验条件十分普通。在百叶窗上开一小洞，用厚纸片盖住，在此上戳一很小孔，线经此小孔射到一面镜子反射到屏幕上，中间放置~0.1毫米纸。屏幕上出现明暗相间条纹。这试验对量子学说创建起到主要作用。第17页物理试验除掌握一些基本要求外，更主要是学习试验物理构思。

当1897年J.J.Thomson发觉了电子后，怎样去测量电子很小电量？密立根巧妙地利用已知规律，设计了这么试验装置，并用数学求最大条约数方法，求出电子电荷量。这个试验在年民间投票中选为最美十大物理试验第三名。第18页

物理试验课强调学生动手技能训练，了解一个科学试验研究基本过程与要求。

下面以集成电路为例，看试验室研究工作对高科发展作用。基尔比在得克萨斯仪器企业接收了一项设计电子微型组件任务（当初是把分立元件尽可能紧密放在一个管壳内）不过他发觉这方案不切合实际，想到杜姆(W.A.Dummer)理论，在一块锗片上做成若干晶体管、电阻和电容并用细线焊联起来，成为世界上第一块“集成”固体电路。第19页

与此同时，加州仙童企业诺伊斯(RobertNoyce)发觉用铝金属是作集成电路导线良好材料，并敏锐地感到其商业价值，创办了有名“英特尔企业”。第20页我们物理试验课程不一样于普通探索性科学试验研究，试验结果比较有定论，但每个试验题目都经过精心设计、安排，它是对学生进行基础训练一门主要课程。它不但能够加深大家对理论了解，更主要是可使同学取得基本试验知识，在试验方法和试验技能诸方面得到较为系统、严格训练，是大学里从事科学试验起步，同时在培养科学工作者良好素质及科学世界观方面，物理试验课程也起着潜移默化作用。希望同学们能重视这门课程学习，真正能学有所得。1-3.物理试验课程目标第21页二.物理试验和测量误差(physicalexperimentsanderrorofmeasurement)因为物理试验是测量工作，普通地，不可能得到真正真值，即存在一定偏差。偏差大小反应了测量可信程度。另外，从偏差分析中也可能发觉新现象和新规律。

下面我们举一例子1955年穆斯堡尔(R.L.Mössbauer)到海森堡马克斯.普朗克研究所工作，当初人们对原子核共振散射和共振吸收很有兴趣，并有认为吸收体降温会使多普勒加宽减小，从而使共振吸收截面减小，透射会增加。第22页

穆斯堡尔试验结果与此相反，透射反而减小万分之一。他敏感到这现象异常，不惜用一年左右时间去分析请教和消除可能偏差起源；在对大量数据分析基础上，发觉效应虽小，但比计数标准偏差三倍还大，说明此现象是可信。这是原子核无反冲射线共振吸收现象。

第23页物理试验是以测量为基础研究。所以，最终应给出一个完整测量结果表示式：以钢丝杨氏模量为例：测量结果为：E=(1.89±0.08)1011(N/m2)

或E=1.891011(1±4.3%)(N/m2)应包含：测量量（代表符号）、测量量值、不确定度、测量值单位。表示测量真值落在（1.89-0.08---1.89+0.08)1011

N/m2范围内概率很大。不确定度取值与一定概率相关联下面我们讨论一下相关内容第24页直接测量：所要测量量无须将实测量经过任何函数关系计算而直接得到。间接测量：经过欲测量量与直接实测量之间已知函数关系，经过计算间接得到欲测量量。物理测量分为：直接测量和间接测量任何测量都可能存在误差（注意误差是指与真值比较）第25页误差是普遍存在，不过误差是相对于真值而言。普通地，真值是未知。为了要对测量结果可靠性给予标度，我们引进了不确定度概念。不确定度计算又借用了误差计算理论。了解误差起源，分析误差性质，做到正确处理数据和估算不确定度。目标是为了更加好地优化试验，合理选择仪器，提升试验精度和准确度并给出正确试验结果和误差存在范围。第26页误差定义：

误差=测量值-真值误差特点：

普遍存在；是小量。因为真值经常未知，无法得到误差。误差表示：绝对误差相对误差误差分类：系统误差随机误差系统误差：在对同一被测量屡次测量过程中，绝对值和符号保持恒定或以可预知方式改变测量误差分量。误差原因：测量仪器、测量方法、环境等第27页随机误差：对同一量屡次重复测量中，每次测量值相对于真值有一个无规律涨落（大小、方向）误差分量。造成随机误差原因是多样，试验条件和环境无规则涨落改变，被测量对象本身不确定性等。随机误差特点：1。小误差出现概率比大误差出现概率大；2。屡次测量时分布对称，含有抵偿性——所以取屡次测量平均值有利于消减随机误差。第28页随机变量统计规律—正态分布正态分布(又称Gauss分布)：物理试验中屡次独立测量得到数据普通能够近似看作服从正态分布。

σ称为标准差，决定了线型宽窄。σ越大，正态曲线就越平坦它表征了测量值分散程度

μ表示x

出现概率最大值，消除系统误差后称为数学期望值。通常就能够得到x

真值。第29页曲线与x轴之间所包围面积等于1。随机误差落在区域[-σ，σ]之内概率为P这表示测量值落在[-，+]区间概率是68.3%,若把区间范围扩大到[-2，+2]，则测量值落到此区域概率为95.4%;落到[-3，+3]区间率为99.7%。第30页假定对一个量进行了有限n次测量，测得值为xi(i=1,2，…，n)，能够用屡次测量算术平值作为被测量最正确预计值(假定无系统误差)

用标准偏差

s表示测得值在分散性s按贝塞公式求出：注意这是对单次测量标准偏差。对算术平均值为结果时，平均值标准偏差应为：

第31页因为真值是未知，无法得到误差。就要确定一个误差存在范围——不确定度。s大，表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量精密度低；s小，表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量精密度高；（s可由带统计功效计算器直接求出)。

注意到上述有限次测量已将代替了真值，所以上述计算已经不是误差了，而是可用随机计算不确定度部分。第32页绝对误差：测量结果-被测量真值相对误差：（用百分数表示）第33页三.测量不确定度与误差

不确定度权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际测量局(BIPM)等七个国际组织1993年联合推出GuidetotheexpressionofUncertaintyinmeasurement不确定度表示因为测量误差存在而对被测量值不能确定程度。不确定度是一定概率下误差限值。不确定度反应了可能存在误差分布范围，即随误差分量和未定系统误差联合分布范围。因为真值不可知，误差普通是不能计算，它可正、可负也可能十分靠近零；而不确定度总是不为零正值，是能够详细评定。第34页（1）已定系统误差：比如：电表、读数显微镜零位误差等此项能够也必须修正。（2）未定系统误差：已知存在于某个范围，而不知详细数值系统误差。比如：游标卡尺允差。仪器名称量程分度值允差钢板尺1m1mm±0.20mm游标卡尺125mm0.02mm±0.02mm螺旋测微器0~25mm0.01±0.004mm电表（0.5级)0.5%量程部分试验仪器允差举例第35页例：用50分度游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量结果以下（单位mm）：250.08，250.14，250.06,250.10,250.06,250.10则：测得值最正确预计值为测量列标准偏差平均值标准偏差：第36页3-1.测量不确定度组成部分划分总不确定度分为两类不确定度：

A类分量

uA——屡次重复测量时与随机误差相关分量；

B类分量uB——与未定系统误差相关分量。这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度：在详细使用中，测量不确定度又有三种不一样表述：1)直接测量标准不确定度u(standardncertainty)2)间接测量合成标准不确定度uc(combinedstandarduncertainty)3)扩展不确定度U(expandeduncertainty)第37页3-1-1.标准不确定度u—直接测量量不确定度估算标准不确定度计算是分成A类评定和B类评定两部分A类评定是：可用统计方法评定不确定度部分B类评定是：要用其它方法（非统计方法）评定不确定度部分第38页直接测量量不确定度估算过程（小结）求测量数据列平均值用贝塞耳公式求标准偏差s

平均值标准偏差是上式一列测量中单次测量标准偏差S即有：当5＜n≤10，置信概率为95%时，可简化认为uA

s

依据使用仪器得出uB

uB=仪由uA、uB合成总不确定度u给出直接测量最终结果：第39页直接测量量不确定度估算举例例：用螺旋测微计测某一钢丝直径，6次测量值yi分别为：0.249,0.250,0.247,0.251,0.253,0.250;同时读得螺旋测微计零位x0为：0.004,单位mm，已知螺旋测微计仪器误差为Δ仪=0.004mm，请给出完整测量结果。解：测得值最正确预计值为测量列标准偏差测量次数n=6，可近似有

则：测量结果为X=0.246±0.004mm第40页直接测量量（原始数据）读数应反应仪器准确度游标类器具游标卡尺、分光计度盘、大气压计等

读至游标最小分度整数倍，即不需估读。第41页数显仪表及有十进步式标度盘仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）普通直接读取仪表显示值。第42页指针式仪表及其它器具读数时估读到仪器最小分度1/2～1/10，或使估读间隔小于仪器基本误差限1/5～1/3。第43页直接读数注意事项注意指针指在整刻度线上时读数有效位数。第44页3-1-2.合成标准不确定度间接测量是指利用某种已知函数关系从直接测量量来得到待测量量测量。设间接被测量量y与诸直接测量量Xi(i=1,2,,n)由函数f来确定：适合用于和差形式函数适合用于积商形式函数用诸不确定度u(xi)代替微分dxi,有：第45页合成标准不确定度举例例设有一圆环，其外径为外=9.8000.005mm，内径为内=4.5000.005mm，高度h=5.0000.005mm，求环体积V和不确定度。解：环体积为

==2.976102

mm3依据（08）公式有：第46页

V=VV/V=2.9761020.55%2所以，环体积为

V=(2.980.02)102mm3第47页3-2.有效数字表示法及运算规则

在试验中我们所测被测量都是含有不确定度数值，对这些数值不能任意取舍，要正确地反应出测量值准确度。所以在统计数据、计算以及书写测量结果时，应依据测量误差或试验结果不确定度来确定终究应取几位有效位数。(1)作为一个通用要求，测量值只能写到也应该写到开始有误差那一位到两位。其后数字按“四舍六进五凑双”法则（即后面数字是四及以下就舍掉，是六及以上就进一，遇五若前面是奇数就进一，最终一位就变成是偶数，若前面已是偶数，则舍掉）取舍。第48页(2)有效数字位数多少直接反应测量准确度。有效位数越多，表明测量准确度越高。(3)有效数值书写时应注意：有效数值位数与小数点位置无关。也不因使用单位不一样而改变。

比如重力加速度某人测量值为980cm/s2,改写单位为m/s2,仍为三位有效数字，即9.80m/s2(9.8m/s2注意0不可随意添减)。

在运算过程中有效数字取舍，普通遵照：加减运算结果以参加运算末位最高数为准；乘除则以有效数字最少数为准，有时可比其多取一位。比如：12.4+0.571=13.0;36008=2.9104第49页3-3.数值书写要求1).有效数字位数是由合成不确定度来确定。测量值最终一位应与不确定度最终一位对齐。普通地，总不确定度只取一位或二位，不可多取。比如：S=(2.350.03)cm2。2).为方便起见，对较大或较小数值，常采取科学记数法，即使用10n形式，比如重力加速度可写成9.8010-3km/s2；阿伏加德罗常数6.022141991023/mol等等。3).结果是由间接测量得到，其有效数字由算出结果不确定度来确定。在没有给出各数值不确定度时，数值四则运算，普通地由其中有效数字位数最少决定。

第50页4).一个完整测量结果表示式应有几部分组成：结果代表符=（数值不确定度）单位比如：N=(3.4560.002)cm有效数字应用举例：6.6006.0=1.1(6788+67.88)2.0=1.4×104(4400000±)m正确表示式（440.0±0.2)×104m4)123×3=5×103第51页4-1.数据整理主要步骤-----列表法：在原始数据统计以及整理数据时，都要进行正规列表。将各量关系有序地排列成表格形式。现有利于一目了然地表示各物理量之间关系，又便于发觉试验中问题。四.数据处理经过试验测量得到一批数据，然而从这些数据中得出有意义结果就必须经过正确数据处理。所以数据处理也物理试验主要步骤。第52页数据处理表格法---逐差法：在有些试验中，我们连续取得一些数据。假如依次相减，就会发觉中间许多数据并未发挥作用，而影响到试验可靠性。比如：金属杨氏弹性模量试验和等厚干涉牛顿环试验等。在金属杨氏弹性模量试验中，连续测量钢丝伸长位置为：A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10等10个数据。若为求钢丝伸长，依次相减，则伸长量A有：中间各次测量均未起到作用。第53页为发挥屡次测量优越性，将数据分成前后两组：A1、A2、A3、A4、A5为一组，A6、A7、A8、A9、A10为另一组；将这两组对应相减，得出5组，且每一组相减间距是原降临近间距5倍，这么有：这种处理数据方法称为逐差法。此法优点是充分利用所测数据，有利于降低测量随机误差和仪器带来误差。是试验中惯用处理数据方法。为了直观和便于处理，也惯用列表格方法来表示。第54页比如试验一金属杨氏弹性模量数据处理：序号荷重砝码质量mg(N)标尺读数S(cm)荷重砝码质量差4牛顿时读数差S(cm)S绝对误差(S)(cm)增砝码时减砝码时平均值10S0=0.00S0’=0.10(S)1=0.0321×9.80S1=0.99S1’=1.00(S)2=0.0332×9.80S2=1.80S2’=1.90(S)3=0.0243×9.80S3=2.70S3’=2.80(S)4=0.0154×9.80S4=3.62S4’=3.7065×9.80S5=4.51S5’=4.5976×9.80S6=5.40S6’=5.4987×9.80S7=6.32S7’=6.32第55页作图法能够分为二种：一、图示法，它用图形曲线来表示物理量改变。比如静电场模拟试验。二、图解法，它是用作图方法来寻求两个物理测量量解析关系。4-2.作图法处理试验数据第56页4-2-1图示法是用图形来表示物理量改变。如静电场模拟试验中就是采取此法。

从图示法中，有时也能得出定量结果。第57页4-2-2图解法处理试验数据图解法可形象、直观地显示出物理量之间函数关系，也可用来求一些物理参数，所以它是一个主要数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。作图步骤：试验数据列表以下1、选择适当坐标分度值，确定坐标纸大小坐标分度值选取应能反应测量值有效位数，普通以1～2mm对应于测量仪表最小分度值或对应于测量值次末位数）。作图六点要求：第58页2、标明坐标轴：用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴名称或符号、单位,再按次序标出坐标轴整分格上量值。4、连成图线：用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。普通不强求直线或曲线经过每个试验点，应使图线两边试验点与图线最为靠近且分布大致均匀。图线正穿过试验点时能够在点处断开。3、标试验点：试验点可用“+”、“*”、“。”等符号标出（同一坐标系下不一样曲线用不一样符号）。第59页I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00由图上A、B两点可得被测电阻R为：A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)5.标出图线特征：在图上空白位置标明试验条件或从图上得出一些参数。利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点A、B坐标就可求出R值。6.标出图名：在图线下方或空白位置写出图线名称及一些必要说明。电阻伏安特征曲线第60页不妥图例展示：nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图图1曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、曲线板等工具把试验点连成光滑、均匀细实线。第61页更正为：玻璃材料色散曲线图nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0第62页图2I(mA)U(V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特征曲线横轴坐标分度选取不妥。横轴以3cm

代表1V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字要求又便于作图和读图，普通以1mm代表量值是10整数次幂或是其2倍或5倍。第63页更正为：I(mA)U(V)o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特征曲线第64页定容气体压强～温度曲线1.1.60000.80000.4000图3P(×105Pa)t(℃)60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00图纸使用不妥。实际作图时，坐标原点读数能够不从零开始。第65页更正为：定容气体压强～温度曲线1.00001.15001.1.10001.0500

P(×105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t(℃)第66页4-3.数据直线拟合(最小二乘法)设此两物理量x、y满足线性关系，且假定试验误差主要出现在yi上，设拟合直线公式为y=f(x)=a+bx，当所测各yi值与拟合直线上各预计值f(xi)=a+bxi之间偏差平方和最小，即时，所得拟合公式即为最正确经验公式。据此有第67页相关系数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定义为其中r表示两变量之间函数关系与线性符合程度，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。物理试验中普通要求r绝对值到达0.999以上(3个9以上)。第68页a、b、r详细求解方法：

1.用有二维统计功效计算器可直接求得a、b、r；2.用计算机Excel程序中intercept、slope、correl函数也可直接求得a、b、r；3.能够依据实际情况自己编程求a、b、r。第69页五、对同学基本要求做好预习,写好预习汇报。汇报中原理部分应画好电路图、光路图和数据统计表格。了解这次试验目标、原理、操作步骤和应注意事项。预习汇报要求：

（1）写好试验目标、主要原理、公式（要注明式中各量意义）、电路图或光路图及关键步骤。（2）在草表一栏画好原始数据表格。教师在课上要检验预习情况，统计预习成绩。2.到试验室在动手前先了解仪器使用方法和规则

尤其是，人身和仪器安全。试验中要仔细观察和统计。分析试验过程合理性与规律。第70页3.认真写好试验汇报。它是你这次试验总结。要字迹清楚、图表