普通物理实验课程绪论

普通物理实验课程绪论1目录1.物理实验的重要作用2.测量误差和不确定度估计的基础知识3.怎样上好物理实验课4.普通物理实验课分组循环说明5.实验操作规程及规则2§1.物理实验的重要作用

物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，它必须以客观事实为基础，必须依靠观察和实验。归根结底物理学是一门实验科学，无论物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础，并通过今后的科学实验来证实。

物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的作用。3实验可以发现新事实，结果可以为物理规律的建立提供依据经典物理学（力学、电磁学、光学）规律是由以往的无数实验事实为依据来总结出来的。X射线、放射性和电子的发现等为原子物理学、核物理学等的发展奠定了基础。卢瑟福从大角度α粒子散射实验结果提出了原子核基本模型。§1.物理实验的重要作用4实验又是检验理论正确与否的重要判据理论物理与实验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受实践检验。只有经受住实验的检验，由实验所证实，才会得到公认。电磁场理论的提出与公认假说库仑定律安培定律高斯定律法拉第定律麦克斯韦在1865年提出电磁场理论麦克斯韦方程组统一了电、磁、光现象,预言了电磁波的存在并预见到光也是一种电磁波1879年赫兹实验发现了电磁波的存在并证实电磁波的传播速度是光速电磁场理论才得到公认二十多年后1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论，能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果，但是直到1916年当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。1974年J/ψ粒子的发现更进一步证实盖尔曼1964年提出的夸克理论。§1.物理实验的重要作用5物理实验课程的目的

我们的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，实验结果也比较有定论，但它是对学生进行基础训练的一门重要课。

它不仅可以加深大家对理论的理解，更重要的是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者的良好素质及科学的世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。§1.物理实验的重要作用6§2.测量误差和数据处理的基础知识2-1测量误差和不确定度估算的基础知识2-2实验数据有效位数的确定2-3作图法处理实验数据7§2-1测量误差和不确定度估算

物理实验是以测量为基础。测量是指将待测物体的某物理量与相应的标准作定量比较的实验过程。完整的测量结果应表示为：

以电阻测量为例

包括：

测量对象测量对象的量值

测量的不确定度测量值的单位（x=U

表示被测对象的真值落在（

U

，

U

）范围内的概率很大，U的取值与一定的概率相联系。）1.测量测量分为直接测量和间接测量直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算而可直接得到被测量值的测量；间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系经过计算从而得到被测量值的测量。任何测量都可能存在误差（测量不可能无限准确)。§2-1测量误差和不确定度估算

1.测量2.测量误差的定义和分类

误差△＝测量值x－真值x0误差特性：普遍性、误差是小量由于真值的不可知，误差实际上很难计算（有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差）误差的表示方法：－绝对误差Δ

－相对误差（百分数表示）

误差分类－系统误差

－随机误差

§2-1测量误差和不确定度估算

3.系统误差定义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保

持恒定或以可预知的方式变化的测量误差的分量。产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入分类及处理方法：

①已定系统误差：必须修正

如：电表、螺旋测微计的零位误差；伏安法测电阻电流表内接、外接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（大致与B类不确定度UB

相当）如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等§2-1测量误差和不确定度估算

4.随机误差定义：

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量误差分量。产生原因：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。例如：电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化、操作读数时的视差影响。特点：

①小误差出现的概率比大误差出现的概率大；

②多次测量时分布对称，具有抵偿性；（因此取多次测量的平均

值有利于消减随机误差）§2-1测量误差和不确定度估算

5.随机误差的处理

假定对一个量进行了n次测量，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(假定无系统误差)

用标准偏差

表示测得值的分散性

按贝塞耳公式求出：

大，表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低；

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；

可由带统计功能的计算器直接求出。§2-1测量误差和不确定度估算

6.随机误差的处理举例例：用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量 结果如下（单位mm）：

250.08，250.14，250.06,250.10,250.06,250.10则：测得值的最佳估计值为测量列的标准偏差§2-1测量误差和不确定度估算

不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能确定

的程度。不确定度是一定概率下的误差限值不确定度反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差

分量和未定系统误差的联合分布范围而不确定度总是不

为零的正值，是可以具体评定的.由于真值的不可知，误差一般是不能计算的，它可正、

可负也可能十分接近零；（有争议）

不确定度的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年联合推出的

GuidetotheexpressionofUncertaintyinmeasurement

国内法规：JJF1059-1999测量不确定度评定与表示§2-1测量误差和不确定度估算

7.不确定度定义总不确定度分为两类不确定度：

A类分量

——多次重复测量时与随机误差有关的分量；

B类分量——与未定系统误差有关的分量。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：

（我校物理实验教学中一般用总不确定度，置信概率取为95%）7.不确定度分类§2-1测量误差和不确定度估算

8.直接测量量不确定度的简化处理方法－A

类分量UA

的估算：

实验中用到的，列表如下

当5＜n≤10时，可简化认为UA=σx（置信概率95%）－B

类分量,认为UB

主要由仪器的误差特点来决定

－不确定度合成：§2-1测量误差和不确定度估算

结果表示：－以测量列x的平均值为被测对象的量值。－由A、B类不确定度合成总不确定度则：8.直接测量量不确定度的简化处理方法§2-1测量误差和不确定度估算

求测量数据列的平均值用贝塞耳公式求标准偏差标准偏差s乘以因子来求得

当5＜n≤10，置信概率为95%时，可简化认为UA

σ

根据使用仪器得出由UA、UB合成总不确定度给出直接测量的最后结果：

(

修正已定系统误差，得出被测量值（）

§2-1测量误差和不确定度估算

小结9.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的直径，6次测量值xi分别为：0.249,0.250,0.247,0.251,0.253,0.250;同时读得螺旋测微计的零位x0为：0.004,单位mm，已知螺旋测微计的仪器误差为Δ仪=0.004mm，请给出完整的测量结果。解：测得值的最佳估计值为

测量列的标准偏差

测量次数n=6，可近似有

则：测量结果为

X=0.246±0.003mm§2-1测量误差和不确定度估算

10.间接测量量的不确定度合成实用公式§2-1测量误差和不确定度估算

11.间接测量量的不确定度合成过程1.先写出（或求出）各直接测量量xi的不确定度2.依据关系求出或3.用或求出或4.完整表示出Y的值

§2-1测量误差和不确定度估算

12.间接测量量的不确定度合成举例例：已知金属环的外径

内径

高度

求环的体积V和不确定度UV。解：求环体积

求偏导合成求UV

结果V=9.44±0.08cm3

§2-1测量误差和不确定度估算

在实验中我们所测的被测量都是含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，应反映出测量值的准确度。所以在记录数据、计算以及书写测量结果时，应根据测量误差或实验结果的不确定度来定出究竟应取几位有效位数。§2-2实验数据有效位数的确定2-2实验数据有效位数的确定1.直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度游标类器具（游标卡尺、分光计度盘、大气压计等）读至游标最小分度的整数倍，即不需估读。2-2实验数据有效位数的确定1.直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读取仪表的示值。2-2实验数据有效位数的确定1.直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度指针式仪表及其它器具，读数时估读到仪器最小分度的1/2～1/10，或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1/5～1/3。2-2实验数据有效位数的确定直接读数注意事项注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。2-2实验数据有效位数的确定2.中间运算结果的有效位数加减运算的结果末位以参与运算的末位最高的数为准。如11.4+2.56=14.0

75-10.356=65乘除运算结果的有效位数多少以参与运算的有效位数最少的数为准。如4000×9=4×1042.000÷0.99=2.00用计算器进行计算时中间结果可不作修约或适当多取几位（不能任意减少）。2-2实验数据有效位数的确定3.测量结果表达式中的有效位数1、总不确定度U的有效位数，取1位，取舍位为0时全舍，非0位时只进不舍。例：估算结果

U=0.548mm时，取为U=0.6mmU=1.37时，取为U=22、相对误差的有效位数：大于10%取2位，小于10%取1位，取舍位为0时全舍，非0位时只进不舍。例如：相对误差计算结果Er=2.567%时，取为Er=

3%

Er=2.067%

时，取为Er=

2%

Er=20.567%

时，取为Er=

21%

2-2实验数据有效位数的确定3、绝对误差的有效位数：取1位，取舍位为0舍去，非0时只进不舍，大于10时用科学记数法。例如：绝对误差计算结果△=2.567mm时，取为△=

3mm△=2.0567mm时，取为△=

2mm△=2567mm时，取为△=

3×103mm3.测量结果表达式中的有效位数2-2实验数据有效位数的确定314、被测量值结果表达式有效位数的确定

X＝x±U中，被测量值x的末位要与不确定度U的末位对齐（求出x后先多保留几位，求出U，由U决定x的末位）

例：环的体积

不确定度分析结果

最终结果为：V=9.44±0.08cm3

即：不确定度末位在小数点后第二位，测量结果的最后一位也取

到小数点后第二位，此时对测量结果要四舍五入。3.测量结果表达式中的有效位数2-2实验数据有效位数的确定绪论课练习1、用有效数字规则计算下列结果.(1)68.745+1.03(2)76.000÷（40.00-2.0）

(3)x=2.48㏑x=?(4)x=(231.2±0.2),y=(22.15±0.05),x+y=?2、指出下列数值是几位有效数字，并用科学计数法表示：

(1)589.3(2)(0.008654±0.000002)(3)0.050603、用量程为25mm的螺旋测微器测一圆柱直径，三次重复

测量数据为14.990mm、14.987mm、14.984mm，试表示测

量结果.2-2实验数据有效位数的确定33

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处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用正规纸张作图。1.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反映测量值的有效位数，一般以1～2mm对应于测量仪表的仪表误差。根据表１数据U轴可选1mm对应于0.10V，I轴可选1mm对应于0.20mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围）约为130mm×130mm。作图步骤：实验数据列表如下.表1：伏安法测电阻实验数据§2-3作图法处理实验数据U(V)0.741.522.333.083.664.495.245.986.767.50I(mA)2.004.016.228.209.7512.0013.9915.9218.0020.012.标明坐标轴：

用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。4.连成图线：

用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。一般不强求直线或曲线通过每个实验点，应使图线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。图点处断开。3.标实验点：实验点可用“”、“”、“”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。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§2-3作图法处理实验数据5.标出图名：

在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。至此一张图才算完成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电阻伏安特性曲线§2-3作图法处理实验数据不当图例展示：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、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。§2-3作图法处理实验数据nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图改正为：§2-3作图法处理实验数据I(mA)U(V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特性曲线横轴坐标分度选取不当。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，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1mm代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。§2-3作图法处理实验数据图2I(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：§2-3作图法处理实验数据定容气体压强～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。§2-3作图法处理实验数据定容气体压强～温度曲线1.00001.15001.20001.10001.0500P(×105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t(℃)改正为：§2-3作图法处理实验数据§3.怎样上好物理实验课(1).实验预习

看懂教材、明确目的、写出预习报告。预习报告要求：①写实验目的、主要原理、公式（包括式中各量意义）、线

路图或光路图及关键步骤。②画好原始数据表格。课上教师要检查预习情况，记录预习分。注：预习报告即是要交的报告1.上好物理实验课的三个环节43(2).实验操作阅读资料、调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原。①重视实验能力、作风培养。珍惜独立操作的机会，完成基本内容，争取做提高内容。教师在评分上予以鼓励。②强调记录数据时不得用铅笔，只有数据正确、仪器还原、教师签字后该次实验才有效。③提倡研究问题，在研究性、自主性内容上下功夫。注意安全操作。1.上好物理实验课的三个环节§3.怎样上好物理实验课44(3).实验报告

①实验报告要用

正规纸张。每人购买物理实验报告册15份，第一周内由班长收钱统一到教务处办公室领取。②报告内容：见下页。数据处理时必须附上教师盖章的原始记录，然后根据原始记录进行计算（应包含主要过程）、作图。③交报告的时间、地点：当堂交给实验室的指导教师。逾期未交报告，酌减报告分，一周不交，按无报告处理。1.上好物理实验课的三个环节§3.怎样上好物理实验课45实验报告内容①实验题目；②实验目的；③实验原理，主要公式和必要光路、电路或示意图；④实验仪器(包括主要仪器名称、规格、编号)；⑤实验步骤，原始数据记录表格，要求简明扼要；§3.怎样上好物理实验课46⑥数据处理、作图、误差分析（有些实验可不作误差分析）。要保留计算过程，以便检查；⑦结论。一定要写清楚，不要淹没在处理数据的过程中；⑧实验注意事项：这是保证实验能顺利进行必须清楚的，应在课前记一下。若个别的难以的在课前弄清楚，可在预操作时制定。⑨讨论、分析和心得体会（没有或不愿写，可以不写，不强求）。下面列举实验报告写法：§3.怎样上好物理实验课47正确优秀的书写48正确优秀的书写49正确优秀的书写50正确优秀的书写51正确优秀的书写52第1周绪论课(3楼)第一轮实验题目及循环顺序（第2周—第5周）：A、示波器的使用（207）B、分光计的调整和使用（302）C、转动惯量的测定（3楼）D、线性和非线性电阻的伏安特性（204）顺序为：组1：ABCD组2：BADC顺序为：组3：CDAB组4：DCBA

第16周：考试

4.普通物理实验课分组循环说明534.普通物理实验课分组循环说明网络选课学校主页院系设置基础科学部大学物理实验网上教学系统大学物理实验网上教学系统主页实验