大学实验物理

基础知识与训练绪论

一、物理实验教学中心简介二、实验物理课的作用和意义三、实验物理课的教学规定

基础型、综合型、研究型、仿真以及演示五大实验教学平台；实验室开放基金、大学生创新实验和物理实验竞赛创新实验项目；形成了以实验物理为主干，以创新项目为支撑，以仿真、演示实验为辅助的自主、开放的物理实验教学体系。一、物理实验教学中心简介开放的实验教学体系（1）通过网络平台学生自主选择实验时间、实验内容。（2）寒暑假期的开放。学生在假期内可独立完成教学计划内的实验任务，实验成绩记入课程学习成绩。（3）部分实验室由学生负责，实行全天开放，进行科技创新活动。（409、411、417）参加创新实验项目的同学可以免修第二学期部分物理实验项目，免修数量由实验中心按照参加创新实验工作量确定。二、实验物理课的作用和意义1、培养学生的基本科学实验技能，提高学生的科学实验基本素质，使学生初步掌握实验科学的思想和方法。培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。2、提高学生的科学素养，培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德。

在实验室开放时间内（8:30-11:00,13:20-15:50，

16:00-18:30,

19:00-21:30）网上预约本学期所要做的实验题目和时间网址：,或者:42:8282请仔细阅读：物理开放式实验教学规定（一）上课方式，内容及相关规定三、实验物理课的教学规定

（二）实验教学流程介绍自主预习：1、课前写出预习报告：题目、目的、仪器、实验原理（公式、光路/电路）、所做实验内容、自拟数据记录表格2、熟悉实验仪器3、回答问题实验操作：1、独立操作完成实验任务；遵守制度，注意安全，数据正确，仪器还原2、原始数据记录(全部保留，教师签字)数据处理1、重新列表：重新整理原始记录2、数据处理与计算3、讨论、分析教师讲解平时和期末成绩都必须及格，总成绩有效！（三）成绩的评定方法3、期末成绩：平时成绩80%

，期末考试成绩占20%4、本学期期末考试为操作加笔试主要内容：有关误差和不确定度的知识及本学期所学的实验原理、方法、仪器等。

1、实验成绩按10分制，预习2分、操作5分、报告3分；2、抄袭，代做（带身份证明），该次实验记为0分；旷课补做6分制(直接找任课教师)迟到扣分，超过15分钟,按旷课处理课堂练习1列表准备对任选物体进行长度测量（10次），并列出表格记录所测数据。注意列表要求！表格名称、物理量名称、单位、数据一、物理实验的基本实验方法

二、物理实验的基本仪器三、物理实验的基本调整与操作技术四、物理实验数据处理的基本方法五、有效数字物理实验基础知识一、物理实验的基本实验方法（一）比较法3、替代比较法：1、直接比较法：卡尺2、补偿平衡比较法：天平、电桥等曹冲称象（二）转换测量法（三）模拟法1、参量换测法：通过定量函数关系测量2、能量换测法：把非电学的物理量转换成电学量测量的方法。如：热电换测、压电换测、光电换测、磁电换测等。（传感器）分数学模拟、物理模拟以及计算机仿真模拟等。如：静电场的模拟描迹（数学模拟）；

风洞实验（物理模拟）。（四）放大法3、光学放大法如：显微镜、放大镜、光杠杆等。4、电子学放大法如：三极管、放大电路等。１、机械放大法如：卡尺、螺旋测微器等。２、积累（或累计）放大法如：秒表测周期、纸张厚度等。二、

物理实验的基本仪器长度：米尺、卡尺、千分尺、测距仪等。质量：天平（各种称，托盘天平，物理天平，电子天平，光学天平等）。时间：秒表（机械，电子）、数字毫秒计等。温度：温度计、温度传感器（热电偶，热敏电阻等）。电磁学：电流表（微安表，检流计，毫安表）、伏特表、万用表、直流稳压电源、电阻箱、变阻器、电子元器件等。光学：显微镜、分光计、干涉仪、光谱仪、光源、光学平台、光学元器件等。近代物理：X光、核磁、光磁、CT、红外光谱……。三、物理实验的基本调整与操作技术（一）零位校准：如电表的零位校准、千分尺的初读数（二）水平、铅直调整：悬锤、气泡水平仪（三）消除视差：如卡尺读数、用光学仪器测量（四）共轴调节：光学元器件的等高调节（五）逐次逼近法：如天平平衡的调节（六）先定性、后定量原则：先观察现象规律，再确定测量方案。如测量亥姆赫兹线圈的磁场分布。

例如：螺旋测微计（千分尺）5.737mm49.86mm1、列表法表格内容应包括：表格名称、物理量名称、单位、数据。表中数据要用有效数字。单位只在物理量名称栏内标明，不要重复写在各个数据上。次序123456789T（℃）30.040.050.060.070.179.890.0100.2110.0R（）40.3040.3940.5140.6040.7140.7840.9141.0141.10四、物理实验数据处理的基本方法

（教材中四种方法）例表：测定电阻的温度系数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器误差。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、作图法处理实验数据作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。2.标明坐标轴：

用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004.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）。5.标出图线特征：在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如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的坐标就可求出R值。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6.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。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：至此一张图才算完成不当图例展示：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。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：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。I(mA)U(V)o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特性曲线改正为：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。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：

在实验中我们所测的数值都是含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，应反映出测量仪器的精度。五、有效数字及其表示什么是有效数字？

345，3.45，0.00345“0”是不是有效数字？例如：0.0027800科学计数法(7.5±0.2)×104

万(6.23±0.03)×10-4直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精度。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。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。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。注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。

测量结果只写到开始有误差的那一位数，以后的数按“小于5舍去；大于5进位；等于5看左右”的法则取舍。数字修约规则例：将下列数保留三位小数2.143512.144进位2.145进位2.144进位2.144舍去2.143272.143882.144502.143502.14451中间运算结果的有效位数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，可比其多取一位。如4000×9=3.6×1042.000÷0.99=2.00

用计算器进行计算时中间结果可不作修约或，当多取几位（不能任意减少，最后结果再修约）。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测量不确定度表示一、测量误差的基本概念二、测量结果的不确定度评定

一、测量误差的基本概念（一）测量1、物理学的基础2、测量类型：直接/间接测量d=13.217±0.006（mm），k=23、测量结果：数值单位可靠性（二）测量误差1、测量误差：测量值与被测量真值之间的差值。系统误差、随机误差、粗大误差2、测量误差的分类误差公理：误差存在于一切测量过程的始终概念：

测量列，真值和约定真值，等精度测量和不等精度测量（三）系统误差概念：在同样条件下，对同一物理量进行多次测量，其误差的大小和符号保持不变或随着测量条件的变化而有规律地变化。来源：仪器因素、理论或条件因素、人员因素研究系统误差的重要性：影响随机误差的估计，有时比较大。请学会分析实验中系统误差产生的可能原因！在系统误差中发现问题1894年瑞利发现大气中存在惰性气体----Ar氩气：系统误差空气中发现了惰性气体Ar氩气英国物理学家瑞利用不同的方法制取氮气N2：反复进行了更加精确的实验，测量。随机误差对测量结果的影响随着大量测量应该趋于0。那么这个差值是由系统误差引起的。大气分离法：从空气中去除了氧气，二氧化碳，水蒸汽，剩余的就应该是氮气，测得其密度为1.2572g/L；化学法：氨气制取氮气，测得其密度为1.2560g/L，比前者小0.095%更值得分析！（四）随机误差1、正态分布规律：适用大量的随机测量误差正态分布的概率密度分布曲线正态分布的标准偏差：表征测量值的分散性随机误差在范围内的概率2、测量列的标准偏差定义该测量列的标准偏差为：对某个物理量x作n个等精度测量，得到一个测量列，其算术平均值为最佳值（期望值）统计意义：当测量次数足够多，测量列中任意测量值与平均值的偏离落在区间内的概率为0.683。3

、算术平均值的标准偏差考虑：算术平均值的离散程度国家标准GB4883-85推荐，判断一个异常值以格罗布斯方法为准。此方法给出一个和数据个数n相联系的系数。当已知数据个数n，算术平均值和测量列标准偏差S，则可以保留的测量值Xi的范围为:gn（=0.05）系数表（见教材P10）（五）异常值（粗大误差）的剔除例1：测得一组长度值（单位：cm）98.2898.2698.2498.2998.2198.3098.9798.2598.2398.25数据98.97在此范围外应舍去。审查测量数据均在格罗布斯判据范围内。除去后再次计算课堂练习2去除异常值（练习计算器的使用）对测量得到的数据计算平均值，标准偏差，然后进行异常值剔除。（一）不确定度的定义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。二、测量结果的不确定度评定不确定度反映了可能存在的误差分布范围。分为两类:A类分量uA(多次测量时)用统计学方法计算的分量;B类分量uB是用其他方法(非统计方法)计算的分量。d=13.217±0.006（mm），k=2测量结果：数值单位可靠性（二）标准不确定度的评定

观测次数n充分多，才能使A类不确定度的评定可靠，一般在置信概率为68%时，认为n应大于5。

在物理实验中，n一般取6~10。A类标准不确定度，

1、标准不确定度的A类评定2．标准不确定度的B类评定Δ仪包含了仪器的系统误差，也包含了环境以及测量者自身可能出现的变化（具随机性）对测量结果的影响。Δ仪可从仪器说明书中得到，它表征同一规格型号的合格产品，在正常使用条件下，一次测量可能产生的最大误差。B类标准不确定度uB

（三）合成标准不确定度及扩展不确定的评定

1、合成标准不确定度

（2）对间接测量(1)对直接测量

2、扩展不确定度的评定扩展不确定度U由合成标准不确定度uc乘以包含因子k得到U=kuc

（四）测量不确定度的报告与表示

1．测量结果及其不确定度的报告形式报告的形式有多种，在我们实验中采用下面形式：2．测量结果及其不确定度的有效位数

注意：在报告最终结果时，不确定度有效位数的取舍可将其最末位后面的数进位！U=0.02746g/cm3,uc(y)或U(y)通常最多为两位有效数字。首位有效数字为1或2，结果保留2位；首位有效数字为3以上的数字，结果保留1位U=0.0321(cm)U=0.028g/cm3U=0.013gU=0.04(cm)U=0.0122g例题测量结果的有效位数由不确定度来确定。采用同一测量单位来表述测量结果和其不确定度时，它们的末位应是对齐的。例如表达结果=2.68±0.04(g/cm3)U=0.04(g/cm3)结果的表达：（五）测量不确定度计算举例例2：用螺旋测微计测一铁球的直径d测量记录：螺旋测微计,零点读数为-0.004mm,

仪器误差限为0.004mm。数据如下表，单位:mm次数12345678d(mm)13.21713.20813.21813.20913.21513.20713.21313.215数据处理：数据均可保留。零点修正后结果为：不确定度来源1．多次测量uA(d)=0.0015mm2．螺旋测微计误差合成标准不确定度扩展不确定度测量结果课堂练习3练习1中测量结果的不确定度表示计算出不确定度写出测量结果的正确表达式例3：测量圆盘的转动惯量，用卡尺（0.02㎜）测得圆盘直径如下表：电子天平（仪器误差：0.02g）测得圆盘质量M0=514.00（g），求圆盘绕自身转轴的转动惯量。经格罗布斯方法判断,数据无异常。次数123456D0（㎝）12.00012.01212.01412.00012.01612.018).(004.0)(220cmuuDuBAC=+=),(0011547.03002.0)(0cmDuB==),(003266.06008.0)(0cmDuA==2、各分量的不确定度kgkgMuMuBC330010012.031002.0)()(

--*=*==00.51400kg,M=,.10006177.0)(2)()(2420020000mkgDDuMMuIIuccC-*=úûùêëé+úûùêëé*=

3、转动惯量8,.102674.9

M1I242000mkgD-*==4、扩展..10)013.0267.9(I2400mkgUI-*±=±=,.10013.0)(2240mkgIuUc-*==5、结果表达：质量：电子天平(仪器误差：0.02g)，