物理实验绪论2016

大学物理实验

第一讲南昌大学物理实验中心2016年2月1系统使用注意事项1）选课，进入“教学管理与选排课系统”。选满你需要的学时数，不得跨时段选课。如果没有在系统里选实验，而直接到实验室做实验，实验成绩无法录入！2）预习，进入“实验预习自动评判系统”。下载、更新实验预习大厅，通过预习大厅完成课前预习、安全准入预习;3）上课，记住上课时间，带好校园卡，使用实验大楼放置的触摸屏，上课进入房间时刷卡派位，离开时刷卡退位，完成实验考勤。学生如果没有按规定时间来打开上课，系统会自动记录他的考勤为旷课！4）实验报告，进入“实验报告自动评阅系统”。下载、更新实验报告大厅，通过报告大厅完成实验报告5）查看成绩，评估教师。进入“教学管理与选排课系统”。2教学环节中应注意1）记住上课时间，无故缺课，不给补做机会！2）对号入座！实验室均有监控。有问题及时举手示意教师，不要走下位置。实验中，认真思考，规范操作，如实记录数据，实验教师会对你的操作进行考核。3）操作结束，先保持仪器的实验状态，整理数据，写上姓名学号给老师签字，举手示意待教师检查！教师签字确认后，仪器归位后方可离开实验室！4）带回教师签字实验数据，按模板要求认真做好实验报告。5）网上提交报告，记得拍上你的原始数据。3每次实验成绩，按满分100分进行评分，其中预习15分，操作、报告、创新等总计85分，具体分配按实验而定。缺交实验报告或实验操作0分，该实验均为0分。抄袭及被抄袭者，按考试作弊处理。违章操作损坏仪器者酌情扣除10至40分。操作能力差和不能完成全部操作内容者扣除10至40分。报告内容不完整等逐项扣分。物理实验成绩评分标准4

第一部分.绪论第二部分.测量与数据处理基础知识第三部分.网上选课及教学环节注意事项5第一部分.绪论这是一门什么课？理论课实践课物理实验基础实验课系统实验方法和实验技能训练的开端！电工电子实验机械力学实验生化医学实验光信息实验6第一部分.绪论2.这门课学什么？学习实验知识测量、误差、不确定度等基本概念及表示方法质量、时间、长度、电压、温度等基本测量仪器的使用方法放大法、等效、替换法等基本实验方法逐差、列表、作图、拟合等数据处理方法培养实验技能借助教材或说明书正确使用仪器应用已有的知识观察分析实验现象正确记录、处理实验数据，撰写合格实验报告根据目的和仪器，设计合理实验方案7

提高实验素养理论联系实际，实事求是的科学作风严肃认真的工作态度主动研究和追求创新的探索精神遵守纪律、团结协作的优良品德8第一部分.绪论3.如何学好这门课？课前预习课堂实验课后总结预习：读教材，查资料，拟计划实验：守纪律，听讲解，慎操作，细观察，详记录，勤思考总结：巧处理，重分析，求创新9实验预习

明确实验目的，预习实验原理，了解实验注意事项。

预习报告是实验工作的前期准备，是写给自己参考用的，故要求简单明了。实验前应清楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方法和测量哪些数据才能实现实验的目的。10

实验名称，实验目的；实验简图（电路图或光路图），记录主要公式；列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。无需照抄实验原理！预习报告内容预习报告范例11实验操作要求遵守实验室规则；了解实验仪器的使用及注意事项；正式测量之前可作试验性探索操作；仔细观察和认真分析实验现象；如实记录实验数据和现象;

用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得改动7.整理仪器，清扫实验室。12实验报告

实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电路图或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果，尤其是利用作图求得的一些物理量。13实验报告内容实验名称；实验目的；原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主要计算公式等）；主要实验仪器设备；实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；实验现象分析、误差评估、小结和讨论。实验报告范例14第二部分.测量与数据处理1.测量与有效数字2.测量误差和不确定度的估算基础知识3.数据处理作图法和最小二乘法151.测量与有效数字测量有效数字的读取有效数字的运算有效数字尾数的舍取规则16测量

物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。17

直接测量：直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到测量值；间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系，求得该被测物理量。18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（Y=y表示被测对象的真值落在（y

，y

）范围内的概率很大，的取值与一定的概率相联系。）结果表示§2-1测量误差和不确定度估算的基础知识有效数字的读取有效数字＝可靠数字＋可疑数字（一位）15.2mm15.0mm201.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有效数字的运算加、减法：诸量相加（相减）时，其和（差）数在小数点后所应保留的位数与诸数中小数点后位数最少的一个相同。

4.178+21.3

25.478=

25.525

乘、除法：诸量相乘（除）后其积（商）所保留的有效数字，只须与诸因子中有效数字最少的一个相同。

4.178×10.1

41784178

421978=42.226

乘方开方:

有效数字与其底的有效数字相同。对数函数:运算后的尾数位数与真数位数相同。

例：lg1.938=0.2973lg1938=3+lg1.938=3.2973指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。例：106.25=1.8×106100.0035=1.00827

三角函数:取位随角度有效数字而定。例：Sin30°00′=0.5000Cos20°16′=0.9381正确数不适用有效数字的运算规则。取常数与测量值的有效数字的位数相同。28有效数字尾数的舍入规则数值修约规则（按国家标准文件：GB8170-87）

在进行具体的数字运算前，按照一定的规则确定一致的位数，然后舍去某些数字后面多余的尾数的过程被称为数字修约，指导数字修约的具体规则被称为数字修约规则。口诀：4舍6入5看右，5后有数进上去，尾数为0向左看，左数奇进偶舍弃。

29有效数字尾数的舍入规则例：将下列数字全部修约为四位有效数字

1）尾数≤4，1.11840000→1.1182）尾数≥6，1.11860000→1.1193）尾数＝5，a）5右面还有不为0的数 1.11859999→1.1191.11850001→1.119

b）5右面尾数为0则凑偶 1.11750000→1.1181.11850000→1.118

30一次性修约到指定的位数，不可以进行数次修约，否则得到的结果也有可能是错误的。例：将数字10.2749945001修约为四位有效数字。一步到位：10.2749945001——10.27（正确）。错误结果：10.2749945001——10.274995——10.275——10.28有效数字尾数的舍入规则312.测量误差和不确定度估算的基础知识误差随机误差的处理测量结果的不确定度表示间接测量不确定度的合成32对一待测物理量x

误差dx＝测量结果x

－真值μ

真值：物理量在一定实验条件下的客观存在值误差33测量误差存在于一切测量过程中，可以控制得越来越小，不可能为零。误差34A类35B类36B类37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随测量条件的改变而按确定的规律变化。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

电表、螺旋测微计的零位误差；测电压、电流时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

如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。系统误差38

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39

(1)小误差出现的概率比大误差出现的概率大；(2)无穷多次测量时服从正态分布；(3)具有抵偿性。取多次测量的平均值有利于消减随机误差。

随机误差特点40标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。

标准差表示测量值的离散程度41

任意一次测量值落入区间的概率为这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应的区间叫置信区间，表示为。42

扩大置信区间，可增加置信概率43

在测量次数n较小的情况下，测量将呈t分布；

n

较小时,偏离正态分布较多，

n较大时,趋于正态分布。

t分布时，置信区间和置信度的计算需要对特殊函数积分，且不同的测量次数对应不同的值，计算很繁。44

平均值假定对一个物理量进行了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，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。45

有限测量时，算术平均值不等于真值，它的标准偏差为：的意义可以理解为：待测物理量处于区间内的概率为0.683。46

物理实验中，置信度一般取作0.95,这时t分布相应的置信区间可写为:一般，我们取测量次数为6次。n345672.481.591.241.050.92647测量结果的不确定度表示概念：不确定度u是由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。意义：不确定度是一定置信概率下的误差

限值,反映了可能存在的误差分布范围。

置信概率一般取0.9548

A类分量

:

可以用统计学方法估算的分量，一般指随机误差。

不确定度组成49

B类分量:

不能用统计学方法估算的分量，一般指系统误差。

若不特别说明

c叫置信因子,置信度取0.95时，c=1.05不确定度组成50A.由仪器的准确度表示B.由仪器的准确度级别来计算C.未给出仪器误差时连续可读仪器（米尺等）非连续可读仪器（游标卡尺、数字秒表）②.仪器误差的确定：取最小分度取最小分度51例如:由仪器的准确度等级计算仪器的最大误差电压表（0.1级）电流表（0.5级）5253B.由仪器的准确度等级计算电压表（0.1级）电流表（0.5级）5455米尺：最小分度为1mm例如:未给出仪器误差时连续可读仪器读数显微镜：最小分度为0.01mm56数字秒表:最小分度=0.01sC.未给出仪器误差时非连续可读仪器57数字秒表:最小分度=0.01s20分度游标卡尺：最小分度=0.05mm例如:未给出仪器误差时非连续可读仪器58

合成方法:相对不确定度:结果表示:59注意：1.平均值有效数字位数不要超过测量值的有效数字;2.不确定度和相对不确定度保留

1-2位有效数字；3.不确定度的最后一位数字要和平均值的对齐。60直接测量量不确定度估算过程与表示1.求测量数据的平均测量值

判断有无应当剔除的异常数据，如有,剔除后重新计算2.用已知系统误差修正平均值3.计算标准差61

4.标准差乘以与0.95置信度对应的系数得到5.根据仪器允差确定6.合成不确定度7.表示测量结果62直接测量不确定度计算举例例1：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，原始数据见下表，请给出完整的测量结果。d0=+0.004mm,

螺旋测微计的仪器允差为Δ仪=0.004mm123456（mm）0.2490.2500.2470.2510.2530.250原始数据表格63例１解：

d0=+0.004mm,

螺旋测微计的仪器允差为Δ仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-0.001-0.0030.000没有异常数据,不用剔除64

例１解：

65测量结果表示为

66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的基础知识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ΔV。解：求环体积

求偏导合成求ΔV

结果V=9.44±0.08cm3

§2-1测量误差和不确定度估算的基础知识3.数据处理的作图法最小二乘法作图法处理实验数据最小二乘法直线拟合69

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，并要用坐标纸作图。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基本反映测量值的准确度或精密度。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×130m。表1：伏安法测电阻实验数据作图法处理实验数据步骤例3：

702.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）。

715.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)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.006.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电阻伏安特性曲线作者：xx72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不当：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。73nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图改正为：74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不当：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。75I(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：7