常职院物理实验教案00物理实验的基本认识

物理学提供最多、最基本的科学研究手段1§1.1物理实验的地位和作用验是物理学中的重要研究方法。观察就是对自然界中发生的某种现象，在验、抽象、假说等研究方法，并通过实验的检验而建立起来的。不仅在物理学的发展中占有重要的地位，而且在推动其它自然学科。工程是很大的启迪。他说：“我是在旧中国长大的，因此想借此机会向发展中国家的青年强调的。验课的任务是：解。物理学提供最多、最基本的科学研究手段2确的使用方法。§1.2物理实验课的基本程序实验前的预习需查阅有关参考资料实验中涉及的仪器，不少是从未见过的，在预习时就需认真阅读物。基础上，写好预习报告，其内容包括实验名称、实验目的、实验原理和数的绘图工具、计算器等。操作初学者易犯的毛病，应予纠正。实验测量应遵循“先定性、后定量”的原则。即先定性地观察实验全过程，确认整个细物理学提供最多、最基本的科学研究手段3。、原始数据及有关现象。工作。三、实验报告的书写1．必须有简明扼要的语言文字叙述。通常教材可能过于详细，目的是便于学生阅物理学提供最多、最基本的科学研究手段4(根据实验时实际情况如实记录，没有用到的不写，更不能照抄教材)；在科学实验中往往还要记录仪器的生产厂家、出厂日期和出厂编号，以便在干效注明实验或测量条件。验固体密度的测量据：(1)用游标卡尺测量铜环内、外径，用螺旋测微计测量厚度。0.003(mm)n1234567.96.94.98.94.96.92.96厚h(2)用矿山天平测量铜环质量W=53.97g读数S1S2S3S4S5物理学提供最多、最基本的科学研究手段5(1)对于需要进行数值计算而得出实验结果的，测量所得的原始数据必须如实代入(2)对结果需进行不确定度分析(个别不确定度估算较为困难的实验除外)；测量值、不确定度、单位及置信度，置信度为0.95时)，实验结果的有效数字必须正确；物理量有标准值或标称值，则应与实验结果比较，求相对误差。(5)需要作图时，需附在报告中。(1)首先应对实验结果作出合理判断。正确的。如果被测物理量有标准值(理论值、标称值、公认值或前人已有的测量结果)，应与(2)分析实验中出现的奇异现象。物理学提供最多、最基本的科学研究手段6离时，主要考虑实验环境的突变、仪器接触不良、操作者失误等。何尺寸不均等)。中有所创新。但要切实做到“肯定有据、否定有理”。(3)对思考题作出回答。§1.3物理实验的种类与方法一、物理实验的种类的。光物理学提供最多、最基本的科学研究手段7量子理论。化影伦琴射线(X光)通过晶体空间点阵时所引起的干涉现象。这种实验对于伦琴射线的波动性。确是“有”或者“没有”、“是”或物理学提供最多、最基本的科学研究手段8验项目都是定量实验。二、物理实验的基本测量方法个方面。研究的能力。仪器直接或间接地进行比较，测出其量值。膨物理学提供最多、最基本的科学研究手段9测放大等。50格，鼓轮每转一圈，恰使测量尺面移动0.5mm，那么鼓轮转动一小格，尺面移动了0.01mm。若鼓轮外径为16mm，则周长约为50mm，鼓轮上每一格弧长相当于1mm的放大了100倍，测量精度也就提高了100倍。所用机械秒表的仪器误差为0.1s，某单摆周期约为2s，则测量单个周期时间间隔的相在有些测量装置中则利用电子学原理来实现被测量的放大，如测量微弱电信号(电易换物理学提供最多、最基本的科学研究手段10量E，是以应变与应力成线性变化的规律，将E的测量转换成对应力F/S和应变DL/L得到E=。 得到E=。DL/L(2)能量转测法是利用物理学中的能量守恒定律以及能量形式上的相互转换规律所在。的温差电动势的测量，它属于热电换测法。此外，实验中还常用到压电换测法(压力和电势间的变换，如话筒和扬声器)、光电换测法(光信号转换为电信号，如光电管、光电倍增管、光电池、光敏二极管等器件)及磁电换测法(磁学量与电学量的转换，如霍尔元抽。法分为物理模拟和数学模拟两大类：(1)物理模拟人为制造的“模型”与实际“原型”有相似的物理过程和相似的几何形行靠的实验数据的目的。段11三、物理实验中的基本调整与操作技术来源于实践。位读数”，以便在测量结果中加以修正。、铅直调整状态应首先调它的底座螺钉至天平水平，又如福廷式气压计应在铅直状态下读数才正物理学提供最多、最基本的科学研究手段12足上述条件，其测量结果才在误差范围内。并可通过仔细调节目镜(连同叉丝)因此存在视差。物理学提供最多、最基本的科学研究手段13轴，可减小视觉判断的误差。围直至最后调到平衡点。例如，调整电桥平衡时，若待测电阻Rx与其它桥臂上的已知度，而R0=3000W时，右偏3个分度，据此可知平衡值应在2000~3000W之间。再调整R0为2500W时，左偏2个分度，R0=2600W时右偏1个分度，则R0的平衡值应在2500~2600W之间。如此逐次逼近，可迅速找到平衡点。现问题或错误，不得不返工。然而，一个训练有素的实验工作者，则是采用“先定性、后定量”的原则进行实验，即在定量测量前，先对实验变化的全过程进行定性观察，对测几个点，这样作图就比较合理。§1.4测量误差及数据处理物理学提供最多、最基本的科学研究手段14不做详细的证明和探讨。量与误差量方法。变，测得一组数据x1,x2,x3…xn。尽管各次测量结果并不完全相格不量程精密度准确度所以必须对仪器的量程、精密度、准确度、读数规物理学提供最多、最基本的科学研究手段15度值越小，仪器的精密度越高。如螺旋测微计(千分尺)的最小分度值为0.01mm，即其mm的精密度为100刻度/mm。a用时，其示值x的最大绝对误差为D=±量程×准确度等级%DV=±3¥0.5%=±0.015V的等级较高的仪器。也可估读1/5或1/2分度。若仪器的示数不是连续变化而是以一定的最小步长跳跃变化的物理学提供最多、最基本的科学研究手段16的三个内角之和等于180o等；同样电流时为1.802A，则可将后者视为前者的相对真值。果的准确程度。测量值x与真值x0之差称为误差，用Dx表示Dxxx(1­1­2)误差Dx反映了测量值偏离真值的大小和方向(正负)。测量误差有时常用相对误差E表示E(1­1­3)系统误差是指在多次测量同一物理量的过程中,保持不变或以可预知方式变化的测的分量。系统误差主要来源有以下几方面：物理学提供最多、最基本的科学研究手段17(2)实验理论近似性或实验方法不完善。如用伏安法测电阻没有考虑电表内阻的影响，用单摆测重力加速度时取sinqªq带来的误差等；(3)环境的影响或没有按规定的条件使用仪器。例如标准电池是以20℃时的电动势心理或生理特点造成的误差。如计时的滞后，习惯于斜视读数等。误差共同影响使测量结果围绕测量的平均值发生涨落变化，这一变化量就是二、测量不确定度及其估算物理学提供最多、最基本的科学研究手段182.1不确定度的基本概念量结果应给出被测量的量值X，同时还要标出测量的总不确定度U，写成x=X±U的形XUX+U)的范围之外的可能性(或概率)很小。显然，作为广泛采用的约定概率，当取P=0.95时，可不必注明。与误差表示方法一样，引入相对不确定度Ex，即不确定度的相对值Ex(1­2­1)2.2不确定度的简化估算方法类分量UA；用其它非统计方法评定的B类分量UB。总不确定度由A类分量和B类分合成，即UUU(1­2­2)而是服从称之为t分布(又称学生分布)的规律。在这种情况下，对测量误差的估计，就只计算总不确定度U的A类分量UA，那么它等于测量值的标准偏差Sx乘以一因子物理学提供最多、最基本的科学研究手段19UA=Sx(1­2­3)tPn量次数n、置信概率P有关的量，置信概率P及测量次数n确定后，tPnP时，tP(n-1)/的部分测量次数n2345678948UA=Sx(1­2­4)当6£n£8时，取UA=Sx已足以保证被测量的真值落在x±Sx范围内的概率接近或Sx确定度的A类分量UA。当作为基础训练，在物理实验中一般只考虑仪器误差所带来的总不确定度的B类分在正确使用仪器的条件下，测量结果与真值之间可能产生的最大误差，用D仪表示。仪D不确定度中用非统计方法估计的B类分量UB，即UB=D仪(1­2­5)仪器名称量程准确度等级)仪器误差尺0~300mmU物理学提供最多、最基本的科学研究手段20U尺0~1000mm卡尺0~300mmm一级)0~100mm0.01mmTGA矿山天平计C显微镜0.01mm器的一个单位明了估算电表3．总不确定度的合成由式(1­2­2)、(1­2­3)和(1­2­5)知，总不确定度为U=Sx2+D当取置信概率P=0.95，测量次数n=6~8时估算公式，希望大家能记住。SxDUA对实验的最后结果影响甚小，或因条件限制而要用用物理学提供最多、最基本的科学研究手段21i1234567Hi(mm)求H的算术平均值、标准偏差和不确定度，写出测量结果。==0.0018(mm)U=SU=S2+D2=0.00182+0.0042=0.005mmm对于间接测量N=f(x,y,z…)，设各直接测量结果为x=x±Ux，y=y±Uy，zzUzNfxyzUN可套用标准误差传递公式进行估算，即UN=(1­2­8)如果我们先对间接测量量N=f(x,y,z…)函数式两边取自然对数，再求全微分可得到计算相对不确定度的公式如下=(1­2­9)现时，一般采用式(1­2­8)；而函数形式主要以积、商或乘方、开出现时，用式(1­2­9)会使计算过程较为简便。【例2】已知某铜环的外径D=2.995±0.006cm，内径d=0.997±0.003cm，高度H=0.9516±0.0005cm，试求该铜环的体积及其不确定度，并写出测量结果表达式。【解】V=(D2-d2)