物理实验绪论-徐1

1物理实验

绪论中国计量学院物理系2015年3月徐鹏2

1.为什么要上物理实验课(WHY)2.物理实验课的要求3.怎样上好物理实验课(How)4.数据处理方法5.测量、误差和不确定度估计31.1物理实验的作用1.2物理实验课的目的1.为什么要上物理实验课41.1物理实验的作用

物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。5伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。6以诺贝尔物理学奖为例：80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。7

1.2

物理实验课的目的学习实验知识培养实验能力提高实验素养8

学习实验知识通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识和设计思想，掌握和理解物理理论。9培养实验能力借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断；正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告；能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。10提高实验素养培养理论联系实际和实事求是的科学作风；严肃认真的工作态度；主动研究和创新的探索精神；遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。11

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，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世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。

希望同学们能重视这门课程的学习，经过半年或一年的时间，真正能学有所得。12教学目标学生守则以往不及格的情况基础物理实验课总体安排122、物理实验课的要求13物理实验课的目标掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能。学习用实验方法研究物理规律，加深对物理规律的理解和掌握，并在实验中提高发现问题、分析问题、解决问题的能力。养成无私无畏的敬业精神和实事求是、严谨踏实的科学态度。1314学生在实验前应认真预习实验内容，明确实验目的、要求和步骤，并写好实验预习报告。进实验室后……进实验室做实验，其实验者序号必须按顺序做！实验时应独立思考，独立操作……实验中应注意安全……注意爱护仪器设备……实验应在规定时间内完成……实验报告（含预习报告）必须在48小时内交至求中二楼教师信箱！不然该实验按缺席处理。14物理实验课的学生守则15以往不及格的情况报告不交或超期交；有旷课；不参加期末考试；报告太差：如报告内容极少，或主要内容错误率超过2/5；在每个实验项目中成绩最低的次数较多者；旷课和缺交实验报告的学时数累计超过课程总学时数的1/3——取消考试资格1516物理实验课总体安排第2周：讲课—绪论1第3-4周：2个实验第5周：讲课—绪论2第6-17周：11个实验考试（笔试+操作，原上课时间，具体要求另行通知）1617物理实验成绩评定方法本学期的学生期末实验总成绩按平时实验60%、考试40%加权评定。2.每个实验项目成绩评定其中：每次实验成绩，按满分100分进行评分，其中预习20分，操作40分、报告及创新40分。预习马虎、缺项（见预习要求）视情扣除5分至20分。抄袭实验报告者及被抄袭者，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。18物理实验成绩评定方法3.考试试卷的组成部分其中：卷面总分数40分误差理论部分10分实验理论和操作30分4.分组考试5.考试范围——每个学生完成的实验项目19

因为实验课程的特殊性，不接受请假。如因突发事情（仅指生病），尽快联系管理员，在上课之前取消。不能取消的课程在一周之内联系任课教师补课，需提交相关材料。缺课的处理方法20实验报告交接方法1.实验完成后48小时内须交报告。若周四、周五上课，下周一之前交。迟交报告并在一周内补交，该实验总成绩降两个等级，其余情况该实验总成绩计为0分。实验报告，自己交自己的，不允许代交。教师一人一个信箱，直接投到教师的信箱里（求中二楼）；2.教师收到报告后二周内批改完，在网站上登录实验成绩；3.实验报告在考试之前会返回。

21学生网上选课须知

下午567节：13:30——15:45

晚上9-11节：18:00——20:15上课时间22

信息平台BB平台学号00000023

信息平台物理实验教学示范中心243、怎样上好物理实验课3.1实验前—预习（２0分）

如何写预习报告？3.2实验中3.2.1签到3.2.2操作与记录（４0分）

如何做实验记录？3.3实验后—数据处理与实验分析（４0分）

如何写实验报告？253.1预习(20分)实验报告纸要求实验题目：班级：姓名:学号:实验日期26没有预习报告不可以做实验:预习报告要求：

用实验报告纸，

内容要求如右：为什么要写实验报告？如何做数据表格？实验目的：实验仪器及用具：

实验原理：含公式及成立条件、电路或光路图实验内容及步骤：注意事项：实验记录：

记下仪器规格型号、画出数据表格

实验前263.1实验前——预习(20分)273.1实验前——预习(20分)28例：测量一个圆柱体样品的密度如何求密度？明确测量量，直接测量量，间接测量量。先测哪个？后测哪个？多次测量还是单次测量？哪些需要列在表格里？测量顺序？物理量名称、单位3.1预习(20分)—如何做数据表格？29样品的质量M

=

g。样品的密度室温T

=

℃；湿度

=

%。293.1预习(20分)—如何做数据表格？例：测量一个圆柱体样品的密度30对待实验数据

必须严格、慎重、准确、真实303.1实验前——预习(20分)313.2实验中3.2.1签到3.2.2操作与记录（４0分）

如何做实验记录？32

3.2.1签到33

3.2.1签到按照名单顺序入座，上课时，要携带证件；一个房间一般有二个实验。进实验室做实验，其实验者顺序必须与仪器顺序一一对应！34

3.2.2操作与记录（40分）迟到扣5-10分，迟到30分钟以上

则不允许做实验，该次实验成绩为0分。遵守各项制度和学生守则，注意安全。不许带着别人的实验报告在实验室做实验，一经发现，该实验作0分处理。如实、清晰、详尽的记录原始数据，不要随意涂改数据也不要打草稿再誊写上去。按时完成、争取选做。实验完毕，要指导教师确认签字并且整理好实验仪器方能离开实验室。实验中3435如何使用仪器仪表？实验中左端读数为：10.00cm右端读数为：15.25cm估读、有效数字、单位数字表测量某一电路中的电流对于数字仪表该如何读数？35

3.2.2操作与记录（40分）36如何做实验记录？实验中实验条件：记录数据或现象时的实验条件实验现象：与预想一致或不一致的各种现象实验数据：清晰、详尽实验中的问题和想法36

3.2.2操作与记录（40分）37

3.3实验报告（40分）实验后如何做数据处理？（第5周详细讨论）（1）有效数字

（2）不确定度评定（3）最小二乘法

（4）作图

3738不仅要正确处理实验所得的数据，注意有效数字与单位，也要解释实验中看到的现象。认真地分析和解释实验结果，得出实验结论。实验结论不是简单的测量结果，它应包括对测量结果的简要评论，与期望值的关系，分析误差的主要原因和改进方法，对测量结果意义的讨论等。“讨论”禁止抄袭。如果可以，请谈一下对本实验的体会和对教师或教材的批评与建议。交取实验报告的时间完成实验后48小时内将报告交至指定信箱。实验后

3.3实验报告（40分）39实验后(1)有效数字有效数字----从第一个不为0的数开始算起的所有数字。如,0.35(2个);3.54(3个);0.003540(4个);3.5400(5个)。

加减法：与不确定度最大项的末位有效数字对齐

57.31＋0.0156－2.24342（=55.08218）=55.08乘除法：与最少个数的有效数字相同

57.31×0.0156÷2.24342（=0.398514767）=0.399运算规则39

3.3实验报告（40分）40有效数字

不确定度本身一般只取一（二）个有效数字，测量值的末位有效数字应与不确定度的有效数字对齐。即：测量值的末位有效数字是不确定的。有效数字修约规则：

“4舍6入5成双”小于5舍大于5入刚好是5时，若前一位为奇数则入，为偶数则舍。如：计算值为3.54835;3.65325

若不确定度为0.0003,则取x=3.5484;3.6532

若不确定度为0.002,则取x=3.548；3.653

若不确定度为0.04,则取x=3.55;3.65

若不确定度为0.1,则取x=3.5;3.7实验后“4”代表小于5“6”代表大于5

3.3实验报告（40分）41为什么使用修约规则？1.选取修约规则的原则——

对大量数据进行修约后，误差能达到相互抵消，而不导致互相迭加而积累；2.修约规则“4舍6入5成双”合理假设最后第二位奇偶几率各半。这样舍去或增加最后第二位的0.5的几率一样。

3.3实验报告（40分）42

(2)不确定度u(x)的评定

(第5周详细讨论数据处理)实验后

测量结果的表达

1、测量结果的一般表示法：如：长度为（1.05±0.02）cm。

2、不确定度的百分比表示法：如，长度为1.05cm，相对不确定度2%

。

3、测量结果的有效数字表示法(1.05cm)42不是“测量结果的百分比表示法”而是“不确定度”的“百分比表示法”

3.3实验报告（40分）43正确度、精密度与准确度真值正确度高,但精密度低精密度高,但正确度低准确度高!统计不确定度uA大系统不确定度uB大系统误差大随机误差大

不必请同学讨论误差和不确定度的概念、异同（因为他们头脑中没有误差的概念）

误差一般是不能计算的，它可正、可负也可能十分接近零；而不确定度总是不为零的正值，是可以具体评定的。

--所以也不必讨论

3.3实验报告（40分）44不确定度A类不确定度(多次测量)

B

类不确定度B1类不确定度

d为仪器的分度值（单次测量）B2

类不确定度（仪器不确定度）uB1=d/10（最好）uB1=d/5

（中等）uB1=d/2

（较差）a为仪器的不确定度限值C称为“置信因子”，本基础物理实验课程中大多取uB1=d

（特殊情况，比如数字显示）44

3.3实验报告（40分）45不确定度的合成单次测量多次测量在长度测量中，长度值是两个位置读数x1和x2之差，其不确定度合成公式为：45

3.3实验报告

—不确定度的合成46一般传递公式，当各直接测量的量相互独立无关时：加减：乘方：几个常用的传递公式乘除：46

3.3实验报告—不确定度的传递47（3）最小二乘法若最佳拟合的直线为：y=kx+b，则所测各值与拟合直线上相应的各估计值之间偏差的平方和为最小，即:47

3.3实验报告（40分）48实验后(4)作图、读图

通过作图直线拟合求斜率48

3.3实验报告（40分）——作图49实验后作图、读图

通过作图直线拟合求斜率49

3.3实验报告（40分）——作图50实验后作图、读图

通过作图直线拟合求斜率作图规则?50

3.3实验报告（40分）——作图51选择图纸（采用标准坐标纸）根据自变量－因变量选择图纸方向（一般取自变量为横坐标），选择合适比例，图纸上1格所表示的数据量值符合原数据量值变化的1、2、5等数（或它们的十进倍率）,便于读取。画坐标轴、分度线（等间距、勿太密）并标明物理量名称斜体）及单位（正体）。画数据点（不标数据值，要用端正的“+”或者“⊙”符号来表