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文档简介
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
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