大物实验报告一级绪论

欢迎各位同学进入物理实验教学中心学习大学物理实验!大学物理一级实验绪论物理实验教学中心张权2011年2月29日物理实验课程体系为何要修大学物理实验如何学习大学物理实验(第一册第一章)实验课程的安排、实验注意事项物理实验课的基本程序和要求测量的不确定度和数据处理

(第一册第二章)时间测量中随机误差的分布规律P62(下周)单摆的设计和研究P125(下周)物理实验课程体系实验课程数：15实验项目数：280年实验学生数：6500面向专业数：37年实验人学时数：35万教学简况1－6级面上实验1、2级开放实验

一二年级三四年级知识和能力并重的实验教学体系开放实验自主设计创新性实验论文竞赛教学实验为何要修大学物理实验第一部分物理实验的作用

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。物理实验在物理学研究与发展中的作用

从物理学史看物理实验的重要性

经典物理学的建立：力学（伽利略）电磁学（库仑、法拉第、麦克斯韦）光学（杨氏、菲涅尔）

近代物理学的建立：三大发现（X光、放射性、电子）

—从宏观到微观两朵乌云（黑体辐射、迈—莫实验）

—从经典到近代

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。物理学的理论只有在实验上得到验证的才能真正成为真理.历史上许多理论消声匿迹了，因为得不到实验的证明或违背实验。（如以太假论）

物理学从根本上来说是一门实验科学物理实验对物理学在其他学科中的应用意义

材料：物性测试、新材料的发现（高温超导材料）、新材料制备方法的研究（激光蒸发）化学：光谱分析、放射性测量、激光分离同位素、量子化学生物：各类显微镜（光学显微镜、电子显微镜、X光显微镜、原子力显微镜）分辨力越来越高

DNA操纵、切割、重组以及双螺旋结构的分析医学：诊断——X光、CT、核磁共振、超声波治疗——放射性、激光、微波等结论：物理实验是物理学在其他学科中应用的桥梁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。丁肇中在中山大学谈实验与理论

实验在物理研究中具有突出地位，但理论也非常重要。一个实验物理学家对理论一定要有深刻的了解，他做每一个实验都要寻求理论依据。但是理论又依赖于实验，再好的理论没有实验证明都是无效的。

理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。理论是认识事物的依据，实验是事实。StephenHawkin《时间简史》

任何物理理论总是临时性的：你永远不可能证明它。

不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增加了我们对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理论。

据说平均每750个地球人便拥有1本《时间简史》。Hawkin关于黑洞的理论

上个世纪70年代初，Hawkin提出了一个理论，即黑洞能够发出放射物。这一理论在当时引起极大的争议，多数科学家认为黑洞拥有非常强大的引力场以致没有东西能够逃离它们。其后，Hawkin的假说赢得了广泛认同，但未能证实。

而诺贝尔物理学奖只有实验证明一种新现象的前提下才会授予。

CERN(欧洲粒子物理研究所）的大型强子对撞机（LHC）可能会证实Hawkin的预言。剑桥大学的BenAllanach博士说：“如果LHC证实了霍金辐射的存在，获得诺贝尔奖就不是什么难事了。”高能物理实验（加速环）CERN欧洲核子中心27km2900employees(->2008)6000visitors20Memberstates+US,Canada,Japan,Russia,China,India,...Accelerators(LHC,2009)Detectors(ATLAS,

CMS,LHCb,ALICE)LargeHadronCollider大型强子对撞机

1913HeikeKamerlinghOnnes<<forhisinvestigationsonthepropertiesofmatteratlowtemperatureswhichled,interalia,totheproductionofliquidhelium>>超导被发现部分原因是一个小男孩思想开小差

荷兰莱顿大学的HeikeKamerlinghOnnes在实现了He的液化而获得了极低温度后，想测量液He温度下Hg的电阻，看它是否像LordKelvin（开尔文）所预言电子在绝对零度时停止运动，电阻为无限大。但他诧异地发现Hg的电阻在LHe温度下变为零。他认为一定是样品在哪处短路了，就想法修复，没有成功。

一次，他们发现Hg的电阻很奇怪地自己恢复正常了。一查，发现看管温度的男孩在值班时打瞌睡，温度上升超过了4.2K的Hg的转变温度。短路不可能和温度有关，应该排除，Hg电阻的剧降应该是一种固有特性。Onnes把这一现象称为超导。如何学习大学物理实验第二部分

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

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。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。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。

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，经过一年到两年的时间，真正能学有所得。Top10MostBeautifulExperimentsinPhysicsApollofthe<PhysicsWorld>RobertPCreasereported,

Sept20021Young‘s双缝实验用于单个电子的干涉(开放)2Galileo‘s自由落体实验(1600s)(随时随地)3Millikan‘s油滴实验(1910s)(一级)4Newton‘s三棱镜分解阳光(1665-1666)(二级)5Young‘s光干涉实验(1801)(一级)6Cavendish‘s扭摆实验(1798)(开放)7Eratosthenes‘测量地球周长(3rdcenturyBC)8Galileo‘s斜面上滚动球实验(1600s)(开放)9Rutherford‘s背散射(1911)(三级)10Foucault‘s摆(1851)(开放)1.Young'sdouble-slitexperimentappliedtotheinterferenceofsingleelectrons2.Galileo'sexperimentonfallingbodies (1600s)3.Newton'spositionofsunlightwithaprism(1665-1666)4.Millikan'soil-dropexperimentRobertAMillikan(1910s)5.Young’sdoubleslitlight-interferenceexperimentThomasYoung(1801)6Cavendish'storsion-barexperiment(1798)HenryCavendish7Eratosthenes'measurementoftheEarth's circumference(3rdcenturyBC)8Galileo'sexperimentswithrollingballs downinclinedplanes(1600s)9Rutherford'sdiscoveryofthenucleus(1911) ErnestRutherford10.FoucaultpendulumJeanBernardLeonFoucaulttodemonstratethespinofearthThefirstFoucaultpendulumexhibitedtothepublicwasin1851,suspendeda28Kgbobbya67metrewirefromthedomeofthePantheon(先哲祠)inParis第三部分实验课程的安排实验注意事项物理实验课的基本程序和要求一级物理实验：科学实验的入门课实验思想方法和技能训练的开端后续实验课程的基础一级物理实验的内容:基本量的测量基本实验仪器的使用基本实验技能的训练基本测量方法数据处理、误差分析知识点：力、热、电、光、近代物理独立课程物理实验课的基本程序和要求下午：2:00—5:00晚上：7:00—10:00*课前点名制度迟到扣分：2分/

5分钟；5分/

10分钟；10分/15分钟超过15分钟，不允许做实验！上课时间1.预习要求

a. 实验名称，实验目的；实验原理，包括主要公式、实验简图（电路图或光路图），

请用自己的语言简述实验原理，不要抄书c. 列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）；预习报告必须是手写的，不允许打印 不写预习报告不允许做实验!

2. 实验操作要求

a.对号入座；

b.了解实验仪器的使用及注意事项; c.认真听老师讲解，正式测量之前可作试验性探索操作; d.仔细观察和认真分析实验现象; e.如实记录实验数据和现象;

原始数据要求工整,规范,用表格记录;不允许用铅笔,

不要重抄,不能抄袭数据、凑数据，否则记零分！

f.原始数据需要老师签字

g.整理仪器，原物归位。3.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。

姓名班级学号年月日实验名称实验目的实验仪器实验原理(简要)测量记录原始数据数据处理计算要有代入过程，作图必须用坐标纸或origin软件误差分析定性的或定量的（不确定度）思考题一级物理实验成绩评定预习

15%预习报告、抽查提问操作

45%遵守纪律、听讲认真、独立实验、操作良好、记录规矩、结果合理、仪器完好报告

40%数据处理、不确定度、讨论、思考题、按时上交

实验报告，实验报告阅后经讲评后交回,老师会将分数及时上传到教学平台上，请及时登录检查分数。 预习报告作为正式报告的一部分，与和老师签过字的原始数据在交正式报告的时候一起上交。报告提交与批阅实验前检查预习报告实验后一周内交完整的实验报告（预习报告作为正式报告的一部分，与和老师签过字的原始数据在交正式报告的时候一起上交。

）再往后一周由老师批阅报告，上传成绩到教学信息平台，请自己核查分数是否有误。

学生要按时交报告，老师要按时批阅报告,欢迎就实验中的科学问题与老师交流。到哪个实验室做实验就在该实验室交报告

一级物理实验课表实验室1310142214241413132214231409132714211417负责教员黄环浦其荣黄双安梁燕赵霞陶小平梁燕黄环陆红琳蒋作宏实验老师郑虹胡勇郭强郭华菊甄素贞胡勇郭华菊郑虹汪启昕郭强实验名称1．分光计的调节和使用(1)2．分光计的调节和使用(2)1．切变模量的测量固体比热容的测量1．交流电及整流滤波电路2．用热敏电阻测温度1．光电效应法测普朗克常数2．密立根油滴实验测电子电荷1．直线运动与碰撞2．声速测量1．测量螺线管的磁场2．直流电表和直流测量电路1．用天平测量质量2．钢丝杨氏模量的测量1．干涉法测微小量2．透镜参数的测量1．半导体温度计的设计与制作2．用示波器测量时间1．落球法测定液体的粘度2．表面张力系数的测定名单名单第一个实验第一个实验第二个实验第二个实验预习

每个实验室做两周实验两周实验后循环到下一个实验室对号入座第3-14周共12周实验物理实验教学平台http://本人学号123学生属性实验答疑1.教学平台教师答疑(第五周开始)

周二下午3:30—5:00张增明房间：12383607671

周三下午3:30—5:00轩植华房间：周四下午3:30—5:00王中平房间：12353601850

周五下午3:30—5:00张宪锋房间：123536018503. 课程负责：张宪峰、王中平 电话：3601850

办公室位置：1235 Email:,注意事项无预习报告不得做实验；迟到15分钟以上不得做实验,迟到扣分；学生不得擅自调课；病假要有医院证明，事假要有系教学主任和教务处处长签字的假条。以后可另行补做，否则按旷课处理。补做实验需插空补；遇法定节假日，跳过一次课，系级活动不得影响教学；保持实验室卫生、不吃零食、避免大声喧哗；报告抄袭,抄数据,凑数据按零分处理。实验安全电学安全光学安全仪器使用安全第四部分

测量的不确定度和数据处理

（第一册第二章）测量的不确定度物理量的测量等精度测量误差A类不确定度B类不确定度展伸不确定度间接测量的不确定度研究不确定度的意义物理量的测量把待测物理量直接或间接地与一个被选做标准的同类物理量做比较。测量结果4要素：包括这种比较操作所得到的比值、单位，还应说明这一结果在什么范围内的置信概率。真值：物理量在一定实验条件下的客观存在值， 即物理量的真实值(一般不知道)

测量误差=测量值-真值

测量误差存在于一切测量过程中，可以控制得越来越小， 不可能为零测量的正确度、精密度、精确度结果比较接近客观实际的测量：正确度高，表示系统误差的大小重复测量结果彼此相近的程度：精密度高，反映测量结果随机误差的大小既正确又精密的测量：精确度高(系统误差和随机 误差的综合效果)等精度测量

同一人、同一方法、同一仪器、同等条件对同一物体进行多次测量（5同）误差的来源方法误差测量方法或测量原理本身所引起的仪器误差测量设备或仪器本身固有的各种因素的影响环境误差周围环境的影响主观误差测量操作人员的素质影响误差误差类别

系统误差公式近似仪器结构不完善环境条件：环境误差生理、心理因素特点：恒定，经验积累减小误差偶然误差:随机性系统误差公式近似：理论误差单摆：绝热系统：补偿法伏安法测电阻内接法外接法lAVRxAVRx减小电表内阻引起的误差系统误差仪器误差： 结构不完善 螺旋测微计零点不准确(校准)

天平不等臂(交换)系统误差个人误差：生理、心理因素；按钮超前、滞后，斜视测量误差=测量值-真值一般不知道!!如何描述？测量误差

不确定度测量不确定度:它是与测量结果相关联的参数,用以表征测量值可信赖的程度,或者说它是被测量值在某一范围内的一个评定.A类标准不确定度：用观测列统计分析评定也称统计不确定度(多次等精度测量)B类标准不确定度：不用统计分析评定，也称非统计不确定度(单次测量、仪器误差、估计误差)物理量Y待测量测量值：单次，多次平均，间接测量值不确定度不确定度：代表测量值N不确定的程度，也是对测量误差的可能值的测度，对待测真值可能存在的范围的估计。测量结果范围：置信概率：100%，ΔN：极限不确定度，相对不确定度：置信区间大，置信概率大测量列：多次等精度测量，n次无法判定哪一次更可靠；可以预期它们的平均值最可靠；当测量次数

n

趋于无穷时，只要能排除系统 误差（如仪器或环境因素），其平均值就是被 测物理量的“真值”。A类不确定度问题的提出设想球磨机生产出一批钢球。用螺旋测微器测得一个球的一个直径值为

D=12.345mm我们无法判断这个球“圆的程度”，更无法判断这批球“圆的程度”以及它们大小的“均匀度”。为此要采集多个样本对于第一种情况，沿不同方向多次测量直径，求平均值，并研究各个测量值与平均值的离散性，得到“圆的程度”。对于第二种情况，随机取若干钢球,分别测量它们的直径，求平均值，并研究各个测量值与平均值的离散性，“均匀度”。测量列的期望值

平均值如何评价该测量列中测量值的离散程度：

测量列的标准差正态分布

当有大量的、彼此无关的等权重的次要因素随机地影响测量结果，而测量次数趋于无穷时，测量值与平均值之差成为连续型随机变量，其概率密度分布为正态分布：正态分布特点对称性：测量值比平均值大或小者几率相等单峰性：测量值接近平均值的几率最大,与平 均值相差越大者几率越小有界性抵偿性：减小偶然误差但不能消除归一化：曲线下面积为1测量列标准差的统计学意义标准差反映了测量值的离散程度；当测量次数足够大时（比如大于10次），测量列中任一测量值与平均值之差落在正负标准差范围内的概率为0.683；落在2倍正负标准差内的概率为0.955；落在3倍正负标准差内的概率为0.997。数据的舍弃

在多次等精度测量中，如果有个别数据偏差很大，应慎重对待。往往新规律就孕育于“异常”之中；

与测量列的平均值之差大于该测量列标准差的3倍，按高斯分布，其概率小于0.3%。对于有限次测量,可以判断为测量失误,予以剔除。

3s

法则测量列的平均值与测量次数有关，它的涨落随着次数增加而减小。测量列平均值的标准差即测量列的A类标准不确定度为A类标准不确定度平均值标准差的统计意义待测物理量在的概率为0.683；在的概率为0.955；在的概率为0.997；不写明概率，应默认为0.95。对钢球”圆的程度”的评价:其直径的相对偏差小于0.02％的可能性超过(大于等于)95.5％.或对这一批钢球”均匀度”的评价:其直径在范围内的可能性超过95.5％.其它分布三角分布均匀分布学生分布(t分布)泊松分布学生分布高斯分布是无穷多次数测量的一种极限情况。有限次数时，成为学生分布（t分布）。曲线较平缓。t因子

由于曲线平缓,要得到相同的置信概率显然要在更大的不确定度范围.即要将高斯分布中得到的标准差乘以一个因子

t.其大小与测量次数以及置信概率有关,见30页的表当n=6~10次,要求P=0.68时,t~1.1;

当要求P=0.95时,t~2.4.

凡是不能用统计方法来处理的不确定度均为B类不确定度，如一次测量的B类不确定度（1）测量者估算产生的部分Δ估（2）仪器精度的限制：最大允差Δ仪

B类测量不确定度用同一型号的多个仪器测量同一物理量，测量值不尽相同，这种差别有一定的范围在此范围内，这种差别也遵循某种分布例如，工厂大量生产某一量具，当设备、技术、原材料、工艺等可控制的生产条件都相对稳定，不存在系统误差的明显因素，则产品的质量指标近似服从正态分布。如果仪器的测量误差在最大允差范围内出现的概率都相等（如长度块规在一定温度范围内由于热胀冷缩导致的长度值变化），就为均匀分布。界于两种分布之间则可用三角分布来描述。

仪器的最大允差Δ仪B类不确定度的来源之一

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，可能产生的最大误差。一般而言，Δ仪为仪器最小刻度所对应的物理量的数量级（但不同仪器差别很大）。（见第一册第26页）这种差别也遵循某种分布，一次测量值的B类标准差为，其中C称为置信系数。在最大允差范围内，对于正态分布，C=3，P=0.68；对于三角分布，C=，P=0.74；对于均匀分布，C=，

P=0.58。难以确定时,常常按均匀分布处理，但置信系数不等于0.68。仪器米尺游标卡尺千分尺物理天平秒表误差分布正态均匀正态正态正态置信系数C3333模拟（指针）电表的最大允差量程乘级别的百分数。例:量程为100伏的一级电压表，测量一个电池的电动势为1.5V。仪表的不确定度为1.0V。若量程为10伏，则降低到0.1V。数字电表仪器最大允差为读数乘级别的百分数，再加上最末位稳定的若干单位。例:如某精度为1.0级的三位半电表，用100.0伏量程测量电池电动势，读数为1.5V。按其说明书,读数乘级别的1%,再加上末位的(譬如)5个单位。则测量结果的不确定度为(0.015+0.5)V=0.52V。改用10.00V量程，则为（0.015+0.05）=0.065V。

测量者估算产生的Δ估B类不确定度的来源之二

对于刻度式仪表,测量估算的不确定度Δ估常常小于等于仪器最小刻度的一半； 对于数字式仪表，如果数字稳定,没有估算不确定度即Δ估=0;如果数字跳动变化,记录其稳定表示的值。可以预测，Δ估与Δ仪有着类似的分布规律。用秒表测量时间,估算误差为0.2秒左右.在几十秒钟的时间段,远大于仪器的最大允差.在暗室中做几何光学实验，进行长度测量时，长度的估算误差也可达±（1-2）mm。选Δ估、Δ仪二者中较大的为测量值的B类不确定度.

对于刻度式仪表,估算误差Δ估常常取最小分度值的二分之一或十分之一；对于数字式仪表，则取其稳定显示最末位数的一个最小单位。B类不确定度的最大值

B类标准不确定度(68.3%)B类展伸不确定度P0.5000.6830.9000.9500.9550.9900.997kP(正态分布)0.681.001.651.962.002.583.00P32多次测量中每一次测量都有B类不确定度，而其多次测量结果的离散性由A类不确定度来表示，它们都对测量结果的不确定度有贡献，所以要合成。

相同置信概率的不确定度按平方和来合成.合成标准不确定度将置信概率都是0.68的A类和B类标准差合成得到置信概率P=0.68的合成标准不确定度。合成标准不确定度展伸不确定度将合成标准不确定度乘以一个与一定置信概率相联系的因子K，得到扩大了置信概率(通常为0.95)的不确定度叫做展伸不确定度（或扩展不确定度），取K=2。展伸不确定度上式中的被舍去相同置信概率的不确定度才可以按平方和来合成测量结果的表示:

合成具有不同置信概率

A类与B类不确定度的参数Kp

0.5000.5770.6500.6830.9000.9500.9550.9900.997正态分布0.67511.651.9622.583均匀分布0.87711.1831.5591.6451.6541.7151.727三角分布0.7170.86211.0641.6751.9011.9292.2042.315PKpA类不确定度上的概率为68.3%B类不确定度正态分布，B类标准不确定度：C：置信系数，与仪器测量误差的分布概率有关正态分布：均匀分布：三角分布：合成标准不确定度概率为68.3%展伸不确定度总结测量结果的最后表达式

uA=0.003mm,10次测量误差传递的基本公式问题提出间接测量量:是彼此独立的直接测量量.对函数求全微分或先取对数再求微分合并同类项将微分符号改成不确定度符号求各项平方和最大不确定度

在很多情况下,往往只需粗略估计不确定的大小,可采用较为保守的线性(算术)合成法则两边取对数得：求全微分得：合并同类项：将微分号变为不确定度符号：P36例2常用函数不确定度传递公式函数表达式传递（合成）公式最大不确定度（仅用于设计！）

在很多情况下,往往只需粗略估计不确定的大小,