大學物理實驗論

1、大學物理實驗(一）緒 論 imagination is more important than knowledge.-albert einstein 開設物理實驗課程目的http:/ 院系 物理學院 物理基礎教學中心 下載大學生的現(xiàn)狀： 習慣于知識的被灌輸， 迷信課本答案 重理論輕實踐 不敢思考 怕犯錯誤 好奇心被催眠 動手能力弱 因此物理實驗課程： 不僅是實驗能力的培養(yǎng) 還要激發(fā)好奇心和質詢能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。 創(chuàng)新能力是綜合能力的一部分，從學生培養(yǎng)的的角度看，主要包含兩部分： 一、提出問題 二、解決問題現(xiàn)在的教育偏重于后者，即學生的知識儲備、分析問題、解決問題的能力。讓學生能夠發(fā)現(xiàn)問題、

2、提出問題這在當今高校人才培養(yǎng)已經開始重視，是學生創(chuàng)新能力的一個重要方面。著名華裔物理學家、諾貝爾獎得主李政道在2010年首屆“創(chuàng)新中國論壇”上指出“要創(chuàng)新，需學問；只學答，非學問。要創(chuàng)新，需學問；問愈透，創(chuàng)更新。”實驗注重：實驗能力 ：動手，思維，協(xié)作，獨立性，表達方法：思維方法，測量方法，興趣：好奇心，耐心意識：創(chuàng)新意識，實驗意識實驗意識上述過程中，會使得你綜合能力得到培養(yǎng)。上述過程中，會使得你綜合能力得到培養(yǎng)。 當然實驗：可能成功，可能失敗，因為這是實驗！交叉學科發(fā)展，物理學成為必備的基礎交叉學科發(fā)展，物理學成為必備的基礎 引 言 物理學是研究物質運動一般規(guī)律的學科，是一門以實驗為基礎的學

3、科。新的理論是否準確，一定要經過實驗的檢驗。 物理實驗在培養(yǎng)學生獨立從事科學技術研究工作的能力、理論聯(lián)系實際的分析綜合能力與思維和表達能力等具有獨特的優(yōu)勢。 而物理學從根本上來說是一門實驗科學而物理學從根本上來說是一門實驗科學物理學中實驗與理論物理學中實驗與理論 理論依賴于實驗，再好的理論沒有實驗證明都是無效的。 理論永遠推翻不了實驗，但實驗可以推翻理論。當實驗把理論推翻了之后，可以尋找新的理論。任何物理理論總是臨時性的：你永遠不可能證明它。 理論是認識事物的依據(jù)，實驗是事實。所以實驗在物理研究中具有突出地位。一、實驗安排二、實驗要求三、實驗數(shù)據(jù)處理基本方法四、誤差與有效數(shù)字理論一、實驗的安排

4、一、實驗的安排第6周第8周：物理實驗（3個） 第9周：實驗小結第10周17周 物理實驗第18周 實驗考試時間安排時間安排：第4周：實驗緒論課（9月22-25日）下午 14：0016：30晚上 17：5020：20 （如下午7-8節(jié)有課時間可與老師商 量） 星期六實驗室有選擇開放星期六實驗室有選擇開放 8：4014：40（具體看丙區(qū)電（具體看丙區(qū)電梯間通知梯間通知）可自由進行實驗或預習及補做實驗 實驗課時間：實驗課時間：購買實驗講義：地點：紀忠樓 丙區(qū)316時間：9月25日（星期五）9：00-16：40 電話：周老師江老師材（包含實驗中坐標紙等

5、）21元報告紙 5元 總計26元請年級長或班長統(tǒng)計人數(shù)收費購買實驗序號、內容、地點表實驗序號、內容、地點表 力力 學學實驗序號實驗序號實驗題目實驗題目實驗地點實驗地點實驗一拉脫法測量液體表面張力系數(shù)丙302實驗二用光杠桿法測量鋼的楊氏模量丙301實驗三弦振動丙305實驗四冷卻法測量金屬比熱容丙303電 學實驗序號實驗序號實驗題目實驗題目實驗地點實驗地點實驗五地磁水平分量的測量乙309實驗六霍耳效應乙314實驗七直流萬用電表設計與組裝乙307實驗八示波器的使用乙316光學光學實驗序號實驗序號實驗題目實驗題目實驗地點實驗地點實驗九用分光計測量玻璃的折射率丙317實驗十平行光束在球形界面的反射與折射

6、丙321實驗十一牛頓環(huán)丙320實驗十二單縫衍射丙323物理實驗循環(huán)表：物理實驗循環(huán)表：1234567181一一二二三三實實驗驗小小結結與與討討論論五五六六七七實驗實驗考試考試2二二三三四四六六七七八八3三三四四一一七七八八五五4四四一一二二八八五五六六5五五六六七七九九十十十十一一6六六七七八八十十十一十一十十二二7七七八八五五十一十一十二十二九九8八八五五六六十二十二九九十十9九九十十十一十一一一二二三三10十十十一十一十二十二二二三三四四11十一十一十二十二九九三三四四一一12十二十二九九十十四四一一二二學生分組：學生分組： 每一單元時間學生分為12個組，分組名單見丙區(qū)電梯間3樓附近的墻上

7、。 (分組名單9月28日前公布）。 每組學生由三位老師分別指導力學、電學、光學實驗注意：注意： 名單上沒有的同學可以在一組同學少于名單上沒有的同學可以在一組同學少于20人的人的名單上自己選擇時間加上（標注院系）并在第一次名單上自己選擇時間加上（標注院系）并在第一次實驗時間與帶老師聯(lián)系。實驗時間與帶老師聯(lián)系。二、實驗要求二、實驗要求 實驗分三個階段： 預習、實驗、報告 預習階段：預習階段： 需要將所做實驗講義預習一遍，準備好預習報告，包含實驗題目、目的、原理（要點以及公式、圖）和使用儀器（該部分可以作為正式報告的一部分）。并準備好實驗中需要的數(shù)據(jù)表格，老師會檢查。實驗階段實驗階段： 按學號順序入

8、坐。按學號順序入坐。 注意儀器的使用方法（實驗前老師會講注意事項和要領），按實驗要求進行操作。實驗測量數(shù)據(jù)必須用有有色筆色筆記錄，經過老師的認可簽字老師的認可簽字，該實驗原始記錄數(shù)據(jù)作為實驗報告的附件與實驗報告同時交。 實驗完成后，必須將實驗儀器整理實驗儀器整理好才能離開實驗室。 實驗儀器損壞按實驗室賠償制度執(zhí)行，要求學生寫損壞情況說明并張貼實驗室，期末統(tǒng)一處理。 實驗報告實驗報告： 要完整：包含題目、目的、儀器、原理、數(shù)據(jù)記錄和處理、思考題、實驗討論。 原理：應列出主要的理論公式和實驗線路圖。 實驗數(shù)據(jù)：必須將原始實驗記錄重新謄寫。 數(shù)據(jù)處理：要有代數(shù)式、算術式和結果；可能的話，需要給出實驗

9、測量誤差。 實驗討論：可以將實驗中遇到的問題、異?，F(xiàn)象以及實驗儀器的使用體會等都列入討論范圍，也可以向老師請教。鼓勵獨立思考，提出問題并加以討論鼓勵獨立思考，提出問題并加以討論。 實驗報告于下一次實驗時交給老師，老師同時發(fā)回上次報告 本學期共計完成11個實驗實驗成績以平時成績?yōu)橹鳌?實驗報告發(fā)現(xiàn)不誠實的行為，將嚴重影響實驗成績 同學們如覺得自己的報告老師評分明顯出入大，把該報告期末交到乙325周進。實驗考試為實驗成績評定的重要補充。 列表法列表法 作圖法作圖法 逐差法逐差法 最小二乘法（回歸法）最小二乘法（回歸法）三、實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法三、實驗數(shù)據(jù)處理的基本方法列表法： 列表：可以將物理量

10、之間的對應關系簡明、醒目，有助于發(fā)現(xiàn)其間的規(guī)律，比如遞增或遞減。 要注意：（1）表格設計合理、簡明，便于觀察（2）欄目中物理量注明名稱名稱 和單位單位（3）一般，順序與測量順序一致（4）用有效數(shù)字填寫原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)作圖法：優(yōu)點和應用： 求間接量可以省去繁雜的計算 易于求經驗公式 物理量之間的關系直觀 驗證物理定律和尋找統(tǒng)計規(guī)律 定標作圖方法和規(guī)則: 物理量列表 坐標的選擇，物理量，單位 實驗測量點的標定符號 連線的方法 注明實驗條件和從圖上獲得的某些有用參數(shù) 標定圖的名稱及其必要的說明電流i/ma1.02.03.01020 30 4050a(i1,v1)b(i2.v2)電壓u/v圖一 交流回

11、路中電壓與電流關系累加法： 對應線性變化的關系，可以采用累加法。 如滿足x, y線性關系y=kx,求比例系數(shù)k 測量值x1, y1, x2, y2, xn, ynnnxxxyyyk 2121其他方法： 分組逐差法：線性關系時用 經驗公式擬合方法： 判斷和假定、改直試驗、檢驗四、誤差與有效數(shù)字理論四、誤差與有效數(shù)字理論 測量測量與誤差與誤差 誤差計算的基本方法誤差計算的基本方法 有效數(shù)字的基本知識有效數(shù)字的基本知識測量測量與誤差與誤差(一一) 真值、測量值和誤差真值、測量值和誤差 物理實驗中離不開對物理量的測量真真 值：值： 反映物理量的客觀存在的真實數(shù)值，用 a 表示。 實驗中常以標準值或理論

12、值或平均值代替真值。 測量值：測量值：用實驗手段測量出來的值用x表示誤差：誤差：測量值與真值差稱為誤差 測量誤差測量值真值測量誤差測量值真值 xxa (二二) 測量及測量結果的評價測量及測量結果的評價(1) 直接測量及間接測量直接測量及間接測量 一般儀器都有一定刻度，以便直接讀數(shù)，這種用儀器直接讀數(shù)的測量稱為直接測量。 由直接測量通過一定函數(shù)計算得到的測量稱為間接測量。(2) 等精度測量和不等精度測量等精度測量和不等精度測量 用同一種儀器在相同條件下對物理量進行多次測量時，這些測量具有相同的精度，稱為等精度測量。 儀器條件變化時的測量稱為不等精度測量。(3) 測量的精密度、準確度、精確度測量的

13、精密度、準確度、精確度測量的精密度、準確度、精確度都是評價測量結構優(yōu)劣程度的標志，與測量誤差有關。精密度：一個等精度測量物理量得到的一組數(shù)據(jù)彼此接近程度稱為精密度。準確度： 測量數(shù)據(jù)與真值靠近的程度稱為準確度。精確度：測量數(shù)據(jù)精密度與準確度的結合稱為精確度。xaxaxaxaxaxa精密度低 精密度高 準確度低 準確度高精確度低 精確度高 （三）系統(tǒng)誤差和偶然誤差（三）系統(tǒng)誤差和偶然誤差 系統(tǒng)誤差：系統(tǒng)誤差： 1）儀器誤差 如電表刻度不準，天平不等臂、砝碼質量不準確等。 2）方法誤差 例如，單擺的周期計算公式成立的條件是擺角趨于零，再加上公式中沒有考慮空氣浮力和擺線質量影響等因素，這就決定了測量

14、結果必然存有誤差。 3）個人誤差 由于人的心里和生理因素實驗時反應和感覺靈敏度的差別產生誤差。4）環(huán)境誤差 測量時周圍環(huán)境如溫度、氣壓、振動電磁場等影響與標準狀態(tài)不一致產生的誤差。 一般來說，系統(tǒng)誤差可以設法減小或部分加以消除。 2、偶然誤差偶然誤差：偶然誤差：又稱隨機誤差。如實驗環(huán)境溫度的起伏，空氣的不規(guī)則流動，電源電壓的隨機微擾，等等，但有一定的統(tǒng)計規(guī)律。 設物理量的真值a，測量量 xi，根據(jù)誤差的定義，各次測量的誤差 xi = xia i = 1, 2 , , n誤差計算的基本方法誤差計算的基本方法1、直接測量誤差的計算、直接測量誤差的計算 設物理量的真值a，測量量xi，根據(jù)誤差的定義，

15、各次測量的誤差 xi = xia i = 1, 2 , , n（1）單次測量）單次測量 可按儀器注明的誤差作為單次測量的誤差，或者取儀器上最小刻度的一半作為單次測量的誤差。例如： ll l（287.50.5）mm平均值：一般來說算術平均值是測量的最佳值或近真值。算術平均偏差： niinxxn)xxxxxx(nx12111niixnx11（2）多次測量）多次測量 xxx用算術平均偏差表示：用算術平均偏差表示： 用標準差表示：用標準差表示：當測量數(shù)足夠多時，隨機誤差滿足一定的分布。通常用平均值標準偏差來表示：2、物理量（測量結果）的表示：、物理量（測量結果）的表示：)1()(12nnxxnii x

16、x%100 xxer絕對誤差與相對誤差絕對誤差與相對誤差絕對誤差（誤差）：絕對誤差（誤差）：相對誤差（百分誤差）：相對誤差（百分誤差）：x),(zyxfp x, y, z 為直接測量量，其結果為為直接測量量，其結果為:間接測量量由直接測量量的算術平均值代入函數(shù)間接測量量由直接測量量的算術平均值代入函數(shù)關系計算得到。關系計算得到。設物理量：設物理量：zyxzzyyxx3、間接測量的誤差估算：、間接測量的誤差估算：),(zyxfp p 的測量結果為的測量結果為: p 的誤差的誤差由x, y, z 測量誤差傳遞形成222222)()()(zyxpzfyfxf p 的相對誤差的相對誤差:222222)

17、ln()ln()ln(zyxpzfyfxfp誤差計算原則：誤差計算原則： 當間接測量誤差計算中 含加減運算時，先計算絕對誤差,后計算相對誤差較為方便。 當計算公式中含有乘除，乘方或開方運算時，先算相對誤差，后算絕對誤差較為方便。zyxzyxf),(乘除運算的相對誤差等于各直接測得量的相對誤差之和。zzyyxxzyxzzyxyzyxxzyxff111對應于算式平均誤差間接測量值其相對誤差為：例zzyyxxff不確定度的概念 由于物理量不能知道真值，因而用誤差的概念并不準確，現(xiàn)在提出不確定度的概念，即由于測量誤差的存在，測量值不能肯定的程度。簡單的考慮就是前面的誤差。準確的描述可以參考近年出版的誤

18、差分析方面的資料.一、有效數(shù)字的定義、有效數(shù)字的定義 測量結果中數(shù)位可靠數(shù)字可靠數(shù)字和一位一位具有誤差的可疑數(shù)字可疑數(shù)字，統(tǒng)稱為測量結果的有效數(shù)字有效數(shù)字。(b)(a)65432106543210圖 0-2（a）測量結果是4.5厘米，兩位有效數(shù)字。（b）測量結果為4.48厘米，三位有效數(shù)字。一般來說，可疑數(shù)字只取一位。有效數(shù)字的基本知識有效數(shù)字的基本知識二、幾點應注意的問題二、幾點應注意的問題1、有效數(shù)字的位數(shù)和小數(shù)點的位置無關 例如： 8.37cm = 0.0837m，仍然是三位有效數(shù)字。 1.000c m 與1.0cm兩者測量精確度不同 。 在測量結果的單位變換中，有效數(shù)字的位數(shù)不變。2、

19、無論直接或間接測量的結果，其有效數(shù)字位數(shù)取舍的最后依據(jù)是：末位的可疑數(shù)字必須與誤差所在的位對齊 如，經計算得出某體積測量結果10.67cm3,而誤差是0.3cm3，則最后結果應為 (10.70.3)cm3。3、一般來說，絕對誤差和相對誤差都只取一位有效數(shù)字。如果相對誤差超過10，可取二位三、有效數(shù)字的運算規(guī)則三、有效數(shù)字的運算規(guī)則1、可靠數(shù)字與可靠數(shù)字相運算，其結果仍為可靠數(shù)字2、可靠數(shù)字與可疑數(shù)字相運算，或可疑數(shù)字之間相運算，其結果均為可疑數(shù)字。（進位除外）3、運算的結果一般只保留一位可疑數(shù)字。末尾多余的可疑數(shù)字取消時，一般可采用“四舍六入”五湊偶原則。例：將下列數(shù)據(jù)保持四位有效數(shù)字。3.14159 3.142 2.71729 2.7174.51050 4.510 3.21550 3.2164、在運算中，