大學(xué)物理實驗

緒論主講：楊開禧大學(xué)物理實驗大學(xué)物理實驗課的地位與作用《大學(xué)物理實驗》是理工科院校各專業(yè)的一門必修的、獨立設(shè)置的基礎(chǔ)實驗課，是學(xué)生在大學(xué)接受系統(tǒng)實驗方法和實驗技能訓(xùn)練的開端。物理學(xué)學(xué)什么？為什么要學(xué)物理學(xué)物理學(xué)是研究物質(zhì)運動一般規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，是學(xué)習(xí)其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，物理實驗在物理學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用過程中起到重要的作用。物理學(xué)重大發(fā)現(xiàn)深刻影響著我們的生活，X射線、核磁共振、核能、激光、信息技術(shù)……1901年諾貝爾物理學(xué)獎——X射線的發(fā)現(xiàn)倫琴1901年，首屆諾貝爾物理學(xué)獎授予德國物理學(xué)家倫琴（WillhelmKonradRotgen，1845—1923）以表彰他在1895年發(fā)現(xiàn)的X射線。1895年，物理學(xué)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，它的幾個主要部門--牛頓力學(xué)、熱力學(xué)和分子運動論、電磁學(xué)和光學(xué)，都已經(jīng)建立了完整的理論，在應(yīng)用上也取得了巨大成果。這時物理學(xué)家普遍認(rèn)為，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頂了，以后的任務(wù)無非是在細(xì)節(jié)上作些補(bǔ)充和修正而已，沒有太多的事情好做了。正是由于X射線的發(fā)現(xiàn)喚醒了沉睡的物理學(xué)界。它像一聲春雷，引發(fā)了一系列重大的發(fā)現(xiàn)，把人們的注意力引向更深入、更廣闊的天地，從而揭開了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕。偉大的發(fā)現(xiàn)，巨大的應(yīng)用！僅與X射線研究有關(guān)的諾貝爾物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)就有15項，其中物理學(xué)獎就有7項。它們分別是居里夫婦的放射性的發(fā)現(xiàn)（1903年），布拉格父子的X射線分析晶體結(jié)構(gòu)（1915年），巴拉克的元素的標(biāo)識倫琴輻射的發(fā)現(xiàn)（1917年），西格班的X射線的光譜學(xué)研究（1924年），康普頓的X射線散射（1927年）及戴維遜和湯姆遜的X射線的電子衍射（1937年)?；瘜W(xué)3項，它們分別利用X射線獲取化合物、晶體的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和信息。生物醫(yī)學(xué)獎5項，它們分別是X射線人工誘變，DNA結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)和破譯，重要用途藥物的晶體結(jié)構(gòu)、X射線層析三維立體成像技術(shù)（CT）。CT是一種功能齊全的病情探測儀器，它是電子計算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)簡稱。CT的工作程序是這樣的：它根據(jù)人體不同組織對X線的吸收與透過率的不同，應(yīng)用靈敏度極高的儀器對人體進(jìn)行測量，然后將測量所獲取的數(shù)據(jù)輸入電子計算機(jī)，電子計算機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，就可攝下人體被檢查部位的斷面或立體的圖像，發(fā)現(xiàn)體內(nèi)任何部位的細(xì)小病變。1951年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加利福尼亞斯坦福大學(xué)的布洛赫(FelixBloch,1905-1983)和美國馬薩諸塞州坎伯利基哈佛大學(xué)的珀塞爾(EdwardPurcell,1912-1997),以表彰他們發(fā)現(xiàn)了核磁精密測量的新方法及由此所作的發(fā)現(xiàn)。1945年12月，珀塞爾和他的小組在石蠟樣品中觀察到質(zhì)子的核磁共振吸收信號，1946年1月，布洛赫和他的小組在水樣品中也觀察到質(zhì)子的核感應(yīng)信號。他們兩人用的方法稍有不同，幾乎同時在凝聚態(tài)物質(zhì)中方法了核磁共振。他們發(fā)現(xiàn)了斯特恩開創(chuàng)的分子束方法和拉比的分子束磁共振方法，精確的測量了核磁矩。以后許多物理學(xué)家進(jìn)入了這個領(lǐng)域，形成了一門新興實驗技術(shù)，幾年內(nèi)便取得了豐碩的成果。1952年諾貝爾物理學(xué)獎——核磁共振布洛赫珀塞爾核磁共振成像（MRI）使用射頻波和強(qiáng)磁場而非X射線來提供異常清晰且詳細(xì)的內(nèi)臟器官和組織的2D及3D圖片。1903年諾貝爾物理學(xué)獎——貝克勒爾皮埃爾居里瑪麗居里1903年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予法國物理學(xué)家亨利貝克勒爾（AntoineHenriBecquerel,1852-1908），以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性；另一半授予法國物理學(xué)家皮埃爾居里（PierreCurie,1859-1906）和瑪麗斯可羅夫斯卡居里（MarieSklodowska,1867-1934）,以表彰他們對貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象所作的卓越貢獻(xiàn)原子彈1909年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國倫敦馬克尼無線電報公司的意大利物理學(xué)家馬克尼（GuglielmoMarcoin,1874-1937）和德國阿爾薩斯州特拉斯堡大學(xué)的布勞恩(KarlBraun,1850-1918),

以表彰他們在發(fā)展無線電報上所作的貢獻(xiàn)。1909年諾貝爾物理學(xué)獎——無線電報馬克尼布勞恩1956年諾貝爾物理學(xué)獎——晶體管的發(fā)明

肖克利巴丁布拉坦1956年諾貝爾物理學(xué)獎授予美國加利福尼亞州景山(MountainView)貝克曼儀器公司半導(dǎo)體實驗室的肖克利（WilliamShockley,1910-1989）、美國伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學(xué)的巴?。↗ohnBardeen,1908-1991）和美國紐約州謬?yán)蘸枺∕urrayHill）貝爾電話實驗室的布拉坦（WalterBrattain,1902-1987）,以表彰他們對半導(dǎo)體的研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。

晶體管的發(fā)明是20世紀(jì)中葉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有劃時代意義的一件大事。由于晶體管比電子管有體積小、耗電省、壽命長、易固化等優(yōu)點，它的誕生使電子學(xué)發(fā)生了根本性的變革，它撥快了自動化和信息化的步伐，從而對人類社會的經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)生不可估量的影響。2000年諾貝爾物理學(xué)獎——半導(dǎo)體研究的突破性進(jìn)展2000年諾貝爾物理學(xué)獎授予三位科學(xué)家，表彰他們在移動電話及半導(dǎo)體研究中獲得突破性進(jìn)展。他們分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯阿爾費羅夫、美國加利福尼亞大學(xué)的赫伯特克勒默和德州儀器公司的杰克S基爾比。他們的工作奠定了現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。阿爾費羅夫赫伯特克勒默基爾比2009年諾貝爾物理學(xué)獎——光纖通信和CCD圖像傳感器的應(yīng)用高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎一半的獎金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，將分享今年物理學(xué)獎另一半獎金。1964年諾貝爾物理學(xué)獎一半授予美國馬薩諸塞州坎布里奇的麻省理工學(xué)院的湯斯(CharlesH.Townes，1915-)，另一半授予蘇聯(lián)莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)院列別捷夫物理研究所的巴索夫(NikolayG.Basov，1922-)和普羅霍羅夫(AleksandrM.Prokhorow，1916-)，以表彰他們從事量子電子學(xué)方面的基礎(chǔ)工作，這些工作導(dǎo)致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器。1964諾貝爾物理學(xué)獎——微波激射器和激光器的發(fā)明湯斯巴索夫普羅霍羅夫激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各單詞頭一個字母組成的縮寫詞。意思是"通過受激發(fā)射光擴(kuò)大"。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。激光應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距、激光雷達(dá)、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。教學(xué)目的與要求學(xué)習(xí)實驗知識培養(yǎng)實驗?zāi)芰μ岣邔嶒炈仞B(yǎng)學(xué)習(xí)物理實驗知識“三基”——基本原理、基本儀器和基本方法觀察與分析物理現(xiàn)象，測量物理量，學(xué)習(xí)物理實驗的原理和設(shè)計思想，掌握和理解物理理論；學(xué)會儀器的基本原理和使用方法；掌握物理實驗的基本技術(shù)；掌握誤差理論。培養(yǎng)實驗?zāi)芰κ褂脙x器能力——能借助教材或儀器使用說明書掌握儀器使用方法。故障分析能力——對實驗中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象能正確找出原因并排除。觀察思維能力——通過觀察分析實驗現(xiàn)象，并得出正確規(guī)律的能力。數(shù)據(jù)處理能力——能正確記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，正確分析實驗誤差，從實驗結(jié)果中獲得有用的信息?？茖W(xué)研究能力——了解科學(xué)研究的過程，培養(yǎng)實事求是和自主創(chuàng)新的精神。實驗設(shè)計能力——能根據(jù)課題要求，確定實驗方案和條件，合理選擇實驗儀器的能力。報告寫作能力——能撰寫規(guī)范、合格的實驗報告的能力。提高實驗素養(yǎng)培養(yǎng)理論聯(lián)系實際和實事求是的科學(xué)作風(fēng)；嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度；科學(xué)研究和創(chuàng)新能力；遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作和愛護(hù)公共財產(chǎn)的優(yōu)良品德。物理實驗的具體要求：正確使用常用儀器；掌握基本物理量的測量方法；運用物理學(xué)理論對實驗現(xiàn)象進(jìn)行初步分析；正確記錄、處理實驗數(shù)據(jù)，繪制實驗曲線，說明實驗結(jié)果，撰寫合格的實驗報告；能夠根據(jù)實驗?zāi)康暮蛢x器設(shè)計出合理的實驗方案；現(xiàn)代物理實驗儀器設(shè)備、器件的原理、使用方法。如何學(xué)好大學(xué)物理實驗？培養(yǎng)閱讀教材與參考書的良好習(xí)慣。按大學(xué)物理實驗的程序養(yǎng)成嚴(yán)格的實驗規(guī)范。上好每次實驗課，全面的掌握課程的內(nèi)容。自覺的訓(xùn)練實驗技能。認(rèn)真寫作實驗報告。物理實驗課基本程序?qū)嶒烆A(yù)習(xí)—實驗?zāi)芊耥樌M(jìn)行的關(guān)鍵明確實驗?zāi)康念A(yù)習(xí)實驗原理練習(xí)基本儀器使用了解實驗注意事項寫好實驗預(yù)習(xí)報告實驗名稱、目的、主要儀器原理簡述（主要公式、原理圖）簡要步驟（注意事項）列出記錄數(shù)據(jù)表格（已知量、指定量、待測量和單位）物理實驗課基本程序?qū)嶒灢僮髯袷貙嶒炇乙?guī)則（附錄一P171）。清點儀器，了解儀器性能和使用方法，按要求組裝、調(diào)試，了解儀器使用的注意事項。依照學(xué)號按號入座，根據(jù)老師講解及儀器使用方法進(jìn)行實驗操作。實驗中，仔細(xì)觀察實驗現(xiàn)象，記錄必要的實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)紙上。必須獨立完成實驗，掌握實驗內(nèi)容。實驗操作物理實驗課基本程序如實記錄實驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象＆老師簽名整理儀器，清掃實驗室物理實驗課基本程序?qū)嶒瀳蟾鎸憣嶒瀳蟾媸菍嶒炄^程進(jìn)行總結(jié)和深入理解的一個重要步驟。認(rèn)真進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，力求做到字跡端正，文句通順，數(shù)據(jù)記錄整潔，圖表正確，內(nèi)容簡明扼要。仔細(xì)觀察和認(rèn)真分析實驗現(xiàn)象。實驗報告應(yīng)在課堂實驗后獨立完成，按時提交實驗報告，逾期將降分處理。注意事項不能無故曠課，如因特殊原因不能來上課，應(yīng)事先與其他同學(xué)調(diào)換并出具有學(xué)院蓋章的證明。未完成預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)報告者，老師有權(quán)停止其實驗或扣去平時成績。完成實驗后，應(yīng)把實驗結(jié)果及所用儀器參數(shù)抄正，經(jīng)老師審閱簽名。實驗報告應(yīng)按實驗規(guī)范寫作，及時上交老師批閱。報告抄襲將不給予成績。其他相關(guān)內(nèi)容請詳細(xì)閱讀“物理實驗室學(xué)生守則”以及相關(guān)注意事項物理學(xué)中的基本物理量在國際單位制中，共有七個基本量：長度，質(zhì)量，時間，電流，熱力學(xué)溫度，物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度。誤差理論測量、誤差和不確定度測量與誤差理論不確定度估算方法有效數(shù)字①測量的基本概念物理實驗以測量為基礎(chǔ)。所謂測量，就是用合適的工具或儀器，通過科學(xué)的方法，將反映被測對象某些特征的物理量（被測物理量）與選作標(biāo)準(zhǔn)單位的同類物理量進(jìn)行比較的過程，其比值即為被測物理量的測量值。測量是以確定被測對象量值為目的的全部操作。測量測量①測量的基本概念測量值一般是由一個數(shù)乘以計量單位來表示量的大小測量過程四要素：測量對象、測量單位、測量方法、測量不確定度。完整的測量結(jié)果表述：被測量的數(shù)值，測量單位，不確定度，有關(guān)的對測量結(jié)果有影響的量。測量①測量的基本概念Y=y±U（單位）（置信概率）例：用三個0.1級電阻箱組成電橋測量電阻，測量結(jié)果最后寫成：R=（845.3±0.6）（p≈0.95）①測量的基本概念直接測量＆間接測量＆等精度測量直接測量：直接將待測物理量與選定的同類物理量的標(biāo)準(zhǔn)單位相比較得到的測量值;間接測量：利用直接測量的量與被測量之間的已知函數(shù)關(guān)系，求得該被測物理量等精度測量：同一個人，用同樣的方法，使用同樣的儀器并在相同的條件下對同一物理量進(jìn)行的多次測量測量值=讀數(shù)值（有效數(shù)字）+單位①測量的基本概念精密度＆準(zhǔn)確度＆精確度精密度：表示測量結(jié)果中的隨機(jī)誤差大小的程度準(zhǔn)確度：表示測量結(jié)果中的系統(tǒng)誤差大小的程度精確度：是對測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合描述。②誤差理論定義：對一待測物理量，測量值X與真值X0之差稱為測量誤差，簡稱誤差。誤差=測量結(jié)果X-真值X0誤差公理：測量誤差存在于一切測量過程中，可以控制得越來越小，不可能為零。真值：物理量在一定實驗條件下的客觀存在值。真值是一個理想的概念，一般是未知的但在某些特殊情況下，可以用準(zhǔn)確度足夠高的實際值來作為量的約定真值。有的專著將真值分為三類：

理論真值；計量學(xué)約定真值；相對真值。②誤差理論誤差的表現(xiàn)形式絕對誤差±ΔX表示測量結(jié)果X與真值X0之間的差值以一定的可能性（概率）出現(xiàn)的范圍，即真值以一定的可能性（概率）出現(xiàn)在X-ΔX至X+ΔX區(qū)間內(nèi)相對誤差β百分誤差誤差的表現(xiàn)形式絕對誤差±ΔX相對誤差β百分誤差如果待測量有理論值或公認(rèn)值X’，也可用百分誤差來表示測量結(jié)果的好壞②誤差理論②誤差理論誤差的分類與來源為了分析和處理的方便，過去一般將誤差分為系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差和粗大誤差三類，不同的誤差將表現(xiàn)出不同的特性和規(guī)律。②誤差理論定義：在對同一被測量的多次測量過程中，絕對值和符號保持恒定或隨測量條件的改變而按可預(yù)知變化的規(guī)律變化的誤差。產(chǎn)生原因：主要有儀器缺陷或未按規(guī)定條件使用儀器；測量所依據(jù)的理論公式的近似性或?qū)嶒灄l件未達(dá)到理論公式所規(guī)定的要求；環(huán)境和裝置條件未達(dá)到；測量者的生理或心理特點。系統(tǒng)誤差②誤差理論系統(tǒng)誤差（系差）分類及處理方法：已定系統(tǒng)誤差：指符號和絕對值已經(jīng)知道的系差分量。必修修正電表、螺旋測微計的零位誤差；測電壓、電流時由于忽略表內(nèi)阻引起的誤差。未定系統(tǒng)誤差：指符號和絕對值未被確定而未知的系差分量。要估計出分布范圍螺旋測微計制造時的螺紋公差等②誤差理論隨機(jī)誤差定義：在對同一被測量的多次測量過程中，絕對值和符號以不可預(yù)知方式變化的測量誤差分量。產(chǎn)生原因：實驗條件和環(huán)境因素?zé)o規(guī)則的起伏變化，引起測量值圍繞真值發(fā)生漲落的變化例如：電表軸承的摩擦力變動螺旋測微計測力在一定范圍內(nèi)隨機(jī)變化操作讀數(shù)時的視差影響②誤差理論隨機(jī)誤差分類離散型隨機(jī)變量：只能取有限個或可數(shù)個數(shù)值的隨機(jī)變量。連續(xù)型隨機(jī)變量：可能值布滿某個區(qū)間的隨機(jī)變量隨機(jī)變量要完整地表示一個隨機(jī)變量，除了要給出它可能取的全部值（或取值范圍）之外，還必須給出每種可能取值出現(xiàn)的可能性，即出現(xiàn)概率的大小，并寫出它的概率（密度）函數(shù)或分布函數(shù)。②誤差理論隨機(jī)誤差無窮多次測量時服從正態(tài)分布②誤差理論②誤差理論②誤差理論②誤差理論粗大誤差用當(dāng)時的測量條件不能解釋為合理的誤差稱為粗大誤差。其產(chǎn)生的原因是實驗者在操作、讀數(shù)、記錄、計算等方面的粗心造成的。含有粗大誤差的測量值會明顯歪曲客觀事實，因而必須用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵涮蕹龢?biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差③測量結(jié)果的不確定度A類不確定度A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度