大学物理实验绪论讲稿ppt课件.ppt

求实创新团结进取 2 大学物理实验绪论 单位 教师 3 内容提要 注意事项物理实验课的任务和要求测量与误差偶然误差的估算 仪器误差测量结果的表示和不确定度的估计有效数字及运算计算实例及作业物理实验的重要性物理实验基本方法 4 内容提要 物理实验在物理学发展史上的重要性从诺贝尔奖获奖情况看物理实验在物理学中的重要地位物理实验在高素质人才培养过程中的作用大学物理实验对高校培养创新人才的作用物理实验在现实生活中具有重要作用 5 内容提要 物理实验基本科学思想方法物理实验基本实验方法 6 注意事项 1 实验从第三周开始预约 实验地点在物理楼三 四五六楼 第三周周五晚上各班学习委员6 00统一到410购买实验报告纸 预习册 计算纸 一套15元 2 本学期物理实验课实行开放式教学由各位同学自愿选择实验项目 实验时间 选课网址 http 202 197 59 18 xuanke 实验课一旦选定 不得缺课 否则按旷课处理 该实验为0分 如有特殊情况 要有加盖公章的请假条或医院证明方可 3 最终成绩 平时分 含绪论课 考查 各报告采用5分制 预习分 5分 操作分 5分 实验报告分 5分 再平均 占总成绩70 考试分30 7 2 预约时注意防止与班上的其他课程发生冲突 且有三学时以上空闲时间 上午8 00上课 下午一 14 40上课 晚上18 00上课 3 各位同学每次实验课前一周进行预约 如第三周预约第四周实验 并且在星期五上午12 00预约完成 每人每周预约的实验项目不超过2个 同学应在课前进行预习并按时上课 4 做完报告后一周时间内请务必将实验报告交到物理楼四楼西头各实验的信箱中 按时交前一周的实验报告 实验报告写清楚班级 学号 姓名 任课教师 上课时间 按教师姓名投递信箱 批改后的报告由学习委员或学生本人由班级信箱取回 5 物理实验教学中心电话 88836313 8 1 选课网址 http 202 197 59 18 xuanke进入物理实验中心选课网站 选课页面2 各班学习委员登录班级账号 班级名称 初始密码123456 3 修改班级密码 请各班学习委员保管好密码 4 进入班级名单选单 录入班上同学的信息后 最重要的是帐号 学号 和初始密码 5 学习委员录入相关信息后 各位同学可登录个人账号 学号 选课 请及时修改个人初始密码 忘记密码找学习委员查询 也可以由学习委员在班级帐号中代理选课 6 在班级帐户中可以查询班上每位同学完成实验的情况及成绩 7 各班学习委员录入自己的联系方式以便联系 9 个人账号的功能 1 预约实验进入个人选课界面 预约下一周的实验 2 查询个人预约查询个人预约项目 时间 地点 教师 取消实验 完成实验情况及实验成绩 3 补预约如果预约的人数不够 一般少于8人 该选课会被删除 被删除预约的同学或者上一周没有预约的同学可以补预约 即可以插入到有课但人数还没满的实验中去 系统会自动弹出补预约菜单 物理学是一门实验科学 物理实验的基础知识 基本方法和基本技能是一般工程技术人员所必须具备的 1 物理实验课的任务 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 加深对物理学原理的理解 2 培养与提高学生的科学实验能力 其中包括 物理实验课的任务和要求 能够自行阅读实验教材或资料 做好实验前的准备 能够借助教材或仪器说明书 正确使用常用仪器 物理实验课的任务和要求 能够运用物理学理论知识 对实验现象进行初步分析判断 能够正确记录和处理实验数据 绘制曲线 分析误差原因 说明实验结果 撰写合格的实验报告 能够完成简单的设计性实验 物理实验课的任务和要求 3 培养与提高学生的科学实验素养 要求学生具有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 整洁有序的良好习惯 勇于探索的创新精神和遵守纪律 团结协作 爱护公物的优良品德 2 物理实验课程教学基本要求 1 学习和运用实验原理 方法去研究某些未知现象并进行具体测试 得出某些结论 2 进行实验基本技能的训练 熟悉常用仪器的基本原理 结构性能 调整操作 观测 分析与排除故障 3 学习数据处理的基本方法 了解实验方法 实验条件 实验环境等对测量结果的影响并能自行进行分析和处理 4 培养学生进行科学实验的能力 即如何从测量目的 研究对象 或课题要求出发 依据实验原理 通过某种方 物理实验课的任务和要求 法 正确选用仪器和确定测量程序去获得准确的实验结果 5 通过实验培养学生严肃认真 实事求是的科学态度和克服困难 坚韧不拔的工作作风 培养良好的实验习惯和遵守纪律 爱护公物的美德 物理实验课的任务和要求 3 怎样做好物理实验 1 课前预习 5分 包括 在报告纸上写出实验目的 实验原理 实验方法等 绘出原始数据记录表格 否则扣1分 完成预习册上习题 2 课堂操作 5分 包括 调整仪器装置 观察实验现象 学习排除故障 测读实验数据 3 实验报告 5分 包括 在做完实验的情况下 将教师签名的原始数据剪贴到报告中 否则扣2分 按照要求完成实验报告 进行数据处理与误差分析 及有关问题的讨论等 物理实验课的任务和要求 测量与误差 测量与误差一 测量就是将被测物理量与作为标准的同类物理量进行比较 看被测量是标准单位的多少倍 二 测量的种类 1 按测量的过程分 a 直接测量b 间接测量 测量与误差 直接测量 是通过与量具量仪的比较能直接读取被测量物理量值的测量方式 如 用直尺测量长度 秒表测量长度 天平测量质量等 间接测量 间接测量量和直接测量量之间有某种函数关系 如 其中的或 例如长方体的长 宽 高为直接测量 为间接测量量 测量与误差 2 按测量的次数分 3 按测量的性质分 力学 热学 电磁学 光学等 4 按测量的条件分 等精度测量 在相同条件下 对同一物理量进行多次测量的过程 非等精度测量 在不相同条件下 对同一物理量进行多次测量的过程 等精度测量是理想测量 实际上测量都是非等精度测量 测量与误差 三 误差绝对误差 测量值和真值的差 设测量值为 真值为 则绝对误差为 若为多次测量 用求平均值办法求真值 真值并不知道 真值是一个理想的概念 称为最佳值或近真值 用以代替 测量与误差 测量值与近真值之差称为偏差或残差 用表示 表示第次测量值与近真值的偏差或残差 这不是绝对误差 才是绝对误差 一般用残差代替绝对误差 相对误差 或误差的种类 1 系统误差 非人为因素造成的 特点是 在同一条件下多次测量同一物理量时 测量的结果将出现固定的偏差 每次测 测量与误差 量值总比真值偏大或偏小某一固定的数值 造成的原因是 仪器误差 理论公式近似 环境引起的误差 个人生理特点等 2 偶然误差 特点是 在同一条件下多次测量同一物理量时 测量的结果将出现不固定的偏差 误差可尽量消除 造成的原因是 仪器的不稳定 环境的波动 个人因素等 同一条件下对同一物理量多次测量结果的误差具有统计规律 3 过失误差 错误 通过数据计算来确定 偶然误差的估算 仪器误差 偶然误差的估算 仪器误差一 偶然误差的统计规律对某一值作次测量 各次测量的绝对误差 偶然误差 为 其中的正负 大小是偶然的 但服从正态分布 高斯的误差分布函数其中 为偶然误差 为标准误差 偶然误差的估算 仪器误差 偶然误差的性质 1 单峰性 绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大 2 对称性 绝对值相等的正 负误差出现的概率相同 3 有界性 非常大的正 负误差的概率趋于0 一般认为误差落在区间 之外是不可能的 称为极限误差 4 抵消性 偶然误差的算术平均值随着测量次数的增加越来越趋于0 即 偶然误差的估算 仪器误差 于是增加测量次数可以确定更精确的近真值 物理实验一般要测6次以上 二 偶然误差的估算 1 测量的平均值设测量值为 得 偶然误差的估算 仪器误差 2 测量的标准误差和标准偏差标准误差标准偏差当时 则 说明当时不再区分标准误差与标准偏差 平均值的标准偏差 三 过失误差 不作要求 当或时的应该剔除 如果测量数据中存在两个以上的测量数据需要剔除 应该先剔除误差最大的数据 然后重新计算与 再对剩余的测量数据作判断 直到所有的值不存在过失误差 四 仪器误差仪器的示值和被测量量之间可能出现的最大误差称为仪器误差 用 仪表示 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 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 偶然误差的估算 仪器误差 偶然误差的估算 仪器误差 单次直接测量的误差 用刻度指示的仪表的仪器误差取最小分度值的一半 即用数字显示的仪器误差取数字的最后一个位数的一个单位 如数字毫秒计最后一位为 则 电表 不确定度的定义 测量结果正确性的可疑程度 是对被测量量的真值所处范围的评定 不确定度越小 说明测量越准确 误差具有统计性 非统计性 而过去的误差理论只考虑了统计性 具有一定的局限性 非统计性一般由仪器的误差决定 因而提高仪器的精度很重要 测量结果的表示和不确定度的估计 测量结果的表示和不确定度的估计 1 直接测量 测量的结果的表示 总不确定度 指用统计的方法计算出的不确定度分量 它表示被测量的真值在的范围内 1 总不确定度的类分量 测量结果的表示和不确定度的估计 2 总不确定度的类分量 本课程中 近似地取 3 总不确定度的合成 测量结果的表示和不确定度的估计 2 间接测量测量的结果表示 其中 间接测量量的平均值等于将各直接测量量的平均值代入函数关系式后的结果 不确定度由传递函数确定 以下给出不确定度传递函数的推导过程 测量结果的表示和不确定度的估计 设 其中表示对个量的测量值 已知 由于有误差 从而也有误差 设 其中 为的不确定度 测量结果的表示和不确定度的估计 a 简单函数 加 减 对于有 测量结果的表示和不确定度的估计 例如 b 复杂函数 含有乘 除 测量结果的表示和不确定度的估计 例1 测量结果的表示和不确定度的估计 有效数字及运算 有效数字及运算有效数字的定义 若干位可靠数字和最后一位可疑数字的总和 例如 35mm和35 0mm的区别 不仅反应数字的大小 而且反应所用仪器的精度 2 单位换算对有效数字的影响 大单位换算为小单位时 例如80 20g是四位有效数字 若用千克单位表示则0 08020kg 仍为四位有效数字 但是用毫克单位表示写成80200mg 改变了有效数字 为了解决这个矛盾 应使用所谓科学记数法 即把数据写成小数点前只有一位 再乘以l0的幂次来表示 如上述质量数据可写成8 020 104mg或8 020 10 2kg 它们都是四位有效数字 这样在十进制单位换算时 不会改变有效数字的位数 有效数字及运算 例如 正确 3 520 0 004 cm错误 3 52 0 004 cm 3 520 0 04 cm 2 有效数字的运算法则 加减法 以其中有效数字的最后一位在位数上靠前的为准 最后结果与它对齐 有效数字及运算 1 在物理实验中 不确定度的有效数字只取一位 任何测量结果 其数值的最后一位要与不确定度所在的这一位取齐 有效数字的处理 例如 123 3 43 462 8 01 174 81 2 32 1 2 1 427 458 乘除法 一般取结果的有效数字位数与分量中有效数字位数最少的相同 例如 63 8 1 2 53 混合运算 例如 2 50 2 2 5 989 2 00 0 3 5 989 2 00 0 9 有效数字及运算 60 2 2 30 1 3 101 3 不确定度的有效位数 最终结果的不确定度取一位有效数字 运算过程中取两位 最终结果的相对误差 10 时取两位 10 时取一位或两位有效数字 4 有效数字的取舍原则 对数据运算结果 尾数取舍原则为 取舍位小于五则舍 大于五则入 等于五则把五的左边数字凑成偶数 有效数字及运算 例如 将下列各数取为3位有效数字 2 534取为 2 53 2 5554取为 2 56 2 5360取为 2 54 2 5450取为 2 54 2 5351取为 2 54 对测量不确定度 取舍原则是只入不舍 例如 取为 有效数字及运算 例2 用米尺测量某一物体的长度L 所得实验数据如下表所示 试求L的平均值和测量不确定度 并写出测量结果的表达式 测量次数12345L cm 12 2512 2012 1912 1612 23解 这是直接测量问题 例题 结果的末位与不确定度所在位对齐 讨论 若计算得 结果如何表示 例题 解 已知 计算 例3 例题 例4 已知 计算 由y的不确定度决定y的有效数字需保留到小数点后3位 取 例题 总结 函数只有一个自变量的情况时 1 若自变量给出了不确定度 则函数的结果先多保留一位或几位 再用传递公式计算函数的不确定度 进而由不确定度决定y最终有效数字位数 2 若自变量未给出不确定度 其近似不确定度可以取为量具的最小分度值1个单位 再用传递公式计算函数的不确定度 进而由不确定度决定y最终有效数字位数 例题 二 表达式中含有无理数或有效数字位数比较多的常量如 等将其有效数字位数取为比自变量中有效数字位数最少的多一位计算 见课本第27页的例10 例题 解 这是间接测量问题 环的体积为 例题 例5 已知金属环的外径 内径 高度 求环的体积及其不确定度 环体积的对数及其偏导数为 代入式 例题 因此 环体积为 例题 注 此类问题的计算先不考虑体积计算结果的位数 然后根据不确定度确定其位数的取舍 课堂作业 1 2 当堂完成并上交 请写上自己班级 学号和姓名 作业 物理实验在物理学发展史上的重要性物理学是一门以实验为基础的自然科学 从物理学发展的历史来看 物理实验不仅是物理学理论的重要基础 也是物理学发展的基本动力 物理实验在物理学发展过程中起着非常重要的作用 这主要表现在 一 理论和实验的共同作用是推动物理学发展的动力理论和实验两者的关系 可以形象地说类似人的两条腿 人要走路要攀登就得要靠这两条腿 只有两条腿相互配合 轮流一 物理实验的重要性 前一后 才能推动人体向前行进 向上攀登 李政道说 实验是基础 理论是总结 没有实验就没有物理 理论和实验的共同相互作用是推动物理学发展的内在根本动力 这种作用引起量的渐进积累和质的突变飞跃的交替演进 推动着物理学进程不断高涨 二 物理理论的基础是实验 公元前古希腊人阿基米德 做了著名的浮力实验 建立了浮力定理 伽利略把实验引入物理学 用科学的方法代替亚里士多德的直观的推理方法 从而使物理学走上了真正的科学道路 标志着 物理实验的重要性 物理学的真正开端 开普勒三定律是根据第谷 布拉赫所积累的大量的观察资料并采纳了哥白尼圆轨道修正为椭圆轨道而总结出来的 牛顿三定律是在伽利略 开普勒 胡克 惠更斯等人的大量实验工作的基础上完成的 电磁学研究的真正开创者是卡文迪许和库仑 他们率先制作出各种仪器对静电现象进行定量的测量 总结出电磁理论的基础 库仑定律 奥斯特在1820年的一次课堂实验中发现通电导线会引起附近小 物理实验的重要性 磁针的偏转 安培重复了奥斯特的实验 并潜心研究了载流导线之间的相互作用 建立了安培定律 法拉第进行了为期十年的实验 终于在1831年首次发现电磁感应现象 总结出电磁感应定律 电磁学已相继在实验基础上建立了库仑定律 高斯定律 安培定律和法拉第定律 确立了场的概念 这一切都为麦克斯韦电磁场理论奠定了实验基础 X射线 物质的放射性和电子管的发现 揭示了经典物理的不足 诞生了现代物理学 物理实验的重要性 爱因斯坦的狭义相对的建立是以实验为基础的 爱因斯坦在 我是怎样创立相对论的 中写道 还是在孩童时代 我就在想这个问题了 当时我知道迈克尔逊实验的奇怪的结果 我很快得出结论 如是我们承认迈克尔逊的实验结果是事实 那么地球相对于以太运动想法就是错的 这是引导我走向狭义相对论的最早想法 三 验证物理理论任何物理概念的确立 物理规律的发现 都必须以严格的科学实验为基础 物理实验的重要性 不仅表现在通过实验发现物 物理实验的重要性 理定律 而且物理学中的每一项重要突破都与实验密切相关 实验是检验理论的手段 是检验理论的裁判 实验可以推翻或确证所有可能的论据 可以说 物理实验是检验理论的试金石 如杨氏的光的干涉实验证实了光的波动说 赫兹实验证实了麦克斯韦的电磁场理论 爱因斯坦的光电子假说直到1916年被密立根的严密的光电效应证实后 才为人所接受 德布罗意的物质波假说也是由戴准逊 盖末和汤姆逊等人发现了电子衍射后得到验证的 物理实验的重要性 1752年富兰克林利用风筝把天空的电引入室内 进行室内雷鸣闪电实验 证实了雷电与电火花放电有同样的本质 进而找出了雷电的成因 并且在此基础上发明了避雷针 普朗克根据黑体辐射提出 能量子假设 再经过大量的实验证实 假设才成为科学理论 杨振宁 李政道在1956年提出基本粒子在 弱相互作用下的宇称不守恒 的理论 只有当实验物理学家吴健雄用Co60衰变实验验证后 才被同行学者承认 从而才有可能获得诺贝尔奖 物理实验的重要性 一 从诺贝尔物理奖的颁发可以看物理实验在物理学中的重要地位 物理实验的重要性 从表可以看出 一个理论的正确性 不仅在于它能说明多少现象 也不仅在于它的自洽性 更重要的是它能否得到实验的肯定 它所作的预言 被尔后的实验证实到什么程度 一个重要的事例 爱因斯坦相对论为何与诺贝尔奖无缘 爱因斯坦于1922年获得诺贝尔物理学奖 然而获奖原因是在于他对光电效应的发现 那么为什么相对论这一具有划时代意义的理论没能获得诺贝尔物理学奖呢 究其本质原因就在于这一理论在当时缺少实验的支持 物理实验的重要性 二 从诺贝尔物理学中理论和实验研究所获奖的情况可以看物理实验的重要地位1901 1999年的诺贝尔物理学中理论和实验研究所获奖的统计表 物理实验的重要性 从1901年诺贝尔物理奖首次颁发给德国伦琴以来 到2008年授予约翰 马瑟和乔治 斯穆特 除1916 1931 1934 1940 1942年这六年中断外 共颁奖102次 有181人次获奖 从表的统计结果可以看出 诺贝尔物理奖绝大多数都颁发给了实验项目 占总数的67 4 有关其它获奖项目也或多或少与实验相关 三 从诺贝尔物理奖获得者对实验的认识看物理实验的重要性丁肇中在荣获诺贝尔物理奖时特意用中文发表了一封信 他写道 中国有一句古话 劳心者治人 劳力者治于人 这种落后的思想 对发展国家中的青年们有很大的害处 由于这种思想 很多在发展国家的学生们都倾向于理论的研究 而避免实验工作 事实上 自然科学理论不能离开实验的基础 特别是 物理学是从实验产生的 我希望由于我这次得奖 能够唤起在发展国家的学生们的兴趣 而注意实验工作的重要性 物理实验的重要性 物理实验在高素质人才培养过程中的作用 物理实验是一门重要的基础科学 对人类的物质观 时空观 宇宙观 对整个人类文化都产生了极深刻的影响 物理实验无论在过去 现在 和将来都是技术发展的主要的源泉之一 是整个科学技术领域中的一个重要实验学科 对培养包括人文科学在内的 各种学科的高水平人才 以及提高全体劳动者的科学素质 都具有重要作用 物理实验具备教育功能和能力功能 物理学是以实验为本的科学 物理理论来源于实验 是物理学的基础 所以在高素质人才 物理实验的重要性 培养过程中 物理实验处于非常重要的地位 在教育人 培养能力等方面有独特作用和重要影响 培养实事求是的科学态度 严谨的工作作风 勇于探索 坚忍不拔的钻研精神 物理实验的实验方法 实验技能和实验数据处理等方面可以使人们受到系统的 严格的训练 提高其科学素质 物理实验在培养理论联系实际 提高分析能力和解决问题能力等方面有独到的作用 也是培养和提高创新精神与科学实践能力的重要途径 物理实验的重要性 大学物理实验对高校培养创新人才的作用目前 高校必须创立新的教育思想体系和人才培养模式 加强实践性教学环节 而实践性教学环节来源于实验 大学物理实验是实验的一个重要分支 在培养创新人才方面起着其它实验不可替代的作用 具体总结为 大学物理实验在人才培养中具有举足轻重的地位 大学物理实验为培养创新人才提供了新的教学模式 大学物理实验课程新体系的建立 为培养创新人才提供了有利条件 物理实验的重要性 大学物理实验中信息技术的引入 进一步促进了创新人才的培养 大学物理实验创新基地的建立 为培养创新人才提供了良好的环境 物理实验的重要性 物理实验在现实生活中具有重要作用 我国著名物理学家张文裕教授在论述实验的作用时指出 科学实验是科学理论的源泉 是自然科学的根本 也是工程技术的基础 他还说 基础研究 应用研究 开发研究和生产四个方面要紧密结合在一起 必需有一条红线 这条红线就是科学实验 如果说蒸汽机的发展超前于热学理论 电机和电气工业的发展 则完全是在电磁理论建立之后 人们自觉运用理论作出各种发明与发现的 然而 不论是蒸汽技术还是电工技术都离不开实验 其中包括许多热学实验 物性学实验和电磁学实验 各种发 物理实验的重要性 明创造 诸如杜瓦瓶 致冷机 电灯 电报等等 无不是经过大量实验研究才逐渐完善的 进入二十世纪 无线电电子学异军突起 从电子管到晶体管 从无线电报到雷达 哪一项发明创造不是实验室的产物 从光谱学到激光技术 从电子显微镜到扫描隧道显微镜 从低温技术到超导研究 均是物理实验的应用 物理实验的重要性 物理实验基本科学思想方法一 物理模型法理想模型是为便于研究而建立的一种高度抽象的理想客体 它抓住物质的主要特征 忽略次要因素 形成一种经过抽象 概括了的理想化的模型 作为科学抽象的结果 理想模型也是一种科学概念 可是它不同于一般的科学概念 如数学上的点与物理中的质点截然不同 物理学中的质点 刚体 简谐振动 简谐波 理想气体 可逆过程 点电荷 电介质模型 稳恒磁场 光的波动模型 原子 物理实验基本方法 的模式结构模型等等都是物理模型 二 比较与分类 类比 分析与综合 演绎 归纳与推理等逻辑思维方法如经典力学规律的建立过程 首先 牛顿通过对伽利略等前辈物理学家对机械运动现象的观察与实验的结果进行综合归纳分析 建立了牛顿三定律 然后以牛顿三定律为中心线索 经过严密的演绎推理 建立了经典的动量定理 动量守衡定律和动能定理 在对重力 弹力 万有引力等保守力作功进行计算时 通过与动能这一物理概念的定义类比 定义了势能这一物理概念 进而又演绎出功能原理 直至得到机械能守衡定律 物理实验基本方法 二 科学假说方法 比如 牛顿为了解释苹果落地这一普遍现象 提出了人人皆知的万有引力假说 法拉第等物理学家为了解释电磁现象 提出了场的假说 麦克斯韦在统一电磁场理论的过程中提出了位移电流和涡旋电场的假说 爱因斯坦为了解决电磁感应现象的不对称性和解释证明 以太 存在的迈克尔逊 莫雷实验的 零结果 提出了相对论的基本假说 创立了狭