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大学物理实验 山东交通学院物理实验中心 绪论 主要内容物理实验的重要性物理实验的基本程序和要求考核方法注意事项开放实验使用说明 大学物理实验是国家教委规定的工科大学生必修的基础课程之一 是一门独立的课程 48学时 3学分 它是一门自学性较强的课程 要求学生必须在课前进行自学 否则会影响实验的正常操作 物理实验室为全开放实验室 学生可自由选择实验项目和上课时间 单人单组独立完成实验 一 物理实验的重要性 1 预约实验本学期共开设20个开放实验项目 包括12个必做项目和8个选做项目 学生共需完成16个项目预约前必须在网上仔细阅读 开放实验使用说明 且要常关注 公共信息栏 里的通知预约时间 从第3周开始即可进行预约 课程安排 第4周进行基本测量实验第5至15周进行必做项目的实验第16至19周进行选作项目的实验及操作考试 12个必做项目里抽选 二 物理实验的基本程序和要求 12个必做项目杨氏模量的测定三线扭摆法测定刚体的转动惯量毛细管法测定水的表面张力系数落球法测定液体的粘滞系数示波器的使用惠斯登电桥十一线板式电位差计温差电动势的测量霍尔效应法测磁场牛顿环分光计的调节和用光栅测定光波的波长密立根油滴实验 8个选作项目 选4个 弦振动的研究稳态法测橡胶板的导热系数导体电阻率的测定直流电表的改装与校准密度的测量劈尖法测量细丝直径伏安特性曲线的测绘超声声速的测量 二 物理实验的基本程序和要求 2 实验前的预习预习与实验相关的全部内容 实验原理 仪器 写出预习报告 时间代码 实验名称 实验目的 实验仪器 实验原理及原理简图 实验步骤等 准备原始数据记录表格 二 物理实验的基本程序和要求 3 课堂实验操作进入实验室 每个学生必须携带校园卡或学生证等带有照片的有效证件签到 否则任课教师有权拒绝你做实验 半小时内不能取回者 该项目成绩按旷课处理 上课需带实验教材 预习报告 原始数据记录纸及笔 尺 计算器 草稿纸等文具 必须在了解仪器的工作原理 使用方法 注意事项的基础上 方可进行实验 仪器安装调试完毕需经教师检查无误后方可进行实验操作 尤其是电学实验 注意观察实验现象 认真记录测量数据 将数据整理到原始数据记录纸上 经指导老师检查并签字 实验过程中可能会遇到问题 应把它看作是学习的机会 冷静分析 检查 处理 在分析后仍然不能解决的可求助于指导教师 实验后请将使用的仪器整理好 归回原处 保持桌面 地面卫生 经教师允许后方可离开实验室 否则将会影响本次操作成绩 实验过程中每个学生应做到态度端正 工作严谨 独立完成 课后按要求完成实验报告 并在一周内投到实验报告交换箱内 由老师批阅后登录成绩 逾期扣分 二 物理实验的基本程序和要求 如何提交 单次实验成绩预习报告 30分 实验操作 50分 数据处理 20分 期末总成绩平时成绩 60 操作考试成绩 40 三 考核方法 16个实验报告成绩的平均值 实验报告的全部内容及评分细则时间代码 10分 实验名称 目的 仪器 实验原理 要求 a 能基本说明本实验所要做的一些工作和过程 b 原理中出现的公式推导 只需要结论性的公式 不需要过程 c 画原理简图 实验步骤实验数据及数据处理过程 要求有字母公式到数字公式的过渡 对结果的分析评定教师签字的原始数据记录纸 要求 a 不能用铅笔写 b 不能涂改 否则该次实验无效需要作图的还需有坐标纸 毫米方格纸 三 考核方法 物理实验室为全开放实验室 学生可自由决定实验项目和上课时间 但必须提前预约 本课程不接受请假 学生应在开放实验选定时间内进行实验 不得无故缺席或迟到 迟到者酌情扣分 缺席及迟到半小时以上者视为旷课 该次实验成绩判为零分 若要更改实验时间 须提前一天撤销预约 预约成功后 要预习实验并写出预习报告方可进入实验室进行实验 进入实验室必须携带有效证件签到对号入座 在实验室中禁止使用手机收发信息和电话 有抄袭 伪造数据等作弊行为者 该次实验成绩判为零分 情节严重者取消考试资格并通报系里 不正当损坏仪器者照价赔偿并签名记录 独立完成实验 保持安静 不得讨论和四处走动 四 注意事项 进入系统界面密码设置及密码检查预约实验撤销实验预约查询并记录时间代码建议 1 无论预约还是撤销实验后务必预约查询以确认操作成功2 每周选做1 2个实验项目3 分散 避免集中在前几个项目4 有任何疑问请到实验室咨询 五 开放实验使用说明 第一章实验误差理论与数据处理 第一节测量与误差第二节随机误差的处理第三节系统误差的处理第四节测量结果的不确定性评定第五节有效数字及其运算规律第六节数据处理方法 自学 第七节游标卡尺与螺旋测微计 一 测量及其分类测量就是借助一定的实验器具 通过一定的实验方法 直接或间接地把待测量与选做计量单位的同类物理量进行比较的全部操作 简言之 测量是指为测定被测对象的量值而进行的一组操作 1 1测量与误差 例 测量圆柱形铜块的密度 二 误差与偏差 1 真值与误差真值 任何物理量在一定条件下都具有确定的量值 绝对误差 测量值与真值之差 2 最佳值与偏差最佳值 一组测量列的算术平均值 偏差 测量值与算术平均值之差 三 误差的分类 1 系统误差 确定性 1 仪器误差 2 理论和条件因素 3 人员因素2 随机误差 随机性 3 过失误差 四 测量的评价 精确度 反映随机误差大小的程度 精确度高说明重复性好 各次测量值分布密集 随机误差小正确度 反映系统误差的大小 正确度高说明测量的算术平均值偏离真值较少 准确度 综合评定测量结果重复性和接近真值的程度 反映随机误差和系统误差的综合效果 一 随机误差的分布规律二 置信区间与置信概率三 有限次随机误差的估算四 异常数据的判断和剔除五 间接测量值误差的估计 误差传递公式六 测量结果表示 1 2随机误差的处理 一 随机误差的分布规律 已知真值测量次数n趋向无穷 单峰性对称性有界性抵偿性 是一个与实验条件有关的常数 称为标准误差 其值为 二 置信区间与置信概率 置信概率 置信区间 表示任一次测量值落在区间的概率为68 3 三 有限次随机误差的估算 1 测量列的平均值 近真值 曲线 2 测量列的标准偏差表示任意一次测量值落在区间内的概率为68 3 反映了测量值偏离平均值的情况 它并不是一个具体的测量误差值 反映了在相同条件下进行一组测量后 随机误差的分布情况 只具有统计性质的意义 3 平均值的标准偏差 表示任一次测量的算术平均值落在区间的概率为68 3 反映了平均值偏离真值的情况 越小 平均值越接近真值 n n取5 10 五 间接测量值误差的估计 1 误差的一般传递公式 误差算术合成 A B C H为直接测量量 N是间接测量量 2 标准偏差的传递公式 误差的方和根合成 类似的方式可以推导 等称为误差传递系数 它的数值大小表示间接测量结果的标准偏差受直接测量结果标准偏差的影响程度 运算技巧 1 和 差函数关系 先算后算 2 乘 除函数关系 先算后算 六 测量结果的表示 注意以下几点 1 单位2 标准误差用平均值的标准偏差来代替 取1 2位有效数字 只入不舍 3 算术平均值与标准偏差末尾对齐 四舍六入五凑偶 4 相对误差一般用1 2位有效数字表示 5 注意剔除异常数据 例1 对某物理量的测量 数据计算结果为测量结果表示为 一 发现系统误差的方法1 理论分析法2 实验对比法3 数据分析法二 系统误差的减少和消除1 减少或消除产生系统误差的根源2 利用实验技巧改进实验方法三 未定系统误差的处理 1 3系统误差的处理 四 仪器的误差 限 仪器的误差 限 表示在正常使用仪器的条件下 仪器的示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值 仪器的误差 限 的注明方式仪器上直接写出精确度来表明该仪器的仪器误差 示值误差 仪器允差 例 精确度为0 05mm的游标卡尺其仪器的误差就是0 05mm 仪器的最小分度的一半或最小分度作为仪器误差 根据仪器的准确度等级来表明该仪器的仪器误差 例 1 5级 量程为100mA的电流表其测量示值的误差为 能连续读数的仪器 不能连续读数的仪器 不确定度的基本概念直接测量结果不确定度的评价间接测量结果 1 4测量结果的不确定度评定 一 不确定度的基本概念定义U 由于误差的存在 测量值不能确定的程度 是被测量的真值在某一范围的一个评定 通过 量值范围 和 置信概率 来表达 表示误差以一定概率出现在 U U 中 其大小反映了测量结果与真值的靠近程度 系统误差和随机误差的综合估计指标 分类A类不确定度 多次重复测量 用统计的方法评定的不确定度 用S表示B类不确定度 用非统计方法评定的不确定度 用u表示 一般考虑为仪器误差所致 平均值的标准偏差 合成 方和根 若A类分量有n个 B类分量有m个 则 测量结果不确定度的表示 测量结果的规范表示细则不确定度有效数字的位数 1 2位 本课程要求合成不确定度取1位 相对不确定度可取2位 不确定度的取舍规则 只入不舍测量结果的取舍规则 对齐和四舍六入五凑偶标明置信概率和单位 例1 U 0 3411mm 若要求取两位有效数字 则U 0 35mm若取一位有效数字 则U 0 4mm 例2 一次测量数据计算的平均值为13 5025cm 经计算获得的不确定度为0 0134cm 不确定度取两位有效数字 则 U 0 014cm 测量结果为L 13 502 0 014 P 68 3 若不确定度取一位有效数字 则U 0 02cm 测量结果为L 13 50 0 02 P 68 3 二 直接测量结果不确定度的评价单次测量结果不确定度的表示一般情况下用仪器误差代替 例3 用50分度的游标卡尺测量一个工件的长度为L 10 00mm 50分度游标卡尺的误差 则测量结果表示为 多次测量结果不确定度的表示 1 计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳值 2 计算测量列任一次测量值的标准偏差 3 审查各测量值 如有异常数据则予以剔除 剔除以后再重复步骤 1 2 4 计算平均值的标准偏差作为A类不确定度 即 5 计算B类不确定度 6 求合成不确定度 7 写出最终结果表示式本课程对步骤 2 3 不作要求 解 50分度卡尺的仪器误差 例4 用50分度卡尺重复测一长度L 得到6次测量的结果 单位为mm 139 70 139 72 139 68 139 70 139 74 139 72 写出测量结果的表达式 平均值的标准偏差 测量结果 三 间接测量结果不确定度的评价间接测量量的最佳值 平均值 间接测量量不确定度的合成例如 间接测量结果不确定度的评定步骤 1 按照直接测量量不确定度评定步骤 求出各直接测量量的不确度 2 求间接测量量的最佳值 算术平均值 3 用不确定度合成公式 1 4 7 或 1 4 8 分别求出的不确定度和相对不确定度 4 写出最后结果表达式 例5 已知质量的铜圆柱体 用0 125mm 分度值为0 02mm的游标卡尺测量其高度6次 用一级0 25mm千分尺测量其直径 也是6次 一级千分尺的仪器误差为0 004mm 其测值列入下表 求铜的密度 分析 铜的密度 为间接测量量 而D和为直接测量量 解 1 的最佳值及不确定度 游标卡尺的仪器误差 2 D的最佳值及不确定度 一级千分尺的仪器误差 3 D的算术平均值 4 密度的相对不确定度 5 密度测量的最后结果 一 有效数字的概念1 定义可靠数字 直接读出的可疑数字 估读出来的 1或2位2 基本性质有效数字的位数与仪器准确度有关有效数字的位数与小数点的位置无关有效数字的科学记数法物理常数如 e以及常系数如2 等的有效数字位数在计算中可以任意取位 1 5有效数字及其运算规则