大学物理实验

大学物理实验，导论，2010-2011学年第二学期，前言，1物理与实验，物理一词( )最初来源于希腊语( ),意思是自然。它的现代内涵指的是研究物质运动最普遍的规律和物质基本结构的科学。物理学是一门实验科学，所有的物理概念和定律都是基于客观实验的。因此，物理学不能脱离物理实验结果的验证，物理实验是物理学的基础。这个实验是有目的的尝试，也是对自然的积极探索。科学家提出了一些假设和预测，为了证明它们，他们计划了适当的手段和方法，根据由此产生的现象来判断假设和预测的真实性。因此，科学实验的重要性是不言而喻的，其中物理实验自然占有突出的地位。物理学理论和物理实验，整个物理学史就是人类不断深入了解自然的过程。实验物理和理论物理是物理学的两大支柱。实验事实是测试物理模型和建立物理定律的最终判断。物理理论是对实验观察结果的归纳和总结，并在此基础上解释新的实验结果和预测新的实验现象。两者相辅相成，相互促进，正如鸟的翅膀和人的脚是不可缺少的一样。物理学是建立在相互合作和鼓励实验和理论探索和进步的基础上的，从而使人类对自然基本规律的理解不断发展。这种相互促进、相互鼓励和相互改进的过程有无数的例子。诺贝尔奖是现代最引人注目的诺贝尔奖，旨在奖励那些做出最重要发现或发明的人。因此，诺贝尔物理学奖标志着物理学重大发现和发明的划时代里程碑。自1901年一等奖颁发以来，已经有100多年了。已经有160多名获奖者。其中，约2/3的获奖者主要是实验物理方面的发现或发明。他们在实验物理方面取得了巨大的成功.1.1901年第一个诺贝尔物理学奖的获得者德国人W.C .伦特根因在1895年发现x光而获奖。1902年的获胜者是荷兰塞曼。他因在1894年发现磁场中谱线分裂的现象而获得奖励。1903年的冠军是德国的贝克勒尔和居里夫妇。他们因发现天然放射性而获得奖励，这使他们成为核物理的创始人。受光的粒子性质的启发，法国德。布罗意清楚地提出了具有物质波动的物理粒子的概念，即波和粒子的结合。通常人们将其描述为波粒二象性，即p=h/，这是一个大胆而伟大的假设。爱因斯坦，一位伟大的物理学家，曾称这是第一束微弱的光，照亮了物理学中最困难的奥秘。提名德布罗意获得诺贝尔奖。为了被认为是一个物理定律，理论上美妙的假设和推论必须由实验结果来验证。德。布罗意指出，他的假设可以通过晶体上电子的衍射实验来证明。1927年，美国科学家孙扈荀和格莫利用电场加速的电子束撞击镍晶体，获得了一张衍射环图案照片。因此，P与关系的假设得到了计算和验证，从而使德布罗意的理论得到了认可。他分别于1929年和1937年获得诺贝尔物理学奖。电子束通过多晶铝箔的衍射1895年，伦琴发现了一种新型的电磁辐射，称为X射线(它是用高速电子轰击重元素靶产生的波长为nm的电磁辐射)。x光的发现进一步促进了对气体导电的研究。jj汤姆森解释说，被x射线照射的气体具有导电性，因为气体是由于x射线引起的分子电离而带电的。这为洛伦茨建立电子理论提供了实验基础。电子理论也解释了塞曼效应，即谱线会在磁场中分裂。这一系列事实关系表明了实验物理和理论物理之间的密切关系和相互鼓励，共同促进了物理学的发展。为了使一个理论上美妙的假设或推理成为公认的物理定律，它必须由实验结果来验证。实验与理论的相互作用是物理学和整个自然科学发展的内在根本动力。这个动作导致数量的逐渐积累和质量突变的交替潜力。一波又一波地推进科学进程。正如著名物理学家米兹根所说：“我很荣幸获得1923年诺贝尔物理学奖，因为我在理论和实验这两个领域只做出了很小的贡献。这是一个很好的例子，说明科学正以理论和实验两个方面前进。有时一只脚迈出第一步，有时另一只脚迈出第一步，但进步取决于两只脚。首先建立理论，然后进行实验，或者首先在实验中获得新的关系，然后从理论出发，推动实验向前发展，如此循环往复。”理论与实验的关系，3科学实验与教学实验，科学实验是试图通过技术操作来验证一些预测或获得新的信息，并观察由预先安排的方法产生的现象。科学实验是一个探索的过程。他们可能成功，也可能失败。结果可能符合或否定预期。当然，可能会有意想不到的收获和意外的成功。每一次科学实验的成功都再次揭示了自然的奥秘，使人类在理解自然方面又向前迈进了一步。学生的主要任务是积累知识，提高能力，培养素质。从某种意义上来说，不管学生们自己是否意识到这一点，他们实际上是在建造自己通向未来职业顶峰的阶梯。每个人建造梯子的过程和结果取决于许多主观和客观因素，并且会有所不同。在任何情况下，明确的目标和有意识的行动都应该首先采取。教学实验旨在传授知识和培养人才。目标不是探索，而是培养学生未来探索的基本能力。教学实验全部理想化，消除了二次干扰因素。经过精心的设计和准备，他们一定会成功。然而，教学实验的地位仍然非常重要。因为这门课是为了培养学生的科学素质。物理实验课是一门基础实验课，是知识的基础。这个底部的重要性是不言而喻的。我希望学生们能充分发挥他们的主观和积极因素，提高他们的学习效率，并且永远不辜负好时光。4个结论、2个测量和误差理论、2个误差和误差分类、1个测量分类、4个随机误差、3个精度和准确度、6个单次测量误差估计、9个间接测量误差计算误差传递的基本公式、7个不确定度概念、10个有效数概念、11个物理实验数据处理方法、5个误差极限和仪器灵敏度、8个多次测量误差估计、12个曲线拟合、不等精度测量：在所有测量条件下，只要有变化，测量就是不等精度测量。测量、等精度测量、直接测量、间接测量、单次测量、多次测量、不等精度测量、1次测量分类、等精度测量：某一物理量在相同的测量条件下被多次测量。(像一个观察者一样，同样的一套仪器，同样的测量方法和同样的环境条件，等等。)，误差是观察值和真实值之间的差值。根据错误的性质和来源，错误可分为意外错误、系统错误和疏忽错误。可视为真值：理论值、公认值、计算科学中的一致真值和相对真值。错误和错误分类，意外错误(也称为随机错误)。包括判断误差、实验条件的波动和观察者无法控制的干扰所引起的误差。其特征在于测量结果是可变的，其值与真值之差在时间上是负的，在时间上是大的，在时间上是小的，在一定范围内分布，服从统计规律。这种错误是无法避免或直接消除和纠正的。系统误差包括仪器仪表的校准误差、个人习惯、实验条件和误差通过检查和改进实验方法或在测量设备中引入相应的校正值，可以尽可能减少系统误差。所有可能的系统误差源都可以在实验前从计算中预测、测量和消除。疏忽错误是由实验者的疏忽造成的，所以称之为过度错误，这是可以避免的。精确度指的是重复测量的结果彼此接近的程度。彼此非常接近，称为高精度；那些相隔很远的被称为低精度。因此，精确度描述了实验重复性的程度。准确度是指测量值接近真实值的程度。准确度是对测量的系统误差和随机误差的综合评价。一般来说，高精度的测量意味着测量数据相对集中在真实值附近。3精度和精度，高精度和高精度，低精度和低精度，低精度和高精度，高精度和低精度，相比之下：高精度，高精度，低精度，低精度，随机误差的特点1，对称性：绝对值相等的正误差和负误差的数量大致相等。2.单一方式；绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的次数多。3.有界性：在一定的测量条件下，在有限的测量次数下，误差的绝对值不会超过一定的极限。4.取消：根据特征1进行推理并不难。随着测量次数的增加，在相同条件下测量的相同物理量的误差的算术平均值趋于零。即4个随机误差，其中：随机误差=测量值-期望值(总体平均值)，记为：或在本书中，满足上述条件的误差分布为正态分布，即为随机误差，f ()为随机误差出现的概率，曲线下面积等于1，即作为正态分布函数从-到的积分，即测量值的误差落入-，的概率)， 可以计算如下：当较小时，分布曲线较陡，表明测量柱中小误差的概率较大，测量精度较高。 当较大时，分布曲线平缓，表明测量柱中出现较大误差的概率增加，测量精度较低，因此是反映测量精度的物理量。这里再次对西格玛的含义作一些更通俗的解释。测量数据越集中，测量值越有可能出现在测量结果的平均值附近，并且我们对测量结果作为测量对象的实际值的信任度越高。换句话说，测量结果的不确定性越小。因此，也被用作表示测量结果不确定度的参数。可以计算出，在-3，3范围内出现正态分布随机误差的概率为99.7%。也就是说，误差超过3的概率仅为0.3%。在一般有限的测量中，这几乎是不可能的。因此，测量值的可靠性可以用的倍数来标记，即=c。这个倍数就是置信系数C。当C=1时，=称为标准误差，置信概率为68.3%。当C=3时，=3称为极限误差，置信概率为99.7%。标准误差和极限误差可表示为n次测量的测量列的测量值及其算术平均值，通常称为残差。相应的标准偏差表示为：在实际测量中，由于真实值未知且测量次数不能无限，因此n次测量的算术平均值(样本平均值)通常用作测量值的最佳估计值。多重测量的不确定性估计(统计方法)，当n，时。也就是说，估计的标准偏差Sx可以用作有限测量柱的离散度的反映。算术平均误差显然是，随着n的增加，测量柱平均值的标准偏差Sx将变得越来越小。然而，如图所示，在n大于10之后，减少程度变得缓慢。因此，在实际测量中，只有10-20次是属当n为常数时，可以证明的标准差为，在实验中，当测量次数很少时(例如，当n10时)，误差分布不服从正态(高斯)分布，而是过渡到t分布。理论证明t分布可以提供一个系数因子，缩写为t因子，算术平均值的标准误差乘以t因子来估计测量结果的误差。置信区间(t分布)的确定当测量次数很小时，t因子与不同置信概率p下的测量次数n之间的关系，以及在练习中一个长度的10次测量的算术平均误差和标准误差分别为1.58、1.57、1.55、1.56、1.59、1.56、1.55、1.54、1.57、1.57 ,并由正确的表达式表示。测量仪器(测量工具、仪表和标准装置等。)具有国家标准规定的精度等级。根据所用仪器的等级和量程，可以计算出仪器的基本误差极限或指示误差。例如，0-25毫米的1级千分尺(螺旋千分尺)的误差极限是0.004毫米；150毫安的0.5安培表的误差极限是0.75毫安。仪器的误差极限和灵敏度有时是这样的。例如，当用精度为0.01秒的秒表测量单摆的周期时，发现每次测量的值都不同，而用0.1秒的秒表测量的值在很多时候是相同的。低精度仪器测量的结果更好吗？显然不是。原因是0.1级秒表不能反映小于0.1秒的时间变化。我们将足以使仪器的指示值可感知的测量最小变化值称为仪器的敏感阈值。仪器的灵敏度，一般来说，测量仪器的灵敏度阈值小于指示误差极限，而指示误差极限小于最小分割值。例如，初级千分尺的最小刻度为0.01毫米，指示误差极限为0.004毫米，灵敏度阈值为0.002或0.001毫米。在物理实验中，我们经常会遇到一些无法多次测量的量。例如，在测量热敏电阻的电阻-温度特性的实验中，温度测量只能是一次，相应的电阻只能是一次。另一个例子是仪器精度低，或者被测对象稳定，多次测量的结果不能反映测量结果的随机性，即多次测量失去了意义。在这种情况下，我们通常把测量值作为物理量的值，把仪器的标准偏差作为测量结果的不确定度，即：6单次测量的误差估计。仪表误差仪表是仪表正常使用条件下测量结果的最大误差，以指示误差或仪表水平的形式给出。有时它被设置为最小分割值或最小分割值的一半。其置信概率为0.577。如果用0.1水银温度计测得的水温T为28.30，温度计的误差为，温度表示为：一般假设仪器的概率分布服从均匀分布，仪器的标准偏差为：测量不确定度：由于测量误差的存在，测量值不确定的程度。不确定度分量：A类分量：用统计方法计算的分量，相当于随机误差；乙类成分：用其他方法计算的成分。不确定度的构成：它是由两类分量的平方根法确定的，即：7不确定度的概念。如果实验仪器精度高，测量条件稳定，用贝塞尔公式计算的标准偏差可以作为合成不确定度的a分量，此时可以省略b分量。如果同一物理量的单次测量或多次测量结果相似(仪器精度不高，测量差异无法区分)，则仪器误差作为组合不确定度的B分量，此时可忽略A分量。总不确定度：U=C(C为置信因子)，其中：si表示由a类成分的第I个误差因子引起的不确定度(1)算术平均值(2)误差分析：(1)标准偏差(2)千分尺误差(3)组合不确定度测量结果：注意，误差一般用有效数字表示，结果的有效数字与误差一致，则有：总不确定度，设为间接测量量，有：其中有相互独立的直接测量量，用全微分公式表示，当有微小变化时，变化为，如果视为误差，则变为误差传递公式：9。间接测量误差计算误差传递的基本公式，其中每个项称为部分误差，称为误差传递系数。测量误差量对总误差的贡献不仅取决于其自身误差的大小，还取决于