物理实验设计与实践学习教案

1、会计学1物理物理(wl)实验设计与实践实验设计与实践第一页，共51页。设间接待设间接待(jidi)(jidi)测量：测量： 直接测量量直接测量量: :直接测量量的不确定度：直接测量量的不确定度：则有则有直接直接(zhji)测量测量量吗？量吗？单次测量单次测量(cling)吗？吗？单次测量结果测量值单次测量结果测量值x=x (单位单位)是是否否 找找测测量量式式是是否否对结果作出评价对结果作出评价niixnx111)(2nxxiA仪B22 xS仪 xx, z , y, xzyx,.),(zyxfN 222222zzFln)(yFln)(xFlnNyxNNErN100%NNrNNEN),.,(32

2、1kxxxxfN 第2页/共51页第二页，共51页。二二 实验实验(shyn)数据处理方法数据处理方法2.1列表法列表法 （1）各栏目均应标注名称和单位）各栏目均应标注名称和单位 （2）列入表中的主要应是原始数据，从表格中要尽量）列入表中的主要应是原始数据，从表格中要尽量使人看到数据处理的方法和思路，而不能把使人看到数据处理的方法和思路，而不能把列表变成简单的数据堆积。列表变成简单的数据堆积。 （3）栏目的顺序应充分注意数据的联系和计算的程序）栏目的顺序应充分注意数据的联系和计算的程序，力求条理性和简明化。，力求条理性和简明化。 （4）必要的附加说明）必要的附加说明(shumng)，如测量仪器

3、的规，如测量仪器的规格、测量条件、表格名称等等。格、测量条件、表格名称等等。第3页/共51页第三页，共51页。2.2 作图法作图法 1. 作图规则：作图规则： 2. 图解法求拟合直线的斜率和截距图解法求拟合直线的斜率和截距 3. 内插曲线上读取没有进行测量的某些量值。内插曲线上读取没有进行测量的某些量值。 4. 外推法可从曲线延伸部分估读出原测量数据范围以外的量值。外推法可从曲线延伸部分估读出原测量数据范围以外的量值。 5. 发现实验中个别的测量大误差，同时发现实验中个别的测量大误差，同时(tngsh)，作图连线对数据点可起到平均的作用，从而减少随机误差，作图连线对数据点可起到平均的作用，从而

4、减少随机误差. 6. 曲改直曲改直 第4页/共51页第四页，共51页。 当两个被测物理当两个被测物理(wl)变量之间存在多项式函数关系，变量之间存在多项式函数关系，X等间隔变化，且等间隔变化，且X的误差可以不计的条件下的误差可以不计的条件下,对于对于X： X1, X2Xn,X2n；对应有对应有 Y：Y1,Y2YnY2n。将其分成两组，进行逐差：将其分成两组，进行逐差：2.3逐差法逐差法iYnXb1bXYa求得nnnYYY2111YYYn得到得到(d do)：Y = a + bX第5页/共51页第五页，共51页。2.4实验数据的直线拟合（线性回归）实验数据的直线拟合（线性回归） 最小二乘法原理：

5、若能找到一条最佳的拟合直线，那么最小二乘法原理：若能找到一条最佳的拟合直线，那么(n me)这条拟合直线上各相应点的值与测量值之差的平方和在所有拟合直线中应是最小的。这条拟合直线上各相应点的值与测量值之差的平方和在所有拟合直线中应是最小的。 设在某一实验中，可控物理量取设在某一实验中，可控物理量取x1,x2,x3,值时，对应物理量依次取值时，对应物理量依次取y1,y2,y3,值。从这些观测量中求出一个误差最小的最佳经验公式：值。从这些观测量中求出一个误差最小的最佳经验公式： bmxy 222iiiiiiixn)x(xyxyxb 22iiiiiixn)x(yxnyxm 22)y()x(yxrii

6、ii第6页/共51页第六页，共51页。方法方法(fngf)(fngf)非电量非电量(dinling)(dinling)电测电测非光量的光测非光量的光测比较法比较法放大放大(fngd)(fngd)法法模拟法模拟法转换测量转换测量干涉计量干涉计量平衡法（示零比较）平衡法（示零比较） 量纲分析法量纲分析法 补偿法（示零比较）补偿法（示零比较） 非平衡法非平衡法 机械放大机械放大光放大光放大电放大电放大累积放大累积放大三物理实验的基本方法三物理实验的基本方法直接比较直接比较 间接比较间接比较 第7页/共51页第七页，共51页。（1）将待测量）将待测量(cling)和标准量具直和标准量具直接比较接比较

7、l0 0第8页/共51页第八页，共51页。（2）间接比较测量法：当一些物理量难用直接比较法测量时，可以）间接比较测量法：当一些物理量难用直接比较法测量时，可以(ky)利用物理量之间的函数关系将待测物理量与同类标准量进行间接比较测量出。利用物理量之间的函数关系将待测物理量与同类标准量进行间接比较测量出。第9页/共51页第九页，共51页。I=0I=0I=0ExE0小时小时Ex大时大时ExExE0ExE0第10页/共51页第十页，共51页。电位差计XE校准 测量NNoR/EI NXNX0XRRERIE第11页/共51页第十一页，共51页。 平衡平衡(pnghng)法法 平衡平衡(pnghng)原理是

8、物理学的重要基本原理，由此而产生原理是物理学的重要基本原理，由此而产生的平衡的平衡(pnghng)法是分析、解决物理问题的重要方法，也法是分析、解决物理问题的重要方法，也是物理量测量普遍应用的重要方法。是物理量测量普遍应用的重要方法。力学平衡力学平衡(pnghng)：静平衡：静平衡(pnghng)：天平、电子称：天平、电子称 动平衡动平衡(pnghng)：扭摆：扭摆电学平衡：根据电流、电压电学平衡：根据电流、电压(diny) 等电子量之间等电子量之间的平衡设计的桥式电路的平衡设计的桥式电路惠斯登电桥0R0I0021RKRRRRrx热学平衡：混合量热法热学平衡：混合量热法第12页/共51页第十二

9、页，共51页。非平衡非平衡(pnghng)法：非平衡法：非平衡(pnghng)电桥电桥0R0IRU(Rx)第13页/共51页第十三页，共51页。第14页/共51页第十四页，共51页。200dA AOILBBDR杠杆放大机构杠杆放大机构第15页/共51页第十五页，共51页。光学光学(gungxu)放大法放大法 n.D2bLbD2-放大放大(fngd)倍数倍数第16页/共51页第十六页，共51页。光指针光指针(zhzhn)放大放大 复射式检流计第17页/共51页第十七页，共51页。电子学放大法电子学放大法对微弱电信号经放大器放大后进行观测。如电桥对微弱电信号经放大器放大后进行观测。如电桥(din

10、qio)(din qio)平衡指示仪，晶体管毫伏表等仪器均利用电子学放大原理进行测量平衡指示仪，晶体管毫伏表等仪器均利用电子学放大原理进行测量 第18页/共51页第十八页，共51页。转换测量转换测量(cling)法是根据物理量之间的各种效应、物理原理和定量函数关系，利用变换的思想进行测量法是根据物理量之间的各种效应、物理原理和定量函数关系，利用变换的思想进行测量(cling)的方法。它是物理实验中最富有启发性和开创性的一个方面。的方法。它是物理实验中最富有启发性和开创性的一个方面。 3.33.3换测法换测法（1）参量）参量(cnling)换测换测224（2）能量）能量(nngling)换测传感

11、器换测传感器具体形式：非电学量电测；非光学量光测具体形式：非电学量电测；非光学量光测第19页/共51页第十九页，共51页。I IIC C非电量非电量(dinling)(dinling)电测电测非光量光测非光量光测第20页/共51页第二十页，共51页。待测粮食待测粮食(ling shi)(ling shi)传送带传送带粮食烘干粮食烘干(hn n)(hn n)装置装置 I待测粮食的含水量与待测粮食的含水量与反射光强反射光强 有关有关I0 IF F非电量电测非电量电测非光量光测非光量光测第21页/共51页第二十一页，共51页。 利用利用(lyng)(lyng)声波反射，判断前方障碍物声波反射，判断前

12、方障碍物（冰山、暗礁、船只、鱼群等）。（冰山、暗礁、船只、鱼群等）。非电量非电量(dinling)(dinling)电测电测第22页/共51页第二十二页，共51页。非光量光测非光量光测地球地球(dqi)(dqi)月球月球(yuqi)(yuqi)直角直角(zhjio)(zhjio)反射器反射器 通过测发射与接收两光信号的时间通过测发射与接收两光信号的时间 ，在，在C C已知的条件下，可知已知的条件下，可知地球、月球之间距离为地球、月球之间距离为3838万公里。激光万公里。激光具有良好的方向性。故制成各种激光测具有良好的方向性。故制成各种激光测距仪。距仪。t 2 53秒秒第23页/共51页第二十三

13、页，共51页。2L3.43.4干涉计量干涉计量(jling)(jling)法现代精密计量法现代精密计量(jling)(jling)的基础。的基础。 该方法首先由迈克尔孙在实验中应用，后由法布里该方法首先由迈克尔孙在实验中应用，后由法布里- -珀罗作了改进，逐渐构成了现在珀罗作了改进，逐渐构成了现在(xinzi)(xinzi)各种不各种不用的干涉比长仪，其测量精度可以容易地达到波长用的干涉比长仪，其测量精度可以容易地达到波长数量级。数量级。 L L e e明明纹纹暗暗纹纹L L e e 第24页/共51页第二十四页，共51页。待测块规待测块规(kuigu)等厚条纹等厚条纹待测工件待测工件(gng

14、jin)平晶平晶h h标准标准(biozhn)块块规规平晶平晶测量微小厚度的变化测量微小厚度的变化测量薄片厚度测量薄片厚度 检测工件平度检测工件平度劈尖干涉的应用劈尖干涉的应用衍射衍射 光谱技术与方法、光谱技术与方法、X射线衍射技术与方法、电子显微技术与方法都与光的衍射原理与方法相关，它们已成为现代物理技术与方法的重要组成部分射线衍射技术与方法、电子显微技术与方法都与光的衍射原理与方法相关，它们已成为现代物理技术与方法的重要组成部分 第25页/共51页第二十五页，共51页。+ q导电介质导电介质 - q（1 1）数学模拟：把不同本质的物理现象或过程，用同一个数学方程）数学模拟：把不同本质的物理

15、现象或过程，用同一个数学方程(fngchng)(fngchng)来描述。来描述。静电静电(jngdin)(jngdin)模拟模拟第26页/共51页第二十六页，共51页。（2 2）动力相似模拟）动力相似模拟(mn) (mn) ：保持同一物理本质的模拟：保持同一物理本质的模拟(mn)(mn)。例如用。例如用“风洞风洞”中的飞机模型模拟中的飞机模型模拟(mn)(mn)实际飞机在大气中的飞行，用电场模拟实际飞机在大气中的飞行，用电场模拟(mn)(mn)温度温度场等。场等。（3 3）几何模拟）几何模拟(mn)(mn)：几何模拟：几何模拟(mn)(mn)是将实物按比例是将实物按比例放大或缩小，对其物理性能

16、及功能进行试验。放大或缩小，对其物理性能及功能进行试验。 （4 4）计算机模拟）计算机模拟(mn)(mn)（4 4）更进一步的物理之间的替代，就导致了原型试验和工作方式更进一步的物理之间的替代，就导致了原型试验和工作方式都改变了的特殊的模拟方法。应用最广的就是电路模拟。都改变了的特殊的模拟方法。应用最广的就是电路模拟。因为在实际工作中，要改变一些力学量不如改变电阻、电因为在实际工作中，要改变一些力学量不如改变电阻、电容、电感来的更容易。容、电感来的更容易。第27页/共51页第二十七页，共51页。 3.5 3.5 在物理实验中常遇到的困难是在复杂的现象在物理实验中常遇到的困难是在复杂的现象(xi

17、nxing)(xinxing)中无法找到被测与可测量之间的定量关系式，量纲分析法可先假定被测量与可测量之间存在某种关系，再借助标准量来求得被测量的最终结果。这种方法原则上可适用于任何物理量的测量，具有十分普遍的意义。中无法找到被测与可测量之间的定量关系式，量纲分析法可先假定被测量与可测量之间存在某种关系，再借助标准量来求得被测量的最终结果。这种方法原则上可适用于任何物理量的测量，具有十分普遍的意义。第28页/共51页第二十八页，共51页。 弦能振动起来的条件弦能振动起来的条件(tiojin)(tiojin)是激励信号的频率是激励信号的频率f f与弦固与弦固有频率有频率f0f0相同，固有频率又与

18、弦长相同，固有频率又与弦长l l、弦密度、弦密度以及弦所受以及弦所受的张力的张力F F三个量有关。假设三个量有关。假设zyxFklf zyxFlkf 1Tf Ll 2MLTF 1MLzzy2yyx1LMTLMLT第29页/共51页第二十九页，共51页。1y20zy0zyx21z ,21y, 1xFl1kf zzy2yyx1LMTLMLT第30页/共51页第三十页，共51页。四、物理四、物理(wl)(wl)实验中的基本调整与操作技实验中的基本调整与操作技术术2.12.1零位零位(ln wi)(ln wi)调整调整（1 1）利用仪器的零位校准器进行调整）利用仪器的零位校准器进行调整(tiozhng

19、)(tiozhng)，例如天平、电表等例如天平、电表等 (2) (2) 零位校准器，则利用初读数对测量值进行修正零位校准器，则利用初读数对测量值进行修正 螺旋测微计零差第31页/共51页第三十一页，共51页。眼睛位置不同眼睛位置不同(b tn)(b tn)，所得测量结果不同，所得测量结果不同(b tn)(b tn)2.2 2.2 水平水平(shupng)(shupng)铅直调整铅直调整由于受地球引力的作用，实验仪器要求达到水平由于受地球引力的作用，实验仪器要求达到水平(shupng)(shupng)或铅直状态才能正常工作，例如天平和气轨的调节器水平或铅直状态才能正常工作，例如天平和气轨的调节器

20、水平(shupng)(shupng)，调三线摆的水平，调三线摆的水平(shupng)(shupng)和铅直等。水平和铅直等。水平(shupng)(shupng)和铅直调节过程要注意观察，切忌盲目调节。和铅直调节过程要注意观察，切忌盲目调节。 2.3 2.3 消除视差消除视差 第32页/共51页第三十二页，共51页。2.4 2.4 先粗调后细调先粗调后细调 2.5 2.5 等高共轴调整等高共轴调整(tiozhng) (tiozhng) 2.6 2.6 逐次逐次(zh c)(zh c)逼近法逼近法 2.7 2.7 先定性先定性(dng xng)(dng xng)后定量后定量 第33页/共51页第三

21、十三页，共51页。五五. .误差在实验误差在实验(shyn)(shyn)中的应用中的应用5.15.1测量方法选择测量方法选择(xunz)(xunz)例例1：测量某电源的输出电压，要求测量结果的相对误差：测量某电源的输出电压，要求测量结果的相对误差Er0.05%。给定。给定(i dn)条件是：电压表条件是：电压表2.5级，电位差计级，电位差计0.5级，可变标准电压源级，可变标准电压源0.01级。级。 为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来源及误差传递的分析，并结合可能提供的仪器，确定合适的具体测量方法。为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来源及误差传递的分析，并结合可能提供的仪器

22、，确定合适的具体测量方法。 第34页/共51页第三十四页，共51页。解：解：思路一：若用电压表直接测量，由于，要求电表准确度等级为思路一：若用电压表直接测量，由于，要求电表准确度等级为0.05级，因此无法达到级，因此无法达到(d do)课题要求课题要求思路思路(sl)二：用电位差计行吗？由于给定的电位差计精度只有二：用电位差计行吗？由于给定的电位差计精度只有0.5级，显然达不到课题所规定的要求。级，显然达不到课题所规定的要求。思路思路(sl)三：用可变标准电源与被测电动势进行平衡补偿测量，但又没有提供检流计。三：用可变标准电源与被测电动势进行平衡补偿测量，但又没有提供检流计。 思路四：采用思路

23、四：采用“微差法微差法”来达到来达到(d do)课题要求。课题要求。第35页/共51页第三十五页，共51页。xssxxsxxsxxsxsxuuu uuuuuuuuuuuu差值差值越小，测量越小，测量(cling)差值所引入的误差对测量差值所引入的误差对测量(cling)结果的影响越小。结果的影响越小。 %,01. 0uussxsxxsuuuuu0.05%,xxuuUXUS 微差法原理图第36页/共51页第三十六页，共51页。%4100%01. 005. 0uuuuuxssxx可见只要求微差指示器的相对误差不超过可见只要求微差指示器的相对误差不超过4%，就可以满足，就可以满足(mnz)课题的要求

24、课题的要求 例例2：在仪器已确定：在仪器已确定(qudng)的情况下，对某一量的测量，若有几种测量方法可供选择时，则应选取测量结果误差最小的那种方法。如测量单摆的摆长的情况下，对某一量的测量，若有几种测量方法可供选择时，则应选取测量结果误差最小的那种方法。如测量单摆的摆长L,有如下三种测量方法：有如下三种测量方法：若若取为取为=UX/100第37页/共51页第三十七页，共51页。 23 ,22 ,211121DLLDLLLLLDL2L1L测量方法的选择测量方法的选择用精度用精度(jn d)为为0.04cm的游标卡尺测的游标卡尺测D，则有，则有用精度为用精度为1mm的米尺测的米尺测L1和和L2(

25、设端点对准设端点对准(du zhn)误差为误差为0.5mm),则有则有cm1 . 0cm21 . 0221LLcm04. 0D第38页/共51页第三十八页，共51页。而对第二而对第二(d r)(d r)和第三种情况，则有：和第三种情况，则有：cmDLL12. 0211对第一种测量方法，若采用对第一种测量方法，若采用(ciyng)算术合成，则有算术合成，则有cmLLL1 . 02121第39页/共51页第三十九页，共51页。5.25.2测量仪器测量仪器(yq)(yq)的选择的选择在给定对实验误差要求时，应用误差等分原则，分别求出各测量量的误差范围，再根据误差与准确在给定对实验误差要求时，应用误差

26、等分原则，分别求出各测量量的误差范围，再根据误差与准确(zhnqu)(zhnqu)度的关系，选择合乎需要的准确度的关系，选择合乎需要的准确(zhnqu)(zhnqu)仪器，同时还需考虑有效（实用）和价格（经济性）因素。仪器，同时还需考虑有效（实用）和价格（经济性）因素。误差等分原则。若函数误差等分原则。若函数(hnsh)(hnsh)由由k k个自变量组成，即个自变量组成，即),.,(321kxxxxfN 第40页/共51页第四十页，共51页。11xNxN22xxixixkxkx11xx22xxixixkxkxNkN1例：伏安法测电阻例：伏安法测电阻R，要求电阻的测量误差，要求电阻的测量误差Er

27、1.5%，应如何选择，应如何选择(xunz)测量仪器？测量仪器？IUR IURIUR第41页/共51页第四十一页，共51页。%,75. 0UU%75. 0II %maxfUU%maxfII显然显然(xinrn)应选用应选用0.5级的电压表和级的电压表和0.5级的电流表。级的电流表。由电表等级误差由电表等级误差(wch)的规定的规定第42页/共51页第四十二页，共51页。3.3测量条件测量条件(tiojin)的选择的选择按某量的误差可减至最小的原则来确定按某量的误差可减至最小的原则来确定(qudng)实验条件，即用实验条件，即用 0ixiixxf例图是滑线式电桥测电阻原理图，为一均匀例图是滑线式

28、电桥测电阻原理图，为一均匀(jnyn)的长为的电阻丝，滑动触头可在电阻丝上滑动，当电桥平衡时，有的长为的电阻丝，滑动触头可在电阻丝上滑动，当电桥平衡时，有0RllRBDADx板式惠斯登电桥第43页/共51页第四十三页，共51页。xBDxADlll ,ll0RlllRxxx)llln(llnRlnxxxxxxxdllllRdR11xxlll11极小极小(j xio)0111122xxxxl)ll (llldld2xll第44页/共51页第四十四页，共51页。3.4指导实验指导实验(shyn)中抓好关键量的测量中抓好关键量的测量根据各量对实验误差贡献的大小来决定把主要精力集中于导致误差大的物理量的

29、测量工作上，而对哪些误差基本根据各量对实验误差贡献的大小来决定把主要精力集中于导致误差大的物理量的测量工作上，而对哪些误差基本(jbn)可以忽略不计的量，就没有必要去花费太大的精力可以忽略不计的量，就没有必要去花费太大的精力 nbdFLD8Y22b2d2n2L2D2FYYbd2nLDFYEd的测量误差对实验的测量误差对实验(shyn)结果影响大，为此实验结果影响大，为此实验(shyn)采用精度较高的螺旋测微计，进行多次重复测量的方法，以减少误差。采用精度较高的螺旋测微计，进行多次重复测量的方法，以减少误差。 第45页/共51页第四十五页，共51页。其它各量对实验结果的影响系数其它各量对实验结果

30、的影响系数(xsh)因子一样，因子一样， n比其它比其它(qt)量要困难，会有较大的误差，故采用多次测量并用逐差法处理数据。量要困难，会有较大的误差，故采用多次测量并用逐差法处理数据。 5.5 评价实验结果评价实验结果(ji gu)，提出改进方向，提出改进方向 应当养成这样一个习惯，任何一个实验完成后，都应当进行误差计算，否则就无法评定实验结果的可靠程度。而通过误差计算可以看出哪些量对结果可靠程度的影响最大，那就是要提高实验水平或者说提高可靠程度的主攻方向。应当养成这样一个习惯，任何一个实验完成后，都应当进行误差计算，否则就无法评定实验结果的可靠程度。而通过误差计算可以看出哪些量对结果可靠程度

31、的影响最大，那就是要提高实验水平或者说提高可靠程度的主攻方向。第46页/共51页第四十六页，共51页。自主设计实验内容自主设计实验内容(nirng)及基本要求及基本要求1. 演示探索性实验演示探索性实验(shyn)(完成三个或三个以上完成三个或三个以上) 锥体上滚（锥体上滚（B-403） 铜喷洗铜喷洗 （B-403） 表面张力现象研究（表面张力现象研究（B-403） 汤姆逊电子汤姆逊电子(dinz)射束演示实验（射束演示实验（B-503） 铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线（铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线（B-503） 电子电子(dinz)偏转与电子偏转与电子(dinz)荷质比测定实验荷质比测定实验（B-503） 声光效应与超声光栅实验（声光效应与超声光栅实验（B-503） 电子电子(dinz)的传播特性和电磁透镜（的传播特性和电磁透镜（B-503）第47页/共51页第四十七页，共51页。报告要求：报告要求： 对实验现象的观察对实验现象的观察 对实验现象作详细观察，并科学规范地对实验现象对实验现象作详细观察，并科学规范地对实验现象进行总结和提升进行总结和提升. 实验现象的物