大学物理(上) 实验课绪论1

1、大学物理实验绪 论理学院应用物理系 李丽 8/13/20221通 知 大学物理实验课从第五周开始上课,地点耘慧楼114.405.102.103.104。物理实验中心2009.03.098/13/202223、实验课是一门自学性较强的课程，实验目的、实验原理要求学生必须在课前进行自学，课堂上不可能有足够的时间仔细看，否则会影响实验的正常操作。 提示：1、大学物理实验与中学物理实验的区别，中学物理实验是帮助学生理解物理概念；大学物理实验是要求学生学会实验方法、原理、认识实验仪器等。2、本次所讲述的内容是整个大学物理实验课的基础知识，贯穿于所有实验课全部，并不是其它课程的一般的绪论课，因此这次课非常

2、重要希望大家务必重视。8/13/202231 、必须按时上课，上课迟到扣分，无故不上课者，该实验无成绩。病、事假需正当手续（医生诊断书或盖有院、系公章并经院、系主任签字的请假条），口头带信无效。迟到超过20分钟者取消该次实验成绩。2 、实验前必须预习，进实验室后马上交预习报告，教师抽查提问学生预习情况，根据预习情况打分，没写预习报告的不许做实验。3 、进入实验室后，未了解仪器性能前不准乱动仪器。4 、离开实验室前必须整理好仪器，凳子放好，经教师验收后离开实验室。5 、实验报告按班级学号排好于下次实验时交指导教师，不接收单独交报告。学生实验守则8/13/20224 第一节 大学物理实验的重要性、

3、目的和任务第二节 物理量的测量及分类第三节 测量的误差一、大学物理实验的重要性二、大学物理实验的目的和任务三、大学物理实验基本过程四、大学物理实验报告内容一 、 测量的分类二、测量的有效数字一、真值与误差二、误差的种类三、测量结果的质量评价四、不确定度8/13/20225 第一节 大学物理实验的重要性、目的和任务一、大学物理实验的重要性1.重要性 物理实验在物理科学的创立和发展中占有十分重要的地位。物理学就其本质来讲是一门实验的科学。 物理实验的范围大至宇宙，小至原子、分子，物理实验已涉及到各个学科的方方面面。例如：地震勘探、放射性测井、电法测井、原油电脱水、电法采油、注蒸汽采油等油田开采领域

4、，其他领域也同样如此。 而且历届获得诺贝尔物理学奖的科学家中，80%以上是实验物理学家，由此可以看出，物理实验的重要性和学习物理实验的必要性。 8/13/202262.基础性 物理实验是其它实验的基础。如果我们把现代高精尖的实验拆分成独立部件，绝大部分是常见的物理实验内容。3.必要性 物理实验是一门重要的必修科目。8/13/20227（一）基功训练 1 .基本仪器的使用天平、卡尺、气轨、示波器、记时器、分光计、显微镜、各种电表等。 2.基本测量方法的运用倍测法、放大法、补偿法、模拟法等。 3 .基本实验技能的掌握方案设计、方法选择、数据处理、误差分析、实验报告撰写等。（二）素质培养实事求是的作

5、风、严肃认真的态度、不怕困难的精神、遵守纪律爱护公物的品德、相互合作的协同心理。二、大学物理实验的目的和任务8/13/20228四、大学物理实验报告内容1.实验目的2.实验仪器3.实验原理4.实验步骤5.实验数据记录6.实验数据处理过程8.分析讨论7.最后结果表示三、大学物理实验基本过程1.预习2.观测与记录3.数据处理8/13/20229 第二节 物理量的测量及分类测 量 测量就是使用一定的量具或仪器，通过一定的数学方法，用同类量的单位把待测量表示出来的过程。 或者说，测量就是借助仪器用某一计量单位把待测量的大小表示出来，即待测量是计量单位的多少倍。数据包括数值的大小和单位，两者缺一不可，否

6、则没有物理意义。8/13/202210一 、 测量的分类直接测量：间接测量：能直接从仪器上读出待测量的量值。 长度、 时间、 质量、 温度、 电流、 电压等。通过直接测量的计算得出结果。面积、 速度、 密度等。等精度测量：非等精度测量：对某一量在同一条件下进行的 测量。对某一量在不同条件下进行的测量。实验者仪 器方 法环 境* 大学物理实验所做的都是等精度的直接测量或间接测量。按方法分按条件分8/13/202211 2 cm0.5 cm+ = 2.5 cm2.5 cm0.05 cm+ = 2.55 cm任何测量结果都有误差二、测量的有效数字有效数字可以反映测量的准确程度8/13/202212（

7、一）有效数字及其一般规则能够完整表达测量结果的必须数字。 7.2 cm 7.20cm 7.200cm* * * 测量结果的有效数字位数的多少与待测量的大小和 仪器的精度有关。当待测物一定时，有效数字位数的多少 反映测量仪器的精度，因此：有效数字的位数不能随意改动有效数字的规则（一位存疑位和其他可靠位组成）1、第一个非“0”数字后面及其间的“0”为有效数字。0.1030 第一个非“0”数字的前面的“0”不为有效数字。0.0010302、有效数字的位数不因单位变换而增减。3、有效数字位数不变，用科学记数法表达数量级。 1.0kg=1.0 g1000g=1.000kg 1000g=1kg（对）（错）

8、8/13/202213（二）直接测量的有效数字刻度类（米尺）显示类（电子秒表）精密类（游标卡尺）电表类（电压表）最小刻度是单位值，存疑位取在最小刻度的十分 位。最小刻度不是单位值，存疑位取在最小刻度位。存疑位为最小显示位存疑位为仪器的最小单位 （例如：1/50mm卡尺，记到0.02mm）由表级计算出误差，存疑位与误差同位。141 + = 15（单位）（定准存疑位）8/13/202214（三）单位换算时的有效数字1.5 kg= 1500 g2.4 0 mm= 0.00240 m（有效数字位数不变，用科学记数法表达数量级）=（四）有效数字的运算规则任何运算结果的有效数字都应符合有效数字的特点，即由

9、准确数字和最后一位存疑数字组成。总原则：运算结果保留一位可疑数字8/13/202215和差运算计算结果的存疑位与参加运算的各量中存疑位最高的相同（定有效数字存疑位）积商运算（定有效数字位数）其他运算形式的有效数字各有规定（见讲义27页） 计算结果的有效数字的位数与参加运算的各量中有效数字位数最少的相同。50.1 + 3.278 - 0.45 =52.92899（单位）（单位）4.178 x 10.1 = 42.1978 = 42.2= 52.8/13/202216D =5.8 + 5.7 + 5.8 + 5.84= 23.14= 5.775= 5.78 （单位）整数（准确数）在运算时不参加结果

10、的定位。常数的位数随决定结果的测量量而定。注意3.14 5.78= 26.225994= 26.2（单位）=41412DSp28/13/202217第三节 测量的误差 任何测量都有误差，问题在于怎样：减少测量误差；求出待测量的最近真值；对最近真值的可靠程度进行评价。一、真值与误差1、真值 （ A） 真值是客观存在的。是一个理想的概念，不可能准确测得的。2、测量误差（绝对误差）测量值与真值之差定义为误差，数学表达方式： X (测量误差）= X（测量值）- A（真值）反映测量量偏离客观真值的大小和方向，有正负之分。8/13/202218系统误差随机误差过失误差1.系统误差特点：来源：同一测量条件下

11、，多次测量同一物理量时，其误差的绝对值和符号不变或按某一规律变化。仪器误差仪器不完善，状态不标准。方法误差环境误差人员误差实验状况不能满足理论条件。温度 气压 电磁场等环境因素与要求不符。由于人的生理心理和固有习惯而产生。二、误差的种类8/13/202219（1）发现系统误差的方法分析法A、分析理论公式所要求的条件是否满足B、分析仪器所要求的条件是否满足C、分析数据a 观察法b 计算法c 逐差法d 统计规律 对比法A、实验方法对比法(单摆测重力加速度、自由 落体测重力加速度）B、仪器对比法(例如两块电表接入同一电路）C、改变测量方法对比（例如用正反电流测量等）D、改变实验条件对比（例如改变电路

12、元件的位置）E、换人对比8/13/202220（2）消除系统误差的方法消除根源A、采用更符合实际的理论公式（近似程度）B、严格保证仪器装置的实验条件C、严格控制客观环境实验方法A、比较法（通过与标准量在同一条件下比较而得）B、补偿法（例如迈克尔逊干涉仪的光程补偿）C、代替法（用标准量代替进行测量）D、交换法（惠斯登电桥）E、倒号法（杨氏模量实验）F、消去法（牛顿环）G、线性观测法H、半周期偶数法（分光计）I、一次倍测法（单摆实验）8/13/2022212.随机误差特点：在相同实验条件下，多次测量同一物理量，所得误差大小、符号随机变化，不可预知。来源：1.人类感官的灵敏度和仪器精度所限。2.受起

13、伏条件的干扰（温度不均匀、气流、噪声等）。随机误差无法避免和消除，但多次测量可以减小随机误差。几个概念：(1)真值 A (2) 测量值 Xi (3) 平均值 (4)误差Xi = (Xi-A)=niiXnX11(5)偏差Xi =( Xi - X ) (6)样本标准差S = 8/13/202222（1）随机误差的正态分布xD+-3-3+以绝对误差x为横轴，以误差出现的概率为纵轴，即得正态分布。正态分布函数正态分布曲线标准差极限误差8/13/202223（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）有界性在一定的条件下，误差的绝对值不会超过一定限度。3Dx（3）对称性绝对值

14、相等的正负误差出现的概率是相同的。lim1=D=iinx0（2）正态分布的规律性8/13/202224（a） 由对称性导出的结论（算数平均值接近真值）有限次测量的算数平均值是最近真值= 0=X1 , X2 , X3 , X4, XnX1 =(X1 - A), X2 =(X2 - A), X3 =(X3 - A),X4 =(X4 - A), Xn =(Xn - A) = (X1 - A)+(X2 - A)+(X3 - A)+ (X4 - A)+ +(Xn - A) 8/13/202225（b） 值是反映误差大小分布特点的特征量 之间测量数据很集中，约占总数据的68.3%。值越小，小误差出现的概率

15、越大，各测量值的分散性小、重复性好。值越大，小误差出现的概率越小，各测量值的分散性大、重复性差。（曲线的拐点），用于描述测量数据的离散程度。8/13/202226（3）标准差的三种表示方式N趋近无穷大时，测量值对真值的偏离程度。描述有限次测量值偏离平均值的程度。描述平均值偏离真值的程度。平均值标准差样 本标准差总 体标准差8/13/2022273.置信度、极限误差 测量值在给定误差范围内的几率为该测量数据在此误差区间内的置信度。误差落在-2 到+2间的可能性为95.4% 测量值误差超过 范围内的几率是极小的，故称 3 为极限误差。其误差落在- 到+ 间的可能性为68.3%误差落在-3 到+3

16、间的可能性为99.7%8/13/2022284.过失误差特 点：来 源：看错、 记错、 算错数据。消除方法：将有过失误差的测量值（坏值）舍去不用。数值过大。8/13/2022291.准确度： 指测量值与真值符合的程度。准确度高，表示测量结果接近真值的程度好，系统误差小。所以常用准确度反映系统误差的大小。2.精密度：3.精确度： 指重复测量结果相互接近的程度。精密度高，表示测量重复性好，各次测量误差的分布密集，随机误差小。所以常用精密度反映随机误差的大小。 指综合评定测量结果的重复性与接近真值的程度。准确度高，精密度不一定高；精密度高，准确度不一定高。精确度高是精密度与准确度都高。所以精确度反映

17、系统误差与随机误差的综合效果。三、测量结果的质量评价8/13/202230准确度8/13/202231精密度8/13/202232精确度8/13/202233 准确度 精密度 精确度 由于实验中，利用各种方式尽可能消除或减小系统误差，所以评价测量结果的质量主要是估算随机误差。因此，往往不再严格区分准确度与精密度，而泛称为精度。 在实验中用精度说明实验结果，是指相对误差的数量级，如：Er = 1.0%可笼统讲精度为10-2 ；对于所使用的仪器来讲，精度又指仪器的最小分度值。8/13/202234四、不确定度1.引入不确定度的意义误差是一理想概念，它本身是不确定的，所以不能用确定的数值来表示误差，

18、现行的方法只能求得误差的估计值，我们称这一估计值为不确定度。引入不确定度可以对测量结果的准确程度作出科学合理的评价。 不确定度越小，表示测量结果越接近真值，可信度高。不确定度越大，表示测量结果与真值差别越大，可信度低。测量结果表示为：（单位）其中U称为不确定度或同时表示为：Ur称为相对不确定度8/13/2022352.不确定度的概念表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度，它是被测量的真值在某个量值范围内分布的一种评定。不确定度反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差分量的联合分布范围。（2）不确定度的评定A类分量：在同一条件下多 次测量，用统计学方法计算的分量，用U

19、A表示。（1）定义B类分量：用其他方法（非统计学方法）评定的分量，用UB表示。8/13/202236（3）不确定度与误差的关系综述：误差可用于定性地描述理论和概念的场合。不确定度则用于给出具体数值或进行定量运算、分析的场合。 （a）两个不同的概念 误差-理想概念，一般无法表示测量结果的误差。“标准误差”、“极限误差”等词，并不是指具体的误差值，而是用来描述误差分布的可信范围的。 不确定度-表证被测量的真值所处的量值范围的评定，能更准确地用于测量结果的表示。 （b）二者相互联系二者同根同源，不确定度是在误差理论的基础上发展起来的。8/13/2022371.设法把测量的误差减至最小。2.求出待测量

20、的最近真值（平均值）。3.对近真值进行不确定度估计。4.正确表示出测量结果。测量前：选择仪器，调节仪器，对操作者进行培训。测量中：运用相应的方法减小或消除确定的系统误差。测量后：对已确定误差的数据进行修正。条件允许时尽量做多次测量，取其平均值。计算不确定度和相对不确定度结果表达式：数据处理整个实验安排过程（单位）8/13/202238单摆实验单摆的等时性斜面实验 1、初速度为0的等加速度运动的物体，其位 移与时间的平方成正比。2、一个初速度不为0的物体，如果没有外部 的作用，它将始终保持这种速度。第谷的大量观察资料开普勒的三大定律光的干涉和衍射光的波动性光电效应、康普顿效应光的粒子性黑体辐射量子力学现代实验科学的始祖伽利略8/13/202239近 代 物 理 学 之 父爱因斯坦评论伽利略：“伽利略的发现以及他所用的科学方法，是 人类思想史上最伟大的成就之一，而且标志 着物理学真正的开端。8/13/202240生平 1564年2月15日生于意大利的比萨。出生前3天米开朗其罗去世、艺术转向科学的象征。 新时代的阿基米德 1589年，比萨大学数学教授 1592年，帕多瓦大学 1610年回到佛罗伦萨 1624年163