大学物理实验一绪论讲义课件

物理实验物理实验绪论绪论绪论主要教材：大学物理实验，周殿清主编，科学出版社210年第一版；

本次课主要内容一、本学期物理实验的教学安排及具体要求二、测量误差和不确定度评定基本知识

主要目的：帮助同学们了解物理实验的基本程序(预习-操作-处理)，如何去做好物理实验；以及了解实验误差和不确定度的基本概念，如何正确表达实验结果。具体的目的：实验抓住两点，能力更要全面。两点是重点(知识点)和难点(操作点)。能力指预习能力(准备实验)、认知能力(尽快熟悉仪器)、操作能力(准确、快速)、数据记录(简洁、清晰有条理)和数据处理能力(方法科学、结论丰富)。由于误差理论涉及较多的数理统计知识，一、两次课很难讲清楚，因此本次课只能介绍测量误差与不确定度的基本概念，在实验过程中如何运用这些知识，正确处理实验数据和评价实验结果，还需要我们结合具体实验，重新学习第一章的相关内容才行；“有效数字的运算及数据处理方法”不讲，留给同学们课后自学。1.本学期物理实验教学安排●第二周绪论课●第三周～第十四周完成12个实验

实验题目和轮换表如下，分组名单各班班长(或学习委员)下课来领。序号实验题目《大学物理实验》〈实验物理学〉地点1气垫导轨实验（二）实验2-4实验五一区物理学院六层力热学实验室2声速的测定（驻波法）实验2-8实验十一3用冷却法测固体的比热容4用拉脱法测液体的表面张力系数实验2-15实验七5直流电桥测电阻实验3-2实验二十

五层电磁学实验室6用补偿法测量电压、电流和电阻实验3-3实验二十二7交流电路的谐振实验3-8实验二十八8示波器的原理及应用实验3-9实验二十九9薄透镜焦距的测定实验4-1实验三十三

四层光学实验室10等厚干涉的应用实验4-8实验三十七11分光计的调节和使用实验4-3实验三十四12衍射光栅

实验4-12实验三十九★注意：

（1）实验轮换表的题号1～12与所用教材上的实验题号对应，不要弄错。

（2）每次实验分12个大组循环，弄清你在哪一组，把你这组的实验轮换顺序写在教材上，便于预习时不会弄错。

（3）节假日冲掉的实验不需补做，继续按轮换表进行。2．实验课具体要求

每堂实验课都包括三个环节：★课前预习

★课堂实习★课后小结★课前预习

●认真阅读教材，明确本次实验的任务和要求；

●正确理解实验测量所依据的原理、公式及采用的方法；

●了解所用仪器的结构及使用注意事项；

●在原始记录纸上设计好数据表格，写出预习报告（包括实验目的、原理及数据表格），教师要检查。预习报告：名称+目的+仪器+原理(可直接写在”武汉大学物理科学与技术学院物理实验报告”纸中或单独用纸)突出重点，结合每个实验步骤、思考题，预测难点(不用写在预习报告中)。★课堂实习

●遵守实验室规则（不要迟到，自备鞋套），按轮换表顺序进行实验；●遵守仪器操作规则，严肃认真，独立操作（认真阅读电磁学P101和光学实验P209基本知识）；●要用钢笔或圆珠笔记录数据，不要用铅笔；●实验完毕后，原始数据交老师签字认可，整理好桌面仪器。●因病、事不能上课者，必须出具医院或院系办证明，否则按旷课论。★课后小结

●实验报告要用学校统一的报告纸撰写，要求字体工整、文理通顺、图表规矩、结论明确。●报告内容包括：实验名称、实验目的、实验原理、实验内容、数据记录与处理结果与讨论。要尽量用自己的语言写。●下次实验交前次实验报告（原始记录附在报告上）。

实验成绩评定标准

实验操作要求等级

实验报告要求等级1预习充分abc1格式规范abc2目的明确达到要求基本达到要求达不到要求2书写整洁达到要求基本达到要求达不到要求3原理清楚3作图完美4步骤正确4表达完整5操作规范5结果分析6数据正确6实验体会7遵守纪律7见解创新8整理仪器8习题正确实验操作分标准实验报告分标准A(95±2)等级为全aA(95±2)等级为全aA-(90±2)等级为7a、1bA-(90±2)等级为7a、1bB+(85±2)等级为6a、2bB+(85±2)等级为6a、2bB(80±2)等级为5a、3bB(80±2)等级为5a、3bB-(75±2)等级为4a、4bB-(75±2)等级为4a、4bC+(70±2)

等级中有3个cC+(70±2)等级中有3个cC(65±2)等级中有4个cC(65±2)等级中有4个cC-(60+2)等级中有5个cC-(60+2)等级中有5个cD(不及格)等级中有6个cD(不及格)等级中有6个c

下面通过光学方面的四个案例来说明如何总结各个实验的“两点”，希望对各位同学能有启发。光学预备知识中的重点：两灯、两镜。两灯:高压汞灯(白)、钠灯(黄)P198、199；两镜:测微目镜，读数显微镜P239、245；光学仪器的使用和维护6条P205。实验4-1测焦距，重点(知识)：两图、两公式。高斯公式4-1-1和图4-1-1(P206)、贝塞尔(或二次成像)公式4-1-2和图4-1-2P。凸透镜成像规律物距大(小)，像距小(大)，且都不能小于f焦距(实像)。成像要求物距+像距略大于4f焦距(1-5厘米)，此时透镜在中间。凹透镜成像必须要凸透镜帮忙(实像)。难点(操作)：透镜、物(十字)和光具座共轴P208;判断实像(十字像)的清晰(可看十字边缘)。记录：表格化(数据多)；物距的正负号(透镜左边正号，右边负号)，本次像距均为正。习题1、2P210实验4-3分光计(4-3-2内容不做)P217-226，重点：六图、三公式。图1(仪器)、4(读数)、6和7(原理兼光路)、3(现象)、9(操作)，公式1(偏心差)、2(自准直)和3(反射)/原理，全部运用平行光反射原理，入、反射光与反射面和法线夹角相等或反射光原路返回(垂直入射)；难点：固定、调节螺钉多(图1P218)，固定13/14/20(重点)、2、8，调节11/21(重点)、12/19(微调)。望远镜光管水平难调(用反射规律，管外找像)。记录：读数时一定固定一个(盘)，转动一个(盘)；两个读数游标1、2相像，不能弄混，不能刻、写标记。习题P226：1、2题记录和处理：读数显微镜要估读一位；要算不确定度(实验步骤7)，先算d平方差的不确定度，再用公式传递到R半径的不确定度，或自行设计方案。习题P244：2、3题实验4-12衍射光栅P254重点：1式--衍射方程4-12-2P255，3图--图3、4、5（全是调节要求）P256；分光概念：复合光（如汞灯光白色）按不同的出射角（衍射角，与入射白光夹角）展开为众多单色光。波长短(紫、蓝)，衍射角小，波长长(红、黄、绿)，衍射角大。习题P258：1、3题二、测量误差与不确定度

基本知识（一）测量误差理论的基本概念（二）测量不确定度（三）结果表达（四）作图基本要求1.客观真值0A设为被测物理量，其客观的真实的数值X（简称真值），以表示。0A真值一般是不知道的，测量的目的，是0A力图得到此值，但在一定意义上讲，只可无限逼近。0A一实验误差理论基本概念一实验误差理论基本概念真值在实用上可以用来代替作计算的值。0A如（1）理论值（2）公认值（3）校准值（4）平均值3.测量值Xi物理量的多次实际测量值。测量值的序列称为测量列。2.近似真值A测量值4.测量平均值n()X次XiSn1Xin0AXf()XX0XiXi为随机分布量。8n时，其概率密度f()X服从正态分布具有单峰性对称性平均值5.系统误差原因：（1）量具不准；（2）测量环境偏差；（3）所用公式的近似性；（4）测量方法不当；（5）测量者的不良习惯。特点：（1）测量时不察觉；（2）一旦用更可靠的方法更高精度的仪器发觉后可以消除；（3）系统误差消除后，0AX8以下讨论中，均认为系统误差已消除。系统误差定义：系统误差=实用：系统误差=0AX8AX多次6.测量值的随机误差id0AXiid定义：id也是随机变量d0f()didn8时其概率密度f()d亦服从正态分布随机误差的特点为即（1）正负误差出现概率相等（2）误差大者概率小（3）不可消除随机误差7.测量值的标准误差s()fdd0随机误差分布曲线拐点拐点ss68.3%随机误差id落在区间s()s，内的概率为68.3%定义：标准差是测量质量好坏的评判标准。s()fdd00d()fdssss甲乙甲乙对同一物理量作多次测量，其随机误差分布分别为甲测量比乙测量好。甲：分布曲线狭长，数据集中，重复性好，较小。s乙：分布曲线扁平，数据分散，重复性差，较大。s测量的质量n()8s的理论公式S0i21sn(XAi)nxsn()s的实用公式有限Si21n(Xi)nxsX1实用标准差8.粗差如果测量误差3sdi，则该称为粗差。di粗差对应的测量项应剔除。9.算术平均值的标准差X算术平均值比个别测量值更可能靠近真值，X的标准差比的标准差小。XX若有限，算术平均值标准差的实用计算式为nnxsSi21n(Xi)Xn1()nxs平均标准差10.仪器误差r仪性质：属未知的系统误差的估计量常用仪器的规定r仪Xms%仪器米尺最小刻度的一半螺旋测微器最小刻度的一半游标卡尺精度（尺上标明）数字显示仪器显示的最小单位电表r仪量程级别仪器未知差二测量的不确定度U二测量的不确定度U不确定度U1.意义：U是根据测量条件定出的对测量误差的估计值。将附加于测量结果，可表示被测真值以相当大的概率落在其U限定的量值范围内。数值的大小是对测量结果质量优劣的一种评定。Us2+u已消除确定系统误差的测量，由两类分量合成：U合成不确定度U2su统计分量（与随机误差相对应）非统计分量（主要与仪器误差对应）2.的计算基本公式（简化式）U（1）直接测量：sXsSi21n(Xi)nX1iuri仪（为某项仪器误差）ri仪016n~2+U合成XsSiu2直测U公式（2）间接测量()fz设：Xy，为直接测量量Xy间接测量量的合成不确定度为z则2+eUzf()eXUX22ef()eyyU2先分别求出的直接测量合成不确定度XyUXyU，SsiuXXUX2+2SsiuU2+2yyy若为单次测量则不计s项间测U公式三结果表达三结果表达1.直接测量：UX+-EXUX01%0结果表达2.间接测量：zz+-UzEzUzz01%0()fzyX，3.结果表达中的有效数字取舍问题举例阐述基本原则：UX+-X仅含一位有效数字。（采用保险性“进位法”，即非零全入法取舍）。根据确定有效数字位数。U其末位有效数字应与对齐。U（采用统计性四舍五入法，即“四舍余五入，整五凑偶入”进行取舍）。EUX01%0可保留两位有效数字。取舍原则例如：若由测量和计算得UX135.341mm0.22mm若135.351mmXX则取()mm+-0.3135.4135.350mmX若X则取()mm+-0.3135.4135.250mmX若X则取()mm+-0.3135.2结果表达应取成：+-XXU135.3()+-mm0.3EUX01%00.23%取舍实例四作图基本要求四作图基本要求作图要求用坐标纸作图1.图线名称如：U-T图线;R-T图线等。2.坐标名称及单位如：U(mv),T(K);R(),T(C)等。W3.分度恰当，布图匀称在不损失测量数据有效数字的前提下，并考虑到图线布局匀称性，合理设定坐标分度。4.给出最小格值图例如：T:1mm1.0K,U:1mm5mV等.5.若图线为直线，在求直线斜率时应注意在直线上选取的两个计算点相距不能太近，以免损失有效数字。要标明计算点及其坐标值，如（110.0,775),(240.0,385).测量点也应有明确标记，如等。TK)(100.0150.0200.0250.0300U()Vm400500600700800TU~曲线T：1mm=1.0KU:1mm=5mV(110.0,775)(240.0,385)UraTr385-775240.0-110.0-3.00(mV/K)例：测得某二极管正向电压随温度的变化数据为UTU()VmTK)(110.0125.0140.0............245.0776730690379试作关系图，并求温度系数TU~UraTr（即图线斜率）作图实例

1．指出下列各量是几位有效数字：

(1)(2位）(2)T＝1.0000s(5位）(3)L=0.00001cm(1位）(4)g=980.12306cm/s(8位）有效数字的位数与小数点的位置无关

根据测量不确定度和有效数字的概念，

改正以下测量结果表达式，写出正确答案。(1).d=10.430±0.3cm(2).E=1.915±0.05V(3).L=10.85±0.200mm(4).P=31690±200Kg(5).(6).(7).10.0±0.095mm(1).d=10.430±0.3cm改正：10.4±0.3cm(3).L=10.85±0.200mm改正：L=10.8±0.2mm(5).改正：或：(6).改正：(7).10.0±0.095mm改正：10.0±0.1mm判断下列各式的正误，请在括号内填写有效数字的正确答案。

(1).1.732╳1.74=3.01368

(3.01)(2).628.7÷7.8=80.603

(81)(3).（38.4+4.256）÷2.0=21.328(38.4+4.3)÷2.0(21)(4).（17.34-17.13）╳14.28=2.9988（0.21

╳14.28）（3.0）换算下列各测量值的单位：

（1）4.80cm=()m=()mm4.80cm=(4.80╳10-2)m=(4.80╳10)mm（2）30.70g=()kg=()mg30.70g=(3.070╳10-2)kg=(3.070╳104)mg（3）3.50mA=()A=()μA3.50mA=(3.50╳10-3)A=(3.50╳103)μA

一圆柱体的外径(D)约6厘米、高〔H)约8厘米，求测圆柱体的体积V和不确定度μv，并写出测量结果表达式。（要求：选用的仪器在测量时所产生的最大相对误差不超过0.3%）解题步骤根据要求选择合适的测量仪器。直接测量圆柱体的外径（D）和高（H）。计算（D）、（H）的平均值和标准偏差。确定测量仪器误差引起的不确定度分量u。计算直接测量量的合成不确定度UD、UH

。写出D和H的测量结果表达式。计算圆柱体的体积（平均值）。计算圆柱体体积的测量不确定度。测量结果表达式。1.根据要求选择合适的测量仪器。

因为根据仪器误差传递公式得：已知：即：根据误差均分原则可得：已知D≈6cm，H≈8cm则：△D≈0.001D≈0.006cm△H≈0.001H≈0.008cm

根据以上数据可用游标精度为0.002cm的游标卡尺测量圆柱体的外径(D)和高〔H)常用函数误差传递公式函数表达式测量不确定度传递公式仪器误差传递公式Z=X±Y△Z=△x+△yZ=XY或Z=X/Y△Z/z=△x/x+△y/yZ=kxUz=k•Ux△Z=k•△xZ=X1/K△Z/z=1/k•△x/x△Z/z=k•△x/x+m△y/y+n•△s/SZ=sinx△Z=|cosx|•Ux

△Z=cos•△xZ=lnxUz=