2013大学物理实验

大学物理实验绪论西南科技大学理学院杨振萍2013.09.10

学生须知

此部分内容请高度重视，每年大量重修的同学大多是因为对开课须知及各种注意事项不重视造成的！一、《大学物理实验》预约必读

1、物理实验网上预约地址：从教务处进去点击“实验预约”，或者输入网址：75/StuExpbook/

请同学们务必仔细阅读预约系统里的“选课须知”，按时、按要求进行预约。平时应多查看该系统，及时了解本课程的情况及通知。2、预约时间：9月29日（第四周周末）截止。必须在此之前完成实验预约。选课系统关闭后，无法再预约实验，后果自负。在选课截止时间之前由于任何原因无法预约的，必须到本中心教师办公室（东6C座314房间）找系统管理员俞辉老师人工选课。预约实验时，请不要与其它课程发生冲突。随时查看通知，人数严重不足的课次将重新预约。①选修大学物理实验A1、大学物理实验B1、普通物理实验B1的同学，完成“1次绪论课+7个实验”。②选修大学物理实验C1的同学，完成“1次绪论课+5个实验”。（预备知识、示波器的使用、杨氏模量、分光计、电桥测电阻）3、本期有多个层次的物理实验，不同层次的物理实验在课程要求、内容和学时上有区别，请同学们在预约实验前务必核查清楚自己的学习层次。不同层次物理实验的要求如下：6、实验中心地址：新区东6幢C座。5、实验时间：每个实验为3学时，上课时间段为:上午3—5节（9:55—12:20）;中午6—8节（13:10—15:30）;

下午9—10节（15:55—18:20）。实验与理论课时间安排不一样，请同学们看清楚上课时间！

4、期末成绩计算办法：

随机抽取1个实验的分数作为考试成绩，占期末成绩的30%，其余实验分数的平均值占期末成绩的70%。请同学们认真对待每个实验内容！二、课程要求：

1、实验教学具体流程：

学生提前10分钟进教室签到→教师检查实验报告的预习部分→教师讲授及操作示范→学生操作、教师辅导答疑及解决各种实验相关问题→教师检查数据、评定操作成绩、检查实验设备状况→合格后学生整理桌面设备、做好清洁卫生、离开实验室。

2、单个实验的分数：

预习部分20分操作及数据30分数据处理40分☆分析与讨论10分单个实验总分总分100分☆数据处理必须完成，未处理数据的实验报告，总分计零分。4、绪论课课后需完成的事项：（1）学习委员以班为单位购买实验报告纸、绪论课试卷，地址:东6C座附102楼层管理员处（每人3元）。（2）购买实验教材：学习委员以班为单位到老区图书馆教材科购买（电话：2419081,6089105）。（3）交绪论课试卷：“国庆”前交实验报告箱，写清任课教师姓名。

3、实验报告的提交：

完成实验后一周内将实验报告交至任课教师指定的实验报告箱（上课时注意记录任课教师的姓名及实验报告收取箱号码），物理实验报告箱位于本中心3楼。三、实验纪律：

1、上课务必携带有效证件；做实验需要用证件借器材。2、未写好预习部分的同学禁止进入实验室进行实验。3、上课迟到每分钟扣1分，迟到15分钟取消本次实验资格，该个实验计0分。

4、实验过程中，严格遵守操作规程，服从教师的安排；5、实验做完后，原始数据必须经过指导老师打分签字，原始数据不准用铅笔书写，伪造、抄袭实验数据本实验以0分计，无教师签字的报告视为无效报告；6、实验结束后，需关闭电源、整理好实验器材，清理完纸屑等才能离开实验室；7、实验结束后，在一周内完成实验报告的所有内容，并交到指定报告箱。

8、实验课不准补做！

如遇不可抗拒的因素（如患病、考试、参加校级以上级别的竞赛），必须出具正规证明和学院教学办公室的证明，实验中心才能安排补做。

不满足补做条件的，不许纠缠任课教师要求补做，否则以扰乱教学秩序交学校处理。1《大学物理实验》黄建群等四川大学出版社2《大学物理实验》张兆奎等高等教育出版社；3《大学物理实验教程》陈守川浙江大学出版社；4《大学物理实验》大学物理实验编写组厦门大学出版社；5《大学物理实验》梁华翰等上海交通大学出版社。参考书:绪论1.预习(1)理论的准备(了解实验的理论依据和条件)(2)实验仪器的准备(工作原理,工作条件和操作规程)(3)观测的准备(设计记录表格)2.实验(1)仪器的安装和调整（按仪器的工作条件）(2)观测(3)记录(日期、地点、室温、仪器及编号、原始数据、有关的现象)3.实验报告(实验仪器、实验原理、实验数据处理、实验讨论)NEW西南科技大学实验报告.doc§2.测量与误差一.测量1、测量的含义

借助仪器用一计量单位把待测量的大小表示出来，即待测量是该计量单位的多少倍。2、测量的分类

（1）直接测量和间接测量

直接测量——直接由仪器标尺读数而获得被测量的值的测量，叫直接测量。

间接测量——利用函数关系算出被测量的大小的测量，叫间接测量。（2）等精度测量与非等精度测量

等精度测量——在测量过程中，影响测量结果的各种条件(实验者、实验仪器、实验方法、实验环境)不发生变化，这种测量称为等精度测量。

非等精度测量——反之，则称为非等精度测量。二.误差1、误差的表示形式（1）绝对误差定义：测得值x减去真值x0为测得值的绝对误差（2）相对误差定义：测得值的绝对误差δ除真值x0引用误差

仪表的准确度级别：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5，5.0七级,

仪表所对应的最大引用误差为0.1%，0.2%，…5.0%

则该仪表测量值x的最大误差为：利用该仪表测量时,应尽可能在仪表满刻度值2/3或1/2以上的量值内使用.2.误差的分类系统误差（1）理论方法误差：由于实验方法本身或理论不完善导致的误差。如:单摆测重力加速度时，忽略了空气阻力或摆角过大等。（2）仪器及环境误差:分析仪器和环境是否符合实验要求.如:天平是否等臂；秒表是否准确；刻度是否偏心；环境温度湿度是否在规定范围内，否则会产生误差。系统误差产生的原因:系统误差指实验系统在测量过程中和在取得其结果的过程中存在恒定的或按一定规律变化的误差。它的特点是恒定性。系统误差的减小和消除:

由于测量方法、测量对象、测量环境及测量人员不尽相同，因而没有一个普遍适用的方法来减小或消除系统误差。下面介绍几种减小和消除系统误差的方法和途径。

这是消除系统误差最根本的方法，通过对实验过程中的各个环节进行认真仔细分析，发现产生系统误差的各种因素。①从产生系统误差的根源上消除

措施：

采用近似性较好又比较切合实际的理论公式，尽可能满足理论公式所要求的实验条件；选用能满足测量误差所要求的实验仪器装置，严格保证仪器设备所要求的测量条件；采用多人合作，重复实验的方法。②引入修正项消除系统误差

③采用能消除系统误差的方法进行测量

对于某种固定的或有规律变化的系统误差，可以采用交换法、代替法、补偿法、异号法等特殊方法进行清除。

偶然误差偶然误差具有以下特性.①有界(限)性:在一定测量条件下,偶然误差的绝对值不会超过一定的限度.②单峰性:绝对值小的误差出现的概率大.而绝对值大的误差出现的概率小。③对称性：绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等。④抵偿性（互补性）：一列等精度测量中，偶然误差的代数和有：

在同一条件下多次测量同一物理量时，测得值总是有稍许差异而且变化不定，并在消除系统误差之后依然如此。这部分绝对值和符号经常变化的误差，其值时大时小，时正时负，不可预测。但总体来说服从一定的统计规律的误差，称为偶然误差。粗大误差

在实验过程中，由于仪器损坏和操作错误而产生读数和记录的错误，这些错误称为粗大误差。可以作为测量值的最佳估计值，也称近真值。

当测量次数测量值误差（残差）即

误差的几个基本概念精密度：重复测量数据相互分散的程度,精密度的高低反映偶然误差的大小。即精密度越高，数据越接近，偶然误差越小；反之偶然误差就越大.正确度：实验结果与真值的符合程度,它的高低反映系统误差的大小。即正确度越高，测量值越接近真值，系统误差就越小；反之，系统误差就越大。准确度：精密度与正确度的综合反映,当偶然误差小到可以忽略不计时，准确度等于正确度；当系统误差小到可以忽略或得到修正消除时，准确度等于精密度。两者都高，准确度就高；两者之一低或都低，则准确度低。§3.测量值误差的估计1.直接测量的标准误差

定义：各测得值误差的平方的平均值的平方根。其中测量列的标准误差：数学表达式测量列的标准偏差：

意义：LA(mm)2.12.62.82.93.03.23.7LB(mm)2.1

2.4

2.72.93.13.43.7A组数比较向中间集中，B组数比A组数稍差——贝塞尔公式肖维涅准则：若一组测量值，其中某次测量值的偏差的绝对值与该组测量值的标准偏差S之比大于某一阈值。此χi就是坏值，应剔出。Cn

肖维涅准则系数即算术平均值的标准偏差：

意义：2.直接测量结果的不确定度

不确定度是表征被测量的真值在某个量值范围的评定。A类统计不确定度

从多次的测量值计算出的标准偏差

合成不确定度B类非统计不确定度

用其它方法估计的偏差仪器不准对应的不确定度应用p299解：1.计算L的算术平均值2.计算A类不确定度例1：p10测量L(cm)=53.27,53.25,53.23,53.29,53.24,53.28,53.26,53.20,53.24,53.21试计算合成不确定度,并写出测量结果.

3.计算B类不确定度4.合成不确定度5.测量结果表示为3.间接测量结果的合成不确定度应用运算关系标准误差（合成）传递公式

常用运算关系的标准误差传递公式

§4.有效数字及运算法则一.关于有效数字的几点说明1.关于“0”的有效问题（1）当“0”在数字的中间或末尾时有效

如：12.04cm，20.50cm2，1.000A4位

注意：2.85cm≠2.850cm≠2.8500cm（2）当“0”在小数点前面或紧接小数点后面时无效如：0.0123dm，0.123cm，0.00123m3位

有效数字的定义：

可靠的几位数字加上可疑的一位数字统称为测量结果的有效数字。（1）直接测量有效数字的确定

读至仪器最小分度的下一位

如：24mm与25mm之间读着24.3mm，0.3是估读位

正对24mm时读着24.0mm。2.确定测量结果有效数字的方法如：级别为0.1级，量程为100mA，最小分度值为1mA82mA与83mA之间读着82.3mA，0.3是估读位正对82mA时读着:82.0mA。如：级别为1.0级，量程为100mA，最小分度值为2mA82mA与84mA之间，读着:正对82mA时读着82mA。82mA、83mA

和84mA例.

级别为2.5级，量程为1A，最小分度值为0.2A

读数I=1.74A或I=1.7A

练习（2）间接测量有效数字的确定

间接测量的有效数字的末位应当与所取误差所在位一致V的有效数字为1.02cm33.数字的科学表达式

小数点前保留一位整数，用10n表示

结果

R=（2.00±0.01）×104Ω

R≠20000±100（Ω）

结果

L=（3.25±0.02）×10-4m

L≠0.000325±0.000002（m）二.有效数字的运算法则有效数字进行运算时，会出现很多位数，如果都给予保留，既繁琐又不合理，下面讨论如何合理地确定运算结果的有效数字的位数。

首先要确定几个运算规则：

（1）有效数字相互运算后仍为有效数字，既最后一位可疑其它位数均可靠。下面讨论如何运用有效数字的运算规则。（2）可疑数与可疑数相互运算后仍为可疑数，但其进位数可视为可靠数。（3）可疑数与可靠数相互运算后仍为可疑数。（4）可靠数与可靠数相互运算后仍为可靠数。1.加法、减法运算结论：加减法运算后的末位，应当和参加运算各数中最先出现的可疑位一致。7.63234.15.62

1

=+例

7

258.

3

5.4

-)

763.

3.5843.57.63

2

=-例488.

=6388.

=53.4650.10364.32.28

-++=35504.46057.1034623.32.28

3

-++例

4

3

763.

41.2

)

562.

+32.乘法、除法运算结论：乘除运算后的结果的有效数字一般以参与运算各数中的有效数字位数最少的为准。125.621.3

1

=×例

568.02

6

192

5

0

61

56.

)

13.2

×

0

4

2

4

2

8

10

0

1

1

4

8

5

9

4

8

)

4

0

3.5

9

12

2

9

7.7

-例293.504÷12=7.8

3.乘方、开方运算结果的有效数字与其底数的有效数字位数相同。4.自然数与常数

自然数〔1、2、3…〕和无理常数〔π、、〕的有效数字是无穷多位，计算过程中这些常数的位数比测量数据中位数最少者多一位。5.三角函数、对数的运算法则三角函数由计数器（或查表）求出sin43026/=0.6875100985

sin43027/=0.6877213051由此可知应取sin43026/=0.6875例如：求sin43026/的数值可由x函数值与x的末位增加1个单位后的函数值相比较去确定。求cos20018/的有效数字例如：解：首先计算cosx的不确定度而误差位在小数点后第四位根据不确定度：对数函数的尾数与X的位数相同3.综合运算例1例2：三.数值的修约规则§5.数据处理