物理实验绪论(新)

大学物理实验课程绪论信阳师范学院物理实验中心2021年2月1明天下午5点10分各班学习委员带好自己自己班学生名单到物理楼南楼304实验室分组。2

1.本学期2029人参加实验，还没有实验教材的班级，学习委员及时到教材科催定教材。否那么没法上课。2.误差理论课就今天一次课，实验操作的具体安排到物理楼南楼3楼公告栏查看。3.实验报告纸，坐标纸等以班级为单位到物理楼北楼809购置。4.各班学习委员明、后天及时把成绩记录表〔各学院教学秘书那里有〕送交物理楼南楼304处，以便编排实验分组；把班级名单电子档一并带上。3教学环节中应注意学生上课必须准时，迟到按缺课处理。未完成预习和预习报告者，教师有权停止其实验或成绩降档！进实验室做实验，其实验者序号必须与仪器组号一一对应！离开实验室前，数据记录和实验记录本须经教师审阅签名。实验报告必须在一周内交至指导教师！不然该实验报告成绩为零。缺做实验超过本学期实验总数的三分之一者，取消考试资格，本门课程以零分记；预习报告，实验报告及原始数据都必须用实验报告纸，实验报告纸以班为单位到理科楼〔北楼〕809购置；实验室规那么和仪器损坏赔偿规定(见下页〕。4实验室规那么不迟到，不早退，严禁随意摆弄仪器设备。实验前必须交预习报告，不合格者必须重新预习。检查仪器完好情况，发现问题及时报告指导教师。按规程组装，操作仪器，经教师检查前方可进行实验。如实记录各种实验数据，严禁抄袭，伪造实验数据。认真填写?信阳师范学院实验情况记录本?。实验结束后，实验结果〔原始数据〕，实验记录本及设。备完好情况经指导教师检查签字前方可离开实验室，仪器假设有损坏，按<<教学仪器设备丧失损坏赔偿方法?处理。保持实验室安静，整洁，严禁在室内喧哗。5物理实验总成绩评定方法1.实验考试形式为操作考试，每人一个实验台进行考试2.成绩评定方法：平时成绩占40%，操作考试占60%，不及格者下一届重修，没有补考3.平时成绩40分，包含8个实验的预习，操作和实验报告。预习和操作成绩指导老师当场打分。4.操作考试程序：先在王老师指定的位置抽取考试实验室，然后到实验室抽取试卷〔考试内容〕，在规定的30分钟内完成给定的考试内容。6每次实验成绩，按15分进行评分，其中预习5分，操作、实验报告各5分。预习马虎、缺项〔见预习要求〕视情扣除2分至4分。抄袭及被抄袭者，按考试作弊处理。违章操作损坏仪器者酌情扣除1至3分。操作能力差和不能完成全部操作内容者扣除1至2分。实验报告内容不完整将逐项扣分。物理实验单个实验成绩评分标准7

但凡具有证明的病假，请你至教务办公室办理正式请假手续。否那么该次实验按0分计。由于各种非正常原因而造成的0分，没有补做的安排。缺课的处理方法8

为什么要上大学物理实验课怎样上好大学物理实验课大学物理实验课程的根本教学环节4.测量、误差和不确定度估计5.作图法和最小二乘法91.为什么要上大学物理实验课1.1大学物理实验的作用大学物理学是建立在实验根底上的一门自然科学学科，物理概念的建立和物理规律的发现都以严格的实验事实为根底，并且不断受到实验的检验。物理实验在物理学的产生、开展和应用过程中起着重要作用。伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中开展起来的。很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。以诺贝尔物理学奖为例：80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。有的建立在共同实验根底上的成果可以连续几次获奖。101.2大学物理实验课的目的1.为什么要上大学物理实验课学习实验知识通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习根本的物理实验知识和设计思想，在实验方法、实验技能和实验数据处理等方面受到较为系统和严格的训练。掌握和理解物理理论。培养实验能力借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断；正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告；能够根据实验要求和仪器设计出合理的实验。〔设计性实验〕提高实验素养培养理论联系实际和实事求是的科学作风；严肃认真的工作态度；主动研究和创新的探索精神；遵守纪律、团结协作和保护公共财产的优良品德。112.怎样上好大学物理实验课要注意掌握根本的实验方法和测量技术要有意识地培养良好的实验习惯要注意养成善于分析的习惯要掌握好每个实验的重点要注意创新能力的培养123.大学物理实验课程的根本教学环节三个主要教学环节1.实验预习—实验能否取得主动的关键2.实验操作3.实验报告—实验的总结133.1实验预习明确实验目的，预习仪器使用及正确操作方法预习实验原理，实验内容或实验步骤，明确实验的重点和难点，答复预习思考题了解实验本卷须知。预习报告是实验工作的前期准备，只有认真做好预习，才能在有限的时间内做好实验。14

实验名称实验目的实验仪器实验原理〔需画图的画出原理图、电路图或光路图等〕4.实验步骤5.实验记录列出记录数据表格〔分清量、指定量、待测量和单位〕。6.(答复〕思考题7.本卷须知预习报告内容〔除物体密度测量外〕15

实验题目一.实验室提供的仪器二.实验要求三.设计过程1.实验方法的比较与选择2.测量仪器的选择与配套①验证方法的是否符合要求②所用仪器

预习报告内容〔规那么物体、液体和Nacl颗粒密度的测量〕3.简述实验原理4.实施方案①实验步骤②数据记录〔列表格〕5.本卷须知6.参考文献163.2实验操作要求遵守实验室规那么；了解实验仪器的使用及本卷须知；正式测量之前可作试验性探索操作；仔细观察和认真分析实验现象；如实记录实验数据和现象；用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得改动；6.实验结束后，实验结果〔原始数据〕，实验记录本及设备完好情况经指导教师检查签字前方可离开实验室，仪器假设有损坏，按?教学仪器设备丧失损坏赔偿方法?处理；7.整理仪器，清扫实验室。173.3实验报告

实验报告是实验工作的全面总结，写实验报告的目的是为了培养和训练学生以书面形式总结或报告科学成果的能力。所以写出的实验报告必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，有必要的要画出电路图或光路图等，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果，尤其是利用作图求得的一些物理量。18实验报告内容〔除物体密度测量外〕实验名称；实验目的；主要实验仪器设备；实验原理简述〔原理图、电路图或光路图，以及主要计算公式等〕；实验步骤数据记录与数据处理实验误差分析和讨论本卷须知19实验报告内容〔物体密度测量〕

实验名称实验所用仪器；实验要求；实验原理实验步骤数据记录与数据处理实验误差分析和讨论204.测量、误差和不确定度估计1.测量1.1测量和单位1.2直接测量与间接测量1.3等精度测量与不等精度测量1.4测量过程应注意的问题a.测量仪器的量程、精密度和准确度b.读数规那么214.测量、误差和不确定度估计2.误差的定义、分类与处理1.误差的定义与表示方法对一待测物理量x，真值μ，被测物理量的最正确值误差：＝测量结果x－真值μ相对误差：百分误差：224.测量、误差和不确定度估计2.误差的分类系统误差随机误差

3.误差的处理系统误差a.已定系统误差b.未定系统误差随机误差

23标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。

24

任意一次测量值落入区间:的概率为:

这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应的区间叫置信区间，表示为:在测量次数n较小的情况下，测量将呈t分布；

n较小时,偏离正态分布较多，

n较大时,趋于正态分布。

t分布时，置信区间和置信度的计算需要对特殊函数积分，且不同的测量次数对应不同的值，计算很繁。25

平均值假定对一个物理量进行了n次测量，测得的值为xi(i=1,2，…，n)可以用屡次测量的算术平均值作为被测量的最正确估计值；测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。有限测量时，算术平均值不等于真值，它的标准偏差为：

的意义可以理解为：待测物理量处于区间内的概率为0.683。26

物理实验中，置信度一般取作0.95,这时t分布相应的置信区间可写为:一般，我们取测量次数为6次。n345672.481.591.241.050.926271.测量结果的一般表示4.测量、误差和不确定度估计对被测量x进行n次重复的等精度测量：2.不确定度概念：不确定度Δ是由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。意义：不确定度是一定置信概率下的误差限值,反映了可能存在的误差分布范围。置信概率一般取0.9528

A类分量

:

可以用统计学方法估算的分量，一般指随机误差。

测量次数2,3,4,5分别将

29

B类分量:不能用统计学方法估算的分量，一般指系统误差。

假设不特别说明c叫置信因子,置信度取0.95时，c=1.0530

合成方法:相对不确定度:结果表示:31注意：1.平均值有效数字位数不要超过测量值的有效数字;2.不确定度和相对不确定度保存1-2位有效数字；3.不确定度的最后一位数字要和平均值的对齐。32直接测量量不确定度估算过程与表示1.求测量数据的平均测量值

判断有无应当剔除的异常数据，如有,剔除后重新计算2.用系统误差修正平均值3.计算标准差33

4.标准差乘以与0.95置信度对应的系数得到5.根据仪器允差确定6.合成不确定度7.表示测量结果34直接测量不确定度计算举例例1：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，原始数据见下表，请给出完整的测量结果。d0=+0.004mm,

螺旋测微计的仪器允差为Δ仪=0.004mm123456（mm）0.2490.2500.2470.2510.2530.250原始数据表格35例１解：

d0=+0.004mm,

螺旋测微计的仪器允差为Δ仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-0.001-0.0030.000没有异常数据,不用剔除36

37测量结果表示为

38间接测量不确定度的计算设待测量与各直接测量之间有函数关系：那么：待测量的平均值可直接用各量平均值计算待测量的不确定度与各直接测量量的不确定度的关系为：〔1〕计算和差形式方便〔2〕计算乘除指数形式方便39常用公式同学们可以用偏微分知识自己推导这些公式

40间接测量的不确定度合成过程1.求出各直接测量量的平均值和合成不确定度(加减时)或相对不确定度(乘除、指数时);2.根据公式求出间接测量量的合成不确定度或相对不确定度;3.用各量的平均值求出间接测量量的平均值。利用平均值并求出相对不确定度或合成不确定度;4.表示测量结果41间接测量量的不确定度合成举例例2：

已测得金属环的外形尺寸如下，要求给出其体积的测量结果解：

2.由于间接测量与直接测量量之间没有简单关系，故先推导出间接测量的合成不确定度1.42间接测量量的不确定度合成举例3.求相对不确定度4.实验结果表示435.有效数字的读取有效数字＝可靠数字＋可疑数字〔一位〕15.2mm15.0mm44有效数字的运算加、减法：诸量相加〔相减〕时，其和〔差〕数在小数点后所应保存的位数与诸数中小数点后位数最少的一个相同，称为“尾数取齐〞4.178+21.325.478=25.545

乘、除法：诸量相乘〔除〕后其积〔商〕所保存的有效数字，只须与诸因子中有效数字最少的一个相同，称为“位数取齐〞4.178×10.141784178421978=42.246

乘方开方:一个数进行乘方、开方运算，其结果的有效数字与被乘方、开方数(底数〕的有效数字相同。例：对数函数:运算后的尾数位数与真数位数相同。例：lg1.938=0.2973lg1938=3+lg1.938=3.2973指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同〔包括紧接小数点后的零〕。例：106.25=1.8×106100.0035=1.00847

三角函数:取位随角度有效数字而定。〔三角函数结果中有效数字的取法，可采用试探法，即将自变量欠准位上、下波动一个单位，观察结果在哪一位上波动，结果的欠准位就取在该位上。〕例：Sin30°00′=0.5000〔Sin30°01′=0.50015)Cos20°16′=0.9381取常数与测量值的有效数字的位数相同。48有效数字尾数的舍入规那么数值修约规则（按国家标准文件：GB8170-87）

在进行具体的数字运算前，按照一定的规则确定一致的位数，然后舍去某些数字后面多余的尾数的过程被称为数字修约，指导数字修约的具体规则被称为数字修约规则。口诀：4舍6入5看右，5后有数进上去，尾数为0向左看，左数奇进偶舍弃。

49有效数字尾数的舍入规那么例：将以下数字全部修约为四位有效数字

1〕尾数≤4，1.11840000→1.1182〕尾数≥6，1.11860000→1.1193〕尾数＝5，a〕5右面还有不为0的数 1.11859999→1.1191.11850001→1.119b〕5右面尾数为0那么凑偶 1.11750000→1.1181.11850000→1.11850一次性修约到指定的位数，不可以进行数次修约，否那么得到的结果也有可能是错误的。例：将数字10.2749945001修约为四位有效数字。一步到位：10.2749945001——10.27〔正确〕。错误结果：10.2749945001——10.274995——10.275——10.28有效数字尾数的舍入规那么516.数据处理的作图法最小二乘法6.1作图法处理实验数据6.2最小二乘法直线拟合52

作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。1.选择适宜的坐标分度值，确定坐标纸的大小坐标分度值的选取应能根本反映测量值的准确度或精密度。根据表１数据U轴可选1mm对应于0.10V，I轴可选1mm对应于0.20mA，并可定坐标纸的大小〔略大于坐标范围、数据范围〕约为130mm×130m。表1：伏安法测电阻实验数据作图法处理实验数据步骤例3：

532.标明坐标轴：

用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004.连成图线：

用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。一般不强求直线或曲线通过每个实验点，应使图线线正穿过实验点时可以在两边的实验点与图线最为接近且分布大体均匀。图点处断开。3.标实验点：

实验点可用“”、“”、“”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。

545.标出图线特征：

在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点A、B的坐标就可求出R

值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.006.标出图名：

在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上A、B两点可得被测电阻R为：至此一张图才算完成电阻伏安特性曲线作者：xx55不当图例展示：nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图图1不当：曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。56nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图改正为：57图2I(mA)U(V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0