大学物理实验

绪论主讲：杨开禧大学物理实验大学物理实验课的地位与作用《大学物理实验》是理工科院校各专业的一门必修的、独立设置的基础实验课，是学生在大学接受系统实验方法和实验技能训练的开端。物理学学什么？为什么要学物理学物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科，是学习其他自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起到重要的作用。物理学重大发现深刻影响着我们的生活，X射线、核磁共振、核能、激光、信息技术……1901年诺贝尔物理学奖——X射线的发现伦琴1901年，首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学家伦琴（WillhelmKonradRotgen，1845—1923）以表彰他在1895年发现的X射线。1895年，物理学已经有了相当的发展，它的几个主要部门--牛顿力学、热力学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论，在应用上也取得了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和修正而已，没有太多的事情好做了。正是由于X射线的发现唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而揭开了现代物理学的序幕。伟大的发现，巨大的应用！仅与X射线研究有关的诺贝尔物理、化学、生物医学就有15项，其中物理学奖就有7项。它们分别是居里夫妇的放射性的发现（1903年），布拉格父子的X射线分析晶体结构（1915年），巴拉克的元素的标识伦琴辐射的发现（1917年），西格班的X射线的光谱学研究（1924年），康普顿的X射线散射（1927年）及戴维逊和汤姆逊的X射线的电子衍射（1937年)。化学3项，它们分别利用X射线获取化合物、晶体的结构数据和信息。生物医学奖5项，它们分别是X射线人工诱变，DNA结构的发现和破译，重要用途药物的晶体结构、X射线层析三维立体成像技术（CT）。CT是一种功能齐全的病情探测仪器，它是电子计算机X射线断层扫描技术简称。CT的工作程序是这样的：它根据人体不同组织对X线的吸收与透过率的不同，应用灵敏度极高的仪器对人体进行测量，然后将测量所获取的数据输入电子计算机，电子计算机对数据进行处理后，就可摄下人体被检查部位的断面或立体的图像，发现体内任何部位的细小病变。1951年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚斯坦福大学的布洛赫(FelixBloch,1905-1983)和美国马萨诸塞州坎伯利基哈佛大学的珀塞尔(EdwardPurcell,1912-1997),以表彰他们发现了核磁精密测量的新方法及由此所作的发现。1945年12月，珀塞尔和他的小组在石蜡样品中观察到质子的核磁共振吸收信号，1946年1月，布洛赫和他的小组在水样品中也观察到质子的核感应信号。他们两人用的方法稍有不同，几乎同时在凝聚态物质中方法了核磁共振。他们发现了斯特恩开创的分子束方法和拉比的分子束磁共振方法，精确的测量了核磁矩。以后许多物理学家进入了这个领域，形成了一门新兴实验技术，几年内便取得了丰硕的成果。1952年诺贝尔物理学奖——核磁共振布洛赫珀塞尔核磁共振成像（MRI）使用射频波和强磁场而非X射线来提供异常清晰且详细的内脏器官和组织的2D及3D图片。1903年诺贝尔物理学奖——贝克勒尔皮埃尔居里玛丽居里1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利贝克勒尔（AntoineHenriBecquerel,1852-1908），以表彰他发现了自发放射性；另一半授予法国物理学家皮埃尔居里（PierreCurie,1859-1906）和玛丽斯可罗夫斯卡居里（MarieSklodowska,1867-1934）,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献原子弹1909年诺贝尔物理学奖授予英国伦敦马克尼无线电报公司的意大利物理学家马克尼（GuglielmoMarcoin,1874-1937）和德国阿尔萨斯州特拉斯堡大学的布劳恩(KarlBraun,1850-1918),

以表彰他们在发展无线电报上所作的贡献。1909年诺贝尔物理学奖——无线电报马克尼布劳恩1956年诺贝尔物理学奖——晶体管的发明

肖克利巴丁布拉坦1956年诺贝尔物理学奖授予美国加利福尼亚州景山(MountainView)贝克曼仪器公司半导体实验室的肖克利（WilliamShockley,1910-1989）、美国伊利诺斯州乌尔班那伊利诺斯大学的巴丁（JohnBardeen,1908-1991）和美国纽约州谬勒海尔（MurrayHill）贝尔电话实验室的布拉坦（WalterBrattain,1902-1987）,以表彰他们对半导体的研究和晶体管效应的发现。

晶体管的发明是20世纪中叶科学技术领域有划时代意义的一件大事。由于晶体管比电子管有体积小、耗电省、寿命长、易固化等优点，它的诞生使电子学发生了根本性的变革，它拨快了自动化和信息化的步伐，从而对人类社会的经济和文化产生不可估量的影响。2000年诺贝尔物理学奖——半导体研究的突破性进展2000年诺贝尔物理学奖授予三位科学家，表彰他们在移动电话及半导体研究中获得突破性进展。他们分别是俄罗斯圣彼得堡约飞物理技术学院的若尔斯阿尔费罗夫、美国加利福尼亚大学的赫伯特克勒默和德州仪器公司的杰克S基尔比。他们的工作奠定了现代信息技术的基础，特别是他们发明的快速晶体管、激光二极管和集成电路(芯片)。阿尔费罗夫赫伯特克勒默基尔比2009年诺贝尔物理学奖——光纤通信和CCD图像传感器的应用高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，将分享今年物理学奖另一半奖金。1964年诺贝尔物理学奖一半授予美国马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院的汤斯(CharlesH.Townes，1915-)，另一半授予苏联莫斯科苏联科学院列别捷夫物理研究所的巴索夫(NikolayG.Basov，1922-)和普罗霍罗夫(AleksandrM.Prokhorow，1916-)，以表彰他们从事量子电子学方面的基础工作，这些工作导致了基于微波激射器和激光原理制成的振荡器和放大器。1964诺贝尔物理学奖——微波激射器和激光器的发明汤斯巴索夫普罗霍罗夫激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。教学目的与要求学习实验知识培养实验能力提高实验素养学习物理实验知识“三基”——基本原理、基本仪器和基本方法观察与分析物理现象，测量物理量，学习物理实验的原理和设计思想，掌握和理解物理理论；学会仪器的基本原理和使用方法；掌握物理实验的基本技术；掌握误差理论。培养实验能力使用仪器能力——能借助教材或仪器使用说明书掌握仪器使用方法。故障分析能力——对实验中出现的异常现象能正确找出原因并排除。观察思维能力——通过观察分析实验现象，并得出正确规律的能力。数据处理能力——能正确记录、处理实验数据，正确分析实验误差，从实验结果中获得有用的信息。科学研究能力——了解科学研究的过程，培养实事求是和自主创新的精神。实验设计能力——能根据课题要求，确定实验方案和条件，合理选择实验仪器的能力。报告写作能力——能撰写规范、合格的实验报告的能力。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；科学研究和创新能力；遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。物理实验的具体要求：正确使用常用仪器；掌握基本物理量的测量方法；运用物理学理论对实验现象进行初步分析；正确记录、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；能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验方案；现代物理实验仪器设备、器件的原理、使用方法。如何学好大学物理实验？培养阅读教材与参考书的良好习惯。按大学物理实验的程序养成严格的实验规范。上好每次实验课，全面的掌握课程的内容。自觉的训练实验技能。认真写作实验报告。物理实验课基本程序实验预习—实验能否顺利进行的关键明确实验目的预习实验原理练习基本仪器使用了解实验注意事项写好实验预习报告实验名称、目的、主要仪器原理简述（主要公式、原理图）简要步骤（注意事项）列出记录数据表格（已知量、指定量、待测量和单位）物理实验课基本程序实验操作遵守实验室规则（附录一P171）。清点仪器，了解仪器性能和使用方法，按要求组装、调试，了解仪器使用的注意事项。依照学号按号入座，根据老师讲解及仪器使用方法进行实验操作。实验中，仔细观察实验现象，记录必要的实验现象和数据在原始数据纸上。必须独立完成实验，掌握实验内容。实验操作物理实验课基本程序如实记录实验数据和现象＆老师签名整理仪器，清扫实验室物理实验课基本程序实验报告写实验报告是对实验全过程进行总结和深入理解的一个重要步骤。认真进行数据处理，力求做到字迹端正，文句通顺，数据记录整洁，图表正确，内容简明扼要。仔细观察和认真分析实验现象。实验报告应在课堂实验后独立完成，按时提交实验报告，逾期将降分处理。注意事项不能无故旷课，如因特殊原因不能来上课，应事先与其他同学调换并出具有学院盖章的证明。未完成预习和预习报告者，老师有权停止其实验或扣去平时成绩。完成实验后，应把实验结果及所用仪器参数抄正，经老师审阅签名。实验报告应按实验规范写作，及时上交老师批阅。报告抄袭将不给予成绩。其他相关内容请详细阅读“物理实验室学生守则”以及相关注意事项物理学中的基本物理量在国际单位制中，共有七个基本量：长度，质量，时间，电流，热力学温度，物质的量和发光强度。误差理论测量、误差和不确定度测量与误差理论不确定度估算方法有效数字①测量的基本概念物理实验以测量为基础。所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。测量是以确定被测对象量值为目的的全部操作。测量测量①测量的基本概念测量值一般是由一个数乘以计量单位来表示量的大小测量过程四要素：测量对象、测量单位、测量方法、测量不确定度。完整的测量结果表述：被测量的数值，测量单位，不确定度，有关的对测量结果有影响的量。测量①测量的基本概念Y=y±U（单位）（置信概率）例：用三个0.1级电阻箱组成电桥测量电阻，测量结果最后写成：R=（845.3±0.6）（p≈0.95）①测量的基本概念直接测量＆间接测量＆等精度测量直接测量：直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较得到的测量值;间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系，求得该被测物理量等精度测量：同一个人，用同样的方法，使用同样的仪器并在相同的条件下对同一物理量进行的多次测量测量值=读数值（有效数字）+单位①测量的基本概念精密度＆准确度＆精确度精密度：表示测量结果中的随机误差大小的程度准确度：表示测量结果中的系统误差大小的程度精确度：是对测量结果中系统误差和随机误差的综合描述。②误差理论定义：对一待测物理量，测量值X与真值X0之差称为测量误差，简称误差。误差=测量结果X-真值X0误差公理：测量误差存在于一切测量过程中，可以控制得越来越小，不可能为零。真值：物理量在一定实验条件下的客观存在值。真值是一个理想的概念，一般是未知的但在某些特殊情况下，可以用准确度足够高的实际值来作为量的约定真值。有的专著将真值分为三类：

理论真值；计量学约定真值；相对真值。②误差理论误差的表现形式绝对误差±ΔX表示测量结果X与真值X0之间的差值以一定的可能性（概率）出现的范围，即真值以一定的可能性（概率）出现在X-ΔX至X+ΔX区间内相对误差β百分误差误差的表现形式绝对误差±ΔX相对误差β百分误差如果待测量有理论值或公认值X’，也可用百分误差来表示测量结果的好坏②误差理论②误差理论误差的分类与来源为了分析和处理的方便，过去一般将误差分为系统误差，随机误差和粗大误差三类，不同的误差将表现出不同的特性和规律。②误差理论定义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定或随测量条件的改变而按可预知变化的规律变化的误差。产生原因：主要有仪器缺陷或未按规定条件使用仪器；测量所依据的理论公式的近似性或实验条件未达到理论公式所规定的要求；环境和装置条件未达到；测量者的生理或心理特点。系统误差②误差理论系统误差（系差）分类及处理方法：已定系统误差：指符号和绝对值已经知道的系差分量。必修修正电表、螺旋测微计的零位误差；测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。未定系统误差：指符号和绝对值未被确定而未知的系差分量。要估计出分布范围螺旋测微计制造时的螺纹公差等②误差理论随机误差定义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化例如：电表轴承的摩擦力变动螺旋测微计测力在一定范围内随机变化操作读数时的视差影响②误差理论随机误差分类离散型随机变量：只能取有限个或可数个数值的随机变量。连续型随机变量：可能值布满某个区间的随机变量随机变量要完整地表示一个随机变量，除了要给出它可能取的全部值（或取值范围）之外，还必须给出每种可能取值出现的可能性，即出现概率的大小，并写出它的概率（密度）函数或分布函数。②误差理论随机误差无穷多次测量时服从正态分布②误差理论②误差理论②误差理论②误差理论粗大误差用当时的测量条件不能解释为合理的误差称为粗大误差。其产生的原因是实验者在操作、读数、记录、计算等方面的粗心造成的。含有粗大误差的测量值会明显歪曲客观事实，因而必须用适当的方法将其剔除标准偏差标准偏差标准偏差标准偏差③测量结果的不确定度A类不确定度A类标准不确定度