大学物理实验讲义2级(修改)

-1-目录绪论……………………………………………………………秦永平（2）实验一长度测量……………………………………………………秦永平（17）实验二物体密度的测量……………………………………………秦永平（26）实验三单摆…………………………………………………………秦永平（36）实验四扭摆…………………………………………………………秦永平（40）实验五用拉伸法测量金属丝的杨氏弹性模量……………………………秦永平（46）实验六表面张力系数的测定………………………………………秦永平（51）实验七固体线膨胀系数的测定……………………………………李忠（56）实验八欧姆定律的应用……………………………………………李忠（61）实验九伏安特性曲线……………………………………………李忠（68）实验十示波器的调整与使用……………………………………李忠（72）实验十一用示波器测音叉频率………………………………………李忠（82）实验十二直流单臂电桥………………………………………………李忠（83）实验十三电位差计的应用……………………………………………李忠（88）实验十四用模拟法测绘静电场………………………………………李忠（94）实验十五密立根油滴实验……………………………………………李忠（99）实验十六透镜成像规律及焦距测量…………………………………李忠（105）实验十七用牛顿环测球面的曲率半径与用劈尖测量微小厚度……李忠（112）实验十八利用双棱镜测定光波波长…………………………………李忠（119）实验十九分光计的调整及使用………………………………………李忠（124）实验二十光栅的衍射…………………………………………………李忠（133）实验二十一迈克耳逊干涉仪的调整与使用……………………………李忠（138）实验二十二用阿贝折射仪测固体、液体的折射率…………………………李忠（147）实验二十三白光全息摄影………………………………………………李忠（151）实验二十四普朗克常数的测量…………………………………………李忠（154）实验二十五用磁阻传感器法描绘磁场分布…………………………李忠（158）实验二十六用霍尔效应法测螺线管线圈的磁场………………………李忠（165）-2-绪论§.1引言物理学是一门实验科学。实验就是用人为的方法让自然再现，从而加以观察和研究。实验是人们认识自然、改造客观世界的基本手段。物理学新概念的确立和新规律的发现要依赖于反复实践。物理学上新的突破常常是通过新的实验技术的发展，从而促进科学技术的革命，形成新的生产力。物理实验是科学理论的源泉,是工程技术的基础。物理实验的方法、思想、仪器和技术已经被普遍地应用在各种科学领域和技术部门。实验是理论应用的桥梁，任何一门科学的发展都离不开实验，著名物理学家杨振宁曾经说过：“物理学是以实验为本的科学”。这充分说明物理实验的重要性。物理实验课是对学生进行实验教育的入门课，在学习物理实验基础知识的同时，着重培养学生初步的实验能力、良好的实验习惯和严格的科学作风。大学物理实验课是高等工科院校一门必修的基础课程。实验课虽然是在教师指导下的学习环节，但在实验课上学生的活动有较大的独立性，可以充分地调动学生的学习积极性，充分发挥学生的想象力和创造力，实验课为培养实用型人才打下良好的基础。大学物理实验课使学生接受一系列科学实验训练，学习物理实验知识及基本方法；了解科学实验的主要过程与基本技能；学会用实验的方法研究和解决问题。大学物理实验课其主要任务有：1.通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，加深对物理学原理的理解。2.注重培养学生的基本技能，自学能力：能够自行阅读教材和有关的资料，做好实验前的预习。动手能力：能够借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器，按线路图正确连接线路，实验完毕按顺序整理好仪器。分析解决问题的能力：能够运用所学的理论对实验中出现的现象进行初步的分析判断，对于正确的加以肯定并继续进行，对于错误的找出原因并考虑解决问题的方法。表达能力：能够正确记录和处理实验数据、绘制曲线、说明实验结果以及写出合格的实验报告。设计能力：能够完成简单的设计性实验。3.使学生在运用所学的理论知识、实验方法和实验技能解决具体问题方面得到必要的基本的训练。大学物理实验课分三个主要阶段：课前预习、课堂操作、课后实验数据的处理1.实验课前的预习实验课前必须认真阅读教材中的有关实验题目，了解本次实验的目的和内容、依据的基本原理、使用的仪器设备、操作的基本方法和注意事项，要测量哪些量，-3-怎样测量，具体步骤是什么，并写好预习报告。写预习报告时要用统一规格的实验报告纸，其主要内容如下：①实验名称；②实验目的；③使用的主要仪器和设备；④实验原理及原理图；⑤实验的主要内容、步骤及注意事项；⑥画好数据记录表格。2.进行实验①进入实验室要保持安静，不要乱动仪器。教师对学生的预习情况进行检查，并对一些普遍性、关键性的问题和同学共同讨论，以便顺利进行实验。②须经教师许可后方可调试安装仪器，电学实验未经教师检查线路不得接通电源，以免因接错电路而造成仪器的损坏。③认真进行实验，测量得到的数据直接记录到数据表格内，不得随意涂改。④测量完毕，须经教师检查数据和仪器，签字后方可拆除实验装置，并将仪器恢复原位后再离开实验室。3.处理实验数据，总结实验结果实验课结束后，根据实验要求完成实验数据的处理。在计算间接测量量时，必须先写出计算公式，再代入数值，最后得到结果并注明单位。实验报告是实验工作的全面总结,要用简明的形式将实验结果完整而又真实地表达出来。写报告时，要求文字通顺、字迹端正工整、图表规范、结果正确、讨论认真。§.2测量进行物理实验除了要观察实验现象以外,还要对某些物理量进行定量测量。所谓测量就是将待测的物理量与相应的同类标准计量单位进行比较，其倍数即为测量值，连同计量单位构成测量结果。例如：用米尺测量单摆的摆长，经比较得到摆长是1米的1.074倍，1.074是测得值，米是单位，合起来构成测量结果，即摆长为1.074米。根据测量方法，测量可分为直接测量、间接测量和组合测量。直接测量就是指可以用仪器、仪表直接测得被测量数值的测量，例如:用游标卡尺测圆形物体的直径；用物理天平称量物体的质量；用电压表测电压等。间接测量是指通过直接测量借助函数关系计算出待测量量值的测量。例如：待测量为物体的密度，需测量出物体的质量m和体积V，由密度公式Vm算出物体密度，这种测量就是间接测量。组合测量是指为了找出两个物理量之间在某一区间的函数关系，而在该区间对这两个量进行的逐点测量。如某元件的伏安特性，是通过在一定范围内，对不同电压V下所产生的电流I的测量而得出的。根据测量条件变化与否，可把测量分成等精度测量和不等精度测量。等精度测量是指在测量条件相同的情况下进行的一系列测量，即同一个人在同样的环境条件下在同一仪器上采用同样的测量方法对同一物理量进行的多次测量。-4-不等精度测量是指对同一物理量进行多次测量时改变测量条件，如更换仪器型号、改变测量方法、更换测量人员等，在测量条件变更前后，测量结果的可靠程度不等，这样的测量叫不等精度测量。测量仪器是指用以直接或间接测出被测对象量值的所有器具，如电压表、天平、电位差计、惠斯登电桥、照度计等等。测量结果给出被测量的量值，它包括数值和单位两部分，实际上仪器在测量中是单位的实物体现。一个国家最准确的计量器具是一些主基准，在全国各地则有由主基准校准过的工作基准，实验室使用的仪器已直接或间接由工作基准进行校准过。测量是以仪器为标准进行比较，所以要求仪器准确。仪器的准确程度由仪器准确度等级来描述。由于测量目的的不同对仪器准确程度的要求也不同，例如：称量金饰品的天平必须准确到g001.0,而卖货的台称差几克则无关紧要。为了适应各种测量对仪器的准确程度的不同要求，国家规定工厂生产的仪器分为若干准确度等级，各类各等级的仪器又有对准确度的具体规定，例如，2级螺旋测微计测量范围大于mm10小于mm50的最大误差不超过mm013.0，0.1级的电流表测量范围为mA50的最大误差不超过mA5.0。实验时要恰当选取仪器，仪器选取不当对仪器和实验均不利。表示仪器的性能有许多指标，最基本的是测量范围和准确度等级。当被测量超过仪器的测量范围时，首先会对仪器造成损伤，其次可能会测不出量值（如电流表、电压表）或勉强测出量值（如天平）但误差增大。对仪器的准确度等级的选择也要适当，一般是在满足测量要求的条件下，尽量选用准确度低的仪器，减少准确度高的仪器的使用次数，可以减少在反复使用时的损耗，以便延长使用寿命。§.3真值和误差一、测量与误差每一个物理量都是客观地存在着，在一定条件下有其不依人的意志而变化的固定大小，这个客观存在的固定大小的值叫真值。由于测量总是依据一定的理论或方法，使用一定的仪器，由一定的人进行，由于理论的近似性，仪器的灵敏度及环境因素的影响，使得测量值与真值之间总存在着差异，测量值x与真值0x的差为测得值的绝对误差，即：测量值（x）－真值（0x）=绝对误差（x）（1-3-1）绝对误差x是一个代数值，当0xx时，0x；当0xx时，0x，由于客观条件所限、人的认识的局限性，测量不可能获得待测量的真值。因此实际-5-测量中常用被测量经修正过的算术平均值来代替真值。设某物理量真值为0x，进行n次等精度测量，测量值分别为1x、2x、3x、LL、nx，它们的误差为110xxx220xxxLL0nnxxx求和后011nniiiixxnx（1-3-2）其算术平均值为01111nniiiixxxnn（1-3-3）当测量次数n，可以证明110niixn，而且11niixxn是0x的最佳估计值。亦称x为近真值。测量值与近真值的差值为偏差，即iixxx。评价一个测量结果的准确程度不仅要看绝对误差的绝对大小，还要看它与测量值的相对比例。绝对误差与真值之比的百分数叫相对误差。用E表示：0100%xEx（1-3-4）由于客观条件所限，不可能测得待测量的真值，只能得到近似值。所以在计算相对误差时常用x来代替0x。x可能是公认值，或高一级精密仪器的测量值，或测量值的平均值。相对误差用来表示测量的相对精度。由于真值是不确知的，所以测量值的误差也是不确知的。在此情况下，测量的任务是：（1）给出被测量的最佳估计值。（2）给出真值的最佳估计值的可靠程度的估计。为了减少或消除某些误差，就要充分地认识产生各种误差可能的一些来源以及表现出来的性质，因此有必要对误差进行分类，通常把误差分为系统误差、随机误差和粗大误差。因粗大误差明显地偏离测量结果，容易被发现，以下主要讨论系统误差和随机误差。-6-1、系统误差系统误差的主要特征是具有确定性。在同一条件下进行多次测量时，误差的大小、正负保持不变或在条件改变时，误差的大小和方向按一定规律变化。系统误差的来源可概括为以下四个方面：仪器误差：由于测量仪器或工具本身的缺陷所产生的误差，例如；天平不等臂带来的误差。理论、方法误差：由于实验条件达不到规定的要求或测量方法不够完善、理论、方法的近似而导致的误差，如单摆的周期公式为gLT2，其使用条件要求摆角足够小，忽略了摆角的影响而产生的误差。环境影响产生的误差：周围环境的变化（如温度、压强、湿度、电磁场等因素的变化）对测量量影响而产生的误差。个人误差：观测人员的心里或生理特点所造成的误差，如计时的超前或落后，读表时的偏左或偏右等。发现和减少系统误差的方法主要有以下三种：（1）主要分析仪器的示值误差、零值误差、调整误差、回程误差等，其中回程误差是指在相同条件下，仪器正、反行程在同一点上测量值之差的绝对值。（2）理论分析；从实验装置、实验条件与理论条件是否一致去发现系统误差，例如用伏安法测电阻时，不论是内接法还是外接法均与理论约定不相符，但可以通过理论分析进行修正。（3）对比实验：改变实验部分条件甚至全部重新去测被测量，分析改变前后的测量值是否有显著不同，从中去分析有无系统误差。系统误差的处理