大学物理实验课绪论2

大学物理实验课程绪论§1学生须知§2物理实验的重要作用§3测量误差和不确定度估计的基础知识§4实验数据处理基本方法大学物理实验课学生须知1.课间，班长和课代表填写“绪论课堂登记表”。2.绪论课后，课代表到S1-418室外公告栏抄实验课表；并提前通知同学。每次实验课时将上次实验报告收齐按学号排好序交给任课老师。3.每人**元，以班级为单位汇款至农行账号：6228480246000877562刘维慧。凭汇款单到S1-406室领取实验报告册和坐标纸(不能复印)。第1、2周周一至周五每天下午4:00-5:004.实验教材要求每人一册，到教材科购买。5.实验课前必须预习。6.每次实验2小时20分钟。无故迟到、早退者适当扣分。若有缺课、旷课者，由班长或课代表填写“未做实验记录表”，并通知他们必须找时间补做实验，补做后在记录表签名。如果未做期末实验成绩视为0分。原始实验数据必须经教师检查签字,才能离开实验室。7.发现雷同和未交实验报告、抄袭和涂改原始实验数据,本次实验成绩定为0分。实验报告不收复印本。8.有事到S1-432办公室联系，实验室电话[phone]大学物理实验课成绩评定方法实验总成绩由平时每个实验成绩组成。只要出现以下情况之一，最终的期末实验成绩视为0分：1、平时有一个或一个以上的实验没有按期独立完成。2、严重违犯实验课堂纪律。物理实验课的基本程序一、实验课前的预习预习要求：1.认真阅读实验教材，以理解实验目的、实验原理和注意事项为主，了解仪器原理及使用方法、实验内容与步骤。2.在报告册“实验原始数据记录”页（p）,根据实验测量数据的特点，设计实验数据记录表。二、进行实验阅读教材、调整仪器、观察现象、获取数据、整理仪器。1.细心观察实验现象，认真钻研和探索实验中的问题。2.重点放在实验能力、科学作风培养上。珍惜独立操作的机会，完成基本内容，争取做提高内容。3.记录数据时不得用铅笔；严禁抄袭和涂改实验数据。4.提倡研究问题，在研究性、创新性内容上下功夫。5.注意安全操作。对违反操作规程，导致仪器损坏者，实行赔偿制度。6.实验结束后，整理好实验仪器，原始数据记录教师签名，打扫实验室卫生。三、撰写实验报告严格按教材格式撰写实验报告。应包括如下内容：1.实验名称2.实验目的3.实验仪器及规格（以实验时实际使用仪器为准）4.实验原理扼要叙述实验原理、主要公式（含推导过程）、绘出原理图、线路图和光路图等。5.实验内容与步骤压缩精减6.数据处理与实验结果包括：原始数据的整理、误差或不确定度的计算（要有表达式和数据代入式）、实验结果的表示或结论。7.实验讨论按指导教师要求完成。8.实验原始数据记录（指导教师签名有效）§2.物理实验的重要作用物理学是一门建立在实验基础上的科学，物理概念的建立、物理规律的发展、物理理论的形成都必须以严格的科学实验为基础，并通过科学实验来证实。在物理学发展的过程中，从经典物理学到现代物理学，纵观物理学三百多年的发展史，科学发展的每一步都是以实验为先导的。伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了重要依据，库仑通过滑板实验提出了摩擦定律，胡克的弹性实验、玻意耳的空气压缩实验、波雷里的表面张力实验为物理学提供了新事实和新规律。实验可以发现新事实，实验结果可以为物理规律的建立提供依据在电学方面如库仑定律的验证，欧姆定律的建立，奥斯特发现电流的磁效应，法拉第发现电解定律和电磁感应现象等，无一不是通过大量的实验得出来的。光的干涉、衍射、偏振以及双折射现象也都是首先从实验中发现的。X射线、放射性和电子这一19世纪末的三大发现也是实验的结果，它们的发现为原子物理学的发展奠定了基础。例如卢瑟福从大角度α粒子散射实验结果证实了原子的有核模型的正确性等等。实验又是检验理论正确与否的重要判据1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论，能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果，但是直到1916年当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。1973年丁肇中用高能同步加速器发现了J/ψ粒子，进一步证实了盖尔曼1964年提出的夸克理论。●电磁场理论的提出与公认假说库仑定律安培定律高斯定律法拉第定律麦克斯韦在1865年提出电磁场理论麦克斯韦方程组统一了电、磁、光现象,预言了电磁波的存在并预见到光也是一种电磁波1879年赫兹实验发现了电磁波的存在并证实电磁波的传播速度是光速电磁场理论才得到公认二十多年后理论物理与实验物理是相辅相成的，规律、公式是否正确必须经受实验检验。只有经受住实验的检验，由实验所证实，才会得到公认。•物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。•物理实验是科学实验的先驱，体现了大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。•物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。1.通过对物理实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验思想，原理及方法，加深对物理实验设计创新思维的理解。2.培养与提高学生科学实验基本素质，其中包括：能够通过阅读实验教材或资料，基本掌握实验原理及方法，为进行实验作好准备。能够借助教材和仪器说明书，在老师指导下，正确使用常用仪器及辅助设备，尤其是对实验设计思想的理解。能够运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断，逐步学会提出问题，分析问题和解决问题的方法。物理实验课程的主要任务（目的）能够正确记录和处理实验数据，绘制曲线，分析实验结果，撰写合格的实验报告。能够完成符合规范要求的设计性内容的实验。在老师指导下，能够查阅有关方面科技文献，用实验原理、方法、能够进行简单的具有研究性或创新性内容的实验。3.培养与提高学生的科学实验素养。要求学生具有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，主动研究的探索精神，遵守纪律，团结协作和爱护公共财产的优良品德。§3测量误差和数据处理的基础知识§3-1测量与误差§3-2随机误差的处理§3-3测量不确定度及其估算§3-4有效数字及其运算法则§3-5实验数据处理基本方法§3-1测量与误差•物理实验离不开测量。•完整的测量结果应表示为：•以电阻测量为例包括：测量对象测量对象的量值测量的不确定度测量值的单位（Y=yU表示被测对象的真值落在（yU，yU）范围内的概率即被测对象量值在（yU，yU）范围内包含着一定的真值的可能性。910.30.4R＝YyU测量•测量可分为直接测量和间接测量–直接测量是直接用仪器或器具测出量值的测量。–间接测量是指依据待测量和某几个直接测得量的函数关系求出量值的测量。–不论是直接测量还是间接测量，按其测量次数又可分为单次测量和多次测量。–单次测量是只进行一次的测量。–多次测量又可分为等精度测量和非等精度测量.•等精度测量的可靠性是相同的，因此只有等精度测量才能进行误差计算。•实验中对同一待测量，用同一仪器或精度相同的仪器在同一条件下进行的多次测量是等精度测量（否则是非等精度测量）。物理实验中凡是要求进行多次测量的均指等精度测量。•任何测量都可能存在误差（测量不可能无限准确)。测量误差的定义和分类误差△y＝测量值y－真值•y可能比真值大、也可能比真值小，因此误差△y可能是正的也可能是负的。在这里所说的真值是不知道的，是一个理想的概念，在实际测量中常用被测量的算数平均值（或标准值）来近似代替真值。•误差的表示方法：绝对误差:△y相对误差:•误差分类:•根据误差的性质和来源可将误差分为两大类;——系统误差——随机误差(偶然误差)0y100%yEy•定义由于偏离了测量规定的条件或测量方法不完善等因素所引入的按某些规律出现的误差。•特点测量结果向某一确定的方向偏离（即测量结果相对于真值或标准值总是偏大或偏小）或按某一确定的规律变化，所以系统误差也称恒定误差。•产生原因由于测量仪器、测量方法、测量环境、测量者个人带入的误差。系统误差•系统误差分类·已定系统误差——恒定系统误差如：电表、螺旋测微计的零位误差、伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起的误差。消除的方法：调节零点或对零点进行修正。电流表外接电流表内接11vxxRRRR11xAxRRRR·未定系统误差——可变系统误差如：螺旋测微计制造时的螺纹公差，齿轮、光学分度头中分度盘等安装偏心引起的齿轮齿距误差、分度误差等。消除的方法：应从产生误差的根源上寻找原因。它要求测量人员对测量过程中可能产生误差的各个环节进行细致分析，根据具体的测量条件和误差的性质，采取一定的技术措施，选择适当的测量方法使误差在测量过程中相互抵消或补偿。●线性系统误差：由于它随某因素t按比例递增或递减，因而对任一量值而言，线性误差依赖t而相对该值具有负对称性。因此，在选取测量点时，注意取关于t的左右对称处，两次读数平均，即可消除线性系统误差。此方法称对称补偿法。如机械式测微仪、光学比长仪等，都以零为中心对称刻度，一般都存在随示值而递增(减）的示值误差。用对称补偿法可以消除这类误差。●周期性系统误差：可以相隔半个周期进行两次测量，取两次读数平均值，即可消除误差。如仪器度盘安装偏心、测微表针回转中心与刻度盘中心的偏心引起的刻度示值误差呈周期性变化。●复杂规律系统误差：对于一些按复杂规律变化的系统误差，当不方便分析或分析需耗费大量精力与时间时，常常采用组合测量法来消除。(略）随机误差●定义在实际测量同一物理量时出现的绝对值和符号以不可预定方式变化的误差。●产生原因由于某些偶然的或不确定的因素所引起。例如:实验仪器由于环境温度变化、震动、电压波动、操作读数时的视差影响等。随机误差的出现从一次测量看是偶然的，但若测量次数充分多，结果中就会出现规律性——统计规律，即服从“正态分布”。如下图所示随机误差分布的四个性质：1.单峰性2.有界性3.对称性4.抵偿性•特点单峰性——小误差出现的概率比大误差出现的概率大。有界性——绝对值很大的误差出现的概率近于零。对称性——绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等。抵偿性——对同一量的测量其误差的算术平均值随测量次数增加而越来越趋近于零。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正确度：实验结果与真值的符合程度准确度：精密度与正确度的综合反映图(A)图(B)图(C)精密度高正确度低精密度低正确度高准确度高任一次的测量误差：NNNii'mii'N10miimmNN)NN(...)NN()NN(1210miiNNmN11NNNii（近真值）（偏差）m次：N1，N2，．．．Ni，．．．Nm（m→∞）直接测量结果最佳值－算术平均值§3-2随机误差的处理21(1)niiNNNSnn112nNNSnii假定对一个量进行了n次测量，测得的值为Ni(i=1,2，…，n)，可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值(假定无系统误差)测量列的标准偏差贝塞耳公式测量列的算术平均值的标准偏差：直接测量误差的估计随机误差的处理举例例：用标准米尺测某一物体的长度共10次，其数据如下（单位cm）：试计算算术平均值测量列的标准偏差S算术平均值的标准偏差次数12345678910L(cm)42.3242.3442.3542.3042.3442.3342.3742.3442.3342.35解：101101iiLL34423042354234423242101.....()cm(.3442)cm(..LLSiI020018856201101012)cm(..SLLSiiL010005972010110101