大学物理实验一绪论

大学物理实验(一）绪论Imaginationismoreimportantthanknowledge.-AlbertEinstein开设物理实验课程目的大学生的现状：习惯于知识的被灌输，重理论轻实践迷信课本答案不敢思考怕犯错误好奇心被催眠动手能力弱因此物理实验课程：不仅是实验能力的培养还要激发好奇心和创新意识的培养。•创新能力是综合能力的一部分，从学生培养的的角度看，主要包含两部分：•一、提出问题•二、解决问题•现在的教育偏重于后者，即学生的知识储备、分析问题、解决问题的能力。•让学生能够发现问题、提出问题这在当今高校人才培养已经开始重视，是学生创新能力的一个重要方面。•著名华裔物理学家、诺贝尔奖得主李政道在2010年首届“创新中国论坛”上指出“要创新，需学问；只学答，非学问。要创新，需学问；问愈透，创更新。”4引言•物理学是研究物质运动一般规律的学科，是一门以实验为基础的学科。新的理论是否准确，一定要经过实验的检验。•物理实验在培养学生独立从事科学技术研究工作的能力、理论联系实际的分析综合能力与思维和表达能力等具有独特的优势。而物理学从根本上来说是一门实验科学物理学中实验与理论理论依赖于实验，再好的理论没有实验证明都是无效的。理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。任何物理理论总是临时性的：你永远不可能证明它。不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。理论是认识事物的依据，实验是事实。所以实验在物理研究中具有突出地位。近30年的诺奖中。理论占30%，实验70%，理论家占28%，实验家占72%。但物理学的理论只有在实验上得到验证的才能真正成为真理。历史上许多理论消声匿迹了，因为得不到实验的证明或违背实验。（如以太假论）1956年，李政道和杨振宁提出弱作用中宇称可能不守恒。大多数人是不相信。Pauli曾说：“上帝不是弱的左撇子”。吴健雄认为宇称守恒即使不被推翻，也应被测试。她和美国国家标准局的学者合作，经过约半年的努力，1957年1月9日凌晨2点吴健雄向公众宣告宇称守恒定律被推翻。1957年杨李获得诺贝尔奖霍金关于黑洞的理论上个世纪70年代初，霍金提出了一个理论，即黑洞能够发出放射物。这一理论在当时引起极大的争议，多数科学家认为黑洞拥有非常强大的引力场以致没有东西能够逃离它们。其后，Hawkin的假说赢得了广泛认同，但未能证实。而诺贝尔物理学奖只有实验证明一种新现象的前提下才会授予。CERN的大型强子对撞机（LHC）可能会证实Hawkin的预言。剑桥大学的BenAllanach博士说：“如果LHC证实了霍金辐射的存在，获得诺贝尔奖就不是什么难事了。”发现的过程和学习的过程有时候是相反的。学习过程也要部分的颠覆逻辑顺序。将课程从理论先于实验的演绎式的逻辑体系解放出来，发展学生归纳式的学习能力与经验，要求学生在知识体系不完备的情况下，通过自学或摸索理解物理现象，培养跳跃式的学习能力。模拟科学发现的过程。能力：动手，思维，协作，独立性，表达方法：思维方法，测量方法，兴趣：好奇心，耐心意识：创新意识，实验意识观察，实践，体验可能成功，可能失败，因为这是实验！交叉学科发展，物理学成为必备的教育背景一、实验安排二、实验要求三、实验数据处理基本方法四、误差与有效数字理论一、实验的安排第6周—第8周：物理实验（3个）注：学生实验全部10月8日以后开始第9周：实验小结第10周—16周物理实验第17周实验考试时间安排：第4周：实验绪论课（9月23-26日）下午14：00—16：30晚上17：50—20：20（如下午7-8节有课时间可与老师商量）星期六实验室有选择开放8：40—14：40（具体看丙区电梯间通知）可自由进行实验或预习及补做实验实验课时间：购买实验讲义：地点：纪忠楼丙区316时间：9月27日（星期五）9：00-16：40电话：周老师13951007288江老师13912990548实验序号、内容、地点表力学实验序号实验题目实验地点实验一拉脱法测量液体表面张力系数丙302实验二用光杠杆法测量钢的杨氏模量丙301实验三弦振动丙305实验四物体冷却规律研究丙303电学实验序号实验题目实验地点实验五地磁水平分量的测量乙309实验六霍耳效应乙314实验七电表改装乙307实验八示波器的使用乙316光学实验序号实验题目实验地点实验九用分光计测量玻璃的折射率丙317实验十平行光束在球形界面的反射与折射丙321实验十一牛顿环丙320实验十二单缝衍射丙323物理实验循环表：1234567891011121一二三实验小结五六七九十。。。。。。实验考试2二三四六七八十十一3三四一七八五十一十二4四一二八五六十二九5五六七九十十一一二6六七八十十一十二二三7七八五十一十二九三四8八五六十二九十四一9九十十一一二三五六10十十一十二二三四六七11十一十二九三四一七八12十二九十四一二八五学生分组：•每一单元时间学生分为12个组，分组名单见丙区电梯间3楼附近的墙上。(分组名单10月8日前公布）。•每组学生由三位老师分别指导力学、电学、光学实验注意：名单上没有的同学可以在一组同学少于20人的名单上自己选择时间加上（标注院系）并在第一次实验时间与带老师联系。二、实验要求•实验分三个阶段：预习、实验、报告预习阶段：需要将所做实验讲义预习一遍，准备好预习报告，包含实验题目、目的、原理（要点以及公式、图）和使用仪器（该部分可以作为正式报告的一部分）。并准备好实验中需要的数据表格，老师会检查。实验阶段：•按学号顺序入坐。•注意仪器的使用方法（实验前老师会讲注意事项和要领），按实验要求进行操作。实验测量数据必须用有色笔记录，经过老师的认可签字，该实验原始记录数据作为实验报告的附件与实验报告同时交。•实验完成后，必须将实验仪器整理好才能离开实验室。实验仪器损坏按实验室赔偿制度执行，要求学生写损坏情况说明，期末统一处理。实验报告：•要完整：包含题目、目的、仪器、原理、数据记录和处理、思考题、实验讨论。•原理：应列出主要的理论公式和实验线路图。•实验数据：必须将原始实验记录重新誊写。•数据处理：要有代数式、算术式和结果；可能的话，需要给出实验测量误差。•实验讨论：可以将实验中遇到的问题、异常现象以及实验仪器的使用体会等都列入讨论范围，也可以向老师请教。鼓励独立思考，提出问题并加以讨论。•实验报告于下一次实验时交给老师，老师同时发回上次报告•本学期共计完成10个实验。•报告要求：4个实验完成简单报告，有测量数据和计算结果即可，老师不评分。•6个实验报告为按上述要求完成（每阶段两份），老师将评定等级为本课程成绩主要评定依据。报告必须独立完成。实验考试为实验成绩评定的重要补充。同学们自己觉得有特色的报告或老师评分明显感觉出入大的报告期末交于负责老师，实验评分时作为参考。–列表法–作图法–逐差法–最小二乘法（回归法）三、实验数据处理的基本方法列表法：•列表：可以将物理量之间的对应关系简明、醒目，有助于发现其间的规律，比如递增或递减。•要注意：（1）表格设计合理、简明，便于观察（2）栏目中物理量注明名称和单位（3）一般，顺序与测量顺序一致（4）用有效数字填写原始数据作图法：优点和应用：•求间接量可以省去繁杂的计算•易于求经验公式•物理量之间的关系直观•验证物理定律和寻找统计规律•定标作图方法和规则:•物理量列表•坐标的选择，物理量，单位•实验测量点的标定符号•连线的方法•注明实验条件和从图上获得的某些有用参数•标定图的名称及其必要的说明电流I/mA1.02.03.01020304050A(I1,V1)B(I2.V2)•电压U/V图一交流回路中电压与电流关系累加法：•对应线性变化的关系，可以采用累加法。•如满足x,y线性关系y=kx,求比例系数k•测量值x1,y1,x2,y2,…xn,ynnnxxxyyyk2121其他方法：•分组逐差法：线性关系时用•经验公式拟合方法：判断和假定、改直试验、检验四、误差与有效数字理论•测量与误差•误差计算的基本方法•有效数字的基本知识测量与误差(一)真值、测量值和误差物理实验中离不开对物理量的测量真值：反映物理量的客观存在的真实数值，用A表示。实验中常以标准值或理论值或平均值代替真值。测量值：用实验手段测量出来的值用X表示误差：测量值与真值差称为误差测量误差＝测量值－真值△X＝X－A(二)测量及测量结果的评价(1)直接测量及间接测量一般仪器都有一定刻度，以便直接读数，这种用仪器直接读数的测量称为直接测量。由直接测量通过一定函数计算得到的测量称为间接测量。(2)等精度测量和不等精度测量用同一种仪器在相同条件下对物理量进行多次测量时，这些测量具有相同的精度，称为等精度测量。仪器条件变化时的测量称为不等精度测量。(3)测量的精密度、准确度、精确度测量的精密度、准确度、精确度都是评价测量结构优劣程度的标志，与测量误差有关。精密度：一个等精度测量物理量得到的一组数据彼此接近程度称为精密度。准确度：测量数据与真值靠近的程度称为准确度。精确度：测量数据精密度与准确度的结合称为精确度。xaxaxaxaxaxa精密度低精密度高准确度低准确度高精确度低精确度高（三）系统误差和偶然误差系统误差：1）仪器误差如电表刻度不准，天平不等臂、砝码质量不准确等。2）方法误差例如，单摆的周期计算公式成立的条件是摆角趋于零，再加上公式中没有考虑空气浮力和摆线质量影响等因素，这就决定了测量结果必然存有误差。3）个人误差由于人的心里和生理因素实验时反应和感觉灵敏度的差别产生误差。4）环境误差测量时周围环境如温度、气压、振动电磁场等影响与标准状态不一致产生的误差。一般来说，系统误差可以设法减小或部分加以消除。•2、偶然误差偶然误差：又称随机误差。如实验环境温度的起伏，空气的不规则流动，电源电压的随机微扰，等等，但有一定的统计规律。设物理量的真值A，测量量xi，根据误差的定义，各次测量的误差△xi=xi－Ai=1,2,…,n误差计算的基本方法1、直接测量误差的计算设物理量的真值A，测量量Xi，根据误差的定义，各次测量的误差△Xi=Xi－Ai=1,2,…,n（1）单次测量可按仪器注明的误差作为单次测量的误差，或者取仪器上最小刻度的一半作为单次测量的误差。例如：L＝L±△L＝（287.5±0.5）mm平均值：一般来说算术平均值是测量的最佳值或近真值。算术平均偏差：niinxxn)xxxxxx(nx12111niiXnX11（2）多次测量XXX用算术平均偏差表示：用标准差表示：当测量数足够多时，随机误差满足一定的分布。通常用平均值标准偏差来表示：2、物理量（测量结果）的表示：)1()(12nnXXniiXX%100xxEr绝对误差与相对误差绝对误差（误差）：相对误差（百分误差）：△x),,(zyxfpx,y,z为直接测量量，其结果为:间接测量量由直接测量量的算术平均值代入函数关系计算得到。设物理量：zyxzzyyxx3、间接测量的误差估算：),,(zyxfpp的测量结果为:p的误差由x,y,z测量误差传递形成222222)()()(zyxpzfyfxfp的相对误差:222222)ln()ln()ln(zyxpzfyfxfP误差计算原则：当间接测量误差计算中含加减运算时，先计算绝对误差,后计算相对误差较为方便。当计算公式中含有乘除，乘方或开方运算时，先算相对误差，后算绝对误差较为方便。zyxzyxf),,(乘除运算的相对误差等于各直接测得量的相对误差之和。zzyyxxzyxzzyxyzyxxzyxff111对应于算式平均误差间接测量值其相对误差为：例zzyyxxff不确定度的概念•由于物理量不能知