大学物理实验PPT

大学物理实验绪论2010-2011学年第二学期一序言1物理学与实验物理学一词(φυσικη)早先是源于希腊文(υσιξ)，意为自然。其现代内涵是指研究物质运动最一般规律及物质基本结构的科学。物理学是实验科学，凡物理学的概念、规律等都是以客观实验为基础的。因此物理学绝不能脱离物理实验结果的验证，实验是物理学的基础。实验是有目的地去尝试，是对自然的积极探索。科学家提出某些假设和预见，为对其进行证明，筹划适当的手段和方法，根据由此产生的现象来判断假设和预见的真伪。因此科学实验的重要性是不言而喻的，其中物理实验自然也雄居要位。2物理理论和物理实验整个物理学的发展史是人类不断深刻了解自然，认识自然的过程。实验物理和理论物理是物理学的两大支柱，实验事实是检验物理模型和确立物理规律的终审裁判。物理理论则是对实验观测结果的归纳和总结，并在此基础上去解释新的实验结果和预测新的实验现象。两者相辅相成，相互促进，恰如鸟之双翼，人之双足，缺一不可。物理学正是靠着实验和理论的相互配合激励，探索前进，从而使人类对于自然基本规律的认识不断向前发展的。这种相互促进相互激励相互完善的过程的实例是数不胜数的...诺贝尔奖当代最为人们注目的诺贝尔奖，宗旨是奖给有最重要发现或发明的人.因此，诺贝尔物理学奖标帜着物理学中划时代的里程碑级的重大发现和发明.从1901年第一次授奖至今有百余年的历史，已有得主一百六十余名.其中主要以实验物理学方面的发现或发明而获奖者约占2/3强.在实验物理学方面取得伟大成功者...1.1901年首届诺贝尔物理学奖得主德国人伦琴(W.C.Rentegen)，为奖励他于1895年发现X射线.2.1902年的得主是荷兰人塞曼，奖励他在1894年发现光谱线在磁场中会分裂的现象.3.1903年的得主是德国人贝可勒尔（H.A.Becquerel）和居里夫妇（P.Curie,M.S.Curie）等三人，奖励他们发现了天然放射性，他们由此成为核物理学的奠基人.1924年法国人德布罗意（De.Broglie）在光的微粒性的启发下，明确提出了实物粒子具有物质波动性，即波和粒子的缔合概念。通常人们将它描述为波粒二重性，即p=h/λ，这是一个大胆而伟大的假设。物理伟人爱因斯坦曾称这是照亮我们最难解开物理学之谜的第一缕微弱的光。并提名德布罗意获诺贝尔奖。理论上美妙的假设和推论，要成为被公认的物理规律，必须有实验结果的验证。De.Broglie指出可以通过电子在晶体上的衍射实验来证明他的假设。1927年美国科学家戴维孙和革末用被电场加速过的电子束打在镍晶体上，得到衍射环纹照片。从而计算并证实了p和λ之间关系的假设，使德布罗意的理论得以被公认。从而分别获得1929年和1937年的诺贝尔物理学奖。UMDP电子束透过多晶铝箔的衍射K检测器电子束散射线电子被镍晶体衍射实验MUKG电子枪1895年伦琴在实验上发现了新的电磁辐射，被称为X射线（它是由高速电子轰击重元素靶而产生的波长在nm量级的电磁辐射）。X射线的发现进一步推动气体中电传导的研究。J.J汤姆逊说明了被X射线照射的气体具有导电性是由于X射线引起分子电离而使气体带有电荷。这给洛伦茨创立电子论提供了实验基础。而电子理论又给Zeeman效应，即光谱线在磁场中会分裂，这一事实以理论解释。这一连串的事实关系表明了实验物理和理论物理之间的密切关系和相互激励而共同推进物理学发展的进程。理论上美妙的假设或推理，要成为被公认的物理规律，必须有实验结果的验证.无论是物理学，还是整个自然科学的发展，实验和理论的相互作用都是一种内在的根本动力.这种作用引起量的渐进积累和质的突变飞跃的交替潜进，推动着科学进程一浪一浪地不断高涨.正如著名物理学家密之根所说：“我仅仅在理论和实验这两个领域里作了微小的贡献，就得到1923年的诺贝尔物理学奖，我感到非常荣幸，这件事很好地说明了，科学是在用理论和实验这两只脚前进的.有时是这只脚先迈出一步，有时是另一只脚先迈出一步，但是前进要靠两只脚，先建立理论然后作实验，或者是先在实验中得出了新的关系，然后再迈出理论这只脚，并推动实验前进，如此不断交替进行.”理论和实验的关系3科学实验和教学实验科学实验是为了试图验证某些预测或获取新的信息，通过技术性操作来观测由预先安排的方法所产生的现象。科学实验是探索的过程，可能成功也可能失败，其结果是可能符合预期也可能有否定预期的，当然还可以有意外收获，而得到未曾预期的成功。每一次科学实验的成功再一次揭示出自然界的奥秘，使人类在认识自然的道路上又前进了一步。学生的任务主要是积累知识、提高能力和培养素质。某种意义上说，不管学生自己是否意识到，实际都在建造自己通向未来事业高峰的阶梯。每个人建造阶梯的过程和结果取决于诸多主客观因素，会有所不同。无论如何总以明确目标自觉行动为先。教学实验是以传授知识、培养人才为目的。其目标不在于探索，而在于培养学生未来进行探索的基本能力。教学实验都是理想化了的，排除了次要干扰因素，经过精心设计准备，是一定能成功的。尽管如此，教学实验的地位仍然是非常重要的。因为该课程担负着培养学生科学素质的任务。物理实验课是一门基础实验课，是知识的底层，这底层的重要性是不言而喻的。希望同学们充分发挥主观积极因素，提高学习效益，切莫辜负好时光。4结论二测量及误差理论2误差与误差分类1测量分类4随机误差3精密度与准确度6单次测量的误差估计9间接测量的误差计算误差传递的基本公式7不确定度的概念10有效数字的几个概念11物理实验的数据处理方法5仪器的误差限和灵敏度8多次测量的误差估计12曲线拟合不等精度测量：在所有的测量条件下，只要有一个发生变化，所进行的测量为不等精度测量。测量等精度测量直接测量间接测量单次测量多次测量不等精度测量1测量分类等精度测量：对某一物理量进行多次测量，且每次测量条件都相同。（如同一观察者，同一组仪器，同一测量方法和同样环境条件下测试等等。）误差是观测值与真值之差。误差就其性质和来源分为偶然误差，系统误差和疏忽误差三大类。可视作真值：理论值、公认值，计算学约定真值，相对真值。2误差与误差分类偶然误差（亦称随机误差）。包括判断误差、实验条件涨落及观测者所不能控制的干扰所引起的误差。其特点为：测量结果变化不定，其值与真值之差时正时负，时大时小，并且分布于某一范围之内，服从于统计规律。这类误差无法避免，也无法直接消除与修正。aXk系统误差包括仪器仪表校准的误差、个人习惯的误差、实验条件及不完善技术所产生的误差。系统误差表现在一系列重要测量中测量结果差不多都朝着相同方向偏离真值一定值。系统误差可以通过检查改进实验方法或测量设备引进相应的修正值，使之尽量减少，可在实验前，预见一切可能产生系统误差的来源，设法测量之，并从计算中消去之。疏忽误差是由于实验者的疏忽大意引起的，所以称为过度误差，此类误差可以避免。精密度是指重复测量的结果彼此接近的程度。彼此非常接近的，叫高精密度；彼此离散得大的，叫低精密度。因此，精密度描述实验重复性的程度。准确度是指测量值接近真值的程度。精确度是对测量的系统误差和随机误差的综合评定。通俗地讲，测量的精确度高是指测量数据比较集中在真值附近。3精密度与准确度精密度高准确度高精密度低准确度低精密度低准确度高精密度高准确度低相比较而言：精确度很高精确度较高精确度较低精确度很低随机误差的特点1、对称性：绝对值相等的正误差负误差出现的次数大致相等。2、单峰性；绝对值小的误差出现的次数比绝对值大的误差出现的次数多。3、有界性：在一定测量条件下的有限次测量下，误差的绝对值不会超过一定的界限的特性。4、抵偿性：根据特点1不难推理，在相同条件下对同一物理量进行测量，其误差的算术平均值随测量次数的增加而趋向零。即1lim/0ninin4随机误差其中：随机误差=测量值-期望（总体均值）记作：或书中的kr1df)(满足上述条件的误差分布是正态分布，即e22221f)(其中，Δ为随机误差，f(Δ)为随机误差出现的概率，曲线下面的面积等于1，即：作正态分布函数从-σ到+σ的积分，即测量值的误差落在[-σ，+σ]区间内的概率，可计算得：%68.3)(dfp.................................................................................小球在伽尔顿板中的分布规律.当σ小时，分布曲线陡峭，表示测量列中小误差出现的几率大，测量的精密度高。当σ大时，分布曲线平缓，表示该测量列中大误差出现的几率增加，测量的精密度较低，所以σ是反映测量精密度高低的物理量。这里再对σ的含义作一些较通俗解释。测量数据愈集中，就意味着在作为测量结果的平均值附近测量值出现的机会愈多，那么我们对该测量结果是测量对象实际值的信赖程度也就愈高。换一种说法就是测量结果的不确定程度也就越小。所以σ同时也作为表达测量结果不确定度的参数。可以计算出正态分布的随机误差出现在[-3σ，+3σ]范围内的概率为99.7%。即误差超过±3σ的概率只有0.3%。在一般有限次测量中几乎是不可能出现的。。因此，可以用σ的倍数标志测量值的可靠性程度，即Δ=Cσ。该倍数即为置信系数C。当C=1时，Δ=σ称为标准误差,置信概率为68.3%。当C=3时，Δ=3σ称为极限误差，置信概率为99.7%。标准误差σ和极限误差对于n次测量的测量列，测量值与其算术平均值可表示为，通常称其为残差。其对应的标准偏差表示为：ixxxiin1i2ix1nS)(在实际测量中，由于真值是不可知的，且测量次数也不可能是无限的，通常用n次测量值的算术平均值（样本均值）作为测量值的最佳估计值。x多次测量的不确定度估计（统计方法）当n→∞时，。也就是说估计的标准差Sx能作为反映有限测量列的离散程度。22)(xxSExiniiSxn8.01正态分布时当算术平均误差为显然，随着n的增大，测量列平均值的标准偏差Sx会越来越小。但是，其减少程度在n大于10后变得缓慢，如图所示。因此，在实际测量中，一般只测10-20次来减小随机误差。在有限次数的测量中，相同n次测量值的算术平均值一般是不相等。在n一定时，的标准差可以证明是xniixnnS12)1(平均值标准偏差与测量次数的关系00.10.20.30.40.50.60.70.80.9105101520nSx所以为有限值注意此处)(/)()(22nnxxi在实验中，当测量次数很少是（例如当n10），误差分布不服从正态（高斯）分布，而是过渡到t分布，理论证明，可由t分布提供一个系数因子，简称t因子，用t因子乘上算术平均值的标准误差来估计测量结果的误差。测量次数很少时的置信区间的确定（t分布）不同置信概率P下的t因子和测量次数n的关系习题对一长度测量10次数据为1.58，1.57，1.55，1.56，1.59，1.56，1.55，1.54，1.57，1.57㎝，试求其算术平均误差和标准误差，并应用正确的表达式予以表示。测量仪器（量具﹑仪表和标准器等）都有国家标准规定的准确度等级。依据所用仪器的等级和量程可以计算出仪器的基本误差限或示值误差。例：0-25mm的1级千分尺（螺旋测微器）的误差限为0.004mm；150mA的0.5级的电流表的误差限为0.75mA。5仪器的误差限和灵敏度有时会出现这样的情况。举例，用精密的0.01秒表对单摆的周期测量时，发现每次测量值都不一样，而用0.1秒等级的秒表测量，多次测量的结果都一样。是不是低精度的仪表测量结果反而好呢？显然不是。原因是小于0.1s的时间变化用0.1级的秒表反映不出来。我们称足以使仪器示值可察觉变化的被测量最小变化值为仪器的灵敏阀值。仪器的灵敏度一般来说，测量仪器的灵敏阀值小于示值误差限，而示值误差限小于最小分度值。例如，一级千分尺的最小分度为0.01mm，示值误差限为0.004mm，灵敏阀值为0.002或0.001mm。在物理实验中，经常遇到一些不能多次测量的量，如测量热