大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課件new

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

基礎(chǔ)知識(shí)編寫：鮑烈目錄緒論一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要地位和教學(xué)目的1、重要地位

2、教學(xué)目的二、物理實(shí)驗(yàn)的基本程序1、實(shí)驗(yàn)預(yù)約

2、課前預(yù)習(xí)

3、當(dāng)堂操作

4、課后報(bào)告測量誤差與數(shù)據(jù)處理一、測量與測量誤差二、不確定度的估算三、直接測量結(jié)果的表示和總不確定度的估計(jì)四、間接測量結(jié)果的表示和不確定度的合成五、有效數(shù)字六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)式七、數(shù)據(jù)處理例題緒論

一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要地位和任務(wù)：1、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要地位：

物理學(xué)是研究物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及其相互作用的科學(xué)，它是許多科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)。從上世紀(jì)開始，物理學(xué)經(jīng)歷了極其深刻的革命，從宏觀發(fā)展到微觀，從低速發(fā)展到高速，由此誕生了量子物理學(xué)和相對(duì)論，并在許多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域引起了深刻的變革。上世紀(jì)以來物理學(xué)在認(rèn)識(shí)和改造物質(zhì)世界方面不斷取得偉大成就，不斷揭開物質(zhì)世界的奧秘。物理學(xué)是一門重要的基礎(chǔ)學(xué)科。而物理學(xué)從本質(zhì)上來講是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)?？v觀歷史，可以發(fā)現(xiàn)，物理理論的產(chǎn)生、發(fā)展和驗(yàn)證，都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，并要不斷接受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。

事實(shí)上，物理學(xué)領(lǐng)域的所有研究成果都是理論與實(shí)踐密切結(jié)合的結(jié)晶。在物理學(xué)的發(fā)展中物理實(shí)驗(yàn)一直起著重要作用，今后在探索和開拓新的科技領(lǐng)域中，物理實(shí)驗(yàn)仍然是有力的工具。在科技迅猛發(fā)展的今天，社會(huì)所需要的科技人才必須是具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、出色的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰陀掠陂_拓的創(chuàng)新精神的綜合型人才，不僅要有理論功底，還必須有很強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛣?dòng)手能力。在大學(xué)里物理實(shí)驗(yàn)課是對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練的一門重要課程，是繼物理學(xué)講課之后開設(shè)的一門實(shí)驗(yàn)課程。它不僅可以加深對(duì)理論的理解，更重要的是使學(xué)生獲得基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)，在實(shí)驗(yàn)方法和技能諸方面得到較為系統(tǒng)、嚴(yán)格的訓(xùn)練。因此，學(xué)好物理實(shí)驗(yàn)對(duì)于高等理工院校的學(xué)生是十分重要的。

2、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的：

（1）掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)：

（2）培養(yǎng)和提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ篈、自學(xué)能力：B、動(dòng)手能力：C、分析并解決問題能力：D、表達(dá)能力：E、設(shè)計(jì)能力：（3）培養(yǎng)提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)：

二、物理實(shí)驗(yàn)的基本程序：

物理實(shí)驗(yàn)一般是在老師指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成。物理實(shí)驗(yàn)課的基本程序一般可分為四個(gè)階段：預(yù)約實(shí)驗(yàn)，課前預(yù)習(xí)，當(dāng)堂實(shí)驗(yàn)操作和課后報(bào)告。

1、預(yù)約實(shí)驗(yàn)：網(wǎng)址：8/預(yù)約注意事項(xiàng)：1、每個(gè)同學(xué)本學(xué)期需要完成九個(gè)大實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目（注：必做實(shí)驗(yàn)是每個(gè)人都必須完成的實(shí)驗(yàn)），實(shí)驗(yàn)預(yù)約按照實(shí)驗(yàn)室規(guī)定的時(shí)間順序進(jìn)行，除第三周外，以后每周實(shí)驗(yàn)均由同學(xué)們自己預(yù)約完成；2、每次實(shí)驗(yàn)需提前一周預(yù)約，未預(yù)約或未預(yù)習(xí)的同學(xué)不能做實(shí)驗(yàn)，預(yù)約了卻無故不到課的同學(xué)以缺做處理，而無故缺做兩次實(shí)驗(yàn)的同學(xué)將被取消考試資格。2、課前預(yù)習(xí)：（占平時(shí)考核成績的20%）

(1)預(yù)習(xí)內(nèi)容：課前認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)教材，深入領(lǐng)會(huì)實(shí)驗(yàn)的原理和方法，明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和要求，并預(yù)習(xí)有關(guān)儀器使用說明。對(duì)需要設(shè)計(jì)的部分應(yīng)事先設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)方案。

（2）完成預(yù)習(xí)報(bào)告：內(nèi)容：包括附表（一）所示內(nèi)容中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以上部分、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表格和預(yù)習(xí)自測題。要求：每次實(shí)驗(yàn)課上課前完成。

（3）預(yù)習(xí)效果檢查：每次實(shí)驗(yàn)課前上機(jī)做相應(yīng)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)檢測題，決定預(yù)習(xí)成績。3、實(shí)驗(yàn)操作：（占平時(shí)考核成績的50%）

注意事項(xiàng)：（1）切忌盲目操作，急于動(dòng)手；

（2）進(jìn)行過程中多思考，培養(yǎng)自己的分析判斷能力，并養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真、細(xì)致耐心的好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，切忌抄襲他人數(shù)據(jù)；

（3）在兩個(gè)半小時(shí)內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)；

（4）實(shí)驗(yàn)完成后，需將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在課前畫好的數(shù)據(jù)表格內(nèi)，并交由老師檢查，經(jīng)老師檢查無誤并簽字后，方可離開；

（5）在離開實(shí)驗(yàn)室之前，應(yīng)把實(shí)驗(yàn)儀器整理好并放回原位。

4、實(shí)驗(yàn)報(bào)告：（占平時(shí)考核成績的30%）實(shí)驗(yàn)報(bào)告是在完成實(shí)驗(yàn)后所作的簡明總結(jié)，也是實(shí)驗(yàn)成果的書面反映，所以在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中應(yīng)該有清晰的思路，齊全的數(shù)據(jù)，圖表，而且要有科學(xué)的結(jié)論。

內(nèi)容：預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容＋附表（一）中實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以下部分（包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理、思考題及分析討論）；要求：（1）每次實(shí)驗(yàn)課時(shí)交上次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；（2）原始數(shù)據(jù)記錄作為實(shí)驗(yàn)憑證，必須要粘貼在實(shí)驗(yàn)報(bào)告背面。

測量誤差與數(shù)據(jù)處理

一、測量與測量誤差：

1、測量：

所謂測量，就是用相應(yīng)的手段對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象和客觀實(shí)體取得定量信息的過程。

測量結(jié)果應(yīng)具有量值和單位兩個(gè)要素?！鶑姆椒ㄉ戏?，測量可以分為兩類：直接測量和間接測量2、測量誤差：

（1）絕對(duì)誤差：

（x為測量值，A為客觀真值）

（2）相對(duì)誤差：

（其中為約定真值）

3、誤差分類：

按誤差的性質(zhì)，測量中的誤差主要分為三類：系統(tǒng)誤差、隨機(jī)誤差和粗大誤差。1）系統(tǒng)誤差：

在同一測量條件條件下（指儀器、方法、環(huán)境和觀者），對(duì)同一物理量進(jìn)行多次測量時(shí)，其測量誤差的大小和符號(hào)總是保持不變，或者按照一定規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差；

◆主要來源：ⅰ、實(shí)驗(yàn)儀器的缺陷或不完善；ⅱ、實(shí)驗(yàn)原理和方法的不完善；ⅲ、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的變化；ⅳ、觀測者的不良習(xí)慣和偏向?！籼幚矸椒ǎ涸趯?shí)驗(yàn)中可通過校準(zhǔn)儀器、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法等手段來盡可能減小系統(tǒng)誤差。

2）隨機(jī)誤差：

在同一測量條件下對(duì)同一物理量進(jìn)行多次測量，其誤差的大小和符號(hào)的變化，時(shí)大時(shí)小，時(shí)正時(shí)負(fù)，沒有確定的規(guī)律，也不可能預(yù)料，這種誤差就稱為隨機(jī)誤差；

◆來源：隨機(jī)誤差的產(chǎn)生是由于實(shí)驗(yàn)中各種偶然因素的微小的隨機(jī)性變動(dòng)引起的。

◆處理方法：

根據(jù)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)，在直接測量中，常借助對(duì)殘差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)得到的結(jié)果——有限次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差

來對(duì)隨機(jī)誤差進(jìn)行估計(jì)。3）粗大誤差：

明顯地歪曲了測量結(jié)果的誤差稱為粗大誤差?！魜碓矗捍执笳`差的產(chǎn)生是由于實(shí)驗(yàn)者使用儀器方法不正確、粗心大意讀錯(cuò)、記錯(cuò)或?qū)嶒?yàn)條件突變等原因引起的過失差錯(cuò)。

◆處理方法：在實(shí)驗(yàn)中要極力避免過失差錯(cuò)，在發(fā)現(xiàn)含有粗大誤差的測量值后應(yīng)將其剔除。

二、不確定度的估算：

1、不確定度的概念：

不確定度是指由于測量誤差的存在而對(duì)被測量值不能肯定的程度，是表征被測量的真值所處的量值范圍的評(píng)定，其實(shí)質(zhì)是對(duì)未知誤差的一種量化估計(jì)。

2、不確定度的估計(jì)計(jì)算：

ⅰ.：多次重復(fù)測量用統(tǒng)計(jì)方法算出的分量；ⅱ.：用其他方法估計(jì)出的分量。

※直接測量中總不確定度從估計(jì)方法上包括有兩類分量：

?總不確定度可用方和根法合成

3、相對(duì)不確定度的估計(jì)：

一般情況：

（式中為測量結(jié)果）特殊情況：當(dāng)實(shí)驗(yàn)中給出該待測量X的理論值或公認(rèn)值時(shí)，相對(duì)不確定度的計(jì)算式為三、直接測量結(jié)果的表示和總不確定度的估計(jì)：

1、直接測量結(jié)果的計(jì)算處理：

設(shè)對(duì)某量進(jìn)行n次直接測量的測量值分別為則對(duì)該物理量X進(jìn)行直接測量的測量結(jié)果可表示為

2、直接測量總不確定度的估計(jì)：

?總不確定度可用方和根法合成

A、

的估計(jì)計(jì)算：

t是在一定置信概率P時(shí)，與測量次數(shù)n有關(guān)的因子,稱為分布因子。測量次數(shù)n確定后，置信概率為95％的因子t0.95或（）的值可通過查表得知。B、的估計(jì)計(jì)算：

（1）測量儀器誤差●已知儀器準(zhǔn)確度級(jí)別時(shí)稱為置信因子，稱為置信系數(shù)，

特殊情況：當(dāng)測量次數(shù)n=1時(shí)，（2）測量的估計(jì)誤差?總不確定度可用方和根法合成

簡化四、間接測量結(jié)果的表示和不確定度的合成：

1、間接測量結(jié)果的計(jì)算：

將直接測量量的算術(shù)平均值代入函數(shù)表達(dá)式中，即可得間接測量結(jié)果為

2、間接測量結(jié)果不確定度的合成：

設(shè)直接測量量結(jié)果的不確定度分別為

,在普物實(shí)驗(yàn)中一般用以下兩式來簡化地計(jì)算間接測量量的不確定度及相對(duì)不確定度：注：當(dāng)函數(shù)為和差形式時(shí)，先計(jì)算再計(jì)算較為簡便；當(dāng)函數(shù)為積商形式時(shí)，先計(jì)算再計(jì)算較為簡便；

五、有效數(shù)字：

從第一個(gè)非“0”的數(shù)字往后數(shù)的總共位數(shù)即為有效數(shù)字位數(shù)。在測量中，測量值有效數(shù)字一般由若干個(gè)準(zhǔn)確數(shù)字和末一位欠準(zhǔn)確的數(shù)字（估讀數(shù)字）組成。

▲數(shù)據(jù)處理中關(guān)于有效數(shù)字的注意事項(xiàng)：

（1）在進(jìn)行直接測量時(shí)，讀數(shù)一般情況下應(yīng)包含估讀位；

0123456

如下圖所示，用毫米尺測某物長度測量結(jié)果可寫成或

“四舍六入五湊偶”基本原則（2）為表示方便，特別是對(duì)較大或較小的數(shù)值，常用a×10n

（1≤a＜10,n為整數(shù)）的形式書寫，這種表示方法叫科學(xué)記數(shù)法。(例1）

（3）數(shù)據(jù)處理中有效數(shù)字的取舍：

Ⅰ、不確定度有效數(shù)字的保留：

㈠不確定度的有效數(shù)字保留（“只進(jìn)不舍”特殊原則）：a、一般情況：保留一位有效數(shù)字；b、特殊情況（首位有效數(shù)字為1，2時(shí)）：保留兩位有效數(shù)字。

㈡相對(duì)不確定度E通常保留兩位有效數(shù)字。

Ⅱ、函數(shù)運(yùn)算的測量結(jié)果的末位與不確定度的末位對(duì)齊，即表示測量值結(jié)果的有效數(shù)字末位應(yīng)與不確定度的有效數(shù)字末位相對(duì)齊；

Ⅲ、如果在實(shí)驗(yàn)中沒有進(jìn)行不確定度的估算時(shí)，最后結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)取法如下：㈠加減運(yùn)算以參與運(yùn)算的數(shù)字中末位最高的數(shù)字為準(zhǔn)，即計(jì)算結(jié)果的有效數(shù)字的末位應(yīng)與參與運(yùn)算的有效數(shù)字末位數(shù)量級(jí)最高的數(shù)字的末位對(duì)齊；㈡乘除運(yùn)算以參與運(yùn)算的有效數(shù)字最少的數(shù)字為準(zhǔn)，即計(jì)算結(jié)果的有效數(shù)字的位數(shù)應(yīng)與參與運(yùn)算的有效數(shù)字位數(shù)最少的數(shù)字的有效數(shù)字位數(shù)相同；

（例2）六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)式：

1、結(jié)果表達(dá)式的書寫形式：

其中x為所測物理量，為測量的不確定度，為測量結(jié)果，即對(duì)x的實(shí)驗(yàn)所測值

※

測量結(jié)果的取值：

直接測量中，→或單次測量值

間接測量中，→

①結(jié)果表達(dá)式表示的是被測量的真值在（-，+）范圍外出現(xiàn)的幾率很小，它表征的是一個(gè)范圍，而不是兩個(gè)確定的值；2、關(guān)于結(jié)果表達(dá)式的說明：

②結(jié)果表達(dá)式中測量結(jié)果的有效數(shù)字末位書寫時(shí)應(yīng)與不確定度的有效數(shù)字末位對(duì)齊。

七、數(shù)據(jù)處理例題：

(例1）（例2）

例1：用直尺測量一鐵絲長度l，測量八次的測量數(shù)據(jù)如下：

l1l2l3l4l5l6l7l815.2015.2215.2115.2515.2315.2115.2415.22(單位：cm)直尺的最小刻度為1mm，請寫出結(jié)果表達(dá)式，并計(jì)算相對(duì)不確定度。

解：*測量結(jié)果為

?此次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為

?儀器精度

*則測量結(jié)果的不確定度

*相對(duì)不確定度

*結(jié)果表達(dá)式：

例2：一個(gè)鋁質(zhì)圓柱體，用最小刻度為0.02g的天平稱其質(zhì)量m為149.10g，用1/50分度游標(biāo)卡尺（）分別測其直徑D及高度h，記錄數(shù)據(jù)如下表所示：

D1D2D3D4D5D6直徑D(cm)4.0784.0844.0804.0784.0824.080h1h2h3h4h5h6高度h(cm)4.1164.1204.1244.1204.1184.122試計(jì)算鋁的密度，其不確定度及相對(duì)不確定度，并寫出結(jié)果表達(dá)式。

解：⑴算出直接測量量的測量結(jié)果及不確定度：

*用天平單次測量質(zhì)量m：

?測量結(jié)果為

?不確定度為*用游標(biāo)卡尺測量直徑D：

?測量結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)偏差為儀器精度為?則直徑D測量的不確定度為*用游標(biāo)卡尺測量高度h：

?測量結(jié)果為

?不確定度為（附：）⑵計(jì)算間接測量量的測量結(jié)果及不確定度：

鋁圓柱體的體積，又因半徑，則體積

則鋁的密度的表達(dá)式為

*鋁密度的測量結(jié)果為

（因鋁的密度的表達(dá)式為積商形式，故先計(jì)算相對(duì)不確定度比較簡單一些）

由，可推出則將數(shù)據(jù)代入上式可得相對(duì)不確定度為*密度測量的不確定度為*測量鋁的密度的結(jié)果表達(dá)式為：

作業(yè)：實(shí)驗(yàn)教材P42～P431、2、3、4、5實(shí)驗(yàn)報(bào)告課題報(bào)告項(xiàng)

目

說

明

項(xiàng)

目說

明

題

頭

實(shí)驗(yàn)名稱及作者姓名單位

題

頭

課題名稱及作者姓名單位

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

參見教材

摘要

簡要說明課題研究主題

實(shí)驗(yàn)儀器

標(biāo)明儀器型號(hào)、規(guī)格、準(zhǔn)確度等級(jí)等

關(guān)鍵詞

與課題研究密切相關(guān)的重要詞匯

實(shí)驗(yàn)原理

在理解的基礎(chǔ)上用自己的話扼要闡述，畫出必要的原理圖、電路圖、光路圖，列出主要公式

引言

闡述課題研究產(chǎn)生的背景

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

按要求扼要闡述內(nèi)容及步驟

正文

1、研究過程：包括設(shè)計(jì)方案，選用儀器，實(shí)施步驟等程序；2、測量數(shù)據(jù)處理、圖表分析等

3、分析總結(jié)：綜合評(píng)價(jià)課題研究成果，得出有關(guān)結(jié)論

數(shù)據(jù)處理及誤差分析

過程清晰，圖表直觀，誤差分析正確，計(jì)算不確定度和相對(duì)不確定度

討論

內(nèi)容不限：課后思考題，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及誤差分析，實(shí)驗(yàn)方案改進(jìn)意見，實(shí)驗(yàn)體會(huì)等

參考文獻(xiàn)

參考書目名稱、作者、出版單位

附表（一）P(△x）

△x圖1高斯誤差分布曲線以測量誤差為橫軸，以某誤差出現(xiàn)的幾率為縱軸畫圖，可得到一曲線，如圖1.所示，此曲線為正態(tài)分布（即高斯分布）曲線。當(dāng)測量次數(shù)時(shí)，此曲線完全對(duì)稱。從該圖可看出，隨機(jī)誤差的分布具有下列特點(diǎn)：

a.絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的概率大，這稱為隨機(jī)誤差分布的單峰性；