大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)知識(shí)1.1物理實(shí)驗(yàn)的意義和任務(wù)(1)通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察、分析及對(duì)物理量的測(cè)量，學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，加深對(duì)物理學(xué)原理的理解。(2)培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?3)培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。1緒論1.2物理實(shí)驗(yàn)的基本程序1.預(yù)習(xí)寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告(寫(xiě)在實(shí)驗(yàn)報(bào)告上)

(無(wú)預(yù)習(xí)報(bào)告不允許做實(shí)驗(yàn))(1)實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3)實(shí)驗(yàn)器材(4)實(shí)驗(yàn)原理(5)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟數(shù)據(jù)記錄表格2.實(shí)驗(yàn)

對(duì)照課本和實(shí)驗(yàn)室提供的器材，了解儀器的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法。將儀器安裝、調(diào)試好，或按電路圖連接線路。準(zhǔn)備就緒后按實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行觀察、測(cè)量和記錄。測(cè)量時(shí)，應(yīng)按照有效數(shù)字規(guī)則進(jìn)行讀數(shù)，其有效數(shù)字的位數(shù)不能任意增減，如實(shí)記錄數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在統(tǒng)一的原始數(shù)據(jù)記錄表上，原始數(shù)據(jù)記錄后不得任意更改。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)教師審閱認(rèn)可，否則應(yīng)重做或補(bǔ)做。將儀器或?qū)嶒?yàn)裝置恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)前的狀態(tài)。3.撰寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告(1)補(bǔ)充儀器的規(guī)格和編號(hào)(2)數(shù)據(jù)記錄與處理(3)結(jié)果分析和問(wèn)題討論等。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)保持字跡端正、書(shū)寫(xiě)整潔、條理清楚、內(nèi)容正確、完整。1.3實(shí)驗(yàn)規(guī)則自學(xué)2.1測(cè)量與誤差2.1.1直接測(cè)量與間接測(cè)量測(cè)量：將待測(cè)量與單位進(jìn)行比較。直接測(cè)量：待測(cè)量與儀器比較，讀出測(cè)量結(jié)果。2測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理間接測(cè)量：由直接測(cè)量的結(jié)果，算出測(cè)量結(jié)果。真值：待測(cè)量在一定條件下具有的大小。絕對(duì)誤差：測(cè)量值X和真值A(chǔ)的差異。2.1.2測(cè)量誤差相對(duì)誤差：約定真值：公認(rèn)值，測(cè)量值，測(cè)量值的算術(shù)平均值1.系統(tǒng)誤差(規(guī)律誤差)主要原因：①儀器誤差。儀器本身的缺陷。②理論誤差。理論與方法上的不完善。③環(huán)境誤差。外界環(huán)境因素的影響。④個(gè)人誤差。測(cè)量者的習(xí)慣和偏向。2.1.3測(cè)量誤差的分類(lèi)在測(cè)量條件變化時(shí)，按一定規(guī)律變化的誤差。特點(diǎn)：

測(cè)量結(jié)果向一個(gè)方向偏離，其數(shù)值按一定規(guī)律變化，具有重復(fù)性、單向性。2.隨機(jī)誤差（偶然誤差）主要原因：①人的感官判斷力的隨機(jī)性。②外界因素起伏不定。③儀器內(nèi)部存在一些偶然因素。在測(cè)量條件不變時(shí)，大小和正負(fù)都具有隨機(jī)性的誤差。特點(diǎn)：

隨機(jī)誤差具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律。隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)規(guī)律正態(tài)分布的概率密度函數(shù)分布函數(shù)的特征量①單峰性。②對(duì)稱(chēng)性。③有界性。④抵償性。正態(tài)分布的隨機(jī)誤差特征：3.過(guò)失誤差(a)(b)(c)

圖(a)表明數(shù)據(jù)的精密度高，但正確度低，相當(dāng)于隨機(jī)誤差小而系統(tǒng)誤差大；圖(b)則表示數(shù)據(jù)的正確度高而精密度低，即系統(tǒng)誤差小而隨機(jī)誤差大；圖(c)則代表精密度和正確度都較高，即精確度高，總誤差小。2.1.4精密度、正確度和精確度1.測(cè)量結(jié)果的最佳值2.1.5隨機(jī)誤差的估計(jì)多次測(cè)量的算術(shù)平均值(約定真值)。稱(chēng)為偏差或殘差2.多次測(cè)量的隨機(jī)誤差估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差3.算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差測(cè)量算術(shù)平均值隨機(jī)誤差在區(qū)間的概率為68.3%。一般實(shí)驗(yàn)中測(cè)量次數(shù)取6～10次。2.2測(cè)量結(jié)果的表示與不確定度2.2.1測(cè)量結(jié)果的表達(dá)形式與不確定度Y是待測(cè)量相對(duì)不確定度，X是測(cè)量值，ΔX是不確定度。2.2.2直接測(cè)量結(jié)果的不確定度A類(lèi)分量：多次重復(fù)測(cè)量后用統(tǒng)計(jì)方法算出B類(lèi)分量B：其它方法估算總不確定度合成：方和根合成1.多次測(cè)量結(jié)果的不確定度稱(chēng)為儀器誤差限值，P11表2-22.單次測(cè)量結(jié)果的不確定度算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差2.2.3間接測(cè)量結(jié)果的不確定度誤差的傳遞

x、y、z…表示各自獨(dú)立的直接測(cè)量量。N表示間接測(cè)量量1.絕對(duì)值合成法2.方和根合成法(大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)采用本方法)例2.1用不確定度的方和根合成法推導(dǎo)加減乘除運(yùn)算的不確定度的合成公式。解：（1）設(shè)N=x+y（2）設(shè)N=x-y略（3）設(shè)N=xy（4）設(shè)N=x/y例2.2設(shè)，試用方和根合成法推導(dǎo)不確定度傳遞公式。解：函數(shù)式不確定度傳遞公式2.3有效數(shù)字及其運(yùn)算2.3.1有效數(shù)字1.有效數(shù)字的概念正確、有效地表示測(cè)量結(jié)果的數(shù)字。讀數(shù)為，四位有效數(shù)字，第四位8是欠準(zhǔn)數(shù)字有效數(shù)字=

準(zhǔn)確數(shù)+一位欠準(zhǔn)數(shù)2.有效數(shù)字的意義數(shù)字而言，測(cè)量值而言，

有效數(shù)字中欠準(zhǔn)位的位置反映了不確定度的大小

有效數(shù)字的位數(shù)反映了相對(duì)不確定度的大小高長(zhǎng)26±5mm3.正確記錄和書(shū)寫(xiě)有效數(shù)字有效數(shù)字與小數(shù)點(diǎn)位置無(wú)關(guān)

測(cè)量結(jié)果X保留一位欠準(zhǔn)數(shù)。不確定度X取一位有效數(shù)字，X對(duì)齊X的最后一位。相對(duì)不確定度一般取一位有效數(shù)字。建議首位是1,2,3時(shí)取兩位有效數(shù)字。如:5%，2.6%。必要時(shí)，采用科學(xué)表達(dá)式注意:

A.中間或后面的“0”是有效數(shù)字。B.表示小數(shù)點(diǎn)位置的“0”不是有效數(shù)字。與中的“0”都是有效數(shù)字L10-5km1.28cm1280m與是兩個(gè)不同的有效數(shù)字1.28cm=103m1)運(yùn)算總則①不確定度決定有效數(shù)字②結(jié)果只保留一位欠準(zhǔn)數(shù)2)常見(jiàn)運(yùn)算規(guī)則①加減運(yùn)算欠準(zhǔn)位對(duì)齊高位，“4舍6入5湊偶”+6

2.3.2有效數(shù)字的運(yùn)算474②乘除運(yùn)算取最少位數(shù)③乘方、開(kāi)方運(yùn)算取底的位數(shù)

1.724.1172688

70522=

0.5④對(duì)數(shù)運(yùn)算小數(shù)部分取真數(shù)的位數(shù)⑤其它函數(shù)運(yùn)算

遵循不確定度決定有效數(shù)字的原則，通過(guò)不確定度的傳遞公式確定有效數(shù)字。ln2.67log2.673)常數(shù)、無(wú)理數(shù)在運(yùn)算中可多取一位。4)運(yùn)算中間過(guò)程，可多保留一位，最后結(jié)果保留一位欠準(zhǔn)數(shù)。例：例2.4已知金屬環(huán)的外徑D1=(3.600±0.004)cm，內(nèi)徑D2=(2.880±0.004)cm，高h(yuǎn)=(2.575±0.004)cm，求金屬環(huán)體積的測(cè)量結(jié)果表達(dá)式。解：測(cè)量結(jié)果例2.5已知一圓柱體的質(zhì)量m=(14.06±0.01)g，高H=(6.715±0.005)cm，用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)得直徑D的數(shù)據(jù)，如下表所示。次數(shù)

123456Di/cm0.56420.56480.56430.56400.56490.5646求其密度ρ的測(cè)量結(jié)果。解：用計(jì)算器密度Excel計(jì)算P11表不確定度測(cè)量結(jié)果2.4數(shù)據(jù)處理的基本方法2.4.1列表法原則A欄目應(yīng)標(biāo)明名稱(chēng)和單位。B表中數(shù)據(jù)主要是原始數(shù)據(jù)。C表中數(shù)據(jù)要正確反映測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字。D欄目順序應(yīng)注意數(shù)據(jù)間的聯(lián)系和計(jì)算的程序，力求簡(jiǎn)明、齊全、有條理。

次數(shù)

123456Di/mm5.645.685.605.665.645.66-0.01+0.03-0.05+0.01-用游標(biāo)卡尺測(cè)量小球直徑數(shù)據(jù)記錄與處理2.4.2作圖法1.圖示法曲線圖折線圖原則A用坐標(biāo)紙作圖。B坐標(biāo)軸的選擇和坐標(biāo)軸單位的標(biāo)定要根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效數(shù)字的位數(shù)來(lái)確定。C標(biāo)點(diǎn)與連線。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)可用符號(hào)如＋、⊙、×等表示，兼顧各數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合光滑曲線或直線。正確⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙不正確2.圖解法⊙⊙⊙⊙⊙測(cè)定線膨脹系數(shù)單擺測(cè)重力加速度化曲為直。令2.4.3逐差法彈簧的勁度系數(shù)求出k2.4.4最小二乘法和直線擬合線性關(guān)系的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最佳直線其中2.5計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理法2.5.1Origin數(shù)據(jù)處理法2.5.2Excel數(shù)據(jù)處理法自學(xué)3常用物理儀器及使用4常用物理思想與方法課程的考核(1)平時(shí)實(shí)驗(yàn)60%，期末筆試40%。(2)平時(shí)實(shí)驗(yàn)成績(jī)不及格須重修。

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