大物物理實驗緒論2015.03-lrx

1大學物理實驗緒論2015.3華中科技大學大學物理實驗中心李瑞霞22015年中國大學生物理學術大賽(CUPT)歡迎參加*有興趣的同學請與楊明老師聯(lián)系：3中國大學生物理學術競賽（ChinaUndergraduatePhysicsTournament，簡稱CUPT）是中國借鑒國際青年物理學家錦標賽（InternationalYoungPhysicists’Tournament，簡稱IYPT）的模式創(chuàng)辦的一項全國性賽事。本賽事定于每年暑期舉行，目前每年已有近40所高校參加。該項競賽得到了教育部的支持，是實踐國家教育中長期發(fā)展規(guī)劃綱要的重要大學生創(chuàng)新競賽活動之一，已列入中國物理學會物理教學指導委員會的工作計劃。*賽事簡介

參賽者對預先給定的開放性物理問題進行研究與實驗。在比賽時采用團隊辯論和對抗的形式，辯論內(nèi)容涉及解決問題的基本知識、理論分析、實驗方案、結果討論等。*比賽方式*更詳細的介紹請參看百度百科“中國大學生物理學術競賽”條目或IYPT官網(wǎng)：4通知4、醫(yī)科班級（8年除外）請在考試后一個星期內(nèi)，將報告柜鑰匙及實驗卡交回科技樓北樓514室，過期交還將不退押金；其他班級在下學期實驗課考試后交還。1、班長或學習委員帶上班級同學名單（紙質檔，學號和姓名,包括留學生），于上緒論課后的第二天，到科技樓北樓202室確認同學信息，領取實驗卡。2、在第三周周五（3月20日）之前，各班班長帶30元押金到科技樓北樓514室尤老師處領取報告柜鑰匙。3、科技樓北樓202室有實驗報告紙、數(shù)據(jù)記錄紙和坐標紙，以班級為單位前去購買。5

課后作業(yè)1、完成書面作業(yè)—練習題第4題①、②和第7題（要求寫在實驗報告紙上）。2、必須在第3周星期五（3月20日）前以班為單位收齊后將作業(yè)交到科技樓北樓514室尤小平老師處，過期不收。6第二部分第三部分

教材及相關資源介紹物理實驗的數(shù)據(jù)處理緒論課內(nèi)容提要第一部分物理實驗課須知7本課程使用教材共兩冊，本學期實驗也涉及第二冊內(nèi)容。一、教材及相關資源介紹8相關網(wǎng)站*物理實驗中心網(wǎng)站：218.199.86.1729*BBS系統(tǒng)網(wǎng)址：218.199.86.171/bbs可在此下載更新的講義、提出問題或發(fā)表對實驗的看法10*物理實驗課預約網(wǎng)址：218.199.86.171安卓手機用戶可在實驗中心BBS系統(tǒng)中下載預約客戶端*本客戶端由我校計算機學院2012級劉沛鳴同學設計、制作，特此感謝！*客戶端除可實現(xiàn)預約、查看通知功能外，另附有部分實驗講義及相關資料供同學們參考。*客戶端內(nèi)容仍在更新完善，歡迎同學們提出寶貴的建議！聯(lián)系方式：11手機用戶可下載愛課程客戶端，在共享課中找到本?；蛩阉鳌按髮W物理實驗”均可。*精品共享課網(wǎng)址：（愛課程網(wǎng)）

愛課程客戶端（安卓、蘋果）本課程資源首頁二維碼12數(shù)據(jù)分析軟件推薦OriginMATLABMathematica13（一）物理實驗課程序（二）物理實驗課預約（三）物理實驗注意事項（四）物理實驗報告要求（五）物理實驗考核與重修二、物理實驗課須知14預約實驗（一）物理實驗課程序撰寫預習報告完成實驗、記錄數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)、完成實驗報告交實驗報告（實驗房間外走道）領取改好的報告（2樓西側樓道）15*學生學號為不含字母的全部數(shù)字，如U200811089,登錄時用200811089IP：218.199.86.171（二）物理實驗課預約初始密碼：123456

*建議第一次登錄后立即修改密碼新密碼不要含有字母，字數(shù)不要超過8位*預約前一定要先看預約必讀。16*科技樓北樓二樓大廳觸摸屏24小時可使用*預約后請記住時間、實驗地點及設備號*最好一次將要做的6（或7）個實驗同時約好物理實驗開放的時間段及實驗儀器是固定的，請務必按照已預約的時間來做實驗17（三）物理實驗注意事項1、物理實驗課56學時，分兩個學期進行：

物理實驗（1）28學時在春季學期開課，物理實驗（2）28學時在秋季學期開課。2、每個學期分兩段上課，不允許跨段修課和考試。3、要求每個學生在規(guī)定時間內(nèi)選做規(guī)定個數(shù)的實驗，并提交實驗報告。春季學期選做6個實驗+緒論作業(yè)，秋季學期選做7個實驗。185、每次課4學時（3小時），不允許遲到、曠課或早退。4

、先預約后實驗，預約后要經(jīng)?？搭A約網(wǎng)上的通知。有關實驗的事項都將在網(wǎng)上通知，不再對各個班單獨通知。

遲到一次從總成績中扣0.5分，遲到30分鐘以上，計算機自動做曠課論處，不再允許學生做實驗,并從總成績中扣3分。196、課前應按要求寫好實驗預習報告，上課不帶實驗預習報告，從操作分中扣30分。7、實驗時刷卡簽到，不刷卡者以遲到論處。另外,按實驗要求可能需準備直尺、三角尺、坐標紙、鉛筆(畫圖)、計算器(建議在手機中安裝計算器軟件)等。*刷卡成功后屏幕窗口上會出現(xiàn)姓名、設備號等信息，核對信息。208、若有事不能做實驗，可提前一天以上在網(wǎng)上撤銷實驗，也可當天到教室找任課教師請假，請假不扣分。9、曠課或請假后，應盡快重新預約。*物理實驗的儀器套數(shù)是有限的，同學們要合理的安排自己的實驗，不要輕易請假和曠課。*重新預約不保證能預約到原來的實驗。10、實驗時按實驗設備號坐定，不要亂動別組的儀器設備，嚴格按照操作規(guī)程操作儀器。*設備號一般標注在實驗臺的左上角或右上角*懷疑儀器有問題請向指導老師提出，不允許私自換座位或調換儀器。2113、離開實驗室前，關閉儀器電源開關，并應整理好所用儀器，做好清潔衛(wèi)生。12、完成實驗后，預習報告和數(shù)據(jù)記錄紙都應交指導教師檢查并簽字。11、獨立完成實驗，認真觀察實驗現(xiàn)象，將所測數(shù)據(jù)及相關參數(shù)記錄在數(shù)據(jù)記錄紙上。*不允許抄襲或涂改、編造原始數(shù)據(jù)*不允許用鉛筆記錄數(shù)據(jù)2214、實驗報告連同數(shù)據(jù)記錄紙應在完成實驗后一周內(nèi)交到與做實驗的教室對應的報告柜內(nèi)。*交實驗報告時注意找準柜子，交錯地方可能導致報告丟失或延遲批改。*如包含坐標紙等，請粘貼在報告上或與報告裝在一起，以防掉落丟失。23這是老師發(fā)改過的實驗報告、同時也是課代表領回實驗報告的地方。信息不完整的實驗報告15、改過的報告會發(fā)到各班專有的報告柜中，請各班課代表及時取回并下發(fā)。24 1、信息齊全、格式規(guī)范。

2、字體工整、干凈整潔。

3、表述正確、層次清楚。

4、圖表合理、討論認真。（四）物理實驗報告及數(shù)據(jù)記錄要求16、學生登入系統(tǒng)后，若發(fā)現(xiàn)自己的信息不對或轉系要更改信息，請及時到科技樓北樓202室登記，進行信息更改，以便準確發(fā)送成績。25指發(fā)報告柜號每個班一個號填寫預約時系統(tǒng)所給的編號實驗課前需要完成的部分實驗課后需要完成的部分2627（五）物理實驗考核與重修1、成績評定：平時70%+考試30%

平時：課堂操作50%+實驗報告50%2、考試方式：閉卷、筆試（120分鐘）3、考試范圍：緒論與所選實驗4、考試時間與地點：由學校教務處通知5、物理實驗不及格只有重修，沒有補考6、不及格者按學期跟下一年級從頭重修物理實驗（1）不及格者在春季重修物理實驗（2）不及格者在秋季重修.28實驗名稱實驗講義實驗室實驗房間1示波器的調節(jié)和使用第一冊科技樓北樓310、3122多功能擺的設計與研究第一冊科技樓北樓207、2083分光計的調整與折射率測定第一冊科技樓北樓203、2064密立根油滴實驗第二冊科技樓北樓216、2205超聲聲速的測量第一冊科技樓北樓305、3076電子元件伏安特性的測量第一冊科技樓北樓306、3087直流電橋及其應用第一冊科技樓北樓302、3048霍爾效應與應用設計第一冊科技樓北樓209、212春季學期實驗項目291.由于設備更新，2、5、6、7

四個實驗與書上有些差別，為了方便同學們寫預習報告和實驗，在網(wǎng)上掛有電子版講義。IP:218.199.86.171/bbs*補充說明：同學們預習時以電子講義為主，同時參考教材中的講義。2.請預習實驗1“示波器的調節(jié)和使用”的同學，到BBS上面下載補充材料（操作指南）。30三.物理實驗的數(shù)據(jù)處理物理實驗課程的目的實驗室規(guī)則測量誤差及數(shù)據(jù)處理的基本知識3131

1.通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和對物理量的測量，學習物理知識，加深對物理學原理的理解。

2.培養(yǎng)與提高科學實驗能力

（1）能夠通過閱讀實驗教材或資料，作好實驗前的準備；

（2）能夠借助教材和儀器說明書正確使用常用儀器；

（3）能夠運用物理學理論對實驗現(xiàn)象進行觀察和初步分析判斷；

（4）能夠正確記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，撰寫合格的實驗報告。3.培養(yǎng)與提高科學實驗素養(yǎng)

要求學生具有理論聯(lián)系實際和實事求是的科學作風，嚴肅認真的工作態(tài)度，主動研究的探索精神，以及遵守紀律、團結協(xié)作和愛護公物的優(yōu)良品德。物理實驗課程的目的3232實驗室規(guī)則1．學生進入實驗室須帶上實驗數(shù)據(jù)記錄紙及完成課前預習內(nèi)容的實驗報告，經(jīng)教師檢查同意方可進行實驗。2．遵守課堂紀律，保持安靜的實驗環(huán)境。3．使用電源時，務必教師檢查線路后才能接通電源。4．愛護儀器。進入實驗室不能擅自搬弄儀器，實驗中嚴格按儀器說明書操作，如有損壞，照章賠償。公用工具用完后應立即歸還原處。5．做完實驗，學生應將儀器整理還原，將桌面和凳子收拾整齊。經(jīng)教師審查測量數(shù)據(jù)和儀器還原情況并簽字后，方能離開實驗室。6．實驗報告應在實驗后一周內(nèi)交回實驗室。

3333測量誤差及數(shù)據(jù)

處理的基本知識3434測量與誤差測量不確定度的評定有效數(shù)字及有關規(guī)定數(shù)據(jù)處理基本方法35

測量與誤差測量將待測物理量與選定計量標準的同類物理量進行比較得出其倍數(shù)的過程。

直接測量間接測量（待測量是由若干個直接測量通過函數(shù)關系

計算出來的量。）(可以用測量儀器或儀表直接讀出量值的測量)如：長度、時間、溫度、電流等。直接測量是測量的基礎。如：體積、速度、動量、流量等。36等精度測量：對某一物理量進行多次重復測量時,測量條件不變的測量。等精度測量時，數(shù)據(jù)處理比較簡單。不等精度測量：對某一物理量進行多次重復測量時,測量條件完全不同或部分不同的測量。絕對的等精度測量是不存在的。37基本物理量和基本單位國際單位制（SI）中的七個基本量和基本單位：長度（米.m）、質量（千克.kg）、時間（秒.s）、電流強度（安培.A）、熱力學溫標（開爾文.K）、物質的量（摩爾.mol）、發(fā)光強度（坎德拉.cd）由基本單位推導出的單位稱為導出單位，相對應的物理量稱為導出量。3838

測量結果都存在誤差，誤差自始至終存在于一切科學實驗和測量過程中。測量值與客觀真值之差誤差真值：任何量在特定的條件下（時間、空間、狀態(tài)）都有其客觀的實際值。理論真值算術平均值標準器件值計量約定值3939

誤差分類及其不確定度評定系統(tǒng)誤差隨機誤差粗大誤差

在等精度測量條件下多次測量同一物理量時，誤差的符號和絕對值總是保持恒定或按某一確定的規(guī)律變化。

在等精度測量條件下多次測量同一物理量時，誤差的符號和絕對值及其變化毫無規(guī)律是隨機的，不確定。明顯超出規(guī)定條件預期的誤差。4040產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的主要原因有：

儀器誤差：由于儀器制造的缺陷，使用不當，或儀器未經(jīng)很好的校準所造成的誤差（如：秒表偏快，偏慢．米尺刻度不勻等）。理論和方法誤差：實驗所依據(jù)的理論公式的近似性，實驗條件或測量方法不能滿足理論公式所要求的條件等引起的誤差。（如：忽略摩擦，散熱，電表的內(nèi)阻等）．人員誤差：測量人員主觀因素和操作技術所引起的誤差。（如：反應速度，分辨能力，讀數(shù)習慣等）。4141

系統(tǒng)誤差及其評定符號和絕對值未經(jīng)確定的系統(tǒng)誤差符號和絕對值已經(jīng)確定的系統(tǒng)誤差（可通過理論或實驗方法加以修正減小影響）（可估計出誤差的最大變化范圍即誤差限）可定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差42幾種常用儀器的示值誤差限

儀器

量程

分度值示值誤差限

鋼直尺300mm1mm±0.1mm鋼卷尺1m1mm±0.5mm2m1mm±1mm

游標卡尺150,200,300mm0.02,0.05,0.1mm

與分度值相同

螺旋測微計25,50,75,100mm0.01mm±0.004mm對于未加說明的儀器，一般取數(shù)字儀表取電測量儀表

電阻箱Δ儀Δ儀Δ儀Δ儀Δ儀43隨機誤差相同條件下多次測量同一量時以不可預知的方式變化的誤差，總體服從一定的統(tǒng)計規(guī)律，可以用統(tǒng)計方法估算。

特點：隨機性，服從統(tǒng)計規(guī)律。主要來源：環(huán)境不規(guī)律變動，外界振動，

系統(tǒng)零件不穩(wěn)定。

434444隨機誤差估算設一列等精度測量值…,…(最佳估值)考察…即:為真值的最佳估計值…算術平均值

4545δf(δ)-σ+σ正態(tài)分布測量列的標準差：絕對誤差：隨機誤差的概率密度分布可用正態(tài)分布函數(shù)描述統(tǒng)計含義：當時測量列中任一測量值與平均值的偏離落在區(qū)間內(nèi)的概率為68.3%。式中的特征量46服從正態(tài)分布的隨機誤差具有以下特征：(1)單峰性絕對值小的誤差出現(xiàn)的概率大于絕對值大的誤差出現(xiàn)的概率；(2)對稱性絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的概率相等；(3)有界性在一定的測量條件下，絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率趨于零；(4)抵償性隨機誤差的算術平均值隨著測量次數(shù)的增加而減小，最后趨于零。δf(δ)-σ+σ正態(tài)分布4747平均值的標準差

對同一被測量每作有限的n

次測量時，算術平均值會有變化，也是隨機變量，服從正態(tài)分布，可用表征的離散程度。

48粗大誤差

由于觀測者未正確地使用儀器、觀察錯誤或記錄錯數(shù)據(jù)等不正常情況下引起的誤差。應將其剔除。4849測量結果的完整表述

例：固體密度測量結果

待測量直接測量的算術平均值測量值間接測量量計算值測量不確定度單位置信概率

完整的測量結果，不僅要表示其量值大小，還必須指出其測量不確定度，以表明該測量結果的可信賴程度。=2.7271±0.0003（g/cm3）（ｐ=0.683）4950

任何測量都存在不確定度，都要表示出不確定度。

一、不確定度基本概念

測量不確定度：由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度，合理地賦予被測量值的分散性。

測量不確定度是測量質量的定量表述，決定了測量結果的使用價值，其值越小，測量結果質量越高，使用價值也越高。測量不確定度的評定5051標準不確定度

：用標準偏差表示的測量不確定度。

A類標準不確定度：由觀測列統(tǒng)計分析評定的不確定度，又稱為統(tǒng)計不確定度。B類標準不確定度：由不同于觀測列統(tǒng)計分析所作的不確定度，又稱為非統(tǒng)計不確定度。51按其數(shù)值的評定方法分類：52合成標準不確定度（合成不確定度）：測量結果由其他量得來時，按其他量的方差或協(xié)方差算出的測量結果的標準不確定度。

測量結果y

的合成標準不確定度記為uc(y)，也可簡寫為uc或u(y)。相對合成標準不確定度ur：合成標準不確定度的相對值。

y可以是測量值、算術平均值、公認值或理論值53擴展不確定度（總不確定度)：它是定義測量結果區(qū)間的量，合理地賦予被測量的值的分布大部分落入該區(qū)間。

它是將合成不確定度乘以一個范圍因子k所得到的不確定度，這個因子與置信概率（置信水平）p有關，記為：Up或U。相對擴展不確定度：指擴展不確定度U的相對值，即

53y可以是測量值、算術平均值、公認值或理論值54測量不確定度與誤差聯(lián)系：1.測量結果的精度評定參數(shù)。2.所有的不確定度分量都用標準差表征，由系統(tǒng)誤差及隨機誤差引起。3.誤差是不確定度的基礎。區(qū)別：1.誤差以真值或約定真值為中心，不確定度以被測量的估計值為中心。2.誤差一般難以定值，不確定度可以定量評定。3.誤差有三類，界限模糊，難以嚴格區(qū)分；不確定度分兩類，簡單明了。55二、直接測量量不確定度的(簡化）評定

對物理量X做n次等精度測量

測量列：x1，x2，

x3…，

xn

物理量X的最佳值：5556

2.1、A類標準不確定度

uA的統(tǒng)計意義

：當測量次數(shù)時物理量落在區(qū)間內(nèi)的概率為68.3%。

5657

對有限次測量的結果，要保持同樣的置信概率,顯然要擴大置信區(qū)間，A類不確定度應表示為一定的置信概率下，tp因子與測量次數(shù)有關。（參考表1）測量次數(shù)有限（5<n<≤10）時，測量數(shù)據(jù)多服從t分布或叫學生分布。當測量次數(shù)時，t分布過渡到正態(tài)分布。

當測量次數(shù)為有限時，要使得測量值落在平均值附近，具有與正態(tài)分布相同的置信概率P＝0.683，置信區(qū)間要擴大到5758

表1不同置信概率（P）下tp與n的關系

例：測量某物體長度ｎ123456789ｂｍｍ42.3542.4542.3742.3342.3042.4042.4842.3542.49長度的最佳值：＝42.369mm

n

tpp34567890.681.321.201.141.111.091.081.070.954.303.182.782.572.452.372.315859＝0.064

mm＝0.021mm

n＝9，查表得

=1.07×0.021＝0.022mmP=0.95，tp

=2.31=2.31×0.021＝0.048mmP=0.68，tp

=1.075960

2.2、B類標準不確定度

B類不確定度分量有多項，如讀數(shù)估計誤差、儀器誤差等，一般服從不同的概率分布。在大學物理實驗中，主要考慮儀器誤差，儀器誤差多服從均勻分布。

1）用概率分布估算kp：置信因子，與置信概率P有關(P=0.68kp=1)C：置信系數(shù)，與誤差分布特性有關Δ儀:儀器的最大允許誤差2)用儀器誤差Δ儀代替儀器不確定度60Δ儀61

2.3、直接測量量的合成標準不確定度及結果表述擴展不確定度：6162結果表述（單位）（p=？）單次測量的不確定度用B類標準不確定度(uB

)來評定。

6263直接測量量不確定度計算基本步驟A類不確定度B類不確定度63646465三、間接測量量標準不確定度的(簡化）評定

——

不確定度的傳播與合成

設間接測量量y是由各互不相關的直接測量量通過函數(shù)關系求得：各直接測量量的不確定度分別為：6566y的標準不確定度傳遞公式（利用全微分公式）：y的相對標準不確定度傳遞公式：和稱為不確定度的傳遞系數(shù)

當所有直接測量量xi彼此獨立或不相關時6667求解標準不確定度傳遞公式的步驟：1。對于和差函數(shù)，可直接對函數(shù)全微分，對于商積函數(shù)先取對數(shù)再求全微分；2。合并同一分量的系數(shù)，合并時有的項可以相互抵消，得到最簡單的形式；

3。系數(shù)取絕對值，將微分符號改為不確定度符號，求平方和，開根號。6768

間接測量量結果表述（單位）（p=）當待測物理量有公認標準值或理論值時，其相對不確定度可表示為：686969有效數(shù)字及有關規(guī)定有效數(shù)字：

由測量（計算）結果中準確數(shù)字和最后一位可疑數(shù)字構成。有效數(shù)位：

有效數(shù)字的位數(shù)（決定于儀器精度及被測量量值的大小）

0.0034（二位有效數(shù)字）

0.00340（三位有效數(shù)字）

實驗測量中記錄的數(shù)據(jù)必須是有效數(shù)字，有效數(shù)位直接反映測量的準確度，不能隨意取舍。7070有效數(shù)字與小數(shù)點的位置和單位無關，改變單位時有效數(shù)位不變

。多余存疑數(shù)字按規(guī)定法則取舍。

擬舍棄數(shù)字不等于5時，大于5則進，小于5則舍。擬舍棄數(shù)字等于5時，欲保留數(shù)字末位是奇數(shù)則進，是偶數(shù)則舍。

a=37.24ｍｍa=37.2ｍｍ

ｂ=37.250ｍｍｂ=37.2ｍｍ

c=37.15ｍｍ

c=37.2ｍｍ

運算結果應符合有效數(shù)字運算法則：保留三位有效數(shù)字1.加減結果的小數(shù)點后的位數(shù)與小數(shù)點后位數(shù)最少的相同2.乘除結果的有效數(shù)字位數(shù)與有效數(shù)字位數(shù)最少的相同。713.冪和根的有效數(shù)位和它們的底的有效數(shù)位相同。4.三角函數(shù)、對數(shù)和指數(shù)運算結果的有效數(shù)字位數(shù)，應當由誤差來決定。5.常數(shù)（π、e、?、）等的有效數(shù)位數(shù)可視為無窮多，運算中需要幾位就取幾位。7272結果表述中不確定度一般取1位有效數(shù)字，相對不確定度取1到2位有效數(shù)字，測量值有效數(shù)字尾數(shù)與不確定度尾數(shù)應對齊L=4.253±0.851ｍL=4.2±0.8ｍ73

列表法

作圖法

最小二乘法數(shù)據(jù)處理基本方法7374

列表法溫度t(C)20.025.030.035.040.045.0電阻R()