大學(xué)物理實驗課緒論課件

大學(xué)物理實驗課程緒論

§1學(xué)生須知§2物理實驗的重要作用§3測量誤差的基礎(chǔ)知識§4實驗數(shù)據(jù)處理基本方法關(guān)于物理實驗選課的幾點說明：A、物理實驗單獨設(shè)課，是教學(xué)大綱規(guī)定的大學(xué)公共基礎(chǔ)必修課，課程和學(xué)分分兩個學(xué)期，一共1.5個學(xué)分。B、物理實驗在管理上為實驗項目教師負責(zé)制，即每位教師各負責(zé)1-2個實驗項目.學(xué)生輪流到各實驗室內(nèi)做不同的實驗項目，會面臨不同的教師授課，網(wǎng)上選課只是選擇上課的時間。各位學(xué)生評教時請注意自己選課教師的上課表現(xiàn)。C、希望以后大家選物理實驗課時根據(jù)自己合適時間來選?！?學(xué)生須知

1.每個班按各自的實驗進度表上課。請務(wù)必記住自己的實驗進度并按實驗內(nèi)容提前做好預(yù)習(xí)，不提前寫好預(yù)習(xí)報告不允許進行實驗，所有實驗要求現(xiàn)場完成并上交實驗報告。相關(guān)問題若有疑問請物理實驗樓403房間詢問或403房間走廊櫥窗張貼的公示。2.本學(xué)期物理實驗課共上6次：1次實驗緒論課，4個實驗項目，1次設(shè)計性實驗（考試實驗）.學(xué)生須知-物理實驗課要求

3.實驗課不得無故遲到、早退，不得帶食物進入實驗室，進入實驗室后請在教室前方課桌上有實驗簽到本上簽到！遲到早退者根據(jù)情況扣除平時成績。（注：1、2節(jié)實驗課的同學(xué)上課時間為早上07:30分）

4.若因事、因病而缺課，實驗時讓班長或課代表向任課教師遞交請假條，未做實驗者應(yīng)及時找時間補做實驗。5.

物理實驗報告要求每次實驗課測完數(shù)據(jù)后立刻處理數(shù)據(jù)并且當(dāng)堂上交，所以大家必須提前寫好預(yù)習(xí)報告畫好表格，否則無法在上課時間內(nèi)完成！6.實驗考試

平時的5份報告占總成績50%，

1次設(shè)計性實驗（考試實驗）報告現(xiàn)場完成并上交，占總成績50%；

規(guī)定：無故缺做1個或以上實驗者并且不補做，期末總成績直接記為0分;

本學(xué)期每個同學(xué)要提交5份平時報告和1次考試實驗報告，不得缺報告，缺一次報告扣除平時成績的50%。本學(xué)期大學(xué)物理實驗項目和進度安排本學(xué)期六個實驗項目：1、實驗基礎(chǔ)理論2、三線擺法測剛體轉(zhuǎn)動慣量實驗（404房間）3、用拉伸法測金屬絲的楊氏模量（406房間）4、電表改裝和校正（407房間）5、模擬法測繪靜電場（407房間）6、考試實驗：鎢絲燈泡伏安關(guān)系式測定（303房間）學(xué)號尾數(shù)單數(shù)學(xué)生做自組電橋測電流表內(nèi)阻（303房間）學(xué)號尾數(shù)雙數(shù)學(xué)生做本學(xué)期實驗項目和進度安排選李良國老師的同學(xué)：第1周周六第3周周六第7周周六第8周周六1,2實驗緒論課（407房間）三線擺（404房間）電表改裝（407房間）單號同學(xué)：鎢絲燈（303房間）雙號同學(xué)：電橋法（303房間）3,4楊氏模量（406房間）模擬靜電場（407房間）本學(xué)期實驗項目和進度安排第1周周六第3周周六第7周周六第10周周六1,2實驗緒論課（407房間）楊氏模量（406房間）模擬靜電場（407房間）單號同學(xué)：鎢絲燈（303房間）雙號同學(xué)：電橋法（303房間）3,4三線擺（404房間）電表改裝（407房間）選庫建國老師的同學(xué)本學(xué)期實驗項目和進度安排選葉帆老師的同學(xué)：第1周周六第3周周六第7周周六第11周周六1,2實驗緒論課（407房間）電表改裝（407房間）三線擺（404房間）單號同學(xué)：鎢絲燈（303房間）雙號同學(xué)：電橋法（303房間）3,4模擬靜電場（407房間）楊氏模量（406房間）本學(xué)期實驗項目和進度安排選陳暢老師的同學(xué)：上午第1周周六第3周周六第7周周六第12周周六1,2實驗緒論課（407房間）模擬靜電場（407房間）楊氏模量（406房間）單號同學(xué)：鎢絲燈（303房間）雙號同學(xué)：電橋法（303房間）3,4電表改裝（407房間）三線擺（404房間）物理實驗基本程序

每一次實驗課包括課前預(yù)習(xí)、實驗操作和實驗報告三個環(huán)節(jié)1.課前預(yù)習(xí)學(xué)生進入實驗室之前必須進行預(yù)習(xí)。預(yù)習(xí)時應(yīng)仔細閱讀實驗教材，著重理解實驗原理，明確實驗的大體步驟及儀器使用注意事項。預(yù)習(xí)時要求寫出預(yù)習(xí)報告。

預(yù)習(xí)報告的內(nèi)容：①實驗?zāi)康模虎趯嶒炘恚òü郊案髁康奈锢硪饬x、原理圖、線路圖或光路圖等）。2.實驗操作課堂實驗操作時，應(yīng)根據(jù)實驗的步驟和要求認真進行調(diào)試、仔細觀察和測量有關(guān)的物理量。課堂實驗可分為：①儀器的安裝和調(diào)試；②觀測（在明確了實驗?zāi)康暮蜏y量內(nèi)容步驟并能正確使用儀器后可進行正式觀測）；③記錄（記錄的內(nèi)容：日期、時間、地點、儀器及其編號、簡圖、簡單過程、原始數(shù)據(jù)、有關(guān)現(xiàn)象、隨時發(fā)現(xiàn)的問題等，記錄不得用鉛筆）；④儀器還原（將其恢復(fù)到實驗以前的狀態(tài)）。3.撰寫實驗報告

實驗報告是對實驗全過程進行總結(jié)和深入理解的一個重要步驟，要認真去做。

·

報告內(nèi)容：實驗名稱、實驗?zāi)康?、實驗儀器及編號、實驗原理（在理解原理的基礎(chǔ)上簡要敘述，包括畫出原理圖、電路圖、實驗裝置圖等）、簡述實驗步驟、數(shù)據(jù)處理（將數(shù)據(jù)按一定函數(shù)關(guān)系求出結(jié)果，最后寫出測量結(jié)果表達式）、討論（即對結(jié)果進行分析、判斷或?qū)Σ淮_定度進行分析，包括對實驗改進的意見）。物理實驗報告格式要求和優(yōu)秀實驗報告范例§2.物理實驗的重要作用

物理學(xué)是一門建立在實驗基礎(chǔ)上的科學(xué)，物理概念的建立、物理規(guī)律的發(fā)展、物理理論的形成都必須以嚴格的科學(xué)實驗為基礎(chǔ)，并通過科學(xué)實驗來證實。在物理學(xué)發(fā)展的過程中，從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)，縱觀物理學(xué)三百多年的發(fā)展史，科學(xué)發(fā)展的每一步都是以實驗為先導(dǎo)的。

伽利略的單擺實驗和斜面實驗為研究力學(xué)規(guī)律提供了重要依據(jù)，庫侖通過滑板實驗提出了摩擦定律，胡克的彈性實驗、玻意耳的空氣壓縮實驗、波雷里的表面張力實驗為物理學(xué)提供了新事實和新規(guī)律。

實驗可以發(fā)現(xiàn)新事實，實驗結(jié)果可以為理論的建立提供依據(jù)

實驗又是檢驗理論正確與否的重要判據(jù)1905年愛因斯坦的光量子假說總結(jié)了光的微粒說和波動說之間的爭論，能很好地解釋勒納德等人的光電效應(yīng)實驗結(jié)果，但是直到1916年當(dāng)密立根以極其嚴密的實驗證實了愛因斯坦的光電方程之后，光的粒子性才為人們所接受。1973年丁肇中用高能同步加速器發(fā)現(xiàn)了J/ψ粒子，進一步證實了蓋爾曼1964年提出的夸克理論。電磁場理論的提出與公認假說庫侖定律安培定律高斯定律法拉第定律麥克斯韋在1865年提出電磁場理論麥克斯韋方程組統(tǒng)一了電、磁、光現(xiàn)象,預(yù)言了電磁波的存在并預(yù)見到光也是一種電磁波1879年赫茲實驗發(fā)現(xiàn)了電磁波的存在并證實電磁波的傳播速度是光速電磁場理論才得到公認二十多年后

理論物理與實驗物理是相輔相成的，規(guī)律、公式是否正確必須經(jīng)受實驗檢驗。只有經(jīng)受住實驗的檢驗，由實驗所證實，才會得到公認。

物理實驗是一門必修課，我們所開設(shè)的每個實驗題目都經(jīng)過精心設(shè)計、安排，實驗結(jié)果也比較有定論，它是對學(xué)生進行基礎(chǔ)訓(xùn)練的一門重要課程。它不僅可以加深大家對物理理論的理解，更重要的是可使同學(xué)們獲得基本的實驗知識，在實驗方法和實驗技能諸方面得到較為系統(tǒng)、嚴格的訓(xùn)練，是從事科學(xué)實驗的起步，同時在培養(yǎng)良好的科學(xué)素質(zhì)及嚴謹?shù)淖黠L(fēng)、實事求是的精神方面也將起著潛移默化的作用。希望同學(xué)們重視這門課程的學(xué)習(xí)，真正能學(xué)有所得。

§3測量誤差和數(shù)據(jù)處理的基礎(chǔ)知識

（重點）§3-1測量及其誤差§3-2誤差的估算§3-3有效數(shù)字及其運算法則§3-4實驗數(shù)據(jù)處理基本方法§3-1

測量及其誤差物理實驗離不開測量。標準的物理測量結(jié)果應(yīng)表示為：以電阻測量為例

包括：

測量對象測量對象的量值測量的誤差測量值的單位

那么到底什么是物理測量？物理測量就是觀測者將待測量與選作標準單位的物理量進行比較的過程，測量結(jié)果是待測量對于標準物理量的倍數(shù)，加上單位就構(gòu)成了測量數(shù)據(jù)。測量測量可分為直接測量和間接測量直接測量是直接用儀器或器具測出量值的測量。間接測量是指依據(jù)待測量和某幾個直接測得量的函數(shù)關(guān)系求出量值的測量。測量誤差的定義和分類測量值N可能比真值大、也可能比真值小，通常我們將絕對誤差簡稱為誤差；誤差的表示方法：

——絕對誤差△N

——相對誤差EN誤差分類:根據(jù)誤差的性質(zhì)和來源可將誤差分為兩大類;

——系統(tǒng)誤差——偶然誤差

偶然誤差分布的四個性質(zhì)：1.單峰性2.有界性3.對稱性4.抵償性偶然誤差的特點單峰性——小誤差出現(xiàn)的概率比大誤差出現(xiàn)的概率大。有界性——絕對值很大的誤差出現(xiàn)的概率近于零。對稱性——絕對值相等的正誤差和負誤差出現(xiàn)的概率相等。抵償性——對同一量的測量其誤差的算術(shù)平均值隨測量次數(shù)增加而越來越趨近于零。多次測量結(jié)果最佳值－算術(shù)平均值其中任何一次測量的誤差：（近真值）→真值

N0（絕對誤差）n次測量：N1，N2，．．．Ni，．．．Nn（n

→∞）直接測量結(jié)果最佳值－算術(shù)平均值§3-2偶然誤差的處理當(dāng)測量次數(shù)n有限時，（近真值）→真值（絕對誤差）直接測量結(jié)果最佳值－算術(shù)平均值當(dāng)測量次數(shù)n有限時，第2次測量的誤差第n次測量的誤差第1次測量的誤差（平均絕對誤差）上式的物理含義是：被測量物理量的數(shù)值N出現(xiàn)在之間的概率為57.5%。重點：實驗測量計算的最終結(jié)果必須寫為常見錯誤：某同學(xué)多次測量一個圓柱的高度，最終測量和計算的結(jié)果他寫在報告上：重點：實驗測量工程上對最終測量數(shù)據(jù)表達形式的2個強制要求：1.測量的最終表達式中，平均絕對誤差只能保留1位有效數(shù)字；2.近真值保留的最低1位必須與誤差保留位取齊！改錯：P23第6題百分位千分位正確結(jié)果：2.03重點：實驗測量工程上對最終測量數(shù)據(jù)表達形式的2個強制要求：1.測量的最終表達式中，平均絕對誤差只能保留1位有效數(shù)字；2.近真值保留的最低1位必須與誤差保留位取齊！改錯：個位千萬分位正確結(jié)果：21重點：實驗測量工程上對最終測量數(shù)據(jù)表達形式的2個強制要求：1.測量的最終表達式中，平均絕對誤差只能保留1位有效數(shù)字；2.近真值保留的最低1位必須與誤差保留位取齊！改錯：十分位個位正確結(jié)果：千分位相對誤差EN

重點：實驗測量工程上對相對誤差的強制要求：1.當(dāng)EN

大于等于1%的時候，保留2位有效數(shù)字；2..當(dāng)EN

小于1%的時候，保留1位有效數(shù)字！EN=0.337819556%EN=3.4%舉例：某同學(xué)報告上計算得到EN=3.37819556%EN=0.3%關(guān)于四舍五入的原則“大于5則入，小于5則舍，等于5則應(yīng)將保留的最后一位湊為偶數(shù)(湊偶原則)”舉例：將下列數(shù)據(jù)只保留兩位有效數(shù)字：1.45cm1.4cm1.450001cm1.5cm1.550cm1.6cm關(guān)于電表的使用和讀數(shù)方法以及誤差電表重要參數(shù)：精度等級K本實驗室電表精度等級K=0.5某同學(xué)把伏特表量程設(shè)置為30V》》本實驗室電表精度等級K=0.50.2V某同學(xué)把電流表量程設(shè)置為750mA》》本實驗室電表精度等級K=0.54mA

間接測量量的誤差傳遞與估算

在實驗中我們所測的被測量都是含有誤差的數(shù)值，對這些數(shù)值不能任意取舍，應(yīng)反映出測量值的準確度。所以在記錄數(shù)據(jù)、計算以及書寫測量結(jié)果時，應(yīng)根據(jù)測量誤差或?qū)嶒灲Y(jié)果的誤差大小來定出究竟應(yīng)取幾位有效位數(shù)?！?-3有效數(shù)字及其運算法則（重點）定義：在測量結(jié)果的數(shù)字表示中，由若干位準確數(shù)字加一位欠準數(shù)字，便組成了有效數(shù)字?！?-3-1

有效數(shù)字的一般概念§3-3-2

有效數(shù)字位數(shù)的確定1.關(guān)于“0”的有效問題

當(dāng)“0”在數(shù)字中間或末尾時有效如：等中的0均有效注意：絕不能在數(shù)字末尾隨便加“0”或減“0”數(shù)學(xué)上：實驗測量：

小數(shù)點前面的“0”和緊接小數(shù)點后面的“0”不算作有效數(shù)字如：0.01230dm、0.1230cm、0.001203m均是__？__位有效數(shù)字。注意：進行單位換算時，有效數(shù)字的位數(shù)不變。請問2是______位有效數(shù)字？某同學(xué)測量圓柱半徑代入公式算周長1位隨便位討厭！注：常數(shù)都是無窮位有效數(shù)字2.數(shù)值的科學(xué)記數(shù)法數(shù)據(jù)過大或過小時，可以用科學(xué)表達式。

某電阻值為20000.0（歐姆），保留3位有效數(shù)字時寫成2.00104

又如數(shù)據(jù)為0.0000325334m，保留3位有效數(shù)字使用科學(xué)記數(shù)法寫成3.2510-5m3.有效數(shù)字與儀器的關(guān)系有效數(shù)字的位數(shù)的多少，既與測量儀器的準確度有關(guān)，又與被測量物體本身的大小有關(guān)。

20分度游標卡尺L=2.525cm

（四位有效數(shù)字）

螺旋測微計L=2.5153cm

（五位有效數(shù)字）米尺L=2.52cm

（三位有效數(shù)字）§3-3-3

間接測量有效數(shù)字的確定

——有效數(shù)字的運算法則基本原則：測量結(jié)果的有效數(shù)字中準確數(shù)與準確數(shù)之間的運算結(jié)果依然為準確數(shù)；測量結(jié)果中有效數(shù)字中欠準數(shù)與準確數(shù)之間的運算結(jié)果為欠準數(shù)但是其運算進位為準確數(shù)；測量結(jié)果中有效數(shù)字中欠準數(shù)與欠數(shù)之間的運算結(jié)果依然為欠準數(shù)；最終運算結(jié)果中只能保留1位欠準數(shù)；62.5+1.234=？––4–結(jié)果為63.7–1.加減法

62.5+1.234—————––0–0–3–7–3.6例19.68-5.848=13.83

19.68-5.848—————13.832––––––結(jié)果為13.83––

加減法運算時，最終結(jié)果的小數(shù)點后的位數(shù)與參與運算的各數(shù)據(jù)中小數(shù)點后位數(shù)最少的相同。加減法運算規(guī)則：課本P23習(xí)題6（4）34.470+10.28-1.0036=43.7464小數(shù)點后面有3位小數(shù)點后面有2位小數(shù)點后面有4位最終結(jié)果小數(shù)點后面只能保留2位！.75答案：（4）34.470+10.28-1.0036=43.75加減法運算時，最終結(jié)果的小數(shù)點后的位數(shù)與參與運算的各數(shù)據(jù)中小數(shù)點后位數(shù)最少的相同。例34.470+10.28-1=43.7464小數(shù)點后面有3位小數(shù)點后面有2位小數(shù)點后面有0位最終結(jié)果小數(shù)點后面只能保留0位！四舍五入答案：

34.470+10.28-1=44加減法運算時，最終結(jié)果的小數(shù)點后的位數(shù)與參與運算的各數(shù)據(jù)中小數(shù)點后位數(shù)最少的相同。2.乘除法例3.21

6.5=？

3.21

6.5––結(jié)果為21–20.865—————1605––––1926—————–––––––例2121.843=0.96____結(jié)果為0.96_

乘除運算時，最終結(jié)果的有效數(shù)字的位數(shù)與參與運算各數(shù)中有效數(shù)字位數(shù)最少的為準。乘除法運算規(guī)則:課本P23習(xí)題6（6）一共4位有效數(shù)字一共3位有效數(shù)字結(jié)果只能保留3位有效數(shù)字0.02893.乘方與開方結(jié)果的有效數(shù)字與其底或被開方數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)相同。如：正確運算規(guī)則：1002=100102

100=10.0

49=7.04.02=16錯誤49=74.02=16.04.函數(shù)運算對數(shù)函數(shù)lgN的小數(shù)點后數(shù)字的個數(shù)與N的有效數(shù)字位數(shù)相同例lg100=2.000

lg1.983=0.297322714

0.2973lg1983=3.29722714

3.2973

指數(shù)函數(shù)10N或eN的有效位數(shù)和N小數(shù)點后的位數(shù)相同（包括緊接小數(shù)點后面的0）例106.25=1778279.411.8106100.0035=1.00809611.0085.自然數(shù)與常量自然數(shù)不是測量值，不存在誤差，故有效數(shù)字是無窮位。

常數(shù)

、e等的位數(shù)，可與參加運算的量中有效數(shù)字位數(shù)最少的相同或多取一位。

如在D=2R中，2不是一位有效數(shù)字，而是無窮位.例L=2R其中R=2.3510-2m

就應(yīng)取3.14(或3.142)即L=23.1422.3510-2=0.148(m)綜合運算舉例

50.00(18.3016.3)(1033.0)(1.00+0.001)=50.002.0

1001.00=1.0102

100=1.0

§3-4實驗數(shù)據(jù)處理基本方法

§3-4-1

列表法（略）§

3-4-2

作圖法(重點)§

3-4-3

逐差法（略）

作圖法可形象、直觀地顯示出物理量之間的函數(shù)關(guān)系，也可用來求某些物理參數(shù)，因此它是一種重要的數(shù)據(jù)處理方法。作圖時要先整理出數(shù)據(jù)表格，并要用坐標紙作圖。1.選擇合適的坐標分度值，確定坐標紙的大小坐標分度值的選取應(yīng)能反映測量值的有效位數(shù)，一般以1～2mm對應(yīng)于測量儀表的儀表誤差。根據(jù)表１，數(shù)據(jù)U軸可選1mm對應(yīng)于0.10V，I軸可選1mm對應(yīng)于0.20mA，并可定坐標紙的大?。源笥谧鴺朔秶?、數(shù)據(jù)范圍）約為130mm×130mm。作圖步驟：實驗數(shù)據(jù)列表如下.

表1：伏安法測電阻實驗數(shù)據(jù)§3-5-2作圖法處理實驗數(shù)據(jù)

2.標明坐標軸

用粗實線畫坐標軸，用箭頭標軸方向，標坐標軸的名稱或符號、單位,再按順序標出坐標軸整分格上的量值。I(mA)U(V)02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00

4.連成圖線

用直尺、曲線板等把點連成直線、光滑曲線。一般不強求直線或曲線通過每個實驗點，應(yīng)使圖線線正穿過實驗點時可以在兩邊的實驗點與圖線最為接近且分布大體均勻。圖點處斷開。8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.003.標實驗點實驗點可用“”、“”、“*”等符號標出（同一坐標系下不同曲線用不同的符號）。5.標出圖線特征在圖上空白位置標明實驗條件或從圖上得出的某些參數(shù)。如利用所繪直線可給出被測電阻R大小，從所繪直線上讀取兩點A、B的坐標就可求出R值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009