簡(jiǎn)明大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程 課件 ch9 怎么做怎么做得更好

第九章怎么做，怎么做得更好物理學(xué)-實(shí)驗(yàn)-高等學(xué)校-教材簡(jiǎn)明大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程01物理學(xué)與人類(lèi)文明的關(guān)系PARTONE大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的作用主要是培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，提高學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)基本素質(zhì)，使學(xué)生初步掌握實(shí)驗(yàn)科學(xué)的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識(shí)，使學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)研究的基本方法，提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。按照大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求，物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該包含測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)處理、基本物理量的測(cè)量、常用的物理實(shí)驗(yàn)方法、常用實(shí)驗(yàn)儀器和常用實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)六個(gè)方面。一、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)目標(biāo)二、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)要點(diǎn)一個(gè)實(shí)驗(yàn)題目應(yīng)能反映實(shí)驗(yàn)的重點(diǎn)內(nèi)容，涉及物理實(shí)驗(yàn)基本要求中的基本物理量測(cè)量的內(nèi)容。1實(shí)驗(yàn)題目教師在教學(xué)時(shí)應(yīng)將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的歷史背景和現(xiàn)代應(yīng)用加以介紹，然后再講授教學(xué)目的，這樣會(huì)大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣從而提高學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)、撰寫(xiě)報(bào)告時(shí)，要用心地挖掘?qū)嶒?yàn)項(xiàng)目的歷史與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)。2實(shí)驗(yàn)?zāi)康亩⒋髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)要點(diǎn)3實(shí)驗(yàn)原理和方法實(shí)驗(yàn)原理和方法包括兩個(gè)層面：一是理論原理（科學(xué))，二是實(shí)驗(yàn)方法(技術(shù))。理論原理是指該實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的物理概念、規(guī)律等相關(guān)物理原理。物理實(shí)驗(yàn)是人為創(chuàng)造在相對(duì)理想的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行物理量的測(cè)量的過(guò)程，需要借助一定的實(shí)驗(yàn)方法和手段才能最終實(shí)現(xiàn)。這些實(shí)驗(yàn)方法往往具有普適性，它們不僅只適用于某個(gè)實(shí)驗(yàn)，而且可以推廣應(yīng)用于類(lèi)似的其他實(shí)驗(yàn)中。如果教學(xué)中能強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)方法的重要性，并將這些不同的實(shí)驗(yàn)方法用于實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新和拓展，將有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的水平。二、大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的學(xué)習(xí)要點(diǎn)4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理如果測(cè)量的數(shù)據(jù)沒(méi)有被合理地解讀，整個(gè)實(shí)驗(yàn)就變得毫無(wú)意義，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理是評(píng)估整個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不可或缺的重要一環(huán)。數(shù)據(jù)處理包括計(jì)算待測(cè)的物理量、測(cè)量結(jié)果的誤差或不確定度分析、圖示所測(cè)不同物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系等。每個(gè)實(shí)驗(yàn)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理、方法和目的的不同，可以采用不同的數(shù)據(jù)處理方法。通過(guò)最終的數(shù)據(jù)處理，才可以對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有個(gè)基本的判斷，并分析產(chǎn)生這些判斷的依據(jù)是什么，從而引發(fā)思考，形成對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的完整認(rèn)識(shí)。經(jīng)過(guò)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，既完成了多個(gè)預(yù)習(xí)的仿真實(shí)驗(yàn)，又做過(guò)了若干個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。那么實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的成效到底怎樣?達(dá)到了應(yīng)用的水平了嗎?要檢驗(yàn)學(xué)習(xí)的遷移能力和應(yīng)用能力，最好是在學(xué)科競(jìng)賽、開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、獨(dú)立完成課程的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)等活動(dòng)中進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)科競(jìng)賽需要參賽選手根據(jù)競(jìng)賽的題目，自主確定實(shí)驗(yàn)方案和獨(dú)立自主地開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，以實(shí)驗(yàn)的結(jié)果支撐競(jìng)賽題目的分析和問(wèn)題的解決。通過(guò)競(jìng)賽活動(dòng)能夠?qū)⒃诮虒W(xué)過(guò)程中學(xué)到的知識(shí)綜合起來(lái)，在調(diào)動(dòng)這些顯性知識(shí)的過(guò)程中，也極大地激發(fā)那些隱性知識(shí)，構(gòu)成一個(gè)在活動(dòng)中發(fā)揮最佳效能的整體。所謂最佳方案，指的是在現(xiàn)有條件下最充分地利用儀器裝置以力求得到最好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。具體來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)研究對(duì)象及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求，選定合適的實(shí)驗(yàn)原理，按照實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度的要求（包括儀器要求、量限要求、特性要求、環(huán)境要求等)，選定合適的實(shí)驗(yàn)方法。三、物理實(shí)驗(yàn)最佳方案四、最佳方案選擇的一般程序01、根據(jù)研究對(duì)象（物理量或物理過(guò)程)，列出各種可能的實(shí)驗(yàn)原理及測(cè)量所依據(jù)的理論公式，以便選擇。02、分析各測(cè)量原理及其所依據(jù)的測(cè)量公式的適用條件、局限性和優(yōu)缺點(diǎn)。03、根據(jù)羅列的實(shí)驗(yàn)原理或所依據(jù)的測(cè)量公式，結(jié)合可能提供的實(shí)驗(yàn)條件（包括實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)環(huán)境等)，分析各實(shí)驗(yàn)原理應(yīng)用的可行性，并大致估算可能達(dá)到的測(cè)量精度。04、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求(如實(shí)驗(yàn)對(duì)測(cè)量精度的要求)，確定實(shí)驗(yàn)原理并選定實(shí)驗(yàn)方法與儀器，即確定實(shí)驗(yàn)的最佳方案。五、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、任務(wù)和要求設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)由教師提出課題，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室能夠提供的條件，要求學(xué)生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，通過(guò)閱讀資料提出實(shí)驗(yàn)原理、確定實(shí)驗(yàn)方案，選擇合適的儀器設(shè)備，擬定實(shí)驗(yàn)程序和注意事項(xiàng)，調(diào)整測(cè)試，合理處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后寫(xiě)出完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)是在學(xué)生經(jīng)過(guò)一定基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練后，對(duì)學(xué)生進(jìn)行的種介于基礎(chǔ)教學(xué)與科學(xué)研究之間的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，目的是使學(xué)生運(yùn)用所學(xué)的實(shí)驗(yàn)知識(shí)和技能，在實(shí)驗(yàn)方法的考慮、測(cè)量?jī)x器的選擇、測(cè)量條件的確定等方面受到系統(tǒng)的訓(xùn)練，它對(duì)開(kāi)拓學(xué)生思路、擴(kuò)展學(xué)生知識(shí)面、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰哂蟹浅Ｖ匾囊饬x。開(kāi)設(shè)設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)除了實(shí)驗(yàn)室提供必要的物質(zhì)保證，要求學(xué)生在進(jìn)入設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)之前，必須具有比較豐富的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和技能，掌握相當(dāng)數(shù)量的基本儀器的使用和基本測(cè)量方法，掌握正確的不確定度的估算和數(shù)據(jù)處理方法。六、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的步驟1）選擇最佳實(shí)驗(yàn)方法一旦實(shí)驗(yàn)題目確定下來(lái)，首先就涉及如何制定實(shí)驗(yàn)方案的問(wèn)題，即考慮實(shí)驗(yàn)依據(jù)于哪種原理、采用何種方法、使用哪些儀器等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)確定的檢測(cè)項(xiàng)目，總會(huì)有多種方案可供選擇。根據(jù)設(shè)計(jì)題目，查閱有關(guān)資料，提出多種可能的實(shí)驗(yàn)方法，畫(huà)出必要的原理圖，推證有關(guān)理論公式，通過(guò)分析和比較，選擇一種實(shí)驗(yàn)上可行、經(jīng)濟(jì)上最省或?qū)嶒?yàn)室條件允許，又能保證精度要求的最佳實(shí)驗(yàn)方案。1實(shí)驗(yàn)方法的制定六、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的步驟在選定實(shí)驗(yàn)的最佳方案時(shí)，需對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能的不確定度的（誤差）來(lái)源、性質(zhì)及大小做出初步估算，針對(duì)不同性質(zhì)的不確定度（誤差）及其來(lái)源，選定實(shí)驗(yàn)方案，力求使測(cè)量的不確定度（誤差）最小。A類(lèi)不確定度分量的主要來(lái)源：觀測(cè)者感官靈敏度的限制、儀器分辨能力的局限。B類(lèi)不確定度分量的主要來(lái)源：測(cè)量原理和方法、儀器與設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件。一般消除的途徑是校準(zhǔn)儀器、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝備或?qū)嶒?yàn)方法，或?qū)y(cè)量結(jié)果進(jìn)行理論上的修正。在實(shí)驗(yàn)中需要仔細(xì)考慮與研究測(cè)量原理和方法的推演過(guò)程中的每一步驟；檢驗(yàn)或核準(zhǔn)每一件儀器與設(shè)備；分析每個(gè)實(shí)驗(yàn)條件，注意每一步調(diào)整和測(cè)量的細(xì)節(jié)，以便從中發(fā)現(xiàn)B類(lèi)不確定度分量。一般情況下，該類(lèi)不確定度分量不能由多次重復(fù)測(cè)量來(lái)發(fā)現(xiàn)，多次測(cè)量的方法對(duì)消除B類(lèi)分量無(wú)濟(jì)于事。所謂“消除”B類(lèi)不確定度分量，其實(shí)不過(guò)只是將其影響減小到A類(lèi)不確定度分量之下而己。1實(shí)驗(yàn)方法的制定六、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的步驟實(shí)驗(yàn)方法確定后，應(yīng)選擇一種最佳測(cè)量方法。當(dāng)對(duì)某一物理量有幾種測(cè)量方法供選擇時(shí)，應(yīng)選擇不確定度最小的那種方法。在物理實(shí)驗(yàn)中，常用的基本測(cè)量方法有比較法、補(bǔ)償法、置換法等。選擇合適的測(cè)量方法對(duì)提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度非常重要。測(cè)量方法的精確度分析，常采用分項(xiàng)誤差分析綜合法，就是對(duì)所涉及的測(cè)量方法、試驗(yàn)器具的各個(gè)方面可能產(chǎn)生的誤差及各種影響因素及它們?cè)斐傻姆猪?xiàng)誤差值加以逐項(xiàng)分析，然后選擇出其中的主要項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)分析，按照誤差的不同類(lèi)型的規(guī)律綜合成測(cè)量的不確定度。它能反映出各個(gè)原始誤差的來(lái)源及其對(duì)測(cè)量的影響程度，以及它們?cè)跍y(cè)量不確定度中所占比例。2最佳測(cè)量方法的選擇六、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的步驟1）不確定度均分原理