常州工程学院物理实验课件

2023/3/51物理实验绪论及数据处理机电一体化专业【物理实验课程达到的三个基本要求】1、在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能方面（三基）得到严格而系统的训练。2、学习用实验方法研究物理现象、验证物理规律，加深对物理理论的理解和掌握，并在实践中提高发现问题、分析问题和解决问题的能力。3、养成实事求是的科学态度和积极创新的科学精神。基本知识包括实验原理、各类仪器的结构与工作机理、实验的误差分析、实验结果的表述方法、如何对实验结果进行分析和判断等。基本方法包括如何根据实验目的和要求确定实验的思路与方案、如何选择和正确使用仪器，如何减少误差、如何采用一些特殊方法来获得难以获得的结果等。基本技能包括各种调节和调试技术（粗调、微调、准直、调零、读数、定标等），电工技术（识别元件、焊接、排除故障、安全用电等），传感技术（位移传感器、温度传感器、光传感器等）以及查阅文献、自学、协作共事、总结归纳、口头表达能力。【如何进行物理实验】★预习—了解目的和要求及所用原理、方法和仪器设备★实验操作与记录—胆大心细、严肃认真、一丝不苟实验中，不仅要动手而且要动脑；数据记录必须真实，决不可任意伪造和篡改★写实验报告—在预习报告的基础上认真分析和解释实验结果，得出实验结论【测量及实验数据的处理】真值：一个待测物理量的大小，在客观上应该有的真实的数值。包含：理论真值、公认真值、计量学约定真值和标准器相对真值。误差：测量值和真值之差（也称绝对误差）。误差=测量值-真值测量：直接测量和间接测量两种。误差分类（按其性质和产生原因）：（a）系统误差：器具误差与调整误差；理论误差与方法误差；环境误差；人员误差。（有一定规律）（b）偶然误差：对同一量多次测量过程中，以不可预知方式变化的测量误差的分量。（c）疏失误差：明显超出规定条件下预期的误差（也称过失误差或粗差）。误差按其计算方法分类：其中x为测量值，X为真值绝对误差：Xx相对误差：%100XXxErnXxnnniiniin121222221)()(n标准误差（方均根误差）：1)(11121222221nxxndndddniiniinx)(n标准偏差：算术平均值称为测量值的最佳值或近似值。niinxnxxxnx1211)(13仪仪仪器标准误差：间接测量结果与误差的计算：xxx直接测量结果误差的估计：有效数字：测量结果中可靠的几位数字加上可疑的一位数字统称为测量结果的有效数字。（计算数据时遵循四舍六入五成双）。gm02.0仪32/__________4mkghdm%_________)()2()(222hdmEhdm仪3/_______________mkg3/____________mkg密度测定数据处理实验一物质密度的测定实验一物质密度的测定本实验主要是应用游标卡尺、螺旋测微器来测量长度，用物理天平测量物体的质量，通过对规则形状物体密度的测定，掌握正确处理实验数据的方法，正确书写实验报告，为以后的实验奠定良好的基础。【实验目的】1、掌握规则形状物体密度的测定方法。2、三种测量仪器（游标卡尺、螺旋测微器、物理天平）的正确地使用。3、进一步理解误差和有效数字的概念，并能正确地表示测量结果。【实验原理】物体的密度ρ等于物体的质量m和它的体积V之比，即。当待测物体形状是规则几何体时，其体积可用数学方法算出。例如待测物体是一个直径为d，高为h的圆柱体时，其体积V为。由上式可见，只要测得圆柱体的质量m、直径d和高度h，就可算出圆柱体的密度ρ。Vm42hd【实验仪器】物理天平游标卡尺螺旋测微器形状规则的金属圆柱体【实验步骤】21mm1、记下游标卡尺的分度值。用游标卡尺测圆柱体不同部位的高h6次。2、记下螺旋测微器的分度值，测量其零点读数3次，并求出平均值。用螺旋测微器测圆柱体不同部位的直径d6次。3、记下物理天平的最大称量和分度值。将圆柱体放在物理天平的左盘，称得其质量m1；再将圆柱体放在物理天平的右盘，秤得其质量m2；则圆柱体的质量m＝，此种方法称为交换法（Sm仪由实验室给出）。4、计算出待测物体的密度ρ.5、由标准偏差的传递公式计算出s（ρ），写出测量结果。【注意事项】1、对螺旋测微器的测量数据进行零点修正时，应注意零点读数的正负，不要弄错。2、必须严格地按照仪器的操作步骤进行测量，遵守仪器使用的注意事项。【数据记录表】表1-1螺旋测微器的零点读数表1-2物体密度的测定游标卡尺的使用游标卡尺简称卡尺，是一种常用的测量长度的量具，它的外形与结构如图1-l所示。游标卡尺主要由主尺和可以沿主尺滑动的副尺（游标尺）组成。钳口A、B可用来测量物体的外部尺寸；刀口A’、B’可用来测量管的内径和槽宽；尾尺C可用来测量槽和小孔的深度。图1-1游标卡尺的使用主尺的最小分度为lmm，副尺上刻有游标E，利用游标可以把主尺上的估读数准确地测量出来。以10分度游标为例，主尺的最小分度为1mm，游标上10个小的等分刻度的总长度等于9mm，因此游标上的每一小分度比主尺的最小分度相差0.1mm。当钳口A、B合在一起时，游标的零刻度线与主尺的零刻度线重合。若在钳口A、B间卡一长度为L的物体，副尺对在主尺上的某一位置，如图2－2所示。物体长度L在毫米以上的整数部分x可以从游标“0”线所对主尺的位置直接读出；而毫米以下的部分Δx，则可由游标读出，即找出游标上第几根刻线与主尺上刻线对得最齐。如图1－2所示，x等于21mm，游标上第六根刻线与主尺上的刻线对得最齐，则从图上可见Δx等于6×0.1mm，物体的长度为21.6mm。如果游标上第k根刻线与主尺某刻线对得最齐，则Δx就是k×0.lmm，则物体的长度为L＝（x＋k×0.l）mm图1-2对于一般情况，若游标上有n个分格，它的总长度与主尺上（n－l）个最小分格的总长度相等，则每一游标分度的长度b为b=nan)1(式中a为主尺最小分度的长度，主尺的最小分读度与游标分度的长度差为a-b=a-=nan)1(na式中称为游标卡尺的分度值，显然，测量时，如果游标上的第k条刻线与主尺某一刻线齐，则Δx=kna使用游标卡尺时，可用左手拿待测物体，右手握主尺，用拇指按在游标的S部分推拉。要注意保护钳口与刀口不被磨损。卡住待测物体时，松紧要适当。当需要将待测物体取下读数时，要旋紧固定螺丝K。注意：游标卡尺上数据的读取另有一种简便的方法，大家不妨一试，以图1-2为例，下方游标零刻度线对着主尺上21.0和22.0之间,同时偏向22.0,因此,其读数应在21.5和22.0之间,再看下方游标刻度线(0---10)上哪一根刻度线跟主尺上的刻度线重合,我们发现正好6跟主尺上的刻度线重合,因此其读数是21.6mm游标卡尺的使用螺旋测微器螺旋测微器又称千分尺，它是比游标卡尺更精密的测长仪器，其分度值可在0.01~0.001mm之间。常用于测量细丝和小球的直径以及薄片的厚度等。螺旋测微器的外型与结构如图1-3所示。螺母套管B、固定套管D和测砧E都固定在架G上。D上刻有主尺，主尺上有一条横线（称为读数准线），横线上方刻有表示毫米数的刻线，横线下方刻有表示半毫米的刻线。测微螺杆A和微分筒C、棘轮旋柄K连在一起。微分筒的刻度通常一圈为50分度，也有25分度和100分度的。现以0分度的微分简为例，其测微螺杆的螺距为0.5mm。因此测微螺杆旋转一周时，它沿轴线方向前进（或后退）0.01mm。由此可见，该螺旋测微器的最小刻度为0.01mm，该值称为这种螺旋测微器的分度值。图1-3螺旋测微器测量物体时，应先将测微螺杆A退开，把待测物体放在E、A的两测量面之间，然后轻轻转动棘轮旋柄K，使两平面刚好与物体接触。读数时，从主尺上读取0.5mm以上的部分，从微分筒上读取余下尾数部分（估计到最小分度的十分之一，即1/1000mm），然后两者相加。例如图1-4（a）图中读数为5.160mm；图1-4（b）图中读数为5.660mm。图1-4注意:图(a)和图(b)有什么不一样的地方?希望大家思考!!!螺旋测微器使用螺旋测微器应注意以下几点：1、检查零点读数，并对测量数据作零点修正。先使测微螺杆与测砧刚好接触，检查微分筒“0’线与读数准线是否重合。如果不重合，两者之差称为零点读数。应注意零点读数的正负，以便对测量数据进行零点修正。2、检查零点读数和测长时，切忌直接转动测微螺杆和微分筒，以免过分压紧而损坏螺纹。应轻轻转动棘轮旋柄，待发出“咔、咔”声时，即可进行读数。3、测量完毕，应使测砧和测微螺杆间留出一点间隙，以免因热膨胀而损坏螺纹。天平是一种等臂杠杆，用来称衡物体的质量。物理天平的外形与结构如图1-5所示。它的主要技术指标有：1、最大称量：是指允许称衡的最大质量。2、分度值：是指天平平衡时，使指针C产生一小格的偏转在一端需加（或减）的最小质量。分度值的倒数称为灵敏度。分度值越小，天平的灵敏度越高。图1-5物理天平物理天平的操作步骤如下：1、安装从盒中取出横梁后，辨别横梁左边和右边的标记，通常左边标有“l”，右边标有‘2’，挂钩和秤盘上也标有1、2字样。安装时，左右分清，不可弄错，要轻拿轻放，避免刀口受冲击。2、水平调节调节底脚螺丝F和F’，使水准泡居中，以保证支柱B铅直。有些天平是采用铅垂线和底柱准尖对齐来调节水平的。3、零点调节先把游码D拨到刻度“0”处，顺时针旋转制动旋钮G，支起横梁，观察指针摆动，当指针指“0”或在标尺的“0”点左右作等幅摆动时，天平即平衡了。如不平衡，调节平衡螺母E或E’，使之平衡。4、称衡将待测物体放在左边盘内，硅码加在右边盘内，横梁L的游码用于1g以下的称衡。当天平平衡时，待测物体的质量就等于硅码的质量与游码所指值（包括估读的一位数字）之和。5、每次称衡完毕，应将制动旋钮逆时针旋转，放下横梁，再记桂码和游码的读数。物理天平使用天平应注意以下几点1、不允许用天平称衡超过该天平最大称量的物体。2、注意保护好刀口。在调节平衡螺母。取放物体、加减砝码、移动游码及不用天平时，必须放下横梁，制动天平。只有判断天平是否平衡时才支起横梁。天平使用完毕，应将秤盘摘离刀口。3、砝码应用镊子取放，请勿用手，用完随即放回硅码盒内。不同精度级别的天平配用不同等级的砝码，不能混淆。物理天平实验二元件伏安特性的研究本实验主要使用数字电压表和数字电流表，利用伏安法对电学元件的特性进行研究和分析，区别线性和非线性元件的特征，通过本实验的训练达到熟悉仪表的使用，掌握电路的连接方法和利用图象处理数据的能力。【实验目的】1、熟悉理解电学仪器的一上些常用技术指标，并能掌握其使用方法。2、训练用回路接线法看图接线。能够熟练联接电路。3、学会用列表法记录数据并分析其变化规律。4、了解非线性元件，如二极管的伏安特性，正向导电和反向截止的原理，理解其用途。【实验原理】电学元件两端加上直流电压U，在元件内就会有电流I通过，通过元件的电流与端电压之间的关系称为电学元件的伏安特性。若以电压U为横坐标，以电流I为纵坐标，作出电流I随电压U变化的关系曲线，称为元件的伏安特性曲线。对于碳膜电阻、线统电阻等电学元件，在通常情况下，其伏安特性曲线是一直线，如图2-5所示。这类元件称为线性元件，其电阻称为线性电阻，它的电阻值等于该直线斜率的倒数。若电流大小不随电压成正比变化。其伏安特性曲线如图2-6所示。伏安特性曲线为非直线的元件称为非线性元件，其电阻称为非线性电阻（如晶体二极管）。图2-5图2-6【实验仪器】滑线变阻器，电阻箱直流电压表直流电流表直流稳压电源，开关【实验步骤】一、测绘线性电阻的伏安特性曲线1、按图2-8采用回路接线法接线。即按箭头所指的方向，由回路I的M点开始连线，连至N点，再依次连接回路II回路III。电源在最后接入电路，接入电路时开关呈断开状态。连线后，接回路I、II、III的顺序复查电路接线是否正确；电源和电表的正、负极是否接对；电表的量程是否合适；滑线变阻器的滑动端位置是否恰当（应