大学物理试验-深圳大学物理试验教学示范中心

注意事项实验课要严格按照轮换表，不能随意更换实验分组认真阅读实验中心学生守则（墙面上）实验要严格按照操作规范和要求，实验时按照仪器编号小心操作，爱护实验仪器和桌面认真预习，按时完成实验报告数据采集完毕后，签字、仪器凳子归位、填写登记表方可离开。第一节：实验课程地位和作用主要内容大学物理实验绪论（理工类本科）第四节：实验课的程序第二节：实验课程教学基本要求——参照教育部高等学校非物理类专业物理基础课程教学指导委员会第三节：误差理论与数据处理1、地位和作用第一节：物理实验课的地位、作用和任务物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。第一节：物理实验课的地位、作用和任务物理实验课和理论课的关系伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。物理实验课和理论课相辅相成:物理实验课和理论课侧重点不同大学物理实验课和中学物理实验课地位不同中学物理实验课更侧重帮助学生理解物理现象和物理知识侧重点不同大学物理实验课更侧重于培养学生习惯和能力,内容上更注重实验思想,实验手段,实验方法和仪器的设计等中学物理实验课辅助课程大学物理实验课独立课程第一节：物理实验课的地位、作用和任务80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。第一节：物理实验课的地位、作用和任务2、具体任务：培养学生的基本科学实验技能,使学生初步掌握实验科学的思想和方法,提高学生的分析能力和创新能力。提高学生的科学素养,培养学生理论联系实际、实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德。第一节：物理实验课的地位、作用和任务培养和提高治学能力和工作能力。（1）自行阅读实验教材或资料，概括归纳要点，做好工作前的准备；（2）借助教材或仪器说明书正确使用仪器；（3）运用物理学理论对实验现象进行分析；（4）正确记录和处理实验数据，绘制曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告。（5）完成简单的设计性实验。第一节：物理实验课的地位、作用和任务习惯知识能力总结:1、掌握测量误差的基本知识，具有正确处理实验数据的基本能力。（1）测量误差与不确定度的基本概念，能逐步学会用不确定度对直接测量和间接测量的结果进行评估。（2）处理实验数据的一些常用方法，包括列表法、作图法和最小二乘法等。随着计算机及其应用技术的普及，应包括用计算机通用软件处理实验数据的基本方法。第二节：实验课程教学基本要求2、掌握基本物理量的测量方法。例如：长度、质量、时间、热量、温度、湿度、压强、压力、电流、电压、电阻、磁感应强度、光强度、折射率、电子电荷、普朗克常量、里德堡常量等常用物理量及物性参数的测量，注意加强数字化测量技术和计算技术在物理实验教学中的应用。3、了解常用的物理实验方法，并逐步学会使用。例如：比较法、转换法、放大法、模拟法、补偿法、平衡法和干涉、衍射法，以及在近代科学研究和工程技术中的广泛应用的其他方法。第二节：实验课程教学基本要求4、掌握实验室常用仪器的性能，并能够正确使用。例如：长度测量仪器、计时仪器、测温仪器、变阻器、电表、交/直流电桥、通用示波器、低频信号发生器、分光仪、光谱仪、常用电源和光源等常用仪器。各校应根据条件，在物理实验课中逐步引进在当代科学研究与工程技术中广泛应用的现代物理技术，例如,激光技术、传感器技术、微弱信号检测技术、光电子技术、结构分析波谱技术等。正确使用仪器包括能调整到测量状态、正确读数，还要注意对仪器的保护。第二节：实验课程教学基本要求5、掌握常用的实验操作技术。例如：零位调整、水平、铅直调整、光路的共轴调整、消视差调整、逐次逼近调整、根据给定的电路图正确接线、简单的电路故障检查与排除，以及在近代科学研究与工程技术中广泛应用的仪器的正确调节。第二节：实验课程教学基本要求第三节：误差理论与数据处理误差理论包括：误差的定义、分类、来源、误差的控制以及不确定度的评估等数据处理包括：计算步骤、作图、作表、有效数字运算、实验结果表示等一、测量和误差二、误差的种类和来源三、有效数字五、结果表示三、不确定的评定一、测量和误差1、测量（measurement）所谓测量就是以确定量值为目的的一组操作。2、真值（truevalve[或ofaquantity]）真值是与给定的特定量定义一致的值。由于测量技术、条件以及真值本身的性质，真值是不可得的，测量结果根据需要有限度地接近真值。实验中常用算术平均值代替真值参与运算。1211KKiiNNNNNKK第三节：误差理论与数据处理3、误差（errorofmeasurement）误差＝测量值－真值/NNN()NNN计算时：误差的表示绝对误差：相对误差：/NNN/NNEN第三节：误差理论与数据处理1、系统误差：（systematicerror）二、误差的分类和来源是指在相同条件下（实验方法、仪器、环境、人员相同）对同一物理量测量时误差的正、负始终保持不变（要么始终偏大，要么始终偏小；不可能一会偏大，一会偏小）。（1）仪器的固有缺陷。（2）理论方法有误差。（3）个人误差：产生的原因：第三节：误差理论与数据处理系统误差举例:例1、千分尺的零值误差修正值=测量值—零值误差系统误差举例:例2、mA表外接，伏特表分流；mA表内接，mA表分压；VmAVmA电阻小时适用电阻大时适用————必要时可以修正系统误差特点：要么偏大，要么偏小对于在现有条件下无法克服的系统误差要进行不确定度评定。要在报告中有所体现。第三节：误差理论与数据处理系统误差处理：根据具体问题采取一些措施,例如进行零值修正、改进实验方案等在一定程度上去克服它。2、偶然（随机）误差：随测量次数的增加,偶然（随机）误差遵从统计规律,其分布函数：某次测量的测量结果与在重复性条件下对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值之差。第三节：误差理论与数据处理2221()2fed()dNfN21()dPf——概率密度——概率（4）抵偿性特点：110limniniNn22()f02221()2feP=0.683——偶然（随机）误差分布函数：（1）单峰性（2）对称性（3）有界性第三节：误差理论与数据处理33[,]0.683P[2,2]0.95P[3,3]0.997P211limniinn21[1]limniiNnnnn平均值的标准偏差：第三节：误差理论与数据处理测量值的标准偏差σ：ExcelExcel计算器三、不确定度的评定1、不确定度评定的意义测量结果不可能是绝对准确的，它必然有不确定的成分。这种不确定的程度是可以用一种科学的、合理的、公认的方法来表征，这就是“不确定度”的评定，在测量方法正确的情况下，不确定度愈小，表示测量结果愈可靠。不确定度必须正确评价。评价得过大，在实验中会怀疑结果的正确性而不能果断地作出判断，在生产中会因测量结果不能满足要求而需再投资，造成浪费；评价得过小，在实验中可能得出错误的结论；在生产中则产品质量不能保证，造成危害。第三节：误差理论与数据处理（1）A类评定不确定度△A：统计方法得到的2、关于不确定度的一些基本概念和分类不确定度是表征测量结果具有分散性的一个参数，它是被测量的真值在某一量值范围内的一个评定。所谓“标准不确定度”是指以“标准偏差”表示的测量不确定度估计值，简称不确定度，记为△。标准不确定度一般可分为以下三类：（2）B类评定不确定度△B：非统计方法得到的（3）合成标准不确定度△：22AB第三节：误差理论与数据处理（1）A类评定不确定度：21()(1)kiiANNkk对单次测量，不计算A类不确定度。3、直接测量标准不确定度的评定计算器上有单次测量的标准偏差键[σ］，则平均值的标准偏差。Ak第三节：误差理论与数据处理kd△d11.7260.00721.7210.00231.7070.01241.7040.01551.7280.00961.7150.00471.7210.00281.7120.00791.7190.000101.7370.018平均1.7190.00821()(1)kiiANNkk（2）B类评定不确定度：为简单起见,我们只考虑仪器不确定度,而且按平均分布处理3B仪△仪参看教材P10是用非统计方法获得的,由测量不确定度和仪器不确定度两部分组成。仪Δ是仪器误差，一般是厂家给出的，有的是固定的,有的需要计算.第三节：误差理论与数据处理025cm0.00412,,,nNfxxx1222222212nNxxxnfffxxx测量结果N的标准不确定度为：3、间接测量的标准不确定度的传递第三节：误差理论与数据处理(1)和差形式函数2222Nxyabfaxdy(2)积商形式函数abfxy22()()fxyabfxy1222222212lnlnlnnNxxxnfffExxx(3)混合形式函数f，测量结果N的相对不确定度为：1212lnlnlnln()BDDDD21112112ln11()DBDDDDDDD12212212ln11()DBDDDDDDD211222112212[][]BDDDDEDDDDDD2121DDDDB例1不确定度的传递公式举例常用函数的不确定度传递公式函数表达式合成标准不确定度公式相对不确定度byaxNbyaxN22yxNba%100NENNxyNyxN/NNEN22yxNEEEaxNxNaxNEEnxNNNENxNEnE1nmkzyxNNNEN222zyxNnEmEkEE三、有效数字测量值读准了的位数加上一位估读位组成有效数字。1、有效数字的概念有关有效数字的几点说明：（1）有效数字的位数与小数点的位置无关。例如：0.00430m=0.430cm=4.30mm皆为三位有效数字。（有效数字前的零不是有效数字）（2）数字中间的0和末尾的0均算有效数字，所以末尾的零不能随意增减。例如：200.5mm和30.50cm都是四位有效数字。第三节：误差理论与数据处理(3)常数不用取有效数字，但在计算时等常数所取的位数不应少于其他数值的有效数位。(4)一般情况下，绝对误差的有效数位只取一位到二位，不超过两位。误差进位的原则是只进不舍。相对误差EN最多取两位(5)在任何数值中，数值的最后一位应与误差位对齐。1.350.01cm(1.3510.01)cm正确，错误。例如：第三节：误差理论与数据处理2、仪器的估计读数:（1）和仪器的不确定度对齐cm123读数L=25.6（mm）仪器名称量程分度值零值误差钢直尺300mm1mm——仪±0.1mm例1:注：实验报告中要在实验仪器一项中绘制并填写仪器表格第三节：误差理论与数据处理例2:有的仪器是五进制的，应将最小格分成5份来估读；有的仪器是二进制的，应将最小格分成2份来估读，即游码左缘靠近刻线读偶数，靠近半格读奇数，所谓“靠近”，包括稍欠和稍超。12345678900.10.20.30.40.