大学物理实验绪论课2015

大学物理实验—绪论欧保全[e-mail]@nudt.edu.cn13574870069国防科技大学理学院物理系大学物理实验教研室、量子信息教研室2015年秋季学期2/114内容提要第一节：课程介绍与要求§1-1什么是物理实验，为什么是物理实验§1-2培养目标与课程要求§1-3规章制度与安全纪律第二节：数据处理初步§2-1测量与误差§2-2系统误差-----不确定度B分量§2-3随机误差-----不确定度A分量§2-4不确定度估算的基础知识§2-5实验数据有效位数的确定及运算规则§2-6实验数据处理基本方法§2-7小结附录3/114§1-1什么是物理实验“物理实验”的含义：通过观察物理现象，定量测量或测定物理量，并根据测量结果分析这些物理量之间的关系，从而实现对物理规律的认识和证实。参考文献：《新编基础物理实验》，第二版，吕斯骅等高等教育出版社，2013.8（或证伪）4/114§1-1什么是物理实验“物理实验”的特点：采用适当的方法和必要的仪器加以集中控制地简化次要因素，突出主要矛盾使待研究的自然现象能够稳定地重复再现，观察和测量找出现象之间本质上的联系和可以测定的数量上的特征。5/114诺贝尔物理学奖的统计：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。6/114物理实验重要作用库仑定律安培定律高斯定律法拉第定律电磁场理论得到公认统一了电、磁、光现象,预言了电磁波的存在并预见到光也是一种电磁波1887年赫兹实验发现了电磁波的存在并证实电磁波的传播速度是光速二十多年后麦克斯韦在1865年提出电磁场理论Maxwell方程组假说赫兹(1857年2月-1894年1月)德国物理学家麦克斯韦(1831-1879)英国物理学家、数学家举例1：麦克斯韦电磁理论的发展历程7/114物理实验重要作用举例2：爱因斯坦光量子学说1905年爱因斯坦（1879年3月－1955年4月）的光量子假说总结了光的微粒和波动之间的争论，很好地解释了光电效应实验结果。但是直到1916年当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。罗伯特·安德鲁·密立根(RobertAndrewsMillikan,1868～1953)，美国实验物理学家8/114一些有趣的实验9/114一些高端大气的实验欧洲核研究组织(CERN)的大型强子对撞器(LargeHadronCollider，LHC)于2010年3月20日首度成功进行了粒子撞击实验,并创造了高达7TeV的庞大能量。在周长为27公里的圆形隧道内，超导磁铁将质子和离子加速至接近光速，然后相撞，在极细微的空间内爆发十万倍太阳温度的超级高温。这一时刻就像宇宙大爆炸，之后释放大量能量，产生大量基本离子，冷却后形成组成物质的质子和中子。10/114一些高端大气的实验2013NobelPrizeinPhysics彼得·希格斯PeterWareHiggs1929年5月29日----15/114§1-1什么是物理实验第一门实验课程：是各种科学实验的入门和基础，是系统的实验方法和实验技能训练的开端。物理学科特别是实验物理是科学思想和研究的起源物理学博大精深，如力学严密的逻辑性，热力学现象的普遍性，光学和光谱学的精密性，电磁学的抽象性和技术应用性等，使得物理实验是一种具有较高智力参与性的活动。大学整个课程中最易学的是实验课，最难学的也是实验课。实验中的现象，如全部都解释清楚是一件综合性和知识性极强的课题。理论、现象、数据吻合：培养实事求是科学素养，培养唯物主义哲学观。为§1-1什么是物理实验什么是物理实验为16/114§1-2培养目标与课程要求大学物理实验课程的目的：培养基本的科学实验能力和基础科学素质。大学物理实验课程的任务:(1)学习和掌握物理实验的基本知识基本知识、基本方法和基本技术；常用仪器(2)培养与提高基本的科学实验能力自学能力；动手能力；分析能力；表达能力；设计能力(3)培养与提高基础科学实验素养实事求是，严肃认真，勇于创新，团结协作17/114§1-2课程的具体要求基本实验技能，技术不同学科门类涉及不同的设备与技术。——关注于细节，特殊内容，属于“术”。物理思想和方法在具体实验中的体现——提升到哲学层次，属于“业”。基本物理量的测量方法及内涵7个基本物理量误差的定量处理初步18/114实验技术基本的技能排除故障的能力抓住主要矛盾的辨识力使理论和知识变成成果的思想19/114课程中的实验技术比较实验技术电位差计的设计转换实验技术测量最小偏向角以测量光波长放大实验技术光杠杆的应用模拟实验技术静电场的测量补偿实验技术电位差计技术平衡实验技术单臂双臂电桥干涉实验技术迈克尔逊干涉仪、全息照相衍射实验技术光谱22/114§1-3安全纪律与规章制度1安全守则:明晰危险来源,规范操作行为，保护人身安全.可能的危险源:电、光、电离辐射、机械损伤电流：人在触电后能自行摆脱带电体的最大电流：约10.5——16mA激光：如对眼睛的伤害：1mW的激光导致眩晕，5mW激光只要短短几秒就能造出永久伤害。机械损伤：操作机械加工设备以及各种工具时。电离辐射：放射性源：遵守专业操作规程。23/114§1-3安全纪律--continued2实验室纪律:熟悉仪器操作要求，保护仪器设备完好。读说明书、合理力量操作：电学设备：注意电压规格、接线极性等，注意接地保护光学设备：注意夹持方式方法，保护光学膜面力学机械设备：防止用力过猛产生损伤。精密仪器工具：粗调、细调合理分段进行，注意环境要求。24/114§1-3规章制度实验之前：成绩构成、实验报告要求、材料领取、请假与补做实验、分组情况、课表解读开始实验：预习-实验操作-提交报告实验过程：实验室守则。实验结束：整理仪器，打扫卫生。上好物理实验课的三个重要环节一、实验预习看懂教材、明确目的、写出预习报告。1、写预习报告：实验目的、仪器简介、原理（文字叙述、示意图、电路、光路图等、公式及意义）、主要实验内容、关键步骤，注意事项等。2、数据表格：设计并画好原始数据表格，单独用一张实验报告纸。3、检查预习：课上教师检查预习报告，没有预习报告者不得做实验。二、实验操作（按实验步骤分解计分）登记检查、调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原。1、登记检查：首先添写登记实验记录本；熟悉检查并登记仪器设备是否齐全、完好。2、调整仪器、分步操作：根据实验原理、内容、步骤、注意事项和教师要求等，先调整仪器设备，认真仔细，按步骤进行实验操作。3、观察现象、获取数据：记录数据不得用铅笔，数据正确并经教师签字后，必须仪器还原，经教师检查许可，才能离开实验室。4、训练能力、安全操作：注意人身和仪器安全；重视实验能力、作风培养；珍惜独立操作机会，注意团队协作；保证完成基本内容，鼓励自主设计实验，积极参与创新实践。三、实验报告报告完整，规范整洁，数据处理正确，按时提交1、实验报告专用纸：用实验室提供的实验报告纸，不够可以加页。2、报告完整，规范整洁：凡预习报告中已写好目的、仪器、原理、图、内容、步骤等，不必重写；不完处整可补充；3、数据处理正确有条理：必须先重新整理原始数据记录表格，然后进行数据处理（计算主要过程）、作图、结果表示、讨论分析等。附上教师签字原始记录。4、按时提交报告：实验结束或下次上课前一周内提交，由课代表统一收取，交给任课教师，并登记完成情况，不上交者按无报告处理。实验室规章制度1、卫生值日，整理复位仪器，课代表负责制：(1)保持实验室整洁，实验室内不许乱扔和滞留垃圾。每班（每次课）选1-2位课代表，负责收发作业，负责组织同学值日、打扫卫生、整理仪器归位。（2）按自然班上课时，每次课安排2-4名同学值日。（3）自由开放选课时，每次课由课代表组织值日。要求每位同学“各扫门前雪”，负责各自所在实验台周围的环境卫生，整理并复位仪器。2、无预习报告者，迟到15分钟以上者，不准参加本实验（记旷课)。3、课上不许互串实验室、接待访客、接打手机；允许“交头接耳”小声讨论问题。29/114内容提要第一节：课程介绍与要求§1-1什么是物理实验，为什么是物理实验§1-2培养目标与课程要求§1-3规章制度与安全纪律第二节：数据处理初步§2-1测量与误差§2-2系统误差-----不确定度B分量§2-3随机误差-----不确定度A分量§2-4不确定度估算的基础知识§2-5实验数据有效位数的确定及运算规则§2-6实验数据处理基本方法§2-7小结30/114§2-1测量与误差1、物理量的测量：定义：把待测物理量直接或间接地与一个被选做标准的同类物理量做比较。测量结果4要素：包括这种比较操作所得到的比值、单位，还应说明这一结果在什么范围内的置信概率。如电桥法测量电阻结果：(10.30.4)xR＝表示测量Rx结果在（10.3-0.4Ω，10.3+0.4Ω）区间的概率为95%.31/1142、测量的分类：按方法分类：①直接测量——待测量的大小可以直接从量具或仪器上读出。②间接测量——被测物理量的数值由若干个直接测量结果依据一定的函数关系运算后得出。按条件分类：①等精度测量——同一人、同一方法、同一仪器、同等条件、对同一物理量进行多次测量（5同）②非等精度测量——在等精度测量中有一项发生变化，导致明显影响实验结果。32/1143、测量误差：误差公理：误差存在于一切测量之中，而且贯穿于测量过程的始终。真值：物理量客观存在的真实值(理想概念，通常无法确切得到)。测量值：测量得到的物理量的数值误差：测量值偏离真值的大小。设物理量的真值为a，测量值为x，误差为ε，则xa33/114误差分析的作用：可用于指导实验方案的设计、仪器的选择、参数的确定等，以便以最低的代价得到最好的测量结果。既不会浪费高精度的仪器，也不会忽略低精度的设备。34/1144、测量误差分类①：按量值分绝对误差：反映了测量值偏离真值的大小和方向。相对误差：反映了误差对测量值影响的严重程度。引用误差：常指电工仪器精度等级。百分误差：将测量最佳值与公认值（或理论值）进行比较，反映了误差对测量结果影响的严重程度。xa100%Ex%x_x0100%xaEa35/1144、测量误差分类②：按来源分随机误差定义：在等精度条件下对同一被测量量多次测量时，误差的数值与符号以不可预知、无法控制的方式变化的测量误差分量。它具有随机性，可用统计方法获得。来源：由测量过程中一些随机的或不确定的因素引起。分布规律：(1)单次无规性。(2)由不确定因素引起，服从统计规律。其中最典型的一种是高斯分布(又称正态分布)规律。系统误差和随机误差。随机误差——不确定度A分量36/114§2-2系统误差：1、定义、特点系统误差定义：在等精度条件下对同一被测量多次测量时，误差的数值与符号保持恒定或以可预知的方式变化的测量误差分量。特点：具有确定性，它包含由测量系统引起的规律误差和不可知的误差。系统误差和随机误差。系统误差——不确定度B分量37/114通过数据判断系统误差：随机误差+累进系统误差+恒定系统误差+周期性系统误差38/1142、系统误差来源：(1)仪器本身的固有缺陷引起的误差。(2)物理模型or理论原理or公式引起的误差。(3)测量环境引起的误差。(4)测量人员人为因素引起的误差。如视差螺线管为无限长，管壁磁漏可忽略。39/1143、系统误差的消除①已定系统误差：必须修正——修正值方法如电表、千分尺的零位误差；电流表内接、外接忽略内阻引起的误差。未定系统误差：要估计出分布范围大致与B类不确定度相当。如：千分尺制造时的螺纹公差等从产生根源消除：理想状况用排除误差源的办法来消除系统误差。这就要求测量者对所用标准装置，测量环境条件，测量方法等进行仔细分析、研究，尽可能