大学物理实验绪论课定稿版_1_

1大学物理实验课程绪论2第一章绪论31-1物理学对社会发展的重要性一物理学推动了三次工业革命第一次工业革命热机时代蒸汽机热学第二次工业革命电气化时代发电机、电动机和无线电通信电磁学理论4第三次工业革命信息控制技术(时代)革命原子能、电子计算机、空间技术和生物工程的发明和应用为主要标志，涉及信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术等诸多领域的一场信息控制技术革命。相对论、量子力学→高速、微观核物理→核能，聚变和裂变原子、分子物理→激光半导体、固体物理→晶体管、大规模集成电路、电子计算机一物理学推动了三次工业革命5物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，它必须以客观事实为基础，必须依靠观察和实验。无论物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础，并通过今后的科学实验来证实。1948年代伽莫夫宇宙大爆炸理论，1965彭齐亚斯和威尔逊，1978年获诺贝尔奖，促进了宇宙学的发展。理论提出→实验检验→理论成立二物理实验推动了科学的发展6物理实验：可以发现新事实，实验结果可以为物理规律的建立提供依据。二物理实验推动了科学的发展超导材料的发展：1911昂内斯发现超导现象液He冷却汞，4.2K，1950年库珀电子对理论建立，目前实验正追求实现高温超导，建立高温超导理论实验是一切理论的终极裁判员。实验发现→理论提出→实验检验7实验目的通过对实验现象的观察、对物理量的测量和分析，学习物理实验知识和设计思想，掌握和理解物理理论。1-2物理实验课的目的和要求能力培养（1）阅读能力：能读懂实验教材或仪器说明书，正确理解实验内容；（2）动手能力：学会使用各种测量仪器，学会各种物理量的测量方法；（3）分析能力：运用物理学理论对实验现象进行分析，判断实验结果；8（4）汇总和表达能力：正确记录实验数据，处理实验数据，说明实验结果，撰写合格的实验报告；（5）综合运用能力：能够根据实验目的选择仪器设计出合理的实验。提高科学素养培养实事求是的科学作风；严肃认真的工作态度；积极探索精神。1-2物理实验课的目的和要求9实验前的预习实验中的操作实验后的报告遵守实验守则1-3怎样做好物理实验101.实验预习预习报告要求（实验报告纸上）①实验名称、目的、仪器（了解仪器使用）；②原理简述（主要公式、原理图）；③实验步骤（实验主要过程，关键步骤和注意事项）；④在数据记录纸上列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。没有预习报告者，取消实验资格！112.实验操作根据教材和老师在实验课上的简要介绍，调整仪器、观察现象、记录数据。1了解实验仪器的使用，根据实验步骤正确操作。2连接线路（断电）和光路时需要仔细检查确保无误。3记录数据时不得用铅笔，如实记录数据，原始数据不得改动，不得使用涂改液。4教师在原始数据纸上签字后该次实验才有效。只有教师检查数据正确，才能将仪器还原。5谨记实验注意事项，注意安全操作。不得弄虚作假，一经发现0分123.实验报告实验报告要求：字迹清楚、文理通顺、图表正确、数据完备和结论明确。实验报告内容：1、实验名称。2、实验目的。3、实验仪器。4、实验原理。（简明扼要、图文并茂）5、实验步骤。（实验主要过程，关键步骤和注意事项）6、实验数据处理和分析。（数据处理主要过程、作图及实验结果）7、分析讨论、回答思考题、改建建议及心得体会等。8、最后附上教师签字的原始数据(必须用胶水粘贴)。没有原始数据该次实验报告无效。13交报告的时间、地点：下次实验课时交到做相应实验的实验中心教师各自的实验室（最后一次实验三天内提交）。逾期未交报告，无故拖延，该次实验报告以零分处理。分组第一位同学作为该组的组长，负责将该组成员的报告收好，按学号顺序排好，统一交到相应实验室。3.实验报告不得抄袭，一经发现0分144.遵守实验守则进入实验室不得穿拖鞋、大声喧哗、打闹嬉戏，保持举止文明；不得将书包等与实验无关的东西放在实验台上；实验完成后自己负责实验台的整理，实验仪器按原样放好，不得遗留杂物在实验台上；不得往抽屉里放任何物品，抽屉是用来放实验仪器零配件；未经教师许可使用仪器，违反实验操作规程，或者把仪器作为玩具摆弄等致使仪器损坏者，照价赔偿。151/3实验报告不交，取消实验考核资格所有实验不得无故迟到、缺席。无故迟到者根据迟到时间处理，最少扣2分。无故缺席者按0分记。特别提醒：若因病、因事而缺课，应提前按学校规定请假，一周内凭证明到物理实验室申请补做，逾期视为不补做，所缺的实验，成绩以零分计。16实验4.2“测定电介质的介电常数”与仪器匹配的实验讲义在实验中心网站上。网址：一、测量1、测量的定义测量就是用一定的仪器，通过一定的方法，直接或间接地将被测量与体现计量单位的标准量进行比较，确定出相应的倍数值。2、测量值的表示数值（大小）、单位测量结果数值（大小）、单位、误差193、测量的分类根据获得测量结果的方法不同分类直接测量和间接测量根据测量条件是否相同分类等精度测量和不等精度测量例如：测钢球密度实验中直接测量：天平（质量m）、螺旋测微计（直径d）间接测量：计算（密度）36/md201、测量误差--被测物理量的测量值与真值之差。绝对误差相对误差二、真值和测量误差xa100%Ea21三、误差的分类1、偶然误差（随机误差）特征相同条件下，多次测量同一量值，误差的大小和符号时大时小，时正时负，纯属偶然发生。来源主观方面；测量仪器方面；环境方面处理方法偶然误差不可避免。增加测量次数可以减小偶然误差。222、系统误差特征在相同条件下，多次测量同一量值，误差的大小和正负按一定规律变化。来源仪器误差；理论（方法）误差；人员误差处理方法通过数据分析、理论分析、对比分析等方法发现；实验前对测量仪器进行校正；实验时对实验方法、观测数据的系统误差加以补偿或消除。三、误差的分类233、过失误差错误不同于误差，它是不允许存在的，也是可以事先发现和避免的。4、正确度、精密度和准确度正确度：与真值的接近程度。精确度：多次测量一组数据间的相互接近程度。准确度：结果重复性与接近真值的综合好坏程度。三、误差的分类242.2偶然误差的高斯分布与标准偏差25遵从高斯分布规律的偶然误差具有四大特征:①单峰性②对称性③有界性④抵偿性一、高斯分布（正态分布）nii=1lim0n()f26一、高斯分布（正态分布）高斯分布函数式中σ为标准误差，又称方均根误差22/21()2fe21()limniinxan27置信区间：误差δ的一个取值范围。置信概率(置信度)：误差在置信区间出现的概率。下面计算不同置信区间对应的置信概率当δ取时当δ取时当δ取时二、标准误差的物理意义]2,2[]3,3[],[22/2168.27%2redr222/22195.45%2red223/23199.73%2red28注意：测量值误差大于，可以考虑剔除。σ——标准误差对任一次测量，测量值的误差出现在区间的可能性（概率）为68.3%。——极限误差对任一次测量，测量值的误差出现在区间的概率为99.7%。(,)3(3,3)3三、标准误差和极限误差29四、偶然误差的数据处理——多次测量结果与误差计算nniii=1i=111xxaannnii=1lim0n算术平均值为被测量的最佳值在相同的测量条件下，对某一物理量进行了n次独立的重复测量，得一系列的测量值x1，x2，x3，…xi，…xn，则该测量量的算术平均值为：nii=11xxn因为xa30iivxx平均绝对偏差:1111nniiiixvxxnn五、标准偏差绝对偏差（残差）：测量值与算术平均值之差31若测量次数n有限时，用残差估算标准误差时，标准偏差为：物理意义：高斯分布下，任意一次测量值残差落在的概率为68.3%。221111(11)nxiiniinxnvx五、标准偏差[,]xx32平均值的标准偏差2111nxxiixxnnn()()五、标准偏差物理意义：在多次测量误差随机误差遵从高斯分布的条件下，真值处于的概率为68.3%,xxxxx测量次数：科学研究10-20次，教学实验中一般4-10次33P.12：2-2解：三棱镜顶角的算术平均值10ii=11xx60271013xxn.标准偏差平均值的标准偏差10211()4101.1xiixx342.3不确定度及其传递35一不确定度不确定度：是指由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，实际上是对被测量值的真值在某个测量范围内的一个评定。不确定度组成1、A类分量采用统计方法计算的不确定度称之为不确定度的A类分量，以实验标准差表征：21()(-1)niiixx-xnni362、B类分量全部误差中所有用非统计方法计算的不确定度归为不确定度的B类分量，以等价标准差来表征：ujjC一不确定度jC仪器误差限。常见仪器误差限见P13表2-1与误差特性有关的常数，包含因子uj373、合成标准不确定度（两分量无关）ucUk22uciju4、总不确定度一不确定度k置信因子38设间接测得量与各直接测得量有下列函数关系，其中x、y、z……相互独立。各直接测得量的不确定度为、、……间接测得量的不确定度相对不确定度(,,)Nfxyzcxucyuczu2222cNcxcyNNuuuxy2222lnlncxcNcyNNuuxyuENN二不确定度的传递P14表2-2常用函数的不确定度传递公式39科学地反映测量结果的数值和可靠程度。根据对测量不确定度的要求,确定实验方案,选择仪器和环境。努力找出和减小主要系统误差,提高实验准确度。三不确定度的意义402.4测量结果的表示方法41测（单位）其中，为仪器的等价标准差。一、单次直接测量结果的表示3cjuujjujuNN42P.15：例2-3仪器误差限电压测量值电压值的测量结果U=63.60.3mV等价标准差CE127.2U=75mV63.6mV1500.21630.3jumVmVj0.5%750.375mVmVj43二、多次重复直接测量结果的表示测量结果表示为(单位)其中为平均值的标准偏差，为仪器等价标准差。cNNu22cNuujNuj44解：直径的算术平均值81112.458iiddmm821110.012881ididdmm0.020.0123ummmmj直径的算术平均值的标准偏差游标卡尺的仪器不确定度合成不确定度220.02cduummj直径的测量结果12.450.02cddummP.16：例2-445三、间接测量结果的表示其中，cNNNu2222()()cNcxcyNNuuuxyP.16：例2-5解：铝块的密度330127.060.99972.697127.0617.03mgcmgcmmm（单位）461022222210()()()mmuuuumm3310213.410mmmuugcmmmm铝块密度的不确定度32.6970.007gcm33336.410710ugcmgcm113302115.410mmmuugcmmmm0043018.110muugcmmm铝块密度的测量结果P.16：例2-5472.5有效数字及其运算