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普通物理实验第1章物理实验的目的、地位及重要性1物理实验学生学什么?1.实验课上学生么?(1)学实验方法、测量仪器、数据处理问题和操作技能。(2)学实验的物理思想。(3)提高思维能力,特别是创造性思维能力。A.综合运用已有知识解决实际问题。B.发现、提出问题。C.灵活地考虑问题D.预见事物发展的前景。E.提出新的设想。2.在探索中学习3.误差分析分析误差来源。4.实验结果评价5.实验的物理思想设计一个物理过程,将不可测或测不准的量转换为可测或测得校准的量。6.提出问题(1)对实验方法、仪器不完全明了的问题。(2)对实验了解之后的问题,这是更重要、更有创造性的。普通物理实验第1章物理实验的目的、地位及重要性2第1章物理实验的目的、地位及重要性物理学是一门重要的基础科学,是一切理、工、医、农专业的基础课。而普通物理实验是物理学的坚实基础。1.物理实验课的目的物理学是一门实验科学,物理实验是区别于其它学科而独立存在的学科,有它自身完整的知识结构,有它自身独特的理论和方法。物理学新概念的确立、新规律的发现就是依靠反复实验。物理实验的方法、思想、仪器和技术已经被普遍应用于自然科学各个领域和技术部门。物理实验课是对学生进行实验教育的入门课程,其目的是:使学生在学习物理实验基础知识的同时,受到严格的训练,掌握初步的实验能力,养成良好的实验习惯和严谨的科学作风。在物理实验课上要求:(1)学习基础实验方法,仪器和数据处理知识。(2)锻炼手的操作能力。(3)学习实验的物理思想。(4)培养思维能力思维:在观察的基础上,进行分析、综合、判断、推理和提出新思想的认识过程。例如:A.观察现象、分析测量数据,判断实验的进行是否正常。B.对实验故障的分析、判断,可找出问题的所在,并及时解决。C.审查实验记录,可以发现存在的问题。D.分析实验结果,给出恰当的评价,提出深入思考的问题。实验课上,学生自主性很强,有较大的独立性,希望学生以研究者的态度去组装实验装置,进行观测与分析,探讨最佳实验方案,从中积累经验,锻炼技巧,为以后独立设计实验方案和解决新的实验课题创造条件。2.物理实验的地位及重要性物理学是一门严谨的科学,它的各种理论都应得到实验的验证。而物理学理论体系的建立,必须是以实验为基础的。因此,物理实验在整个物理学中占有极其重要的地位。这可从物理学发展的历史长河中得到证明。(1)匀加速运动的定义匀加速运动:如果物体从静止状态出发,并且在相等时间间隔内获得相等的速度增量,则此物体的运动为匀加速运动。这个定义无疑是正确地、完美的。但是,伽利略在寻找这个定义的初期给出的定义是:在下落过程中,物体所得到的速度与下落的距离成正比,即匀加速运动是速度正比于所通过的距离的运动。这个定义是错误的。伽利略通过著名的“斜面实验”验证了该定义。(2)物理光学的建立物理光学的建立,完全是从实验开始的。意大利物理学家格里马迪,在观察放在光束中的小棍时,发现小棍的影子比按几何光学计算的大小要宽一些。而且影子的边缘还有几层带颜色的带子。这说明,光在物体的边缘处发生了微小的拐折。他第一个将其称之为“衍射”。正是由于“衍射”现象的发现,使光学有了长足发展,并建立起物理光学的理论体系。(3)电流磁效应的发现丹麦物理学家奥斯特在研究中注意到这样一个现象:1751年,富兰克林发现用莱顿瓶发电,可以使焊条、钢针磁化或退磁,这说明电和磁之间存在着某种内在联系。1819年冬,奥斯特在哥本哈根大学讲授电和磁方面的课题时,分析了前人沿着电流方向寻找磁效应都未成功的事实,想到了磁效应可能象电流通过导线时所产生的热和光那样向四周散发的,是一种横向作用,而不是纵向的。所以应当把磁针放在载流导线的上下左右来观察。1820年4月的一个晚上,他在作“热和电现象的相互联系”的讲座时,助手接通了电池的电流,在很细的白金丝上通过的电流将白金丝烧得通红。他的目光很快的瞥了一下磁针(磁针悬挂在靠近白金丝的普通物理实验第1章物理实验的目的、地位及重要性3一条金属丝上,并和白金丝平行)。通电后似乎磁针突然离开了刚才的位置,向垂直于白金丝的方向摆动。这预示着电和磁之间存在某种联系。正是这一转动,使电磁学飞速发展,并预示着电力技术的应用的巨大可能性。(4)法拉第电磁感应定律的发现法拉第得益于电流磁效应的启发,它认为变化的磁场能够产生电流,并由实验所证实。法拉第经过实验,将可以产生感应电流的情况概括成5类:A.变化的电流B.变化的磁场C.运动的稳恒电流D.运动的磁铁E.在磁场中运动的导体正是有了这一发现,使电力技术得到飞速发展。综上所述,可以看出,物理理论的建立,一般遵从如下规律:对一般现象的观察(实验经验的积累)→提出工作假设→运用数学或逻辑手段得出结论→实验检验→修正结论→推广。结论:实验是理论建立的一个不可或缺的重要环节。普通物理实验第2章普通物理实验的基本过程4第2章普通物理实验的基本过程做任何一件事,都要有一定的工作程序,普通物理实验也是如此。它的基本过程分为四个步骤:1、准备2、观测与记录3、数据的整理及分析4、实验报告2.1准备准备是指实验前所要做的工作。在做一个实验之前,应从两个方面入手进行准备:规程仪器的使用方法及操作程度仪器对理论要求的满足要求每台仪器对环境条件的每台仪器的精度选择什么仪器仪器的选择仪器准备实验方案及优化实验的可行性理论准备实验的理论依据根据上述两点,写出预习报告,在理解各直接测量值和间接测量值之间的关系的基础上,准备好实验中数据记录所需要的各种表格。2.2观测与记录实验时,按照实验原理及仪器的工作条件安装好仪器。在熟悉仪器的使用方法之后,按照事先拟好的实验步骤,进行正式测量(最好再正式测量之前作赏试性测量,以确定整个实验装置是否能够正常工作及粗略检验测量的精确度)。将实验中所测得的数据填入记录表中。对实验进行观测时,要注意实验中的各种现象,并尽可能的消除不正常的因素,确保实验的准确性。2.3数据的整理及分析实验完成之后,按照数据处理的原则处理实验数据,对实验结果作出可靠性分析。2.4实验报告实验报告是对整个实验过程的全面的总结。2.4.1预习报告预习报告应包含如下内容:1、实验原理2、实验器材3、实验步骤4、记录表格5、问题回答2.4.2报告的基本内容一份完整的实验报告应包括如下内容:1、实验目的;2、实验的理论依据;3、实验所用仪器设备;4、实验步骤;5、原始数据;6、数据处理;7、结论及不确定度分析;普通物理实验第2章普通物理实验的基本过程58、思考。2.4.3几点说明1.不确定度分析的目的测量的不确定度分析与计算是实验工作中一个必不可少的环节。通过对不确定的的计算和分析可以达到如下目的:1)正确评价测量的质量;2)从各个不确定的的来源找到测量有待改进的重点;3)从仪器引入的不确定度和非仪器引入的不确定度的比较,考察仪器的配置是否合理;4)增强自身对不确定度分析的能力。2.测量结果的评价实验结果是否符合要求,其精度如何,这在实验结束之后是要进行评价的,其评价的方法是:1)计算不确定度和相对不确定度:在总的不确定度和来源于仪器的不确定度相比较不是显著过大时,认为测量达到了要求。2)测量结果(y)和公认值(标准值Ay)相差不超过其标准不确定度的3倍时,可认为测量结果和公认值在测量误差范围内是一致的。即:)(3yuAyy3)当)(3yuAyy时,可能:★测量有误差;★存在未发现的、比较大的不确定度来源;★实验原理或仪器有问题。4)、实际工作中,测量一般是面对未知的物理量。因此,我们在实验中就要不断学习,以提高测量与分析的准确性。只有这样,才能对未知的物理量的测量结果进行评价。3.对实验的分析思考实验结束之后,不仅仅是只写一个实验报告就完事。在实验报告中,应该有反映对实验进行思考的内容。通过思考,可以提出对实验的改进。这个改进可以是原理上的、可以是仪器上的、也可以是操作方法上的。综上所述,在实验结束之后,实验报告是对整个实验的全面总结。普通物理实验第3章数据处理6第3章数据处理对实验数据进行分析处理方法是建立在统计规律上的、严格的处理方法;是实验中不可缺少的一环。数据处理问题贯穿于整个实验的全过程中的。实验之前:根据实验结果不确定度的要求设计实验方案。1.考虑实验理论的近似对实验的影响;2.考虑环境因素对实验的影响;3.考虑实验仪器、设备的选择问题等等。实验进行中:随时利用数据处理的原则对测量数据进行粗略的判断,大致确定其准确度。这样可以在实验过程中发现大部分错误。实验结束之后:对实验所得数据进行处理,从而得出实验结果及不准确度,并对实验结果作出最后的评价。通过对数据的分析发现规律,再回过头来调整实验方案,重新进行实验,直到得出满意结果为止。综上所述,要想做好物理实验,必须掌握有关数据处理的知识。3.1测量所谓测量,以确定量值为目的的一组操作。指用实验的方法确定被测对象量值的的过程。测量的形式是多种多样的,一般可分为两大类:1.直接测量直接测量是指被测量和同类单位的标准物或计量器具直接比较,得出被测量量值的测量。例如:用米尺测量物体长度、用天平测量物体质量等。2.间接测量间接测量指由一个或几个直接测得值通过已知函数关系计算出被测量值的测量。例如:重力加速度的测量、物体密度的测量等。在物理实验中,大多数物理量是不能直接测量的,只能作间接测量。3.仪器仪器是指用以直接或间接测出被测对象量值的所有器具,如天平、游标卡尺、停表、惠斯登电桥、光栅摄谱仪等。4.测量结果所谓测量结果,是指由测量所得到的赋予被测量的值。完整的测量结果应包括被测量值的测量结果和测量不确定度。一个国家的最准确的计量器具是主基准,在全国各地又有经过主基准效准过的工作基准,实验室使用的仪器应由工作基准进行效准。5.仪器的准确度等级测量时以仪器为标准进行比较。这就要求仪器是准确的(至少应满足实验本身不确定度的要求)。但是,实验中,由于测量的目的不同,对仪器准确度的要求也就不同。即使是同一实验中的不同直接测量值,由于它们对最终结果的误差贡献大小不同,在测量仪器的精度上也应作不同的选择。为了适应各种测量对仪器的准确度的不同要求,国家规定仪器应分为若干准确度等级以适应不同测量的要求。各类不同等级的仪器,又有对准确程度的具体规定。仪器的准确度等级,是指符合一定的计量要求,使其误差保持在规定极限内的计量器具的等别或级别。但是,并不是每一种仪器设备都要规定相应的准确度等级。一般来说,量具、仪器及测量传感器,可按其允许误差大小划分其准确度级别;但对指零仪器以及为测出某个量值要进行多种读数或把多次测的值加以运算而给出算术平均值作为测量结果的仪器,可不划分准确度等级。实验仪器有许多性能指标。但在实验中要注意的、最基本的是它的测量范围、准确度等级以及工作条件。综上所述,在对实验仪器的选择时,对仪器的准确度等级的选择要恰当,一般是在满足测量要求的条件下,尽可能选用准确度低的仪器。减少准确度高的仪器的使用次数,可以减少在反复使用时的损耗,普通物理实验第3章数据处理7延长其使用寿命。3.2误差实验中各被测量在实验条件下都有不以人的意志转移的真实大小:真值。真值就是与给定的特定量的定义一致的量。理想的测量结果是真值,但实际上它是不可知的。因为:1.测量仪器精度有限;2.实验环境条件对实验有较大的影响;3.观察者的操作和读数不能做到百分之百的准确;4.实验原理上的近似处理。由于上述原应,在实验中往往采用约定真值来充当真值。所谓约定真值是指对于给定目的的具有适当不确定度、赋予特定量的值,有时该值是约定的。误差定义:测量结果减去被测量的真值:测得值(x)-真值(a)=误差(ε)误差ε是一个代数量,它可以是正数,也可以是负数。由于真值是不能确知的,因此测得值的误差也不可能确知,因此,测量的任务就是:1.给出被测量真值的最佳估计值2.给出真值最佳估计值的可靠程度的估计这个最佳估计值是误差最小的值,可靠程度最高。为减小误差,需找到误差来源,在测量中尽可能消除或减少其影响。测量误差是多种因素引
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