大学物理实验教材

大学物理实验数学专业用1目录绪论……………………………………………………………………………………………………………（1）实验1伏安法测电阻……………………………………………………………………………………………（14）实验2电表的改装及多用表的使用……………………………………………………………………………（17）实验3横波在弦线上传播的研究………………………………………………………………………………（21）实验4用电流场模拟静电场……………………………………………………………………………………（23）实验5牛顿环……………………………………………………………………………………………………（26）实验6用落球法测液体的粘滞系数……………………………………………………………………………（29）附：实验报告样板……………………………………………………………………………………………（35）绪论大学物理实验课是高等院校理科的一门必修基础课程，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。它与物理理论课具有同等重要的地位。这里主要介绍测量误差理论、实验数据处理、实验结果表述等初步知识，这是进入大学物理实验前必备的基础。物理实验可分三个环节：1）课前预习，写预习报告。2）课堂实验，要求亲自动手，认真操作，详细记录。3）课后进行数据处理，完成实验报告。其中：预习报告的要求：1）实验题目、实验目的、实验原理（可作为正式报告的前半部分）。2）画好原始数据表格(单独用一张纸)。实验报告内容：（要用统一的实验报告纸做）1)实验题目；2)实验目的；3)实验原理：主要公式和主要光路图、电路图或示意图，简单扼要的文字叙述；4)主要实验仪器名称、规格、编号5)实验步骤：写主要的，要求简明扼要；6)数据处理、作图（要用坐标纸）、误差分析。要保留计算过程，以便检查；7)结论：要写清楚，不要淹没在处理数据的过程中；8)思考题、讨论、分析或心得体会；9)附：原始数据记录。测量误差及数据处理误差分析和数据处理是物理实验课的基础，是一切实验结果中不可缺少的内容。实验中的误差分析，其目的是对实验结果做出评定，最大限度的减小实验误差，或指出减小实验误差的方向，提高测量结果的可信赖程度。对低年级大学生，重点放在几个重要概念及最简单情况下的误差处理方法。一、测量与误差1、测量：把待测量与作为标准的量（仪器）进行比较，确定出待测量是标准量的多少倍的过程称为测量。测量得到的实验数据应包含测量值的大小和单位。22、测量的分类按照测量结果获得的方法来分，可分为直接测量和间接测量两类；而从测量条件是否相同来分，又可分为等精度测量和非等精度测量。直接测量就是把待测量与标准量直接比较得出结果。如用米尺测量物体的长度，用电流表测量电流等。间接测量是借助函数关系由直接测量的结果计算出的物理量。例如已知了路程和时间，根据速度、时间和路程之间的关系求出的速度就是间接测量。一个物理量能否直接测量不是绝对的。随着科学技术的发展，测量仪器的改进，很多原来只能间接测量的量，现在可以直接测量了。等精度测量是指在相同条件下进行的多次测量，即：同一个人，用同一台仪器，每次测量时周围环境条件相同，所取参数相同。等精度测量每次测量的可靠程度相同。注意：重复测量必须是重复进行测量的整个操作过程，而不是仅仅重复读数。物理实验中大多采用等精度测量。反之，若每次测量时的条件不同，如测量仪器改变，或测量方法条件改变，或不同的人。这样所进行的一系列测量叫做非等精度测量。3、描述仪器性能的基本概念描述仪器性能的基本概念有仪器精密度、准确度和量程等。仪器精密度：是指仪器能分辨的物理量的最小值，一般是仪器的最小分度值。仪器最小的分度越小，仪器精密度就越高，所测量物理量的精密度也越高。对测量读数最小一位的取值，一般在仪器最小分度范围内再估读一位数字。如米尺的最小分度为毫米，其精密度就是1毫米，应估读到毫米的十分位。仪器准确度：是指仪器测量读数的可靠程度。一般标在仪器上或写在仪器说明书上。如电学仪表所标示的级别就是该仪器的准确度。对不同的仪器准确度是不一样的，如对测量长度的常用仪器：米尺、游标卡尺和螺旋测微器，它们的仪器准确度依次提高。量程：是指仪器所能测量的物理量最大值和最小值之差，即仪器的测量范围（有时也将所能测量的最大值称量程）。测量过程中，超过仪器量程使用仪器是不允许的，轻则仪器准确度降低，使用寿命缩短，重则损坏仪器。4、误差与偏差在一定条件下，任何物理量的大小都有一个客观存在的真实值，称为真值。测量的目的就是为了得到被测物理量所具有的客观真实数据，但由于受测量方法、测量仪器、测量条件以及观测者水平等多种因素的限制，只能获得该物理量的近似值，即测量值x与真值a之间总是存在着一定的差值，这种差值称为测量误差，即ε＝x－a显然误差ε有正负之分，常称为绝对误差。注意，绝对误差不是误差的绝对值！设某个物理量真值为a，进行n次等精度测量，测量值分别为x1，x2，…xn，（不考虑系统误差）。可证明其算术平均值为最佳估计值：nxxnii1（1）当测量次数n→∞时，ax，即x为测量值的近似真实值。为了估计误差，定义测量值与近似真实值的差值为偏差。即xxxii。测量中真值是未知的，因此误差也无法知道，而测量的偏差可以准确知道，实验误差分析中常用偏差来描述测量结果的精确程度。5、系统误差与随机误差根据误差的性质和产生的原因，可分为系统误差和随机误差。1）系统误差是指在一定条件下多次测量的结果总是向一个方向偏离，其数值一定或按一定规律变化。3系统误差的特征是具有一定的规律性。系统误差的来源有以下几个方面：（1）仪器误差。由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的误差；例如，用秒表测量运动物体通过某一段路程所需要的时间，若秒表走时偏快，即使测量多次，测量的时间t总是偏大为一个固定的数值，这是仪器不准确造成的误差。（2）理论误差。由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或测量方法等所带来的误差；（3）观测误差。由于观测者本人生理或心理特点造成的误差。通常与观测者反应和观察习惯有关，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。例如，按秒表时习惯提前或滞后。在任何一项实验工作和具体测量中，必须要想尽一切办法，最大限度的消除或减小一切可能存在的系统误差，或者对测量结果进行修正。以下介绍几种常用的方法。（1）检定修正法：指将仪器、量具送计量部门检验取得修正值，以便对某一物理量测量后进行修正。（2）替代法：指测量装置测定待测量后，在测量条件不变的情况下，用一个已知标准量替换被测量来减小系统误差。（3）异号法：指对实验时在两次测量中出现符号相反的误差，采取平均值后消除的一种方法。例如在外界磁场作用下，仪表读数会产生一个附加误差，若将仪表转动180°再进行一次测量，外磁场将对读数产生相反的影响，引起负的附加误差。两次测量结果平均，正负误差可以抵消，从中可以减小系统误差。2）随机误差是指在实际测量条件下，多次测量同一量时，误差时大时小、时正时负，以不可预定方式变化着的误差叫做随机误差，也叫偶然误差。当测量次数很多时，随机误差就显示出明显的规律性。实践和理论都已证明，随机误差服从一定的统计规律（正态分布，如图1），其特点是：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大（单峰性）；绝对值相等的正负误差出现的概率相同（对称性）；绝对值很大的误差出现的概率趋于零（有界性）；误差的算术平均值随着测量次数的增加而趋于零（抵偿性）。因此，增加测量次数可以减小随机误差，但不能完全消除。引起随机误差的原因很多，它与仪器精密度和观察者感官灵敏度有关。如仪器显示数值的估计读数位偏大和偏小；测量环境扰动变化以及其它不能预测不能控制的因素，如空间电磁场的干扰等。由于测量者过失、实验方法不合理、用错仪器、操作不当、读错数值或记错数据等引起的误差，是一种人为的过失误差，不属于测量误差。过失误差是可以避免的。6、随机误差的估算设在等精度测量中，一组n次测量的值分别为：x1，x2，……xn，这组测量值称为测量列。误差理论证明，测量列中某次测量值的标准偏差为112nxxSniixx（2）其意义表示某次测量值的随机误差在xx~之间的概率为68.3％。（2）式称为贝塞尔公式。7、算术平均值的标准偏差当测量次数n有限，其算术平均值的标准偏差为112nnxxnniixx（3）其意义是测量平均值的随机误差在xx~之间的概率为68.3%。或者说，待测量的真值在f(ε)-σ0σε图14xxx~x范围内的概率为68.3％。这个概率叫置信概率，也叫置信度，用p表示，即p＝0.683。x是反映了平均值接近真值的程度。但不要误认为真值一定就会落在xx~之间。类似地，待测量的真值在xxx~x22范围内的概率为95.4％，此时的置信度p＝0.954。8、t分布由于在实际工作中，测量次数n不可能趋于无穷。当测量次数较少时，随机误差服从的规律不是正态分布，而是t分布。t分布的曲线比正态分布的要平坦，两者的分布函数不同，n较小时,t分布偏离正态分布较多，n较大时,趋于正态分布。如图2所示。对t分布，只在公式(3)的基础上乘以一个t因子，即112Annxxttniix（4）或112Anxxntnii＝xSnt（5）t值是与测量次数等有关的，如下表是当p=0.95的t值：由上表可知，当5≤n≤10时，n/t接近1，由（5）式可知ΔA≈Sx。对教学实验，测量次数一般取5～10次，所以可用（2）式作为估算偏差的公式。9、异常数据的剔除剔除测量列中异常数据的标准有几种，有3x准则、肖维准则、格拉布斯准则等。下面是3x准则：统计理论表明，测量值的偏差超过3x的概率已小于1％。因此，可以认为偏差超过3x的测量值是其他因素或过失造成的，为异常数据，应当剔除。剔除的方法是将多次测量所得的一系列数据，算出各测量值的偏差ix和标准偏差x，把其中最大的jx与3x比较，若jx＞3x，则认为第j个测量值是异常数据，舍去不计。剔除jx后，对余下的各测量值重新计算偏差和标准偏差，并继续审查，直到各个偏差均小于3x为止。二、测量结果的评定和不确定度（一）、不确定度的含义在物理实验中，因真值得不到，测量误差也就不能肯定。为此，1992年国际计量大会以及四个国际组织制定了《测量不确定度表达指南》。1993年此《指南》经国际理化等组织批准实施。对一个物理实验的具体数据来说，不确定度是指测量值（近真值）附近的一个范围，测量值与真值之差（误差）可能落于其中。它是对误差的一种量化估计，是对测量结果可信赖程度的具体评定。不确定度小，测量结果可信赖程度高；不确定度大，测量结果可信赖程度低。所以用不确定度的概念对测量数据做n3456789101520≥100t4.303.182.782.572.452.362.312.262.142.09≤1.97n/t2.481.591.2041.05.9260.8340.7700.7150.5530.467≤0.139正态分布εf(ε)t分布0图25出评定比用误差来描述更合理。（二）、测量结果的表示和不确定度1、测量结果的不确定度在做物理实验时，要求表示出测量的最终结果。即xx（单位）（6）式中x为待测量；x是测量的近似真实值,是总的不确定度，三者的数量级、单位要相同。简单起见，不确定度一般保留一位有效数字，多余的位数一律进位。x的末尾数与不确定度的所在位数对齐。这种表达形式反应了三个基本要素：测量值、不确定度和单位，缺一不可，否则就不能全面表达测量结果。2、相对不确定度相对不确定度定义为%xE100（7）有时候还需要将测量结果与公认值或理论值进行比较（百分偏差）：%xxxE1000理理（8）x理可以是公认值，或高一级精密仪器的测量值。相对不确定度一般取2