大学物理实验绪论

物理实验的地位作用物理实验课程的要求测量误差不确定度测量结果的表示有效数字实验数据处理物理实验绪论第一部分物理实验的地位作用物理实验课程的要求一物理实验的地位及作用1物理实验是物理学发展的基础物理学本身是一门实验的科学。物理学发展的基本模式是“实验——理论——实验”在物理学中每一个物理定律的发现都以严格的物理实验为基础，一切物理理论的确立都经过了实验的检验和证明，否则它们就难以确立和被人们所接受。例如：关于光的本性的争论关于麦克斯韦电磁场理论的确立在物理学发展中，出现了许多伟大的理论物理学家，同时也出现了许多著名的实验物理学家。在诺贝尔物理学奖的获得者中，有70%以上是由于在物理实验方面的突出贡献而获奖的。塞曼效应实验（1902年度奖）突出贡献：证实了原子具有磁矩和空间量子化效应；有力地支持了光的电磁理论；证明了电子自旋假设是正确的。迈克尔逊干涉实验（1907年度奖）突出贡献：用于精确测量和光谱研究。密立根油滴实验（1923年度奖）突出贡献：精确测量了电子的电量；第一次证明了电荷的不连续性。夫兰克—赫兹实验（1925度奖）突出贡献：直接验证了波尔理论的量子能态假设。物理实验与物理理论的关系:物理实验与物理理论是物理中相辅相成的两个方面。物理实验是物理理论的生命支柱；物理理论是物理实验的总结与升华。2物理实验是学习一切工程技术实验技能的基础物理是学习一切工程技术知识的理论基础课，而物理实验是学习和锻炼工程技术实验技能的实验基础课。物理实验为各学科的专业实验提供了最基本的实验技能训练和科学方法。无论从事哪个学科或专业技术的研究工作都需要有良好的科学素质、扎实的理论基础和熟练的实验技能。物理实验是能够达到上述培养目标的一门最有效的基础课。二物理实验课程的要求1物理实验教学目标学习物理实验的基本知识,实验方法和实验技能掌握常用的基本测量仪器仪表的使用方法；学习测量误差的理论，掌握数据处理的基本方法；为后续的专业实验奠定基础。2021/10/1411理工工科学生必修课工科48学时3学分(1+2)一学年完成理科96学时6学分(3+3)一学年完成工科：每两个星期做一个实验，本学期有一次绪论课和五个实验课。期末成绩是这六次成绩的平均值。物理学院：每星期一次实验，本学期一次绪论，十一次实验。2物理实验的内容2021/10/1412清明假期和五一假期的实验课已做安排，如有其他假期，相应的课程调整届时会做通知。第一循环实验（基础实验）：力学基础实验(A或B)示波器（A或B)光学基础实验（A或B)第二循环实验：转动惯量实验杨氏模量霍尔效应电桥实验分光计实验光的干涉实验第三循环实验：迈克耳逊干涉仪光的偏振声速测量实验核磁共振实验夫兰克－赫兹实验第三循环实验：光的衍射密立根油滴仪光的全内反射电位差计实验RLC串联电路……开放性、设计性的选修实验、竞赛实验热敏电阻和温度测量实验设计与组装望远镜全息照相氢原子光谱光纤通信数码像机和数字图象处理计算机仿真实验……入选参加市级和国家物理实验竞赛，期末成绩有加分。史庆藩[e-mail]物理实验楼3223物理实验教材课程表名称讲义名称力学A,B：力学基本量测量光学A,B：薄透镜的焦距与成像《英汉大学物理实验》主编：史庆藩4物理实验课要求（1）每个学生都必须在物理实验中心网上注册，否则期末教师无法给登成绩。期末可以在网上查询每个实验的成绩。平时要注意网上和物理实验楼一楼LED屏的教学通知；所有注册信息要填全，包括手机、电话、email，才能注册成功。注册用户名：学号，首次密码：班号物理实验中心网站只能在校内访问，校外可以通过校园主页上的VPN访问。如注册网站有问题，转专业需要补课、退课，不及格重修等有关课程的事宜，请尽快到物理实验中心找窦老师办理。（2）实验前必须预习讲义，写出预习报告，预习报告要有老师签字，交签字前务必写上班级、学号、姓名、日期（含上午、下午、晚上），以及在签到表上的序号。没有写预习报告的同学不允许做实验。窦老师联系方式：物理实验中心楼114房间，18811027886，[e-mail]（3）每次上课都要带上该实验的数据表格，部分新的实验在实验中心网站上下载数据表格。原始数据另外用张纸记录。（4）上课前5-10分钟到达实验室。不要迟到，迟到超过15分钟者，不允许上课。物理实验中心楼结构复杂，房间多，建议第一次实验课早点去以免找不到实验室。上课时间：上午8：30–11：30下午1:20–4:20晚上5:40–8:40如生病不能如期上课，要有病假条跟上课教师请假，并由教师安排补课。不接受社团活动登请假。2021/10/1423（5）进入实验室请先在实验名单上亲笔签名（不要代签）。每个人的实验项目都是安排好的，如果实验名单上没有列出自己的名字，将不许做实验，请找窦老师办理。实验结束后应将仪器及实验台面收拾整齐方可离开实验室。实验结束后，测量数据必须经老师签字！2021/10/1424（6）实验报告必须在课后一个星期内交到老师的报告箱中（老师的报告箱在物理实验中心楼二层中厅，报告箱上写有教师的姓名）。报告迟交要扣分。5对实验报告的要求（1）实验报告应在实验报告纸上书写；务必写上班级、学号、姓名、上课日期（含上午、下午、晚上）。（2）实验报告的后面附上有教师签字的原始测量数据，没有教师签字的报告为无效报告。（3）要将每页报告纸按报告内容顺序装订在一起，以免丢失，影响成绩。（4）实验报告应为以下方面的内容和顺序：实验名称实验目的实验仪器实验原理（文字叙述、公式、必要的图）实验内容与主要步骤（以上这几项在课前写好作为预习报告，上课时教师要检查）实验数据处理（数据表、计算、作图）回答思考题教师签名的原始数据对实验报告的要求…6实验成绩的评定实验数据必须经教师签字实验报告才有效实验成绩：预习报告10分实验操作和实验数据处理80分思考题10分不交报告只给40分通知各班学习委员（或课代表）第3周以后到物理实验中心楼114房间找潘孟书老师领取本班报告箱的钥匙，须交十元押金，到下学期末课程结束交回钥匙后归还押金。（本班报告箱是教师发报告用的，学生一定不要将报告误交到该箱中。）潘孟书：134260034052021/10/1429第二部分测量误差不确定度测量结果的表示2021/10/1430一测量与测量误差1测量的定义与分类定义：测量是指利用各种方法和器具对“被测量”进行尽量合理的赋值。2021/10/1431测量的分类：直接测量：测量结果可以从测量仪器（或量具）上直接获得。间接测量：测量结果要借助某些直接测量结果再通过函数计算得到。2021/10/1432等精度测量：在测量条件不变的情况下对同一物理量进行重复测量，各次测量值具有相同的精度。不等精度测量：在测量条件有变化的情况下对同一物理量进行重复测量，各次测量值精度不同。测量条件是指实验仪器、方法、环境和人员等方面；在物理实验课上所涉及的测量均认为是等精度测量。2021/10/14332测量误差的定义与分类为什么要学习误差理论？明确测量结果的可信赖程度；求找误差产生的原因，提出消除或减小误差的方向和措施；设计最佳的实验方法，选择合理的测量仪器…2021/10/1434测量误差的定义：测量误差为：测量值与被测量真值之差。测量误差表示为：Δx=x-x0用此形式表示的误差称为绝对误差。2021/10/1435相对误差定义：用测量值计算相对误差：相对误差通常用百分数表示。0XXNXXN2021/10/1436真值：被测量在一定客观条件和状态下本身所存在的真实值。真值的特性：理想概念，客观存在，不能得到2021/10/1437误差的分类误差按其性质可分为两类：“系统误差”和“随机误差”系统误差：指在测量前后可以确切知道的误差(已定系统误差)2021/10/1438系统误差的来源（1）仪器误差仪器本身有缺陷或使用不当（2）理论和方法误差理论公式的近似性、理论公式成立的条件不完全满足、实验方法不完善（3）实验人员的误差实验人员的操作习惯、熟练程度、分辨能力、反应速度等2021/10/1439随机误差：由偶然因素引起的、大小和方向不能预料、变化方式不可预知的误差。随机误差的特点：具有随机性服从一定的统计规律2021/10/1440随机误差的分布有多种形式，如：二项式分布、正态分布、均匀分布、三角分布……不同的分布有不同的分布函数任何分布函数一般都有两个重要的参数：“平均值”和“标准偏差”2021/10/1441关于正态分布正态分布曲线正态分布密度(概率密度)函数22221mxexff(x)xmm+σm-σ2021/10/1442正态分布的总体标准偏差nmxnnii12)(lim正态分布的总体平均值nmniinx1lim2021/10/1443怎样理解总体平均值和总体标准偏差的意义总体平均值m是被测物理量真值的最佳估计值。当系统误差小到可以不考虑（忽略）时，m就是真值。在实际测量中n→∞不可能实现，m和σ都是理想值；置信概率P=68.3%也是理想值。σ是一个有概率意义的参量。它不是测量列中任一次测量的随机误差，而是表征测量分散性的一个参量。2021/10/1444σ与曲线的形状有关哪一个σ大？mxf(x)2021/10/1445曲线和X轴所包围的面积表示随机误差在一定范围（置信区间）内的概率P%3.68)(dxxfPmm置信区间与置信概率±σ区间内，P=68.3%,表明测量值落在(m-σ，m+σ)区间的概率P(可能性)为68.3%;±2σ区间，P=95.4%；±3σ区间，P=99.7%;扩大置信区间，置信概率就会相应提高对于有限次测量，表征测量分散性的参量是实验标准差，它是方差的正平方根方差的正平方根：贝塞尔公式11)(...)()()(222221nxxnxxxxxxxSniini方差：21211)()(xxnxsxVini2021/10/1447算数平均值的实验标准差)1()()()(21nnxxnxSxSnii2021/10/1448用贝塞尔公式计算的标准差“S”称为实验标准差，它是总体标准差的最佳估计值。S也是一个有概率意义的参量，它相应的置信概率接近68.3%，但不等于68.3%。算数平均值是总体平均值m的最佳估计值。2021/10/1449二不确定度及其评定方法1不确定度的提出与发展不确定度是测量技术领域中的一个重要概念。它是评定测量质量的重要指标之一。“不确定度”一词最早起源于1927年海森堡在量子力学中提出的不确定关系。（测不准关系）2021/10/14501962年，由美国研究学者首先在计量校准系统中提出定量表示不确定度的建议。1970年以来，一些国家计量部门开始相继使用不确定度。1986年，建立了国际不确定度工作组。1993年，由IS0等七个国际组织联名正式出版“测量不确定度指南”。我国于1999年5月1日执行最新的计量规范（JJF1059—1999）。2021/10/14512不确定度的定义与分类定义：不确定度是表征测量结果中合理赋予被测量值的一个分散性的参数。它表示由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，表征被测量的真值所处量值范围的评定。它是表示测量质量的量度；不确定度小，测量结果准确度高，测量的质量高；不确定度大，测量结果准确度低，测量的质量低。2021/10/1452不确定度的分类：不确定度分为：A类不确定度（分量）B类不确定度（分量）A类不确定度：指用统计方法计算的不确定度。B类不确定度：指用非统计方法计算的不确定度。2021/10/1453不确定度表示形式及表示符号：不确定度表示形式有两种，即“标准不确定度”和“扩展不确定度”。标准不确定度的符号记为“u”（小写）扩展不确定度符号记为：“U”（大写）2021/10/1454标准不确定度是低概率的表示形式，它