大学物理实验.ppt

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1、1大学物理实验主要参考书目：1 丁慎训，张连芳丁慎训，张连芳.物理实验教程物理实验教程.清华大学出版社清华大学出版社,2002年年9月月2 林抒林抒,龚镇雄龚镇雄.普通物理实验普通物理实验.人民教育出版社人民教育出版社,1981.93 裴文宣裴文宣等等.物理实验简明教程物理实验简明教程.中国矿业大学出版社中国矿业大学出版社,1992.74 杨述武杨述武等等.普通物理实验普通物理实验.高等教育出版社高等教育出版社,1983.45 滕敏康滕敏康.实验误差与数据处理实验误差与数据处理.南京大学出版社南京大学出版社,19966 赵青生赵青生.大学物理实验大学物理实验.安徽大学出版社安徽大学出版社,19

2、987 沈元华沈元华,陆申龙陆申龙.基础物理实验基础物理实验.高等教育出版社高等教育出版社,20048 张雄张雄.物理实验设计与研究物理实验设计与研究.科学出版社科学出版社,20019 霍剑青霍剑青等等.大学物理实验大学物理实验(1-4),高等教育出版社高等教育出版社,20042绪论 一、物理学与普通物理实验 物理学是一门实验科学，没有实验的理论是空洞的理论，没有理论的实验是盲目的实验。 “我国古代科学技术远远领先于西方，这种辉煌成就是全世界公认的。但是，近三百年来，却远远落后于西方。我认为主要原因是：西方自佳俐略和牛顿等人倡导科学实验以来，大力发展了科学实验，而我们仍然未动，轻视科学实验是我

3、们的不良传统之一，也是己千年封建思想的，特别是一千多年科举制度的遗毒。这是科学不发达的主要原因” 。 核物理学家 张文裕教授3 二、普通物理实验课的主要目的 1.在物理实验的基本知识、基本方法、基本技能基本知识、基本方法、基本技能方面受到较系统的训练。 包括：有关仪器的选择和使用、基本的测量技能和方法、实验数据的处理、对结果的误差做出分析和判断、完成实验报告等。 2.培养和提高科学实验能力。 包括：自学能力、动手实践能力、创新思维能力、书面表达能力、和简单设计能力等。 3.培养和提高从事科学实验的素质，为后续实验课程以及社会工作打好基础。 包括理论联系实际和实事求是的科学作风、严肃认真的工作态

4、度，不怕困难、主动进取的探索精神、遵守操作规程、爱护公物的优良品德等。4 三、物理实验的基本过程 1.预习 弄清实验目的、原理（理论依据）、所需仪器，明白测量方法、实验的主要步骤和注意事项，写出预习报告。 2.操作 操作前应认识仪器和熟悉仪器的安装和调整，实验过程要按步骤进行，正确记录原始数据，发现问题要及时向指导教师汇报，不得随意处理，实验完毕后，要对记录的数据或观测到的现象进行分析，在能肯定基本合理后，交指导教师审查，不合理或错误的实验结果，经分析后要补做或重做，离开实验室前要整理好使用的仪器，并做好清洁工作，经指导教师检查后，才可离开。5 3.写出实验报告 实验报告是完成使用后所作的总结

5、和提高，也是实验成果的书面反映，应思路清晰、文字简练、数据齐全、图表正确。 包括：实验名称和日期，实验目的，实验中使用的仪器名称（规格、型号、准确度等），实验原理或理论依据、电路图、光路图等，实验步骤（顺序），实验记录及数据处理：数据表格、数据表示（有效数字），数据计算、误差分析、处理结果的汇报（有效数字、量纲等），实验讨论与总结（现象分析、误差原因等），创新思想、方法。6误差分析与数据处理误差分析与数据处理 1.1测量与误差测量与误差 1.1.1测量 物理实验是以测量测量为基础的。在实验中，研究物理现象、物质特性、验证物理原理都需要进行测量,所谓测量测量，就是将将待测的物理量与一个选来作为标

6、准的同待测的物理量与一个选来作为标准的同类量进行比较，得出它们的倍数关系的类量进行比较，得出它们的倍数关系的过程过程。选来作为标准的同类量称之为单单位位，倍数称为测量数值测量数值。一个物理量的测量值等于测量数值与单位的乘积。7 在人类的发展历史上，不同时期，不同的国家不同时期，不同的国家，乃至不同的地区，同一种物理量有着许多不同乃至不同的地区，同一种物理量有着许多不同的计量单位的计量单位。如长度单位就分别有码、英尺、 市尺和米等。为了便于国际交流，国际计量大 会于1990年确定了国际单位制（SI），它规定 了以米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔、坎 德拉作为基本单位基本单位，其他物理量（如力、能

7、 量、电压、磁感应强度等）均作为这些基本单 位的导出单位导出单位。81)直接测量与间接测量 测量可分为两类两类。一类是直接测量，是指直接将待测直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到测量值的一种测量到测量值的一种测量。它无须进行任何函数关系的辅 助运算。如用尺测量长度、以秒表计时间、天平称质 量、安培表测电流等。另一类是间接测量，是指被测被测量与直接测量的量之间需要通过一定的函数关系的辅量与直接测量的量之间需要通过一定的函数关系的辅助运算，才能得到被测量物理量的量值的测量助运算，才能得到被测量物理量的量值的测量。如单 摆测量重力加

8、速度时，需先直接测量单摆长L和单摆 的周期T，再应用公式求得重力加速度g。224 2TlgglT9 物理量的测量中，绝大部分是间接测量。但直接测量是一切测量的基础。不论是直接测量，还是间接测量，都需要满足一定的实验条件，按照严格的方法及正确地使用仪器，才能得出应有的结果。因此实验过程中，一定要充分了解实验目的，正确使用仪器，细心地进行操作读数和记录，才能达到巩固理论知识和加强实验技能训练的目的。102)等精度测量与不等精度测量 同一个人，用同样的方法，使用同样的仪器，在相同的同一个人，用同样的方法，使用同样的仪器，在相同的条件下对同一物理量进行多次测量条件下对同一物理量进行多次测量，尽管各次测

9、量并不完全相同，但我们没有任何充足的理由来判断某一次测我们没有任何充足的理由来判断某一次测量更为精确，只能认为它们测量的精确程度是完全相同量更为精确，只能认为它们测量的精确程度是完全相同的的。我们把这种具有同样精确程度的测量称之为等具有同样精确程度的测量称之为等精度测量精度测量。在所有的测量条件中，只要有一个发生变化，这时所进行的测量即为不等精度测量不等精度测量。在物理实验中，凡是要求多次测量均指等精度测量，应尽可能保持等精度测量的条件不变。严格地说，在实验过程中保持测量条件不变是很困难的。但当某一条件的变化对测量结果的影响不大时，乃可视为等精度测量。在本书中，除了特别指明外，都作为等精度测量

10、。111.1.2误差及误差分类 1)误差 物理量在客观上有着确定的数值客观上有着确定的数值，称为真值真值。 测量的最终目的都是要获得物理量的真值。 但由于测量仪器精度的局限性、测量方法或 理论公式的不完善性和实验条件的不理想， 测量人员不熟练等原因，使得测量结果与客 观真值有一定的差异，这种差异称之为误差误差 。若某物理量测量的量值为 X，真值为A， 则产生的误差： =X=X-A。任何测量都不可 避免地存在误差。在误差必然存在的条件下， 物理量的真值是不可知的。12通常所说的真值有如下几种类型通常所说的真值有如下几种类型： (1)理论真值或定义真值。如用平均值代替真值，三角形内角何等于180度

11、等。 (2)计量约定真值。如前面所介绍的基本物理量的单位标准，以及国际大会约定的基本物理量。 (3)标准器相对真值（或实际值）。用比被标准过的仪器高一级的标准器的量值作为标准器相对真值。例如：用0.5级的电流表测得某电路的电流为1.200A，用0.2级电流表测得的电流为1.202A，则后者可示为前者的实际值。132)误差的表示形式 误差的表示形式有绝对误差和相对误差绝对误差和相对误差之分。绝对误差是测量值和真值的数值之差测量值和真值的数值之差，它反映测量结果X，真值A之间差值的一定的可能性（概率）出现的范围，即真值以一定可能性（概率）出现在X- 和X+ 区间内。仅仅根据绝对误差的大小还难以评价

12、一个测量仅仅根据绝对误差的大小还难以评价一个测量结果的可靠程度结果的可靠程度，还需要考虑被测量本身的大小，为此引入相对误差，相对误差E定义为绝对误差绝对误差与与被测量被测量量真值量真值X X的比值的比值，即：% 100 xE14. 相对误差常用百分比表示。它表示绝对误差在整个物理量中所占的比重，它是无单位的一个纯数，所以既可以评价量值不同的同类物理量的测量，也可以评价不同物理量的测量，从而判断它门之间优劣。如果待测量有理论值或供认值，也可用百分差来表示测量的好坏。即: % 100 0公认值公认值测量值百分差 E151.1.3 误差的分类 既然测量不能得到真值，那么怎样才能最大限度的减小测量误差

13、并估算出这误差的范围呢？要解决这个问题，首先要了解误差产生的原因及其性质误差产生的原因及其性质。测量误差按其产生的原因与性质可分为系统误差、随机误差和分为系统误差、随机误差和过失误差过失误差。 1）系统误差 在一定条件下（指仪器、方法和环境）（指仪器、方法和环境）对同一物理量进行多次测量时，其误差按一定的规律变化，测量结果都大于真值或都小于真值。系统误差产生的原因可能是已知的，也可能是未知的。产生系统误差的原因主要有：16 （1）由于仪器仪器本身存在一定的缺陷或使用不当造成的。如仪器零点不准、仪器水平或铅直未调整、砝码未校准等。 （2）实验方法方法不完善或这种方法所依据的理论本身具有近似性。例

14、如用单摆测量重力加速度时，忽略空气对摆球的阻力的影响，用安培表测量电阻时，不考虑电表内阻的影响等所引入的误差。 （3）实验者实验者生理或心理特点或缺乏经验所引入的误差。例如有人读数时，头习惯性的偏向一方向，按动秒表时，习惯性的提前或滞后等。172）随机误差 同一物理量在多次测量过程中，误差的大小和符号大小和符号以不可预知的方式变化的测量误差以不可预知的方式变化的测量误差称为随机误差，随机误差不可修正。随机误差产生的原因很多，归纳起来大致可分为以下两个方面： （1）由于观测者在对准目标、确定平衡（如天平）、估读数据时所引入的误差。 （2）实验中各种微小因素的变动。例如，实验装置和测量机构在各次调

15、整操作上的变动性，实验中电源电压的波动、环境的温度、湿度、照度的变化所引起的误差。 随机误差的出现，单就某一次观测来说是没有规律的，其大小和方向是不可预知的。但对某一物理量进行足够多次测量，则会发现随机误差服从一定的统计随机误差服从一定的统计规律规律，随机误差可用统计方法进行估算。181.1.4 测量的精密度、准确度、精确度 我们常用精度反映测量结果中误差大小的程度。误差小的精度高，误差大的精度低，这里精度却是一个笼统的概念，它并不明确表示描写的是哪一类误差，为描述更具体，我们把精度分为：1）精密度。表示重复测量所得数据的相互接近程度重复测量所得数据的相互接近程度（离散程度）。测量结果的精密度

16、高，说明所得结果的重复性好，测量误差分布密集，也就是随机误差小。2）准确度，表示测量数据的平均值与真值的接近程测量数据的平均值与真值的接近程度度。准确度高，说明测量值接近真值的程度好，即系统误差小。3）精确度。是对测量数据的精密度和准确度测量数据的精密度和准确度的综合评定。精确度高，说明测量数据比较集中而且靠近真值数据比较集中而且靠近真值。即测量的随机误差与系统误差都比较小。19 我们以打靶为例来比较说明精密度、准确度、精确度三者之间的关系。图中靶心为射击目标，相当于真值真值，每次测量测量相当于一次射击。 （a）准确度高、 （b）精密度高、 （c）精密度、准确 精密度低 准确度低 度、精确度均高 201.2误差的处理误差的处理 误差的产生有其必然性和普遍性，误差自始至终存在于一切科学实验中，一切测量结果都存在误差。本节主要介绍上述两类误差的处理方法。 1.2.1系统误差 一个实验结果的优劣，往往在于系统误差是否已经被发现或尽可能消除，所以预见一切可能产生的系统误差的因素，并设法减小它们是非常重要的。一般而言，对于系统误差可以在实验前对仪器进行校准，对实验方法进行改进，在实验时采取一定的