普通物理實(shí)驗(yàn)課程緒論[0001]

1、物理實(shí)驗(yàn)課程緒論,孟輝暨南大學(xué)物理系2014年3月,看視頻?。。。。。。。。?！,* 加深對(duì)一些重要物理概念、物理現(xiàn)象、物理規(guī)律的認(rèn)識(shí)* 掌握基本物理量的測(cè)量方法和實(shí)驗(yàn)操作的基本技能* 掌握常用的數(shù)據(jù)處理方法，撰寫(xiě)合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告* 培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)，培養(yǎng)獨(dú)立分析處理問(wèn)題的能力,物理實(shí)驗(yàn)課程的目的,* 上好物理實(shí)驗(yàn)課的三個(gè)環(huán)節(jié)* 成績(jī)?cè)u(píng)定* 測(cè)量與結(jié)果表示* 不確定度* 數(shù)據(jù)處理的基本方法,上好物理實(shí)驗(yàn)課三個(gè)主要環(huán)節(jié)

2、,實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)操作實(shí)驗(yàn)報(bào)告,明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康?弄懂實(shí)驗(yàn)原理 了解實(shí)驗(yàn)難點(diǎn),預(yù)習(xí)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)工作的前期準(zhǔn)備，寫(xiě)給自己的，要求簡(jiǎn)單明了。實(shí)驗(yàn)前應(yīng)清楚本次實(shí)驗(yàn)的目的通過(guò)何種實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量哪些數(shù)據(jù)達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶?shí)驗(yàn)原理，用高度概括的語(yǔ)言給出實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)、 計(jì)算公式及原理圖，切勿不加思考地照抄！主要實(shí)驗(yàn)步驟數(shù)據(jù)記錄表格，要留有余地。注意：使用學(xué)校新版的A3實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙、標(biāo)準(zhǔn)作圖紙！ 完成預(yù)習(xí)報(bào)告才可進(jìn)

3、實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)！,預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容,遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)則，準(zhǔn)時(shí)簽到，實(shí)驗(yàn)前出示預(yù)習(xí)報(bào)告了解實(shí)驗(yàn)儀器的使用及注意事項(xiàng)，留意黑板提示老師允許之前，切勿動(dòng)手?。≌J(rèn)真聽(tīng)老師講解??！仔細(xì)觀察和認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象在實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙上如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，數(shù)據(jù)記錄完整（不能用鉛筆記錄數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)不得改動(dòng)，必須經(jīng)任課老師審閱簽名確認(rèn)）整理實(shí)驗(yàn)儀器和操作臺(tái)，簽離,實(shí)驗(yàn)操作要求,在預(yù)習(xí)報(bào)告基礎(chǔ)上繼續(xù)完成完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)處理（包括主要計(jì)算過(guò)程、作圖及

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析、誤差評(píng)估、小結(jié)和討論）、思考題注意：實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須在下次實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，統(tǒng)一交給相應(yīng)任課教師，遲交最多只能得60分，不交視為自動(dòng)放棄該實(shí)驗(yàn)成績(jī)；教師一周后會(huì)將批改后的實(shí)驗(yàn)報(bào)告發(fā)回。妥善保存，學(xué)期末要整理裝訂后統(tǒng)一上交！,實(shí)驗(yàn)報(bào)告,成績(jī)?cè)u(píng)定,每次實(shí)驗(yàn)按滿分100分評(píng)分，其中實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)10分，實(shí)驗(yàn)操作50分，實(shí)驗(yàn)報(bào)告40分。課程總成績(jī)?nèi)?0個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)平均分。注意：曠課2次、缺實(shí)驗(yàn)報(bào)告3次，按重修處理！

5、 因故缺席，須提前請(qǐng)假（附假條），否則視為曠課！備注：實(shí)驗(yàn)不能當(dāng)堂完成的，可與指導(dǎo)教師協(xié)商時(shí)間補(bǔ)做， 但該實(shí)驗(yàn)成績(jī)會(huì)適當(dāng)削減。,測(cè)量,，就是用合適的工具或儀器，通過(guò)科學(xué)的方法，將反映被測(cè)對(duì)象某些特征的物理量（被測(cè)物理量）與選作標(biāo)準(zhǔn)單位的同類(lèi)物理量進(jìn)行比較的過(guò)程，其比值即為被測(cè)物理量的測(cè)量值。,測(cè)量的本質(zhì)：把被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，從而 確定被測(cè)量的數(shù)值和單位。,,直接測(cè)量：

6、直接將待測(cè)物理量與選定的同類(lèi)物理量的標(biāo)準(zhǔn)單位相比較直接得到測(cè)量 如長(zhǎng)度、時(shí)間、溫度 間接測(cè)量：利用直接測(cè)量量與被測(cè)量之間的已知函數(shù)關(guān)系，求得被測(cè)物理量 如密度、體積,測(cè)量的分類(lèi),* 比較測(cè)量法 * 放大測(cè)量法* 平衡測(cè)量法* 轉(zhuǎn)換測(cè)量法* 其它測(cè)量法,基本測(cè)量方法,基本測(cè)量方法,比較測(cè)量法直接比較法：如米尺測(cè)長(zhǎng)度、秒表測(cè)時(shí)間替代法：如曹沖稱象間接比較法：如指針式電表測(cè)電流,基本測(cè)量方法,放大測(cè)量法機(jī)械放大法：如

7、螺旋測(cè)微器電學(xué)放大法：如電子放大電路的應(yīng)用光學(xué)放大法：如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡,基本測(cè)量方法,平衡測(cè)量法力學(xué)平衡法：如天平電學(xué)平衡法：如電橋穩(wěn)態(tài)測(cè)量法：如熱導(dǎo)率的測(cè)量,基本測(cè)量方法,轉(zhuǎn)換測(cè)量法：利用變換原理將不能或不易測(cè)量的 物理量轉(zhuǎn)換成能測(cè)或易測(cè)的物理量，實(shí)際上是 間接測(cè)量法的引伸和拓展。參數(shù)轉(zhuǎn)換：如間接比較法能量轉(zhuǎn)換： 聲速測(cè)量：聲壓－電壓（壓電效應(yīng)）

8、 霍爾效應(yīng)測(cè)磁場(chǎng)：磁場(chǎng)－電壓（霍爾效應(yīng)） 光電效應(yīng)：光強(qiáng)－電流（光電效應(yīng)）,基本測(cè)量方法,其它測(cè)量法干涉法：如牛頓環(huán)示蹤法：如示波器－時(shí)間示蹤補(bǔ)償法：如二極管,注意：每個(gè)實(shí)驗(yàn)往往是多種測(cè)量方法的綜合運(yùn)用， 如“伸長(zhǎng)法測(cè)楊氏模量”實(shí)驗(yàn)中就運(yùn)用了 比較法、放大法、轉(zhuǎn)換法。

9、,測(cè)量誤差,任何測(cè)量都是存在誤差的。約定真值：如被測(cè)物理量的理論計(jì)算值、 公認(rèn)的基本常數(shù)、 已修正過(guò)的算術(shù)平均值絕對(duì)誤差 相對(duì)誤差系統(tǒng)誤差 隨機(jī)誤差,測(cè)量值＝讀數(shù)值(有效數(shù)字)＋單位有效數(shù)字＝可靠數(shù)字＋可疑數(shù)字,有效數(shù)字：測(cè)量結(jié)果中所有的準(zhǔn)確數(shù)字和一位可疑 數(shù)字的統(tǒng)稱。有效數(shù)字的最后一位是誤差所在位。,有效數(shù)字

10、的讀取,15.0 mm,15.2 mm,可疑數(shù)字,有效位數(shù)說(shuō)明,* 同一物理量可以有不同的有效位數(shù)* 有效位數(shù)從第一個(gè)不為零的數(shù)字算起 （中間、末位都算），如：0.067010* 常數(shù)可看作有無(wú)窮多有效位數(shù)* 有效位數(shù)與小數(shù)點(diǎn)無(wú)關(guān)，如：1.0 mm = 0.0010 m 但 1.0 m ? 1000 mm* 單位改變時(shí)，有效數(shù)字的位數(shù)不發(fā)生變化* 科學(xué)記數(shù)法是有

11、效位數(shù)記錄的正確方法 如：1.0 m = 1.0?103 mm,直接測(cè)量中有效數(shù)字的讀取,刻度類(lèi)（如米尺、螺旋測(cè)微器、指針式儀表、示波器 熒屏），估讀游標(biāo)類(lèi)（如游標(biāo)卡尺，分光計(jì)），一般不估讀，讀到 儀器的讀數(shù)值位數(shù)字類(lèi)（如數(shù)字電表、信號(hào)發(fā)生器），記錄到最后一 個(gè)單位,* 準(zhǔn)確數(shù)與準(zhǔn)確數(shù)的運(yùn)算結(jié)果為準(zhǔn)確數(shù)

12、* 可疑數(shù)與任何數(shù)運(yùn)算，結(jié)果仍為可疑數(shù)，但進(jìn)位數(shù)為準(zhǔn)確數(shù)* 運(yùn)算過(guò)程中至少保留兩位可疑數(shù)，最終結(jié)果只保留一位可疑數(shù),有效數(shù)字運(yùn)算的一般規(guī)則,有效數(shù)字的運(yùn)算,加、減法：諸數(shù)相加（或相減）時(shí)，其和（或差） 數(shù)在小數(shù)點(diǎn)后保留的位數(shù)與諸數(shù)中小數(shù)點(diǎn)后 位數(shù)最少的一個(gè)相同。例如： 4.178

13、 ＋21.3 25.478 ＝25.5,,,有效數(shù)字的運(yùn)算,乘、除法：諸數(shù)相乘（或除）后其積（或商）所 保留的有效數(shù)字，與諸因子中有效數(shù)字最少 的一個(gè)相同。例如：

14、 4.178 ? 10.1＝41.78＋0.4178＝42.1978＝42.2開(kāi)方、乘方運(yùn)算：結(jié)果的有效數(shù)字與被開(kāi)方、 被乘方數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)相同,三角函數(shù)運(yùn)算：計(jì)算結(jié)果有效數(shù)字位數(shù)由自變量末位 增加或減少1個(gè)單位后得到的函數(shù)值比較后確定。 例如：求,有效數(shù)字的運(yùn)算,測(cè)量值有效數(shù)字尾數(shù)的舍入規(guī)則,通俗地說(shuō)：四舍六入，

15、五湊偶 如保留4位有效數(shù)字: 4.32749 → 4.327 4.32761 → 4.328 4.32750 → 4.328 4.32850 → 4.328,科學(xué)數(shù)據(jù)的表示：,不確定度,相對(duì)不確定度,置信概率,,,,,不確定度，表示由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)測(cè) 量值不能肯定的程度，即測(cè)量結(jié)果不能肯定 的范圍。

16、完整的測(cè)量結(jié)果必須包括不確定度。教學(xué)目標(biāo) 建立概念、掌握基礎(chǔ)、初步應(yīng)用,不確定度的表示,不確定度,相對(duì)不確定度,單位,不確定度的分類(lèi),A 類(lèi)不確定度 多次等精度測(cè)量時(shí)能用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法處理的分量B 類(lèi)不確定度 針對(duì)單次測(cè)量的分量這兩類(lèi)分量在相同置信概率下用“方和根”合成總不確定度：,多次等精度測(cè)量；無(wú)法判定哪一次更可靠，可以預(yù)期它們的平均值更可靠；當(dāng)測(cè)量次數(shù)趨于無(wú)窮時(shí)，只要

17、能排除系統(tǒng)誤差，其平均值就是被測(cè)物理量的“真值”；用測(cè)量列的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)評(píng)價(jià)測(cè)量值的離散程度,A類(lèi)不確定度,概率論中，測(cè)量誤差落在區(qū)間 、 、 的概率分別為0.683、0.954、0.997。這些區(qū)間稱為置信區(qū)間，對(duì)應(yīng)的概率稱為置信概率（一般用P 表示）。,置信區(qū)間,A類(lèi)不確定度,t因子:與測(cè)量次數(shù)與置信概率有關(guān),測(cè)量次數(shù)n 2

18、 3 4 5 6 7 8 9 10 ∞ t (0.683) 1.84 1.32 1.20 1.14 1.11 1.09 1.08 1.07 1.06 1,B類(lèi)不確定度，針對(duì)單次測(cè)量。 包括：測(cè)量者估算產(chǎn)生的部分 儀器的最大允差,測(cè)量者估算產(chǎn)生的部分 對(duì)于刻度式儀

19、表，測(cè)量估算的不確定度常常 小于儀器最小刻度的一半 對(duì)于數(shù)字式儀表，如果數(shù)字穩(wěn)定，沒(méi)有估算 不確定度；如果數(shù)字跳動(dòng)，記錄其穩(wěn)定 表示的值,儀器的最大允差 包含了儀器的系統(tǒng)誤差，也包含了環(huán)境以及測(cè)量 者自身可能出現(xiàn)的變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響 可從儀器說(shuō)明書(shū)中得到，它表征同一規(guī)格型號(hào)的 合格產(chǎn)品在正常使用條件下，可能產(chǎn)生的最大

20、 誤差 一般而言，儀器最大允差為儀器最小刻度所對(duì)應(yīng) 的物理量的數(shù)量級(jí),,,=uB,直接測(cè)量不確定度計(jì)算舉例,例：用螺旋測(cè)微器測(cè)某一鋼絲的直徑，6次測(cè)量值分別為: 0.249、0.250、0.247、0.251、 0.253、0.250; 單位 mm，同時(shí)讀得螺旋測(cè)微器的零位為：+ 0.004 mm。已知螺旋測(cè)微器的儀器允差為0.004 mm。請(qǐng)給出完整的測(cè)量結(jié)果。,科學(xué)數(shù)據(jù)的表示：,不確定度,相對(duì)不確定

21、度,置信概率,,,,,解：,零位修正！,一位有效數(shù)字,兩位有效數(shù)字,* P7 *,完整的測(cè)量結(jié)果表示：,注意：,1.平均值有效數(shù)字位數(shù)不要超過(guò)測(cè)量值的有效數(shù)字2.不確定度和相對(duì)不確定度分別保留一位和兩位有效數(shù)字3.不確定度所在位與測(cè)量值運(yùn)算結(jié)果的最后一位對(duì)齊,間接測(cè)量量的不確定度,例如：,1.先寫(xiě)出（或求出）各直接測(cè)量量 xi 的不確定度2.依據(jù) 求出 或3.用

22、 或 求出 或4.完整表示,間接測(cè)量量不確定度的合成過(guò)程,數(shù)據(jù)處理的基本方法,列表法 要求： 簡(jiǎn)單明了 標(biāo)明物理量的含義、單位 表中的數(shù)據(jù)是有效數(shù)據(jù) 必要的文字說(shuō)明,逐差法：當(dāng)自變量等間隔變化，兩物理量又呈線性

23、 關(guān)系時(shí)，可用逐差法處理數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)處理的基本方法,只有始末兩次測(cè)量值用到，中間值全部抵消。只要其中一個(gè)值測(cè)量錯(cuò)誤，結(jié)果就是錯(cuò)誤的。沒(méi)有起到多次測(cè)量減小誤差的作用！,數(shù)據(jù)處理的基本方法,作圖法：形象、直觀步驟：* 確定數(shù)據(jù)列表* 確定坐標(biāo)軸：自變量為橫坐標(biāo)，應(yīng)變量為縱坐標(biāo) 標(biāo)明坐標(biāo)軸所表示的物理量符號(hào)和單位* 確定坐標(biāo)比例和標(biāo)度；描點(diǎn)、連線* 必要的文字說(shuō)明（圖名、條件、比例等）,,,教材購(gòu)買(mǎi),《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)/