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1、大学物理实验,理学院物理系,绪论及基础知识(1),2009-2010冬季学期,物理实验的作用物理学是一门实验科学 大学物理实验 理工科 必修基础课物理实验的目的掌握基本知识，基本方法和基本技能；培养和提高科学实验能力；培养和提高从事科学实验的素质。,光电效应（Photoelectric effect）：光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。1887年，赫兹在实验研究麦克斯韦电磁理论时偶然发现；1905年，爱因斯坦用光量子理论对光电效应进行了全面的解释；1916年，美国科学家密立根通过精密的定量实验证明了爱因斯坦的理论解释，从而也证明了光量子理论；1921年，爱因斯坦获得诺贝尔奖。,实验
2、课的具体安排,1、第1周第3周 基础知识准备；（EJ203）第4周第9周 完成四个实验；（F楼各实验室）第10周 实验考试。2、实验选课 气垫 F602 实验一 电桥 F602 实验二 焦距 F304 实验四 分光计 F304 实验六 电位差计 F106 实验三 粘滞系数 F106 实验八选课系统初始用户名和密码：学号。请尽快修改密码！,请按时选课！1、本学期（冬季学期）A(一)在第三周之前必须在物理系实验中心网站完成实验方案选择。2、下学期A(二)（春季学期）在第一周之前必须完成实验方案选择。3、下下学期A(三)（秋季学期）在第一周之前必须完成实验方案选择。4、实验C(二)，C(三)，强(二
3、)，强(三)在第一周之前必须完成实验方案选择。这些课没有预习课，做实验前必须认真看书并完成预习报告。,3、基础课（第13周）要求第3周布置作业，第4周交作业(交F楼各实验室老师)，三次上课出勤及表现和作业成绩作为平时成绩一部分。4、实验课（第49周）程序从第4周开始，每3周完成2个实验。第4周 预习5、6周要做的实验，第5、6周 做实验。综合性实验成绩组成：预习（20），操作（40），实验报告（40）（设计性实验成绩组成：预习30%，操作30%，实验报告40%）,5、实验考试（第10周）考试不准带教材和做好的实验报告。一般45分钟；考试当天F楼一楼大屏幕显示考试实验名单。准备一张预习报告纸，带
4、好计算器、笔、尺、坐标纸等。成绩评定：总评成绩：平时成绩(70%)考试成绩(30%)平时成绩：5个实验成绩的平均值(三次上课出勤及表现基础作业的平均成绩作为一个实验成绩，另外还有4个实验成绩。)6、预习要求阅读实验原理及相关参考资料，了解实验仪器的构造原理、工作条件和操作规程等，预习课要带好预习报告纸。,预习报告要求实验名称；电路图，光路图或设备示意图；原始数据记录表格；回答预习思考题。预习报告写在专用的预习报告纸上。,实验预习报告实验名称：实验图：(电路图，光路图或设备示意图)原始数据：预习思考题：,7、实验操作要求自带教材、计算器、笔、尺等；遵守实验室规章制度，在教师指导下正确使用实验仪器
5、，稳拿妥放；电学实验，连线后经指导教师检查无误后方可接通电源进行实验；实验中认真记录数据，教师检查数据并签字，无误后整理好仪器方可离开。实验数据用圆珠笔或水笔记录。8、实验报告要求实验报告写在专用的实验报告纸上。,实验报告要求实验名称，实验目的和要求；实验仪器，仪器名称和型号；实验原理简述；简明扼要，图文并茂，公式等；实验方法；关键性的调整方法和测量技巧；数据记录；实验数据处理和结果分析；公式代入数据计算讨论；回答讨论题，分析实验结论及误差，讨论实验方案 或改进的意见等。,实验报告实验名称：实验目的和要求：实验仪器：实验原理：实验步骤或方法：,实验数据：数据处理和结果表示：讨论：,注意事项：做
6、完实验的下一周交实验报告和签字的预习报告。实验报告应在一周内完成，下周上课时交给上课老师，报告迟交一周者扣10分。迟交2周或教学第10周结束后拒收报告，报告成绩记0分。无预习报告者，报告成绩为0分。实验报告和预习报告上写清上课时间，姓名，学号，座号；如：周三78节，姓名，学号，座号等；切忌抄袭！一旦发现，均为0分！,其它注意事项：1、没有预习报告者不能上实验操作课；2、不迟到，不无故缺课。迟到15分钟以上取消实验资格；迟到15分钟以内根据具体情况扣除实验成绩0-15分。3、请假病假凭校医院证明及班导师证明，事假须持教务处同意请假证明，及时向任课教师请假并协商补做实验时间，不请假视作缺席。任何其
7、他证明一律不可补做。4、严格遵守操作规程，爱护仪器设备，发现故障立即向指导教师报告。5、实验完毕，指导教师签字，整理好实验仪器，一切回复原状后方可离开。,物理实验的基础知识,误差的基本概念实验不确定度的概念和估算方法有效数字的概念和运算数据处理的基本方法,1 测量和误差,一、测量定义：将待测的物理量与一个选作标准的同类量进行比较，得出它们的倍数关系。单位：选作标准的同类量。测量数值：倍数值测量数据：数值单位不确定度：各种误差的综合影响测量值：数值，不确定度，单位 三要素,二、测量的分类1。直接测量如天平测质量，秒表测时间，米尺测长度等。2。间接测量需先由直接测量获得的直接测量量代入一定的函数关
8、系式计算出其结果的测量。圆柱体体积：通过直接测量其直径D和高度H后代入公式算得。3。组合测量在一系列不同的取值下，对几个量进行测量，然后再根据这一组合数据进行相关关系的分析，最后确定它们之间的相关公式以及公式中各参数。描点作图法、逐差法、最小二乘法等。,三、等精度测量与不等精度测量1。测量条件指一切能影响测量结果，本质上又能控制的全部因素。包括：测量人员、测量方法，测量仪器，环境条件等。2。等精度测量对某一物理量进行多次重复测量，且每次测量条件都相同，认为每次测量的精确程度是相同的。这种具有同样精确程度的测量称为等精度测量。3。不等精度测量测量条件中有一个发生了变化，测量就成为不等精度测量。本
9、章只研究等精度测量的数据处理,四、测量误差在一定条件下，对一定的被测对象，标志其特性的某一物理量的大小都有一客观存在的真实值，称为真值。测量值与真值之间的差别称为测量误差。设被测量的真值为A0，测量值为x，测量误差为e，则 测量误差e反映了测量值偏离真值的大小和方向，称为绝对误差。绝对误差和真值之比，称为相对误差，用E表示：,(1),一般常采用公认值，或用较高准确度仪器的测量值，或用多次测量结果的算术平均值（测量最佳值）等，近似的代替真值，称为近似真值或约定真值。测量值x和约定真值A之差，称为偏差，用Dx表示：由于e和Dx相差不大，且eA0，故相对误差常用偏差Dx 代替误差e，约定真值A代替真
10、值A0，则相对误差计算公式为：有时被测量值有公认值或理论值，则常用百分误差表示：,(3),(4),(2),2 误差分类,一、系统误差相同测量条件下多次测量同一物理量时，误差的绝对值和符号保持恒定，或在测量条件改变时，按某一确定规律变化的误差称为系统误差。产生原因：1。仪器本身固有缺陷或未按规定使用仪器；2。理论公式本身近似性或条件受限；3。环境（温度，压强等）变化；4。个人习惯或偏向等；,仪器本身固有缺陷或未按规定使用仪器,解决方法：,理论公式近似性,环境变化,个人习惯和偏向,温度，压强等变化,秒表指针式仪表,特点：多次测量不能减少或消除从仪器、方法、理论等方面尽量采取措施减少、消除或修正。,
11、二、随机误差某一物理量的多次重复测量值分散在一定范围内，其误差值时正时负，绝对值时大时小，无规则涨落，具有随机性，这类误差称为偶然误差，又称之为随机误差。无规则，不可避免的服从正态分布的误差具有以下特性：1。单峰性2。对称性3。有界性4。抵偿性特点：增加测量次数可减少测量结果的随机误差。,图01 正态分布曲线,三、系统误差和随机误差的关系 同时存在；没必要严格区分四、仪器误差仪器误差是指在正确使用仪器的条件下，测量所得结果的最大误差限。,*指游标分度值，分别对应于50分度，20分度和10分度游标卡尺。,表1 物理实验常用的测长仪器的D仪值表,对指针式电表，式中xm为量程，a为准确度等级，分为0
12、.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0七级。,等级：5.0,天平的测量误差：示值变动性误差、分度值误差和砝码误差等。天平按精度分为十级，砝码的精度分为五等，一定精度级别的天平要配用等级相当的砝码。简单实验中，约定取天平分度值的一半作为天平的仪器误差。,3 测量不确定度与实验结果的表示形式,一、测量不确定度(U)不确定度是对测量误差的一种综合评价，是测量量的真值以一定的概率落在某一量值范围的估算。统计方法估算的A类分量DA:如随机误差中的标准偏差，非统计方法估算的B类分量DB:如以估算方法评定的仪器误差两类分量以方和根合成方法得出不确定度：课程规定：DA只考虑由统计方法估算评定的随
13、机误差中的标准偏差；DB只考虑由估算方法评定的仪器误差。,(6),二、测量结果的表示形式测量不确定度UN，相对不确定度EN，置信概率p置信概率p=0.95，是广泛采用的约定概率。如果测量结果选用约定概率表示，则在结果表示形式中不必注明p值。本课程规定采用p=0.95的约定概率表示测量结果：被测量真值落在()的范围之内的可能性约为95 可以是多次直接测量的平均值，也可以是一次直接测量值，还可以是间接测量值。,不确定度UN和相对不确定度EN有效数字：不确定度UN在运算过程中可取2位有效数字，但在最后测量结果的表示式中只能取1位有效数字；相对不确定度EN10%时取1位有效数字，EN10%时取2位有效
14、数字；最后一位应与不确定度所在位数对齐；例：h=10.32mm,U1=0.05mm,U2=0.5mm h1=(10.320.05)mm h2=(10.30.5)mm,4 直接测量结果的表示,一、多次直接测量（指一组等精度测量）测得测量列为:x1，x2，xi，xn，测量用仪器误差为Dx仪。1.测量值的最佳值算术平均值2.由测量值的分散性所对应的不确定度分量 A类分量DA不确定度可用测量列的单次测量的标准偏差Sx或平均值的标准偏差 估算，由误差理论公式：,(8),物理意义：待测量量的真值在()范围内的概率为68.3,(9),贝塞尔公式,物理意义：某次测量值的随机误差在(Sx,+Sx)之间的概率为6
15、8.3。,(10),测量列的标准偏差,算术平均值的标准偏差,由于n是有限次测量，表示测量值分散所对应的不确定度DA，应等于平均值的标准偏差 乘以因子t(p,k)，即：式中t(p,k)表示置信概率为p，测量次数为n(或自由度为k=n-1)的值，其值可以从“t”分布的数值表中查得。,(11),平均值的标准偏差比任何一次测量的实验标准差小，增加测量次数，可以减少平均值的标准偏差，提高测量的准确度。但是，n10以后，n再增加，平均值的标准偏差减小缓慢，因此,在物理实验教学中一般取n为610次。,表2 测量次数n=211时，取t(p,n-1)=，即A类分量DASx时，相应的置信概率p,由表2可知，当5n
16、10时，取A类分量DA=Sx，可使被测量量的真值落在()范围内的概率接近或大于0.95。所以在大学物理实验中，当测量次数在5n10时（实验中的常用测量次数），可以直接把Sx值近似地当作测量结果的不确定度A类分量DA，其置信概率p接近或大于0.95。,(12),当测量次数n5时，如置信概率仍要求p=0.95，此时的A类分量为：其中n5的t值由表3表示。,(13),表3 n5置信概率p=0.95 时的t(0.95,n-1)值表,3.仪器误差限所对应的不确定度B类分量DB 在大学物理实验中，把仪器误差限D仪简化地等于不确定度的 B类分量DB，其置信概率p等于或大于0.95。DB=D仪(14)4.不确
17、定度Ux的估算 由估算得到DA和DB分量后，用方和根的合成方法得到不确定度Ux为：5.直接测量的结果表示为,(15),Ex为x的相对不确定度,二、只测一次或只需测一次的直接测量如果只进行了一次测量，我们约定测量的不确定度Ux就简单地取为仪器误差D仪。则一次测量结果表示式为:,1.2.3.4.5.,多次测量,一次测量,总结：,1.2,例1：用50分度游标卡尺测量圆柱体的高度h，共测6次，得到数据如下：h(cm):2.452，2.450，2.452，2.454，2.452，2.450给出完整的实验测量结果。,解：（1）求h平均值（2）计算A类分量（3）计算B类分量（4）求不确定度Uh（5）最后结果,例2：量程为7.5mA的0.5级的电流表一次测量电流值为4.365mA，给出完整的电流测量结果表示。,
