实验绪论汤综述

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1、 物理实验绪论 武汉大学物理学院汤征 教学目的和基本程序 一一教学目的教学目的 二二基本程序基本程序 （一）课前预习（一）课前预习 （二）课堂实验操作（二）课堂实验操作 （三）课后书写实验报告（三）课后书写实验报告 一 教学目的 物理学是在长期实践和大量实验的基础上产生、发展和逐渐完善起来的 。因此，物理学是一门实验科学，物理实验是发现和利用物理规律的基础 。作为大学中一门课程的物理实验，是学生受到系统的实验技能训练的开 端。大学物理实验的教学目的主要有以下几点： 1 进行实验方法和实验技能的基本训练。 2 综合能力的培养。 3 培养严肃认真的作风、实事求是的态度 ，以及优良品德。 在物理学的

2、发展中，人类积累了丰富的实验方法，创造设计出了各种精 巧的实验仪器，涉及到广泛的物理现象。希望大家在学习的过程中，不但 要注意锻炼自己分析问题解决问题的能力，更应注意从中学到创造性的 思维方式。 二 基本程序 v课前预习 v 认真阅读实验讲义，明确实验目的和实验 原理，初步了解实验方法和关键步骤。认 真填写预习报告（实验名称，实验目的，简 述实验原理三个部分写在正规的实验报告纸上 ；），实验数据表格画在预习报告纸上（ 实验时在其中记录原始数据及实验中的问题） 。 课堂实验操作 实验者应准时来到实验室进行实验。 v首先，要注意安全，爱护公物。在实验前应认真对照 讲义上的仪器介绍或听老师的讲解熟悉

3、仪器，禁止盲 目动手！ v其次，在进行实验操作时，严格遵守实验规则，爱 护实验仪器，未经许可不得调换仪器。实验过程中如果 发现仪器设备出现故障，应及时报告指导教师。 v最后，实验结束后要实事求是地记录实验数据，实 验数据一律用钢笔或圆珠笔填写，不得涂改！。实 验完毕后，实验数据需经教师检查签字后方可离开。 v实验过程中注意保持实验室清洁卫生，离开实验室前 一定整理好实验仪器。 v课后书写实验报告 一份完整的实验报告应包含以下几个内容： 1，实验名称 2，实验目的 3，实验原理 (以上三部分内容预习时完成） 4，实验仪器 实验步骤 简要叙述相关的物理学内容，画出原理图、装置示意图或电 路图、 光

4、路图， 写出主要计算公式及公式中各量的物理含义和公式限定的条件等。 5，数据表格 包括物理量名称、单位、简单的公式。 6，数据处理及结果 数据处理要有完整的计算、作图和不确定度的估算，而且计算要有简洁的计算 式子；代入的数据要有根有据，作图要美观、规范，用坐标纸。最后要给出实验结 果，得出实验结论。 7，回答思考题及讨论 8，原始数据 完整的预习报告和签字的实验记录 如发现原始数据有错、漏等情况，应予以重测或补测。实验报告书应字迹工整、 措词简练、步骤完整、数据真实、图表齐全、书写规范。 v实验的成绩评定及事项 平时实验报告成绩占80，操作考试20 注意： v每一次实验前交上一次实验报告，不得

5、无故迟交，并注意保存 全部实验报告，以备复习及可能的检查。 v由各班统一到实验室购买预习报告纸及实验报告纸（每套5元， 本周四、五2：305：00，八教三楼物理实验室）。 v学生应提前查知（可在实验室查询）下一次实验内容 v学习委员留下名字、电话、带名册表；实验室联系电话： 68772316 病假应在上课前向任课教师请假，否则不予补课；事假原则上 不批准，极特殊情况需系里开证明，经任课教师批准，否则不予 补课； 非教务处安排的各种活动不许耽误正常课程。 大学物理实验的补充规范 物理实验绪论课首先要强调的是安全问题，特别是老师没讲前， 学生不得动实验仪器。 预习报告规范如下： 实验名称 实验目的

6、 简述实验原理 为减轻学生负担，这三个部分写在正规的报告纸上。 实验数据记录纸只记录原始数据及实验中的问题。 数据记录规范如下: 1、须用钢笔记录（不得使用铅笔） 2、不得涂改 3、作图须用坐标纸 测量、误差和不确定度 一基本知识 （1）测量 测量：借助仪器测量：借助仪器 把待测物理量的把待测物理量的 大小表示出来的大小表示出来的 过程过程。 直接测量直接测量 110cm110cm 从一个或几个直接测量结果按一定的函数 关系计算出来的的过程，称为间接测量。 h h d d MM (2) 测量误差 物理量的真值A 测量结果与真值的偏差称为测量误差 一个待测物理量的大小， 在客观上应该有一个真实

7、的数值，叫做“真值”。 通常，用多次测量的算术平均值作为测量的最 佳值来代替真值。即： u绝对误差 绝对误差是指被测物理量的测量结果与真值之 差的绝对值，它与被测量具有相同的量纲，表示的 是测量值偏离其实际值的大小。以 表示 u 相对误差 相对误差是指某一待测物理 量的绝对误差与其测量的最佳值 之比，它是没有量纲的，通常写 成百分比的形式。 （二）误差的分类 误差的产生及其原因是多方面的，我 们一般从其性质和来源，将误差分为 三类： 1.系统误差 2.随机误差 3.粗大误差 1.系统误差 在相同条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号 保持不变；或在条件改变时，按一定规律变化的误差- -称为系

8、统误差。（服从因果规律）其来源包括以下 几个方面： （1）仪器误差。由于仪器本身的缺陷或没按规定条件 调整、使用所造成的误差（如天平、砝码、电压电流 表未按规定定期送检，以及仪器零点校正不准）。 （2）方法误差。由于实验方法本身或理论不完善所造 成的误差（如用伏安法测电阻时未计及电表的内阻） 。 （3）个人误差。由于观察者生理或心理特点造成 的误差。通常与观测人员的反映速度和固有习惯等 有关（如有的人对准目标时总是偏左或偏右，致使 读数偏大或偏小）。 （4）环境误差。由于外界环境（如温度、光照、 电磁等）的恒定偏离规定条件时而产生的误差。 系统误差具有确定性，它总向一个方向偏离 或按一定规律变

9、化。在实验中可以通过校准仪器、 改进实验设备、选择更好的实验方法或进行理论修 正来消除或尽量使之减小。对于那些既不能修正， 又不能消除的系统误差应根据具体情况在测量误差 （或测量不确定度）中反映出来。 2.随机误差 在实际测量中，由于某种偶然的原因，使测量结果 在测量平均值附近起伏变化，由此产生的误差称为随 机误差（偶然误差）。 温度忽高忽低气流飘忽不定 电压漂移起伏 随机误差的特点随机误差的特点：在相同条件下：在相同条件下 ，对同一物理量作多次重复测量，对同一物理量作多次重复测量 （专业术语：（专业术语：等精度重复测量等精度重复测量） ，其测量值将有时偏大，有时偏，其测量值将有时偏大，有时偏

10、 小。每次测量值的偏大偏小具有小。每次测量值的偏大偏小具有 偶然性，但只要测量次数足够多偶然性，但只要测量次数足够多 ，测量所得到的一系列数据的，测量所得到的一系列数据的随随 机误差就服从一定的统计规律，机误差就服从一定的统计规律， 即正态分布规律即正态分布规律。 u随机误差分布函数： u随机误差分布的特点： 对称性 单峰性 有界性 u 当测量次数无穷多时， 该随机误差的算术平均值 趋向于0。 u随机误差的处理 1)测量的平均值： 2)标准偏差： 测量列的标准偏差： l多次测量可以减小随机误差 3粗大误差 那些因为设计错误、操作不当、仪器损坏或 测读错误等人为原因造成的测量错误，将得到 一些坏

11、记录。尽管有人把由此而产生的误差归 类为粗大误差（过失误差），但在实质上 它们不能算作是误差。在工程上人们指定了若 干法则(如3规则)，用来发现及剔除那些坏记 录，以消除过失误差。 (三)直接测量结果的表示和总不确定度的估计 u测量结果的表达式： u总不确定度： 它表示被测量的真值在 的范围 内的可能性(概率)，不确定度是指由于测量误差 的存在而对被测量的真值不能肯定的程度。 指用统计的方法计算出的不确定度分量 1) 总不确定度 的 类分量 u有限次测量： 测量列的不确定度： 这时： 中的 称为“ 因子”，与测量次数 和置信概率有关， 在大学物理实验中，当测量次数 时，可近似取为1。 指用其他

12、方法计算出的不确定度分量 2) 总不确定度 的 类分量 本课程中，近似地取： 3) 总不确定度的合成： 4) 粗差的判定与剔除 当测量列的不确定度 时，待测量真值 的随机误差落在 这个区间以外的概率 仅为0.3%，因此， 称为测量列的极限误差。 6 6）单次直接测量的误差估算：）单次直接测量的误差估算： 单次测量中，单次测量中，A A类不确定度为零，类不确定度为零， B B类不确定度只考虑仪类不确定度只考虑仪 器误差，器误差， 合成不确定度合成不确定度 (四) 间接测量结果的表示和总不确定度的估计 1) 间接测量结果的一般表示： u 即：间接测量量的平均值等于将各直接测量量的平均 值带入函数关

13、系式后的结果。 2) 间接测量结果的总不确定度： （五）测量结果的完整表示 Er 有效数字 一、有效数字的概念 0.50.51.01.01.51.5 1.13 m1.13 m 准确数准确数 存疑数存疑数 二、有效数字的性质和说明 1、有效数字的位数与小数点的位置无关； 2、“0”在有效数字中的特殊地位。 1206cm 2.0000mm 0.000125cm 0.001206mm 四位 五位 三位 四位， 3、参与计算的常数，如 4，e等，其有效数字的位 数可以认为是无限的； 4、如遇到测量结果是用科学计数法表示时，指数部分 不计入有效数字的位数。 电子的电荷 库仑四位有效数字 三、有效数字的运

14、算 准确数+准确数=准确数 准确数+存疑数=存疑数 存疑数+存疑数=存疑数 进位视为准确数 计算结果保留一位存疑数 32.32.1 1 + 3.26+ 3.267 7 35. 35.3 36 67 7 结果：结果：35.435.4 26.626.65 5 - 3.92- 3.926 6 22.7 22.72424 结果：结果：22.7222.72 5.345.348 8 20. 20.5 5 2 67402 6740 0000 00000 0 106 9106 96 6 10109 9. .63406340 结果：结果：110110 17.17.3434 21217 7 376 3764 4

15、21217 7 15 159494 151 1519 9 750750 651651 一般规律 1.加减法（略） 2.乘除法：与参与运算的有效数字 最少的那个数位数相同 3.乘方开方：与底的有效数字位数相同 4.指数、对数、三角函数：由改变量决定 。 sin19.580=0.3351227； sin19.590=0.3352871 所以 sin19.580 =0.3351 约定： 1.表示测量结果的有效数字的末尾数 永远与不确定度的末尾数具有相同的 数量级（即尾数对齐）。 2.计算过程中，中间的运算结果可以 适当多保留一到二位有效数字。 3.绝对不确定度取一位有效数字， 相对不确定度可以取二位

16、有效数字 。 4，舍入时采用“四舍六入五凑偶”。 改错： 1. N =（2.586 0.036） 2. N =（23.9560.0201） 3. N =（2.36105 1000） 4. N = 1.231.235=1.519 = =（2.592.59 0.04 0.04） = =（23.960.0223.960.02） = =（2.36 0.01)2.36 0.01)1010 5 5 = = 1.23 1.23 1.235=1.521.235=1.52 实验数据的表示与处理 一、列表法 U(V)25364964 Ia(mA)27.727.727.727.7 Ib(mA)28.528.528.528.5 Ic(mA)30.630.630.630.6 Id(mA)31.331