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1、第一节第一节 物理实验课程概述物理实验课程概述 第二节第二节 测量、误差和不确定度测量、误差和不确定度 第三节第三节 有效数字有效数字 第四节第四节 实验数据的表示与处理实验数据的表示与处理 Date1 第一节 物理实验课程概述 物理实验课程的基本情况 物理实验课的基本程序 （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 （四）实验成绩考查（四）实验成绩考查 ( (五五) ) 实验室规则实验室规则 本学期内容安排 Date2 一物理实验课程的基本情况 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
2、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。 Date 3 杨振宁教授： “物理学是以实验为本的科 学”。 “大学物理实验”是理工科院校各专业的一门必 修
3、的、独立设置的基础实验课；是学生在大学 接受系统实验方法和实验技能训练的开端。 80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家 。 20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享 的。 Date4 伽利略的自由落体实验 人人都认为重量大的物体 比重量小的物体下落的快伽 利略，大胆的向公众的观点挑 战，他从斜塔上同时扔下一轻 一重的物体，让大家看到两个 物体同时落地他向世人展示 尊重科学而不畏权威的可贵精 神 Date5 伽利略的加速度实验 亚里士多德曾预言滚动球的速度是均匀不变 的伽利略却证明铜球滚动的路程和时间的平方 成比例。 Date6 牛顿的棱镜分解太阳光 牛顿把一面三棱镜放在阳光 下，透过三棱镜
4、，光在墙上被分 解为不同颜色，后来我们称作为 光谱 Date7 托马斯杨的光干涉实验 Date8 托马斯杨的双缝演示应用于电子干涉实验 科学家们用电子流代替光束来解释这个实验。 根据量子力学，电粒子流被分为两股，被分得更小 的粒子流产生波的效应，他们相互影响，以至产生 像托马斯杨的双缝演示中出现的加强光和阴影这 说明微粒也有波的效应 Date9 二物理实验课的基本程序 （一）课前预习 阅读教材、资料，看懂实验原理、清楚内容. 在统一的实验报告册上书写实验预习报告，包括:目 的、仪器、原理、注意事项；简明画出实验原理图。 Date10 （二）课堂实验操作 实验者应准时来到实验室进行实验。首先，在
5、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仪器，禁止盲目动手。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。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 。实验完毕后，实验数据需经教师检查签字后方可离开。 看规则、注意事项注意安全 熟悉仪器及使用方法学会正确使用实验仪器 仔细观察并分析实验现象培养应用知识、分析问题的能力 认真测量，正确记录培养严谨的科学态度 仪器发生异常、故障速请教老师 数据须经老师审查签字 归整仪器，保持卫生,养成良好习惯 Date11 （三）
6、实验报告书写 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、实验仪器 4、实验原理（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、实验内容与步骤 Date12 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。最后要给出实验结果，得出实验结 论，写出表达式。 7、回答问题或讨论。 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
7、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。 其中1 2 3 4 5为实验预习报告内容 Date13 （四）实验成绩考核办法 （1）本课程实验考核方式是考查。 （2） 平时考勤和预习10%,实验操作成绩30%，实 验报告30%, 期末操作考试30%。 期末操作考试方式为:从指定的几个实验 中抽取一个实验;先进行此实验理论答题, 再进行操作考试,最后完成此实验数据处理。 Date14 物理实验课学生须知物理实验课学生须知 1、所有实验不得无故迟到、缺席。无故迟到者按迟 到时间相应扣分。无故缺席者按零分记。若因病(要 有医生证明)、因事而缺课，应提前请假，并及时到 大学物理实验
8、中心办理补课手续，报告仍交原实验教 师批改，成绩由原实验教师登记。 2、实验课绝不以“数据完美”评定成绩，切不可主观 意愿更改数据，更不允许抄袭、拼凑和伪造数据。只 有依靠真实数据，才能看到事物的本来面貌。操作完 毕应主动请教师审核实验记录并签字，不经教师签字 的记录无效。 Date15 3、实验前需认真检查实验仪器，如发现仪器损坏立 即报告（实验开始后十分钟内），实验过程中仪器损 坏应及时报告，查明原因，若确为不良操作造成的人 为损坏视情节轻重给予赔偿。 5、实验报告应于实验后一周内交实验指导教师，抄 袭他人报告者按不及格处理。 4、进实验室须衣着整洁大方，不带耳机，不开手机 ，不吃东西，不
9、随地吐痰，不乱扔纸屑，不高声喧 哗，注意保持实验室内外环境卫生，保持安静。 物理实验课学生须知物理实验课学生须知 Date16 第二节 测量、误差和不确定度 一测量 测量：借助仪器把待测物理测量：借助仪器把待测物理 量的大小表示出来的过程量的大小表示出来的过程。 Date17 测量的分类 直接测量:可直接从测量仪器（或量具）上读出 待测量的值. 110cm110cm 234567890 3.95cm3.95cm 长度、质量、温度等。 Date18 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 体积、密度、粘度等。 Date19 由于测量方法、
10、测量仪器、测量环境、测量者的观察力等种种因素 的局限，使测量结果都可能有误差。 二 误差 （一）误差的分类 l 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： l 1.系统误差 l 2.偶然误差 l 3.过失误差 Date20 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
11、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）。 Date21 操作读数时的视差影响 （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）。 Date22 （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
12、定度）中反映出来。 Date23 2.偶然误差 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 差称为偶然误差。 温度忽高忽低气流飘忽不定 电压漂移起伏 Date24 偶然误差的特点偶然误差的特点：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（专对同一物理量作多次重复测量（专 业术语：业术语：等精度重复测量等精度重复测量），其测），其测 量值将有时偏大，有时偏小。每次量值将有时偏大，有时偏小。每次 测量值的偏大偏小具有偶然性，但测量值的偏大偏小具有偶然性，但 只要测量次数足够多，测量所得到只要测量次数足够多，测量所得到 的一系列数据的的一系列
13、数据的偶然误差就服从一偶然误差就服从一 定的统计规律，即正态分布规律定的统计规律，即正态分布规律。 增加测量次数可以减小偶然误差增加测量次数可以减小偶然误差 ，但不能消除。，但不能消除。 Date25 标准正态分布如下图所示：标准正态分布如下图所示： 均方根差（标准偏差）均方根差（标准偏差） 反映了测量数据的离散程反映了测量数据的离散程 度度值小，测量值的误差值小，测量值的误差 中绝对值小的误差出现的中绝对值小的误差出现的 机会多，数据比较集中，机会多，数据比较集中， 重复性好、测量的精密度重复性好、测量的精密度 高。反之亦然。高。反之亦然。 Date26 3过失误差 那些因为设计错误、操作不
14、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 坏记录。尽管有人把由此而产生的误差归类为 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，用来发现及剔 除那些坏记录，以消除过失误差。 Date27 测量值x与真值之间总存在一定的差异，这种差异 称为测量误差，表示为： 我们称之为测量的绝对误差。 真值真值: :是反映物体特性的某一物理量在一定的条是反映物体特性的某一物理量在一定的条 件下所具有的真实数值。件下所具有的真实数值。 n相对误 差 （二） 误差计算 Date28 在下面的讨论中，我们是在假定没有系统误差的 前提下，研究偶然误差的问题。 一、 单次直接
15、测量的误差估算 在物理实验中，常常由于测量准确度要求不高 或条件不许可等原因，对一个物理量的直接测量只 进行了一次。这时，可根据实际情况，对测定值的 误差进行合理的具体的估算，在一般情况下，对于 偶然误差很小的测定值，可按仪器出厂检定书或仪 器上直接著名的仪器误差作为单次测量的误差。如 果没有注明，也可取仪器上的最小刻度的一半作为 单次测量的误差。 (三) 结果表示 Date29 例如：标尺的最小刻度为1毫米，用它测定金属棒长度为 287.5毫米，测量结果表示为 注意：单位不要忘记。 Date30 Date31 二、多次测量的平均值及算术平均偏差 为了减少偶然误差，在可能的情况下，总要采用多次 测量，将各次测量的算术平均值作为测量的结果，如果在相 同的条件下对某物理量X进行了n次重复测量，其测量值为 x1,x2,x3xn 用平均值表示。则 Date32 根据误差统计理论，在一组n次测量的数据中，算术平均 值最接近于真值，称为测量的最佳值或近真值。在这种情况下， 测量的误差可用算术平均偏差表示，其定义的数学表达式是： 严格来讲，误差是测量值与真值之差，而测量值 与平均值之差称为偏差，这两者是有区别的。由于 真值的不可知，而平均值又最接近于真值，因此， 一般
