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1、大学物理实验 荆楚理工学院数理学院应用物理教研室 刘 进 2013年9月 1 如何正确认识实验课的作用 明确实验课的目的和意义 实验绪论的主体内容 实验报告撰写与实验考核指导 2 实验课是为了培养动手能力 实验课仅仅是为了培养动手能力？ 更重要的是：观察、思考和读懂文字 眼观六路（想），耳听八方（想） 四年大学学习你能够带走的是什么？ 3 学习并掌握各种基本物理量的测量方法 学习并掌握各种基本测量仪器的使用方法 学习并掌握实验数据处理的基本方法 学习并掌握实验报告的撰写方法 四个基本方法=基本工作能力 创造性的思维能力创造性的思维能力 4 大学物理实验课的任务 通过大学物理实验课的学习，学生应
2、在习惯、知识、能力三通过大学物理实验课的学习，学生应在习惯、知识、能力三 方面达到如下要求：方面达到如下要求： （一）培养良好的科学实验素养。（一）培养良好的科学实验素养。 （二）掌握物理实验的基础知识，加深对物理学原理的理解。（二）掌握物理实验的基础知识，加深对物理学原理的理解。（ 三）培养与提高科学实验能力。三）培养与提高科学实验能力。 5 大学物理实验课的作用 大学物理实验课是高等工科院校的一门必修基础课程大学物理实验课是高等工科院校的一门必修基础课程 ，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和 解决问题能力的重要课程。物理实验课
3、和物理理论课具有解决问题能力的重要课程。物理实验课和物理理论课具有 同等重要的地位。同等重要的地位。 诺贝尔物理学奖获得者、著名理论物理学家杨振宁教诺贝尔物理学奖获得者、著名理论物理学家杨振宁教 授曾经说过，授曾经说过，“ “物理学是以实验为本的科学物理学是以实验为本的科学” ”，这充分说明，这充分说明 了物理实验的作用和重要性。了物理实验的作用和重要性。 6 物理实验课的基本程序和要求 一、实验课前预习一、实验课前预习 1 1、 预习讲义中与本实验相关的全部内容。预习讲义中与本实验相关的全部内容。 2 2、写出预习报告（实验题目、目的、仪器、原理、写出预习报告（实验题目、目的、仪器、原理 、
4、主要计算公式、原理简图），准备原始实验数、主要计算公式、原理简图），准备原始实验数 据记录表格。据记录表格。 7 二、课堂实验操作二、课堂实验操作 1 1、上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。、上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。 2 2、必须在了解仪器的工作原理、使用方法、注意事项的基础上，、必须在了解仪器的工作原理、使用方法、注意事项的基础上， 方可进行实验。方可进行实验。 3 3、仪器安装调试后经教师检查无误后方可进行实验操作。、仪器安装调试后经教师检查无误后方可进行实验操作。 4 4、注意观察实验现象，认真记录测量数据，将数据填入实验记录、注意观察实验现象，认真记录测量数据，将数据填入
5、实验记录 表格表格, ,数据须经指导老师检查及签字。数据须经指导老师检查及签字。 5 5、实验后请将使用的仪器整理好，归回原处。经教师允许后方可、实验后请将使用的仪器整理好，归回原处。经教师允许后方可 离开实验室。离开实验室。 三、课后按要求完成实验报告三、课后按要求完成实验报告, ,并在规定的时间交任课老并在规定的时间交任课老 师。师。 8 教学安排 大学物理实验课力学、热学、光学部分 本学期： 讲课、基本实验、考试（笔试） 共计36学时，按课表排定时间上课 9 大学大学物理实验绪论物理实验绪论 1.1.物理实验的地位和作用物理实验的地位和作用 2.2.测量误差和不确定度测量误差和不确定度
6、3.3.实验数据的列表与作图实验数据的列表与作图 4.4.怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课 10 测量与误差 测量的概念和常用词汇 测量和测量单位 测量的实质就是将待测物体的某物理量与相应的标准做 定量比较。 测量的结果应包括数值（即度量的倍数）、单位以及结 果可信赖的程度（用不确定度来表示）。 11 直接测量、间接测量、等精度测量 直接测量：把待测物理量直接与作为标准的物理量进行比较 。例如用米尺测物体的长度，用电流计测线路中的电流 间接测量：指利用直接测量的量与被测的量之间已知的函数 关系，从而得到该被测量的量。例如测物体密度时，先测出 该物体的体积和质量，再用公式算出物体的密度。 等
7、精度测量：同一个人，用同样的方法，使用同样的仪器， 并在相同的条件下，对同一物理量进行的多次测量。物理实 验中所说的多次测量通常指等精度测量。 12 测量方法 比较法、补偿法、放大法、模拟法、平衡测量法 振动与波动方法 光学实验方法：干涉法、衍射法、光谱法、光测法 非电量的电测法 被测量传感器测量电路 指示仪表 数据处理仪器 记录仪表 图： 非电量电测法 13 误差（绝对误差、相对误差）与真值 误差：测量误差就是测量结果与被测量的真值（或约定 真值）之间的差值，测量误差的大小反映了测量结果的 准确程度。测量误差可以用绝对误差表示，也可以用相 对误差表示。 绝对误差()测量结果（x）被测量的真值
8、（a） 相对误差（Er）绝对误差（）/ 真值（a）100% 真值：是一个理想概念，一般说来实验者对真值是不知 道的。通常用算术平均值来代替真值，称为约定真值。 14 2.2.测量误差和不确定度测量误差和不确定度 2-1 2-1 测量的误差和不确定度基础知识测量的误差和不确定度基础知识 2-2 2-2 实验数据的有效位数实验数据的有效位数 15 2-12-1测量的误差和不确定度基础知识测量的误差和不确定度基础知识 测量 测量结果应包括数值、单位和对测量结果精确程度的评价 以电阻测量为例： 测量对象 数值 不确定度 单位 含义：R 的真值有相当大（例如95%）的可能（概率）位于区间 （909.9，
9、910.7）之内。 不必写成R=(910.30.4) R=910.30.4 R=910.3 0.4() 16 测量分为直接测量和间接测量 直接测量：被测量直接与标准量相比较而得出测量 结果 间接测量：利用被测量与可以直接测量的的函数关 系，通过计算而得出测量结果 17 例： 测量铜柱的密度时，我们可以用米尺量出它的高h 和直径d，算出体积 后用天平称出它的 质量M，算出密度： 这里，我们说： 铜柱的高 h、直径d 和质量M是直接测得量，体积V 和密度是间接测得量。 18 误差的定义、分类和性质误差的定义、分类和性质 误差公理：测量总是存在误差的 误差定义： 。 :测量值； :真值 推论： (1
10、).真值不可确知 (2).误差不可确知 误差虽然不可确知，但我们可以分析误差的主要来源 ，尽可能消除或减小某些误差分量对测量的影响，把它控 制在允许范围之内。对于最终不能消除的误差分量，我们 还可以估计出它的限值或分布范围，对测量结果的精确程 度作出合理的评价。 19 误差分类误差分类 系统误差：由于确定的原因，以确定的方式引起。 具有确定性，服从因果律; 随机误差：由大量、微小、不可预知的因素引起。 具有随机性，服从统计律; 产生原因： 系统误差： 如仪器误差，方法误差，人员误差 随机误差： 如实验条件和环境因素的起伏，估读数的 偏差，测量对象的不稳定 20 系统误差的处理系统误差的处理 已
11、定系统误差：设法消除，或修正 测量结果 = 测得值(或其平均值)已定系统误差 （如电表、螺旋测微计的零位误差；伏安法测电阻时电表内阻 引起的误差） 未定系统误差：估计其限值，归入B类不确定度参与 对测量结果的评价（如仪器误差） 21 随机误差的处理随机误差的处理 随机误差的特点： 小误差出现的概率大；大误差出现的概率小 正、负误差对称分布，具有抵偿性 处理方法： 取多次测量的平均值为测量结果的最佳估计值 研究其分布，找出其特征值，归入A类不确定度, 参与对测量结果的评价 22 随机误差的分布随机误差的分布 正态分布：随机误差一般服从正态分布 特点： (1). 分布的平均值是 x0 ，即真值 (
12、2). 是方差 称为标准差，反映测量值的离散程度 23 (3). 置信区间 与置信概率（置信水平）的 关系： 24 参数的估算参数的估算 假定系统误差已消除，对同一个物理量进行了n次测量 ，测得的值为xi (i =1, 2，n) (1) 用多次测量的算术平均值作为x0的估计值： (2) 用标准偏差 作为 的估计值 按贝塞耳公式求出： 25 不确定度 是概率意义上对测量结果精确程度的评价。 在计算出不确定度后，测量结果写成 表明 x 的真值 以 的置信水平落在置信区间 内,（误差 则落在区间 内） 给得越大置信水 平 越高。 （关键是找出 与置信概率的关系） 必要时还可以同时写出相对不确定度（用
13、百分数表示） 不确定度不确定度 26 例：测得两个物体的长度为： 其相对不确定度分别为： 两者不确定度相等，但相对不确定度后者大1个数量级。 注：不确定度的小数点有效数字与测量值小数点后 有效位相同。 27 不确定度分类 不确定度分为两类： A 类分量 (多次重复测量时)可用统计学方法计算的 分量； B 类分量 用其他方法（非统计学方法）估算的分量。 总不确定度是这两类分量的方和根合成： （公式 中， 是总不确定度，置信概率取为95%） 28 A A类不确定度类不确定度A的计算的计算 计算标准偏差 取置信水平 时， （ 参看附表1，若5 n 10 ，可粗略地取 ） 因子 ：考虑到随机误差的抵偿
14、性而引进 因子 t ：考虑到公式 与 的差异而引进 29 在大学物理实验中，简单取B为仪器标定的最大允差仪 B B类不确定度的估算类不确定度的估算 仪 器 名 称量 程最小分度值最 大 允 差 钢板尺 150 mm 500 mm 1000 mm 1 mm 1 mm 1 mm 0.10 mm 0.15 mm 0.20 mm 游标卡尺 125 mm0.02 mm 0.05 mm 0.02 mm 0.05mm 螺旋测微器（千分尺） 025 mm0.01 mm0.004 mm 七级天平（物理天平） 500g0.05g 0.08g（接近满量程） 0.06g（1/2量程附近） 0.04g（1/3量程附近） 普通温度计 精密温度计（水银） 0100 0100 1 0.1 1 0.2
