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1、物理学实验讲义余冬兰 杜丽娅 编 谭润初 袁剑辉 主审中山大学新华学院生物医学工程系二零一零年一月前 言根据学院办学定位及培养目标，本讲义侧重与培养学生应用型、强技能，并具有创新能力的要求，选择出十个实验项目，包括基本数据处理、力学、电磁学、光学的内容。同时为了培养学生的动手能力，在本讲义中增加焊接技术及元件识别、看电路的初步知识。该教材由余冬兰老师、杜丽娅老师经过多次实际进行操作完成此讲义，并由系主任谭润初教授、设备办袁剑辉教授主审。本讲义是我系首次编写的实验讲义，由于时间仓促，难免有不足之处，望使用者多提宝贵意见，以便今后修改。 编者 2010年1月 目 录绪 论- 1 -实验一 基本测量
2、- 14 -实验二 落球法变温液体粘滞系数测量- 22 -实验三 菲涅尔双棱镜干涉测波长- 28 -实验四 光的偏振研究- 31 -实验五 分光计的调整及利用光的反射原理测量棱镜的角度- 41 -(不做)实验六 光栅常数的测定- 49 -实验七 霍尔效应及其应用- 56 -实验八 半导体PN结的物理特性- 62 -实验九 示波器的使用- 67 -实验十 A类超声实验- 78 -(不做)实验十一 ZX619型六管超外差收音机组装- 85 -物理学实验讲义绪 论物理学是一门重要的自然科学。物理学的研究方法包括理论和实验两个方面；由于物理学研究的是自然界物质的基本运动，所以物理学从本质上来说是一门实
3、验科学。理论的建立来源于实验和观测，另一方面又必须通过实验来检验。物理实验课程是教育部确定的一门主要基础课。是高等学校对学生进行科学实验基础训练的一门重要课程，是一门独立设置的必修课，是大学生系统学习科学实验知识和技能的开端。通过对它的学习可以锻炼学生用实验手段发现、观察、分析物理问题的能力。因此，学好物理实验课程对于高等理工科院校的学生是十分重要的。 一、物理实验课的目的和任务本课程的具体任务是：1. 通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，从理论和实践的结合来加深对物理学理论的理解。2. 对学生进行系统的实验理论教育，并进行实验方法、实验技能和科学实验能力的培养和训练
4、。这包括：（1）通过阅读实验教材或资料，能够理解其中的内容并做好实验前的准备工作；（2）借助教材或仪器说明书，能够正确调整和使用相关的实验仪器；（3）正确观察实验现象，对实验现象及实验中的问题能够进行初步的分析和判断；（4）正确记录和处理实验数据；（5）根据处理好的数据和相关曲线，能够分析误差并写出规范化的、合格的实验报告；（6）培养简单的设计能力：能够完成简单的具有设计性内容的实验。3. 培养与提高学生的科学素养。要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风；一丝不苟、严肃认真的工作态度；遵章守纪、爱护公物的优良品德。二、物理实验课的重要环节：为了达到物理实验课的目的，下面三个环节是特别重要
5、的，每个学生必须扎扎实实地学习和训练。现分别介绍这三个环节。（一）实验预习预习主要有两种方式，一是阅读实验教材和相关书籍，另一是在计算机上进行预习实验和仿真实验。通过预习应该达到：1. 明确实验目的和任务；2. 弄懂实验原理（比如：实验的基本思想、公式、电路图、光路图）和实验条件；3. 初步了解主要仪器的调节、使用和操作要点；4. 搞清楚并熟悉实验步骤和注意事项；5. 在上面四点都明白的基础上写好预习报告和数据记录表格。（二）课堂实验1. 在课堂上教师作指导性讲解，学生应注意听讲，特别要注意教师所强调的指导内容、实验要求以及注意事项，必要时应做记录。2. 进一步熟悉仪器，切实掌握仪器的正确使用
6、。然后依照拟定的实验步骤，独立地实施操作，认真观察物理现象，随时注意仪器设备的工作情况。当发现异常现象或故障，应立即断开电源，终止实验，及时向教师报告，经妥善处理后，方可继续实验。3.在记录数据时一定要完整、清晰、准确，要尽可能地反映测量的最高精确程度，不允许无谓地丢失有效数字位数。如有记错或重做测量时，不要将原来记录涂涂改改，而应将记录用“”号或“方框”表示无效记录，更改后的数据应记录在清晰的空位上，或另画表格记录。记录要实事求是，不允许弄虚作假，抄袭别人的记录。测试完毕后，将数据记录交指导教师签字认可。然后整理实验仪器，在实验记录本登记后再行离开。（三）写好实验报告实验报告是实验结果的书面
7、总结。这项工作一般包括两部分内容：一是继续完善预习报告；另一个是做好测试报告。测试报告的工作内容有：记录实验设备的型号和编号，填写数据表格，进行数据处理（计算平均值和误差，画图表等等），测试结果的表示以及实验的分析讨论（误差的原因分析、改进建议、心得体会等等）。有效数字和测量误差大学物理实验有一些基本概念是必须掌握的，比如：测量、误差以及有效数字的概念。另外测量结果的评价也是非常重要的。物理实验，主要的内容大致分为三个部分，第一部分是设计或选用合适的实验仪器，为测量做好准备工作，使得物理现象再现。第二部分是测量，一切实验都离不开测量。测量是物理实验的中心工作，测量操作是否合理，决定了测量结果是
8、否有意义。第三部分是数据处理，数据处理的内容包括：实验数据的运算和整理归纳，找出物理量之间的数学关系并估计结果的可靠程度，用正确方式表示实验结果，从而得出物理规律。一、 测量测量就是借助仪器，将待测量与选作计量标准单位的同类量进行比较，并得出其倍数的过程。这个倍数值带上单位就称为测量值，所以，一个物理量的测量值应是由数值和单位两部分组成，如：273.15K，2.988108m/s等等。按测量方法，测量可分为直接测量和间接测量。（1）直接测量：凡是用计量标准单位和待测量进行比较就可以直接从计量仪器上得到测量值的，这种测量叫做直接测量。相应的物理量称为直接测量量。例如用米尺测物体的长度，用天平和砝
9、码测物体的质量，用温度计测液体的温度，用直流电桥测电阻数值等等。（2）间接测量：某些物理量，由于没有或无法提供直接测量的仪器，因此，就必须首先直接测量几个与待测物理量有关的其它量，然后根据待测物理量与某几个其它的直接测量量的函数关系进行运算才能得到结果，这种测量叫做间接测量。相应的物理量称为间接测量量。例如测某圆柱体的密度，必须先测出该圆柱体的直径D、高度H和质量m，再根据公式进行运算，才能得出密度的测量结果，对其它几个量的直接测量，也是对这个量的间接测量。要知道，在物理量的测量中，绝大多数是间接测量，但直接测量是间接测量的基础。二、有效数字有效数字是指通过仪器测到的而不是臆造出来的数字，即在
10、测量结果中可靠的几位数加上可疑的一位数统称为测量结果的有效数字。例如我们用最小分度为毫米的米尺测量一个物体的长度，如图2所示，经过比较读出物体的长度为13.6mm，这读数的前二位是从米尺上直接读出的准确数字称为可靠数字，而最末一位0.6mm是从最小分度之间估计出来的，称为可疑数字（尽管可疑，但还是有一定根据的，是有价值的）。把可靠数字和一位可疑数字合起来，称为有效数字，这里的0.6mm，已经是估计出来的，因而用这样规格的尺来进行测量已不可能再精确了。 图一但是如果用其它精度高一些的仪器，如千分尺（最小分度为0.01mm）进行测量，则还能够更准确地加以确定。例如测得的数据为13.724mm，这时
11、有效数字增加到了五位。这里的0.004mm是估计出来的可疑数字。由此可见，同一长度用不同精度的尺子量，有效数字的位数不一样，这说明一个测量结果的有效数字的多少与测量仪器的最小分度有关，不是任意的。实验测得的数据中的有效数字与数学中的数值有区别，它不仅表示量的大小，还表示了测量该量的精确性，测定量的有效数字愈多，表示测量的精确性越高，因此处理实验数据时应注意以下几点：（1） 有效数字的多少由测量仪器的精密程度和被测量的大小所决定，不能随便增减。“0”也是有效数字，如。10.20cm不能写成10.2cm或10.200cm。（2） 表示小数点位置的“0”不是有效数字，如0.00120m前面的三个“0
12、”，他们仅表示单位的大小，并不能表示测量时的精密程度，因此书写时尽量避免，应写成（三位数小数字）（3） 有效数字与小数点的位置无关。当某量的单位改变时，有效数字的位数不能有所增减，如10.23cm化成微米时，不能写成102300um,应写成，化成千米时应写成，仍为四位有效数字。（4）计算公式中的常数：公式中出现了1/4,e,等，可以认为其有效数字是无限的，计算时一般取与各测量值位数最多的相同或多于一位，不影响最后结果的有效数字。使用有效数字的目的：可以避免反复的运算，并能使实验的结果配合测量仪器的精密程度；同时便于选择适当精密程度的仪器，达到实验所需要的结果。三、误差一个量的真值是客观存在的，
13、但由于各种原因，它常常难以知道，所以真值常是一个理想的概念。从测量中得到的有效数字，只是该量的近似值，并不是该量的真值，近似值可能比真值大或小，他们的差称为测量中的误差。（1）系统误差：测量值与真值之间有一定倾向的系统性偏差称为系统误差。产生原因：由于测量仪器的缺点以及实验理论的不完善而产生。这种误差多半是测量结果总是偏于一边，或是过大或是过小，增加测量次数并不能减少这种误差的影响。消除系统误差还要从产生系统误差的原因方面解决。如修正理论公式，校准实验仪器，创造符合要求的实验条件等等。（2）偶然误差：由于偶然因素造成的无规则的数据涨落称为偶然误差。造成偶然误差的“偶然因素”，即指客观环境条件的
14、偶然性干扰，也包括由观测者感觉器官灵敏程度的局限所引起的读数涨落。例如当仪器指针在某一小格的中间附近时，由于没有确切的读数依据，只凭视觉估计，读为0.5格，或0.4格，或0.6格，甚至更大的差别都是可能的，此外，某些待测量本身的无规则微小变动，如圆筒直径在不同方向有微小差别，也属于偶然误差来源之一。在实验中对某一物理量进行多次的重复测量，有偶然误差引起的数据涨落，在觉大多数情况下，都具有以下的特点：a.必然存在偏大的数据，也同时必然存在偏小的数据(都是相对真值而言，假设系统误差不存在)。如果测量次数足够多，则全部数据，差不多有一半偏大，有一半偏小。b.不论偏大还是偏小，误差较小的数据比误差较大
15、的数据多。以上两点是指重复多次测量的一系列数据总的表现，对于其中具体的某一次测量来说，其测量结果将是偏大还是偏小，以及大约偏大多少偏小多少，是完全不能预言。可以看出偶然误差的表现就每一次测量的数据而言是没有规律的，是偶然的，而在重复多次测量的一系列数据中确实有规律的，是必然的。这种规律就是统计规律。可归结为一条重要的结论：在一系列重复测量的数据中，偏大的数据和偏小的数据又相互抵消性，测量次数越多，这种抵消性越明显。理论上当测量次数趋于无穷多时，所有各次测量的偶然误差就完全抵消了，因此消除偶然误差的最好方法就是增加测量次数，用多次测量的平均值来表示测量值，以便达到减小偶然误差的目的。（3）过失误差有个别的误差明显超出规定条件下的预期值，这样的误差称为过失误差。产生的原因是多方面的。测量者缺乏经验，粗心大意或疲劳造成测错，读错，记错，算错等过失，是产生粗差的主要原因；此外，外界的突发性干扰，使实验
