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1、绪 论,物理实验,1 物理实验的意义、目的、要求,一、物理学是一门以实验为本的科学 物理学是一门基础学科，同时又是一门实验性很强的学科，物理学的发展史表明：实验既是建立物理理论的基础，也是检验物理理论的标准。 即：物理学两种研究方法都离不开实验。,1 物理实验的意义、目的、要求,方法实验研究方法（归纳法） 归纳法是建立在大量实验事实的基础上经过去粗取精去伪存真的分析,并加以概括和总结,将其归纳成带有普遍意义的定理、定律。,光的本性?,实验事实 光的折射反射实验牛顿粒子说，惠更斯波动说,牛顿,惠更斯,形成：粒子说+波动说,实验事实 傅科的测光实验、杨氏双缝和夫朗和费单缝衍射实验,形成: 波动说+
2、粒子说,傅科,托马斯.杨,夫朗和费,实验事实 光电效应实验,最终形成: 光的波粒二象性,阿尔伯特爱因斯坦,德裔美国科学家,1 物理实验的意义、目的、要求,方法理论研究方法（演绎法） 在应用大量数学工具的基础上，经过一系列的演绎过程，提出科学的预言和假说。但这一假说只有经过实验证实之后才能上升为理论。否则就是谬误。,宇称在弱相互作用领域不守恒?,第一步,杨振宁、李政道提出: 宇称在弱相互作用领域不守恒的假说,杨振宁,李政道,泡里与朗道的质疑,朗道,泡里,第二步,吴健雄,吴健雄,第三步,形成宇称在弱相互作用领域不守恒理论,结论：,没有物理实验就没有物理理论本身,1 物理实验的意义、目的、要求,二、
3、目的和要求 实验： 所谓实验就是利用科学仪器或设备在人为的条件下对所研究的实验现象进行模拟和复制的过程。 目的： 可使学生在运用所学到的理论知识、实验技术及实验方法解决实际问题方面受到必要的基本训练，培养严禁的科学态度和科学作风，树立辨证唯物主义世界观，并培养学生们的动手能力、再现能力、解决问题的能力。 要求： 为了达到这个目的，学生要把握学习的主动权，认真做好每个实验，明确：物理实验课是学生在教师指导下独立进行的教学环节。,为此，将整个实验过程分为三个部分。 课前准备 理论准备，仪器准备，观测准备预习报告 此项考核重在考核学生的自学能力，独立性能力及概括能力。 课堂实习 仪器调整与安装，观测
4、，记录操作成绩 此项考核重在考核同学们的科学素质、动手能力、分析问题、解决问题的能力。 实验报告 写实验报告是学生对课堂实习内容进行总结提高和深化实验收获的过程。 格式：名称，目的，仪器，原理，数据处理，误差分析及改进设想，解答思考题。 此项考核重在考核分析、判断、归纳、总结能力。,2 测量与测量误差,一、测量及测量误差分类 所谓测量就是借助仪器,用某一度量单位将待测量的大小表示出来。,七个基本量单位：长度、时间、质量、电流强度、发光强度、物质量、热力学单位。 直接测量：大部分基本量和部分导出量可以用相应的测量仪器进行直接求取直接测量。 间接测量： 更多的物理量是通过待测量与一些可以直接测量量
5、之间的函数关系间接求取间接测量。 注意：有些量既可以是直接量也可是间接量。如：R，P等。,2 测量与测量误差,二、误差及分类,误差：测量值与真值之差,误差存在于一切测量过程的始终,=x-x0,误差公理,分类：,一、系统误差,构成：仪器+环境+实验者 特点：偏向一致 来源：（1）仪器误差 （2）原理及方法误差 （3）个人误差,系统误差产生的原因明显， 但通过多次测量无法消除。,分类：,二、偶然误差,在同一条件下多次测量同一物理量时测得值总是有少许差异，且变化不定，并在系统误差消除之后依然存在。这部分绝对值的大小和符号经常变化的误差偶然误差。 特点：偏向不一致 来源：无法控制的偶然因素,偶然误差产
6、生的原因是随机的， 无法逐个消除，但多次测量时 有其统计规律性。,（） 单峰性：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大。（）对称性：绝对值相等的正误差和负误差出现的概率相等。（）有界性：绝对值很大的误差出现的概率近于零。误差的绝对值不会超过某一个界限。（）抵偿性：在一定测量条件下，测量值误差的算术平均值随着测量次数的增加而趋于零。,减少偶然误差的办法充分增大测量次数,分类：,三、粗差,3 直接测量误差的计算,一、直接测量结果的最佳值,设被测量结果为N，各直接测量结果的最佳值待求， 其真值为N0，各测量值依次为：N1，N2，N3， Nk ， 则各测量误差为：,，因此，在有限次测量中
7、不可能求出N0，然而,比任何一个测量值Ni作为N0的近似值都够可靠，故称N为直接测量结果的最佳值。,等式两边相加后：,当然，我们不否定某个或几个测量值比更接近N0，但因事先N0无法知道，故无法判断哪个值与N0更接近。但理论上可以通过最小二乘原理证明上述结论。,3 直接测量误差的计算,二、多次测量结果的偶然误差的表示,1、算术平均值的标准误差,目前国际上通用的标准形式，所以称为“标准误差”。 特点：理论严密，计算繁杂， 被广泛用于正式的科技报告中。,2、平均绝对误差,特点:理论上不够严密,方法简便, 故被广泛地用于普物实验中。,/n,3、单次测量误差 仪器最小分度值的1/2 单次测量多数被用于需
8、花费较长时间的实验中, 以及被测量量是随时间变化而变化的量。,4、测量结果的表示,575%、 68.3% 、95% 、99.7% 结论:误差是不可知的,5、绝对误差与相对误差,与N具有相同的量纲，它是以误差的绝对数来表示测量误差的大小。 前面的 与 等均为之。,当已知公认值时：,绝对误差：,相对误差：,但各直接量 测量时均存在误差， 因此，它们必然会将各自的误差传递给间接 测量量,4间接测量的误差误差传递公式,如：,误差传递公式,之间的关系式,最大误差传递公式,对于任意函数 , 由高等数学求全微分方法知：,其中：相加各项可正可负，故合成时，可“相长”也可“相消”，但由于其具体误差的符号并不确知
9、，为了慎重起见，只能作最不利的考虑，认为各项误差将相互加强，它是间接测量量N的最大误差出现的情况最大误差传递公式。,最大误差传递公式(书上P.12),或,例 1：,例 2：,其中当A，B，C等量间仅存在加、减关系时(包括有加减乘除混合运算时）,此时在求绝对误差时，“+”和“-”的地位是等同的，但相对误差是不等同的。,当A，B，C等量间仅存在乘除关系时,此时在求相对误差时， 的地位是等同的， 但绝对误差是不等同的。,先求,再求,先求,再求,结论,练习: 求下列各式绝对误差和相对误差的传递公式,估读，可疑数字,可靠数字,5 有效数字及其计算,4.23 cm,构成：可靠的几位数字和可疑的一位数字 例
10、：用钢板尺测长度,正确而有效地表示出测量结果的数字,其构成的最后一位虽然是可疑的，但读出来总比不多出来精确，因此它也是有效的，但这一位可疑数字只允许有一位最多有一位。 有效数字与测量仪器精度有关还与测量量大小有关。,1米尺、指针式仪表这类的刻度式仪器，要根据实验条件和实验者的判别能力进行估读，一般要估读到最小分度值的1/21/10（不能估读到0.1分度以下）。 2数字显示仪表直接读取其数显值； 4游标类量具，有效数字最后一位为游标分度值；,关于估读,有效数字相关规定,1.任何物理量均应写成有效数字的形式。 2.误差一般只保留一位有效数字，最多不超过两位。 3.误差与数值的最后一位对齐。 4.常
11、量有效数字是无限多的。 5. 数字间和数字后的“0”为有效数字。 6.变换单位，有效数字位数不变 7.科学计数法,0.0201 km = 20.1m = 20100mm,3.0 mm = ？ cm = ？ m,3.0 mm = 0.30 cm = ？ m,3.0 mm = 0.30 cm = 0.0030 m,为了正确而有效地表示出测量结果，避免混乱，计算方便，对有效数字做如下规定,3. 有效数字运算规则,（1）舍入原则(目的是使舍与入的机会均等),有效数字运算总原则 误差决定有效数字,小于5舍 大于5入 恰好等于5取偶,保留两位 有效数字 ？,有效数字加减，结果的有效数字中可疑数字要与相加减
12、的有效数字中最先出现的可疑数字对齐。,以可疑数最靠前的量为基准,尾数取齐,（2）加减运算,两个量相乘（或除）的积（或商），其有效数字与诸因子中有效数字位数最少的相同。,5.3 4 1 0.1 5 3 4 5 3 4 5 3.9 3 4 结果：5 4.0,化简,可以先进行位数取齐,（3）乘除运算,示例,求它的体积。,测得某圆盘数据如下：,先做基础工作,直径D=10.0120.004cm，高度h=2.124 0.004cm ，,（可以不写）,再算体积,1. 体积,计算误差,2. 误差,写出结果表达式,3.结果表达式,练习1 求各式绝对误差和相对误差的传递公式,练习2 利用有效数字运算法则计算下列各式,练习3 下列结果是否正确？错误的请改正,练习2 将下列各值取5位有效数字,下次课： 前一组预习实验?到教室? 后一组预习实验?到教室? 写好预习报告,课下任务,
