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1、大学物理实验课绪论,郑州航院数理系物理实验室,郑州航院数理系,【教学目标】,要求学生学习和掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能；学习和运用物理实验的方法和物理学原理来研究物理现象和规律。,郑州航院数理系,大学物理实验上课须知,实验前必须预习，并写出预习报告； 实验报告（含预习报告）必须在完成实验后的一周内交到物理实验室的办公室（基础实验楼C205）。无故迟交报告者，成绩降低一个等级。 一旦选课，学生必须准时到实验室进行实验。病或急事须办理请假手续，不然该次实验按0分处理。 选课后不做实验、因迟到而被取消实验资格、不交实验报告的学生该实验成绩按0分处理。 交实验报告时应检查一下自己的信息是
2、否写全，其中包括：班级、学号、姓名、实验名称及实验时间。,郑州航院数理系,物理实验成绩评定方法,本学期所开设的物理实验共计8个。 一旦选择了实验项目就必须完成（包括预习、操作和实验报告），不然该实验成绩计为0分。 本学期的实验成绩将按8个实验的总成绩进行平均，平均后所得分数即为每位学生本学期的最后实验成绩,郑州航院数理系,每次实验成绩，按满分100分进行评分，其中预习10分，操作、报告、创新等总计90分，具体分配按实验而定。 预习马虎、缺项（见预习要求）视情扣除5分至10分。抄袭及被抄袭者，按考试作弊处理。 违章操作损坏仪器者酌情扣除10至40分。 操作能力差和不能完成全部操作内容者扣除10至
3、40分。 报告内容不完整等逐项扣分。,物理实验成绩评分标准,郑州航院数理系,主要内容,明确大学物理实验课的目的和意义 怎样上好大学物理实验课 大学物理实验绪论课的主体内容,郑州航院数理系,物理实验的作用,物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。 物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。,郑州航院数理系,伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。 经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。 近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。 很多技术科学是从物理学的分支中独立出
4、去的。,郑州航院数理系,以诺贝尔物理学奖为例：,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。 实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。 有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。,郑州航院数理系,1997：发明了用激光冷却和俘获原子的方法 Steven Chu Cohen-Tannoudji William D. Phillips 1998：量子霍耳效应，电子能够形成新型粒子 Robert B. Laughlin Horst L. Stormer Daniel C. Tsui,郑州航院数理系,2001：玻色-爱因斯坦凝聚 E
5、ric A. Cornell Wolfgang Ketterle Carl E. Wieman,郑州航院数理系,某些同学的错误观念,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？,郑州航院数理系,一. 实验课的目的和意义,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,郑州航院数理系,三个主要教学环节 实验预习实验能否取得主动的关键 实验操作及注意事项
6、 实验报告实验的总结,二. 怎样上好物理实验课,郑州航院数理系,实验预习,明确实验目的， 预习实验原理， 了解实验注意事项。 预习报告是实验工作的前期准备，是写给自己参考用的，故要求简单明了。实验前应清楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方法和测量哪些数据才能实现实验的目的。,实验名称，实验目的； 实验简图（电路图或光路图）， 记录主要公式； 列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。 无需照抄实验原理！,预习报告,实验操作要求,遵守实验室规则； 了解实验仪器的使用及注意事项； 正式测量之前可作试验性探索操作； 仔细观察和认真分析实验现象； 如实记录实验数据和现象; 用钢笔或圆珠
7、笔记录数据，原始数据不得改动 整理仪器，清扫实验室。,实验报告,实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电路图或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果，尤其是利用作图求得的一些物理量。,实验报告内容,实验名称； 实验目的； 原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主 要计算公式等）； 主要实验仪器设备； 实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论； 实验现象分析、误差评估、小结和讨论。,三. 大学物理实
8、验绪论课 -测量、误差和数据处理,1. 测量与误差,2. 测量的不确定度和测量结果的表示,3. 有效数字及其运算规则,4. 实验数据处理与作图要求,郑州航院数理系,1. 测量与误差,1.1 测量,1.2 误差,1.3 误差的分类,郑州航院数理系,物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，把被测物理量与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。,1.1 测量,郑州航院数理系,被测量的测量结果用数值（标准量的倍数）、标准量的单位（物理实验中一般采用SI制）以及结果可信赖的程度（不确定度）来表示。 没有单位的物理量是没有意义的！,1.1 测量
9、,注意：在国际单位制（SI制）中，以米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉作为基本单位，其他量都由以上七个单位导出，称为国家单位制的导出单位。,郑州航院数理系,因此，测量的必要条件是被测物理量、标准量及操作者。测量结果应包含数字和单位，必要时还要给出测量所用的量具或仪器，测量的方法及条件等。,郑州航院数理系,测量的分类,直接测量 将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到的测量值。,郑州航院数理系,2. 间接测量：,利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系，求得该被测物理量。 如：测圆柱体的体积,郑州航院数理系,1.2 误差, 在实际的测量过程中,由于测量仪器、测量方法、测量条
10、件和测量人员的水平以及种种因素的局限,不可能使测量结果与客观存在的真实值之间完全相同,我们所测得的只能是某物理量的近似值。 任何一种测量结果的量值与真值之间总会或多或少地存在一定的差值,将其称为该测量值的测量误差,简称“误差”,误差的大小反映了测量的准确程度。,郑州航院数理系,绝对误差 = 测量值真值 相对误差 = 真值是一个理想的概念，一般说来是不知道的，实际测量中有时采用已修正过的被测量的算术平均值来代替真值，称为约定真值。,误差的表示,绝对误差,真值,郑州航院数理系,误差的来源,来源,测量过程中产生,处理测量数据时产生,仪器,方法,环境,主观,误差的消除或减小是实验技能问题，采取各种措施
11、将它降低到最小程度。,郑州航院数理系,1.3 误差的分类,（1）系统误差,在相同条件下（指方法、仪器、环境、人员）多次重复测量同一量时，误差的大小和符号（正、负）均保持不变或按某一确定的规律变化，这类误差称为系统误差，它的特征是确定性。前者称为定值系统误差，后者称为变值系统误差。,郑州航院数理系,天平不等臂所造成的 系统误差,仪器误差,郑州航院数理系,A,O,B,b,郑州航院数理系,如：螺线管磁场公式 成立条件是螺线管为无限长，管壁磁漏可忽略。,由于理论推导中的近似,产生的 系统误差。,理论误差,郑州航院数理系,公式 （忽略了空气阻力等）,郑州航院数理系,主观因素,心理作用，读数（估计）偏大或
12、偏小。,生理因素,嗅觉 色觉 视觉,对音域（20HZ-20KHZ）的辨别。,听觉,对音色的辨别。,郑州航院数理系,环境因素,静电的干扰,输入,光点检流计,接近时，静电干扰，使光斑移动等。,郑州航院数理系,方法,内接法,V,VR,VA,V,IR,IV,用V作为VR的近似值时,外接法,用I作为IR的近似值时,郑州航院数理系,（2）偶然误差,偶然误差也被称为随机误差，是由实验中多种因素的微小变动所引起的。,温度忽高忽低,气流飘忽不定,电压漂移起伏,郑州航院数理系,(1)随机现象：在一定条件下，可能发生也可能不发生，或者出现多种结果的偶然现象。 (2)概率：某一事件在试验中发生的可能性的大小，用P(X
13、)或PX|表示。,偶然误差的相关数学知识,郑州航院数理系,P正面朝上=,什么是概率,前提是无数次的投掷,郑州航院数理系,偶然误差没有规律,其大小和方向也都是不可预知的。但对一个量进行足够多次的测量,则会发现它们的偶然误差是按一定的统计规律分布的,最最典型和常见的分布规律是正态分布规律。,郑州航院数理系,正负误差出现的几率相等； 绝对值较小的误差出现的次数较多； 很大的误差通常不出现； 随机误差的算术平均值趋于零；若无系统误差，测量的平均值趋于真值。,偶然误差正态分布的特点,偶然误差的正态分布曲线,0,郑州航院数理系,偶然误差和系统误差的形象表示,子弹着靶点分布图,（a）偶然误差小，系统误差大
14、（b）偶然误差大，系统误差小 （c）偶然误差和系统误差都小,郑州航院数理系,2. 测量的不确定度和测量结果的表示,2.1 测量的不确定度,2.2 偶然误差与不确定度的A类分量,2.3 不确定度的B类分量,2.4 测量结果的表示,郑州航院数理系,2.1 测量的不确定度,由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度即为测量的不确定度,它给出测量结果不能确定的误差范围。一个完整的测量结果不仅要标明其量值大小,还要标出测量的不确定度,以表明该测量结果的可信赖程度。 通常不确定度按计算方法分为两类,即用统计方法对具有随机误差性质的测量值计算获得的A类分量 ,以及用非统计方法计算获得的B类分量,郑州航院数
15、理系,2.1 偶然误差与不确定度的A类分量,偶然误差的特点就是偶然性，它最最典型和常见的分布规律是正态分布规律，其数学表达式为：,郑州航院数理系,2.2.1 偶然误差的分布与标准偏差,设对物理量X进行大量无系统误差的重复测量，测量值xi(i=1,2,）满足正态分布，则,测量的随机误差,平均值 等于真值,测量的标准偏差,测量误差的分布函数,郑州航院数理系,标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高； 标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,标准偏差表示测量值的离散程度,郑州航院数理系,任意一次测量值落入区间 的概率为,这个概率叫置信概率，也称为置信度
16、。对应的区间叫置信区间，表示为：,郑州航院数理系,扩大置信区间，可增加置信概率,郑州航院数理系,平均值 假定对一个物理量进行了n次测量， 测得的值为xi (i =1, 2，n) 可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。,2.2.2 多次测量平均值的标准偏差,郑州航院数理系,有限测量时，算术平均值不等于真值，它的标准偏差为： 的意义可以理解为： 待测物理量处于区间 内的概率为0.683。,郑州航院数理系,在测量次数n较小的情况下，测量值将呈t分布； t分布时，置信区间和置信度的计算需要对特殊函数积分，且不同的测量次数对应不同的值，计算很繁。,郑
