物理实验设计与实践

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1、物理实验设计与实践物理实验设计与实践物理实验方法与实验设计徐志君物理实验设计与实践物理实验设计与实践一. 误差与回顾二. 实验数据处理方法三. 物理实验的基本方法四. 物理实验中的基本调整与操作技术五. 误差在实验设计中的应用内容提要内容提要物理实验设计与实践物理实验设计与实践一 误差与回顾1.1 思想与观点：u测量永远伴随有误差.u误差分析、不确定度计算以及数据处理贯穿实验的过程始终。 实验前的设计与论证 实验过程中的控制与监视 实验结束后的数据处理和结果分析 1.2 不确定度计算流程物理实验设计与实践物理实验设计与实践设间接待测量： 直接测量量:直接测量量的不确定度： 则有直接测量量吗 ？

2、单次测量吗？单次测量结果测量值 x=x(单位)是否 找 测 量 式是否对结果作出评价物理实验设计与实践物理实验设计与实践二 实验数据处理方法2.1列表法（1）各栏目均应标注名称和单位（2）列入表中的主要应是原始数据，从表格中要 尽量使人看到数据处理的方法和思路，而不 能把列表变成简单的数据堆积。（3）栏目的顺序应充分注意数据的联系和计算的 程序，力求条理性和简明化。（4）必要的附加说明，如测量仪器的规格、测量 条件、表格名称等等。物理实验设计与实践物理实验设计与实践2.2 作图法1. 作图规则：2. 图解法求拟合直线的斜率和截距 3. 内插曲线上读取没有进行测量的某些量值。4. 外推法可从曲线

3、延伸部分估读出原测量数据范围以 外的量值。5. 发现实验中个别的测量大误差，同时，作图连线对 数据点可起到平均的作用，从而减少随机误差.6. 曲改直物理实验设计与实践物理实验设计与实践当两个被测物理变量之间存在多项式函数关系，X 等间隔变化，且X的误差可以不计的条件下, 对于X： X1, X2Xn,X2n； 对应有 Y：Y1,Y2YnY2n。 将其分成两组，进行逐差：2.3逐差法求得得到：Y = a + Y = a + bXbX物理实验设计与实践物理实验设计与实践2.4实验数据的直线拟合（线性回归）最小二乘法原理：若能找到一条最佳的拟合直线 ，那么这条拟合直线上各相应点的值与测量值之差 的平方

4、和在所有拟合直线中应是最小的。设在某一实验中，可控物理量取x1,x2,x3,值时， 对应物理量依次取y1,y2,y3,值。从这些观测量中求 出一个误差最小的最佳经验公式： 物理实验设计与实践物理实验设计与实践方法 非电量电测非光量的光测比较法放大法模拟法转换测量干涉计量平衡法（示零比较） 量纲分析法 补偿法（示零比较） 非平衡法 机械放大 光放大 电放大 累积放大三物理实验的基本方法 直接比较 间接比较 物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.1 3.1 比较法比较法将被测量与相关标准量进行直接或间接比较将被测量与相关标准量进行直接或间接比较, ,得到测得到测 量值的方法。量值的方法。（1）将

5、待测量和标准量具直接比较 l5050100100200200mAmA0200200物理实验设计与实践物理实验设计与实践（2）间接比较测量法：当一些物理量难用直接比 较法测量时，可以利用物理量之间的函数关系将待 测物理量与同类标准量进行间接比较测量出。物理实验设计与实践物理实验设计与实践 补偿法补偿法用在标准量具上产生的精度很高的某种效应，完全 补偿由待测量产生的同种效应，得到未知量的方法。 如：电位差计 I=0I=0I=0小时大时物理实验设计与实践物理实验设计与实践电位差计物理实验设计与实践物理实验设计与实践 平衡法平衡原理是物理学的重要基本原理，由此而产生的平 衡法是分析、解决物理问题的重要

6、方法，也是物理量 测量普遍应用的重要方法。力学平衡：静平衡：天平、电子称动平衡：扭摆电学平衡：根据电流、电压 等电子量之间的平衡设计 的桥式电路惠斯登电桥热学平衡：混合量热法物理实验设计与实践物理实验设计与实践非平衡法：非平衡电桥RU(Rx)物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.2 3.2 放大法放大法 通过某种方法将被测量放大后，再进行测量。通过某种方法将被测量放大后，再进行测量。 累计放大累计放大物理实验设计与实践物理实验设计与实践 机械放大：机械放大：20 0把螺纹细分而进行放大把螺纹细分而进行放大杠杆放大机构物理实验设计与实践物理实验设计与实践光杠镜放大光杠镜放大光学放大法 -放大倍

7、数物理实验设计与实践物理实验设计与实践光指针放大 复射式检流计物理实验设计与实践物理实验设计与实践电子学放大法对微弱电信号经放大器放大后进行观测。如电桥平 衡指示仪，晶体管毫伏表等仪器均利用电子学放大 原理进行测量 物理实验设计与实践物理实验设计与实践转换测量法是根据物理量之间的各种效应、物理 原理和定量函数关系，利用变换的思想进行测量 的方法。它是物理实验中最富有启发性和开创性 的一个方面。 3.3 换测法（1）参量换测（2）能量换测传感器具体形式：非电学量电测；非光学量光测物理实验设计与实践物理实验设计与实践如：测酸、碱、盐溶液的浓度.I非电量电测非光量光测物理实验设计与实践物理实验设计与

8、实践用压电传感器 测驾驶员座椅的 受力分布。待测粮食传送带粮食烘干装置待测粮食的含水量与 反射光强 有关F非电量电测非光量光测物理实验设计与实践物理实验设计与实践利用声波反射，判断前方障碍物（冰山、暗礁、船只、鱼群等）。非电量电测物理实验设计与实践物理实验设计与实践非光量光测地球月球直角反射器通过测发射与接收两光信号的时间，在C已知的条件下，可知 地球、月球之间距离为38万公里。激光 具有良好的方向性。故制成各种激光测 距仪。物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.4干涉计量法现代精密计量的基础。 该方法首先由迈克尔孙在实验中应用，后由法布里- 珀罗作了改进，逐渐构成了现在各种不用的干涉比 长

9、仪，其测量精度可以容易地达到波长数量级。 Le明 纹暗 纹Le物理实验设计与实践物理实验设计与实践待测块规等厚条纹待测工 件平晶 h标准块规平晶测量微小厚度的变化测量薄片厚度 检测工件平度劈尖干涉的应用衍射光谱技术与方法、X射线衍射技术与方法、电子显 微技术与方法都与光的衍射原理与方法相关，它们已 成为现代物理技术与方法的重要组成部分 物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.5 3.5 模拟法模拟法 模拟法是以相似性原理为基础，从模型实验开始发展起 来的，研究物质或事物物理属性等变化规律的实验方法 。对不易测量的量，用对模型的测量代替对原型的测量 。+ q- q（1）数学模拟：把不同本质的物理

10、现象或过程，用同一 个数学方程来描述。静电模拟物理实验设计与实践物理实验设计与实践（2）动力相似模拟 ：保持同一物理本质的模拟。例 如用“风洞”中的飞机模型模拟实际飞机在大气 中的飞行，用电场模拟温度场等。（3）几何模拟：几何模拟是将实物按比例放大或缩小 ，对其物理性能及功能进行试验。 （4）计算机模拟（4）更进一步的物理之间的替代，就导致了原型试验和 工作方式都改变了的特殊的模拟方法。应用最广的 就是电路模拟。因为在实际工作中，要改变一些力 学量不如改变电阻、电容、电感来的更容易。物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.5 量纲分析法 量纲分析法 在物理实验中常遇到的困难是在复杂的现象中 无

11、法找到被测与可测量之间的定量关系式，量纲分 析法可先假定被测量与可测量之间存在某种关系， 再借助标准量来求得被测量的最终结果。这种方法 原则上可适用于任何物理量的测量，具有十分普遍 的意义。物理实验设计与实践物理实验设计与实践弦能振动起来的条件是激励信号的频率f与弦固有 频率f0相同，固有频率又与弦长l、弦密度以及弦 所受的张力F三个量有关。假设物理实验设计与实践物理实验设计与实践物理实验设计与实践物理实验设计与实践四、物理实验中的基本调整与操作技术2.1零位调整（1）利用仪器的零位校准器进行调整，例如天平 、电表等 (2) 零位校准器，则利用初读数对测量值进行修正 螺旋测微计零差物理实验设计

12、与实践物理实验设计与实践眼睛位置不同，所得 测量结果不同2.2 水平铅直调整由于受地球引力的作用，实验仪器要求达到水平或 铅直状态才能正常工作，例如天平和气轨的调节器 水平，调三线摆的水平和铅直等。水平和铅直调节 过程要注意观察，切忌盲目调节。 2.3 消除视差 物理实验设计与实践物理实验设计与实践2.4 先粗调后细调 2.5 等高共轴调整 2.6 逐次逼近法 2.7 先定性后定量 物理实验设计与实践物理实验设计与实践五.误差在实验中的应用5.1测量方法选择例1：测量某电源的输出电压，要求测量结果的相对 误差Er0.05%。给定条件是：电压表2.5级，电位差 计0.5级，可变标准电压源0.01

13、级。 为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来 源及误差传递的分析，并结合可能提供的仪器，确定 合适的具体测量方法。 物理实验设计与实践物理实验设计与实践解：思路一：若用电压表直接测量，由于，要求电表准 确度等级为0.05级，因此无法达到课题要求思路二：用电位差计行吗？由于给定的电位差计精度 只有0.5级，显然达不到课题所规定的要求。思路三：用可变标准电源与被测电动势进行平衡补偿 测量，但又没有提供检流计。 思路四：采用“微差法”来达到课题要求。物理实验设计与实践物理实验设计与实践差值越小，测量差值所引入的误差对测量结果的影 响越小。 UXUS微差法原理图物理实验设计与实践物理实验设计与

14、实践可见只要求微差指示器的相对误差不超过4%，就可 以满足课题的要求 例2：在仪器已确定的情况下，对某一量的测量， 若有几种测量方法可供选择时，则应选取测量结果 误差最小的那种方法。如测量单摆的摆长L,有如下 三种测量方法：若取为=UX/100物理实验设计与实践物理实验设计与实践DL2L1L测量方法的选择用精度为0.04cm的游标卡尺测D，则有用精度为1mm的米尺测L1和L2( 设端点对准误差为0.5mm),则有物理实验设计与实践物理实验设计与实践而对第二和第三种情况，则有：对第一种测量方法，若采用算术合成，则有物理实验设计与实践物理实验设计与实践5.2测量仪器的选择在给定对实验误差要求时，应

15、用误差等分原则，分 别求出各测量量的误差范围，再根据误差与准确度 的关系，选择合乎需要的准确仪器，同时还需考虑 有效（实用）和价格（经济性）因素。误差等分原则。若函数由k个自变量组成，即物理实验设计与实践物理实验设计与实践例：伏安法测电阻R，要求电阻的测量误差 Er1.5%，应如何选择测量仪器？物理实验设计与实践物理实验设计与实践显然应选用0.5级的电压表和0.5级的电流表。由电表等级误差的规定物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.3测量条件的选择按某量的误差可减至最小的原则来确定实验条 件，即用 例 图是滑线式电桥测电阻原理图，为一均匀的长 为的电阻丝，滑动触头可在电阻丝上滑动，当电桥 平

16、衡时，有板式惠斯登电桥物理实验设计与实践物理实验设计与实践极小物理实验设计与实践物理实验设计与实践3.4指导实验中抓好关键量的测量根据各量对实验误差贡献的大小来决定把主要精力 集中于导致误差大的物理量的测量工作上，而对哪 些误差基本可以忽略不计的量，就没有必要去花费 太大的精力 d的测量误差对实验结果影响大，为此实验采用精度 较高的螺旋测微计，进行多次重复测量的方法，以 减少误差。 物理实验设计与实践物理实验设计与实践其它各量对实验结果的影响系数因子一样， 比其它量要困难难，会有较较大的误误差，故采用多 次测测量并用逐差法处处理数据。 5.5 评价实验结果，提出改进方向应当养成这样一个习惯，任何一个实验完成后 ，都应当进行误差计算，否则就无法评定实验结果 的可靠程度。而通过误差计算可以看