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1、大 学 物 理 实 验绪 论1一、物理实验的目的和作用 1. 物理学是一门实验科学，任何物理规律和理 论都从实践中来，并受到实践的反复检验、不 断修正、不断完善、不断发展。2.通过实验，可以加快自然规律的发现和新理 论的形成。3.通过物理实验，可以重现重要的物理学定理 、定律的发现过程，学习科学探索的思想方法24. 培养动手能力，受到基本的实验训练，初步 掌握基本的实验方法和实验技巧。即： 学会一些基本的测量方法，熟悉常规仪器的原 理、性能和使用方法，学会正确记录实验数据 和对实验数据的处理方法。5. 提高观察和分析问题的能力，培养理论联系 实际、实事求是、严肃认真的科学态度。3二、实验的基本
2、程序1预习实验前要了解本次实验的目的、实验原理、实验方 法、可能出现的问题等。并写好预习报告。预习报告内容：实验名称，实验者姓名，实验原理（包括原理图和线 路图），实验步骤，主要仪器的使用方法和注意事项， 列出相关数据表格，回答预习思考题。预习报告可以和实验报告合二为一。不写预习报告不得进行实验42操作在预习的基础上，根据实验原理、实验目的、实验 方法，牢记注意事项，调整仪器或线路连接，进行实验观 察和测量。将实验测量的原始数据记录在事先设计的数据 表上，实验结束后将其作必要的处理，写入实验报告。实验操作是实验的关键，只有认真、细致、操作正确，才 能得到可靠的实验结果。实验结束时实验数据必须得
3、到教师签字、认可。时刻注意爱护实验仪器，有些实验在通电前要得到 实验教师的认可。53报告 完成实验报告是实验成功的终结，仅有完整的测量数据， 没有对数据的处理分析，不一定能得出正确的预期结果。实验报告内容：包括实险名称、实验者姓名、实验日期和 正文。正文包括实验目的、实验仪器(型号、精度）、实验 原理（原理图、计算公式）、实验内容和步骤、数据处理 、结论，回答讨论题。其中最重要的是实验仪器、测量原理、实验数据及其 处理（计算或作图）、结果讨论并计算相对不确定度。最 好能记录实验中观察到的异常现象并作出可能的解释。对 实验方法和仪器提出改进建议，写出实验心得。实验报告必须使用统一的实验报告纸,由
4、实验教师签过字 的实验原始数据粘贴在实验报告后。 6a. 直接测量把待测量量与标准量进行比较的过程得到待测量 量的大小和单位。如长度、质量、时间。b. 间接测量待测量量由若干直接测量的量经过一定的函数 关 系运算后获得。如体积、密度、比热。直接测量量和间接测量量没有严格的区分，用不同 的实验方法，对同一物理量，既能是直接测量量，也能 是间接测量量。如体积、电流、功率等。三、测量、有效位数 1测量测量分为直接测量和间接测量。7C.等精度测量与不等精度测量对某一物理量进行多次重复测量，每次的条件都相 同尽管各次测得的结果有所不同，但没有理由判断某次 测量比另一次更精确，只能认为每次测量的精确程度是
5、 相同的。将这种同样精确程度的测量称为等精度测量。 这样的一组数据称为测量列。在诸测量条件中，只要有一个发生了变化这时所进 行的测量就为不等精度测量。保持测量条件完全相间的多次测量是极其困难的， 但当某一条件的变化对测量结果影响不大甚至可以忽略 时，仍可视这种测量为等精度测量。除了特别指明外， 我们所讨论的测量均为等精度测量81)有效数字的概念 2、有效数字有效数字由准确数和估计数构成例4：用分度为厘米和毫米的尺，测量一个木杆的长度。用厘米分度的尺测量的度数是6.7cm，其中6是 准确读数，7是估计读数；估计读数也叫欠准读 数。用毫米分度的尺测量的度数是6.74cm，其中6.7是 准确读数，4
6、是估计读数；2位有效数字3位有效数字91. 有效数字末位的数字包含不确定度。 2. 有效数字的位数反映了测量仪器的精度。 3. 数字前面的“0”不是有效数字，但数字后面的 “0”是有效数字，不能随便删掉。例5：6.7cm 和6.70cm是不同的，有效数字分别是 2位和3位。而且说明了所用的测量尺子精度不同 ，前者是厘米尺，后者是毫米尺。例6：6.7cm 和0.67dm是相同的，有效数字都是2 位，而且所用的测量尺子都是厘米尺。但一般来 说不用后者表示，后者不符合科学记数法。注意点102).有效数字的运算规则间接测量量：可通过函数关系，由一些直接量 计算而得的量叫间接测量。例如：圆柱体的体积可先
7、测量出圆柱体的直径和高度，通过计算获得 体积，那么计算获得的体积结果的有效数字与直 径和高度之间的关系如何？11（1）加减规则有效数字：4位，欠准数是0.034位， 0.0034位， 0.22位， 7例7 ：12N= 15.43- 4.263+503.2- 87427同一单位下，各因子中欠准数位最高的那个 数字决定了结果的有效数字的最后一位数。13（2）乘除运算AB = 15.43 4.2634629 3258 3086 617265.77809结果取1位欠准数字65.78503.2 50 3215 4600.130715 096 36400 35224 11760例8 ：14AB = 15.
8、3 4.3459 61265.79AB=666602606033066/0.26因此，最后结果表示成例9 ：15乘除运算：各因子中有效数字最少的因子决 定结果的有效数字位数。例10 ：（3）准确数与常数及一些系数不影响有效数 字（4）四则混合运算：按优先级一步步按有效数 字运算规则进行。16（5）乘方与开方例11 ：某数的乘方（或开方）的有效数字位数， 应与其底数的有效数字相同。17四误差和不确定度 1.误差 a. 真值 在确定的条件下，待测量量具有的真实值叫真值。实际上受各种条件的限制，测量不能绝对正确，真值 永远不能得到。只可能尽量得到真值的近似值或称近真值 ，有时也称最佳值。 b. 误差
9、受到测量的环境、方法、仪器以及观测者等诸多因 素的影响，使测量值偏离真值，这种偏离叫做误差。 c. 绝对误差测量值与真值的偏差称为绝对误差。设被测量量的真值为a，测量值x的绝对误差为： |x a | 18实际测量时，有时可以用下列各类值代替真值与测量值之差来估算误差（1）理论值，如三角形内角之和为180 等 （2）公认值世界各国公认的一些常数，如在标准大气压下，C时水的密度为999 84kgm3 （3）计量学约定真值，如国际及国家计量部门规定的长 度、时间、质量等标准 （4）相对真值，用准确度高一个等级的仪器校正的测定值d. 相对误差绝对误差与真值的比的百分值 = /a 100%192. 不确
10、定度测量值与最佳值（近真值）之偏差称为不确定度也有绝对不确定度和相对不确定度之分表示为：绝对不确定度：相对不确定度：3. 不确定度的分类按不确定度出现的特点不同,可分为: 系统不确定度 、随机不确定度和粗差。 20a. 系统不确定度由测量装置、环境、方法、人员等产生的不确定度特点是在同一条件下（实验方法仪器、环境和观察者等不变） ，每次测量同一物理量时，不确定度的大小和符号始终保持恒 定或按一定的规律变化。来源有以下几个方面：仪器的固有缺陷如刻度不准，零点没调准，仪器水平或 铅直未调整好，法码本身未经核准等；实验方法的不完善，实验所依据的原理不尽完善，公 式的近似性或实验条件达不到理论公式所要
11、求的条件而引起 的误差，如称重时未考虑空气浮力，忽略摩擦、接触电阻；环境条件的变化，外界环境（如温度、湿度、电磁场等 ）发生变化或不满足测量仪器规定的使用条件，如标准电池 是以20时的电动势作为标准值的，若在5时使用而不加修 正就产生了系统不确定度；21测量者自身的某些因素，由测量者感觉器官的不完善或 某种不良习惯所引起的误差，如有的人习惯侧坐斜视读数 而造成读数偏大或偏小，几个人同时用秒表计时会因每个 人的反应快慢不同而结果不一致等。系统不确定度的数值和符号（正负）一般来说是 定值或按某种规律变化，因此系统误差是可以被发现 、减小、消除或修正的但不能通过多次测量来减小或 消除。系统不确定度的
12、规律及其产生原因可以被确切掌握 的称为可定系统不确定度；否则为未定系统不确定度 。前者一般可以在测量过程中采取措施予以消除或在 测量结果中进行修正而后者一般难以作出修正。22b.随机不确定度以不可预知的随机方式变化的测量不确定度称为 随机不确定度。随机不确定度来源于测量时的不可控因素，如环 境的无规则起伏、仪器性能的微小波动、观测的随机 性变化等。它的变化没有规律，对任何测量总是存在 。对多次重复测量服从统计规律性。可用增加测量次 数使它减小。C. 粗差明显超出规定条件下预期值的不确定度称为粗差 ，也称奇异值、坏值。粗差是由突发原因造成的测量值跳变，应当从正 常值中删除。234.不确定度的处理
13、a.系统不确定度us的处理 对系统可定不确定度(如零点偏离、温度 、环境等）作直接消除、修正，或根据可定系统 不确定度的符号和大小对测量值作修正。对未定系统不确定度（如仪器精度等）， 无法消除。必须用方均根法把它与随机不确定度合并成总 的不确定度。24仪器不确定度仪器不确定度是指在仪器正确使用时仪器可能出现的 最大不确定度，通常由仪器的精度决定，称标准不确定度 的B类分量，不用统计方法评定。规定：（a）有刻度的仪器，如未标出精度（等级）其最小分度之半为测量不确定度限；（b）标有精度的仪器、仪表按精度作为测量的不确定度；例如精度为0.02mm的卡尺，不确定度为0.02mm；（c）有精度等级的仪表
14、，按精度等级为其不确定度；如s级仪表，绝对不确定度xns% ，相对不确定度 xn /x s% （d）数字显示仪表，一般取显示末位的一半为测量不 确定度限。25b含有粗差测量值的剔除粗差的判别可根据拉伊达准则，即三倍标准 差准则剔除。方法是，先求出测量值的平均值 和标准不确定度 （平均值的标准偏差）。若某可疑值与测量平均值的偏差大于三倍的标准不确 定度即3 ，则该可疑值剔除。必须注意：在该可疑值 剔除后，还需对测量值作再次检查，继续剔除符合标准 的可疑值。；26c.随机不确定度的处理随机不确定度是用统计方法评定的，属A类 标准不确定度。对n次独立测量,测量值x1,x2,xi.xn的最佳估 计值为
15、算术平均值。叫标准不确定度27d合成不确定度在对系统可定不确定度作了消除或修正、 剔除粗差后，把由系统误差引起的未定系统的不 确定度 与随机不确定度 即平均值标准不确 定度用方均根法合成： 284. 不确定度的传递 直接测量量的不确定度对间接测量量不确定度的影响 ，称为不确定度的传递。若 y=f（x1，x2，.xi，.xn）将函数在xi的期望值（平均值）附近展开，略去二次以上 项和协方差可得到不确定度传递的通用公式：29由此，可导出不确定度传递的下列常用公式：则则则则则30四、测量结果的表示 1直接测量结果的表示在消除已定系统不确定度（如消除震动、恒 定温度、校正零点等）后，测得等精度测量列X
16、1，X2，X3，.，Xi， .Xna. 求测量值的平均值 ；b. 求测量值的标准不确定度（平均值的标准偏 差） ；c. 根据所用仪表的精度、刻度等写出系统未定 不确定度 ；d. 用方均根法求出合成不确定度 ；e. 用 表示测量量的实验测定值 。 注意：所有计算必须考虑有效数字的处理31直接测量量表示的例题例1：用级别为0.5级，量程为75mA的电压表测量某电路 的电压时，电表指针指在127.2格（满刻度为150格）， 试写出该电压值的测量结果。解：这是单次测量，测量不确定度由仪表的未定不确定 度决定。32例2：用50分度的游标卡尺测量某圆柱体的直径共10次 ，数据如下，试给出测量结果。d/mm19.7819.8019.7019.7819.
