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1、大学物理实验,1 绪论,物理实验的意义与任务 物理实验课的基本程序 实验室规则 物理实验课程的考核,1.1 物理实验的意义,大学物理实验课是高等理工科院校的一门必修基础课程，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。物理实验课和物理理论课具有同等重要的地位。,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。,诺贝尔物理学奖获得者、著名物理学家杨振宁教授曾经说过，“物理学是以实验为本的科学”，这充分说明了物理实验的作用和重要性。,1.2 物理实验课的任务,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，加深对物理
2、学原理的理解 培养和提高科学实验的能力 培养和提高科学实验的素养 ,希 望,物理实验课程不同于一般的探索性科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，可使同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能等诸方面得到较为系统、严格的训练，是大学从事科学实验的起步，同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。希望同学们能重视这门课程的学习，经过一学年的时间，真正能学有所得。,1.3 物理实验课的程序,课前做好实验预习 课堂完成实验内容 课后撰写实验报告,1.3.1 实验课前的预，在统一的实验报告纸上认真书写预习报告（名称、目的、原理、仪器、内容和步骤、注意事项
3、）。要求简明扼要。,准备好实验原始数据记录纸，列出待测物理量，画好数据记录表格，表中要留有余地，以便有估计不到的情况发生时能够记录。,认真阅读实验讲义，以实验目的为中心，搞清楚实验原理(包括测量公式)、实验内容和操作要点、数据处理及其分析方法等。,1.3.2 实验中的操作与记录,应准时到实验室，首先签到。,对照讲义检查实验仪器。禁止盲目动手操作。,听老师的讲解。,根据资料和老师在实验课上的简要介绍，按照仪器操作规程安装与调整实验仪器，选择测试条件，观察实验现象，实事求是地读取实验数据并记录在原始数据记录纸上。,实验数据需经教师检查签字后，方可整理实验仪器，离开实验室。,1.3.3 课后撰写实验
4、报告,完整的实验报告应包含以下内容： 实验名称 实验目的 实验原理 实验仪器：补充记录实验所用主要仪器的编号和规格，便于以后对实验进行复查。 实验内容和步骤,字迹工整、措词简练、步骤完整、数据真实、图表齐全、书写规范。,数据记录和处理,回答问题或讨论,签字的原始实验数据记录纸,实验名称 普朗克常数的测量,【实验目的】,【实验原理】,【实验步骤】,【数据记录与处理】,【误差分析和问题讨论】,【实验目的】,【实验仪器】,1、通过实验加深对光电量子性的认识 2、验证爱因斯坦光电效应方程，测出普朗克常数,普朗克常数测定仪、光源、光电管、滤色片、微电流放大器,金属受到一定频率的光照射时，会因其表面溢出光
5、电子而产生光电效应。,由于光电效应，金属阴极K有光电子溢出，当A加正电位，K加负电位时形成电流I，即光电流。光电流满足：1、在一定频率单色光下，饱和电流与入射光强成正比。2、当入射光频率低于截止频率时无光电子产生。3、光电子初动能与入射光频率成线性关系。,【实验目的】,【实验仪器】,【实验原理】,【实验目的】,【实验仪器】,当A、K两端所加电压为反向电压时将使光电流I减小，当电压达到遏制电压时，I为零。,1、按图检查仪器位置。汞灯距离暗盒40厘米，光窗装入光阑，罩上遮光罩。微电流放大器各开关旋至相应位置。 2、打开微电流放大器和汞灯电源开关，预热20分钟。对电流表进行调零、校准。 3、分别以各
6、波长滤色片测量光电管的反向伏安特性，找到电压变化的抬头点。,经作图求得：,1、由于测量时存在反向暗电流，故理论曲线与实测曲线不太一致。 2、什么是遏止电压，实验中如何确定遏止电压？ 答：当所加反向电压达到一定值时，具有最大初速的光电子不能到达阳极，光电流刚好为零，此时的电压称为遏止电压。在测量中随着电压增大，电流从变化不明显到变化明显的转折点所对应的电压就是遏止电压。,文字叙述,图,公式,要有处理过程,数据曲线作在作图纸上,预习报告的内容，实验前完成,剩余部分，实验后完成,1.3.4 物理实验课程的考核,在完成规定数目的实验并交齐实验报告后方可参加期末考核。 实验成绩是平时成绩和期末考试成绩的
7、综合评价。,平时成绩占总分的60%，期末考试成绩占总分的40%。平时成绩是每次实验得分的平均(含绪论)，总分低于36分者重修；期末考试为笔试，统一试卷，统一及格分数线。,每次实验评分标准,预习报告 1分 实验操作 4分 数据记录 1分 完成报告 4分,每次实验包括预习、实验、完成报告，以完成报告为最后程序，总分为10分。,期末考试成绩,期末考试满分为40分，考试形式为笔试。 大学物理实验A(多学时)两个学期期末均有笔试；大学物理实验B(少学时)、京江学院物理实验JA(多学时)本学期期末有笔试，第二学期直接以平时成绩评分。,2 测量误差与数据处理,2.1 测量与误差 2.2 测量结果的表述与不确
8、定度 2.3 有效数字及其运算 2.4 数据处理的基本方法,2.1 测量与误差,2.1.1 直接测量与间接测量 测量测量是把待测量与选作计量单位的同类标准量比较，并确定其倍数的过程。,比较与赋值过程,一般：物理量=数值+单位,直接测量,间接测量,依据待测量和某几个直接测量值的函数关系通过数学运算获得测量结果 。,将待测量与预先选定好的仪器、量具比较，直接从仪器上读出测量量的大小。,圆柱体的体积,2.1.1 直接测量与间接测量,2.1.2 测量误差,真值,(绝对)误差,测量结果 与待测量的真值 的差值。,在一定条件下，某一物理量所具有的客观大小。,为了更全面地评价测量结果的优劣，需考虑绝对误差相
9、对于测量值本身的大小产生的相对影响。,相对误差,百分误差,2.1.2 测量误差,真值是不可能确知的，实用中常用约定真值代替真值，称为百分误差。,误差无处不在，无时不在。,2.1.3 测量误差的分类,系统误差,相同条件下，同一物理量多次测量时， X 大小和符号不变或按一定规律变化。,来源：仪器误差、理论误差环境误差、个人误差,减小或消除方法：具体情况具体分析，对症下药。,多次测量无法减小或消除系统误差。,特点：具有规律性,随机误差(偶然误差),一定条件下，同一物理量多次测量，X 时大时小，时正时负。,来源：人感官判断能力的随机性外界因素的起伏不定仪器内部存在的偶然因素,特点：具有随机性,2.1.
10、3 测量误差的分类,随机误差的统计规律,正态分布图,单峰性 对称性 有界性 抵偿性,减小方法：多次测量具有统计规律，可以减小随机 误差的影响，但不能消除。,2.1.3 测量误差的分类,过失误差(粗大误差),来源：仪器使用不正确、观察错误数据记录错误等,处理方法：分析后剔除,2.1.3 测量误差的分类,特点：与其它数据有明显差异,精密度：重复测量结果相互接近的程度。,描述测量结果重复性的优劣，反映了随机误差的大小,描述测量结果正确性的高低，反映了系统误差的大小,反映了总的误差情况,2.1.4 精密度、正确度和精确度,正确度：测量结果与真值接近的程度。,精确度：对测量结果的精密性与正确性的综 合评
11、价。,随机误差和系统误差的形象表示,子弹着靶点分布图,（a）随机误差小，系统误差大,（b）随机误差大，系统误差小,（c）随机误差和系统误差都小,2.1.4 精密度、正确度和精确度,能看出图示测量中随机误差和系统误差的相对大小吗？(X0为真值),2.1.4 精密度、正确度和精确度,2.1.5 随机误差的估计,测量结果的最佳值,n次等精度重复测量结果,是待测量真值A的最佳估计值。,每次测量的随机误差为,算术平均值比任一测量值更有可能接近真值A,2.1.5 随机误差的估计,多次测量的随机误差估计,在有限次测量情况下，单次测量值的的标准偏差为,测量列中任一测量值的随机误差落在区间 的概率P = 68.
12、3%。,(贝塞尔公式),偏差或残差,真值落在区间 的概率P = 68.3%。,2.1.5 随机误差的估计,表示真值A在区间 的概率为P = 68.3%。,2.1.5 随机误差的估计,算术平均值的标准偏差,从 表达式可知，n越大， 越小。 物理实验中，一般取值 。,2.2 测量结果的表示与不确定度,2.2.1 测量结果的表达形式与不确定度,结果表达形式,不确定度,不确定度是对待测量的真值所处量值范围的评定，即对测量误差的一种评定方式。,不确定度恒为正值，表示由于误差存在，导致被测量的真值不能确定的程度。,测量量以下标表示,为了更准确地反映测量结果的优劣，还应同时求出测量值的相对不确定度,结果表达
13、形式的含义,相对不确定度,2.2.1 测量结果的表达形式与不确定度,不确定度的分类,2.2.1 测量结果的表达形式与不确定度,不确定度A类分量：根据一列测量值的统计分布进行评估，用标准偏差来表征，记为 。,不确定度B类分量：根据经验或其他信息进行评估，用非统计方法评定，记为 。,2.2.2 直接测量结果的不确定度,总不确定度：,多次测量结果的不确定度,多次测量结果表示：,算术平均值,A，B两类不确定度的方和根合成,A类不确定度的估计,称为“ 因子”，它与测量次数和“置信概率”有关。,2.2.2 直接测量结果的不确定度,本书约定：,B类不确定度的估计,是用非统计方法评定的不确定度的分量，一般应根
14、据经验或其他非统计信息估计。,由实验室给出，或近似地取为计量仪器的误差，即,本书约定：,为仪器说明书上所标明的“最大误差”或“不确定度限值”，统称为仪器误差限值。,2.2.2 直接测量结果的不确定度,仪器误差限值,指在正确使用仪器的条件下，仪器示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。,常见的仪器误差限值见后表。,一般包含系统误差和随机误差两种成分。,2.2.2 直接测量结果的不确定度,多次测量的总不确定度,单次测量结果的不确定度,2.2.2 直接测量结果的不确定度,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,间接测量结果与误差的传递,一组直接测量量,微小变量分别为,不确定度分别为,间接测量
15、结果为,测量量以下标表示,两边求全微分,误差传递基本公式之一,方法一：,直接微分法,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,再求全微分,方法二：,两边先取自然对数,对数微分法,误差传递基本公式之二,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,间接测量值的不确定度合成,绝对值合成法,间接测量的不确定度为,间接测量的相对不确定度为,，各项取绝对值,相对不确定度传递公式,不确定度传递公式,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,方和根合成法(随机误差为主的不确定度传递),间接测量的不确定度为,间接测量的相对不确定度为,，各项方和根合成,不确定度传递公式,相对不确定度传递公式,2.2.3 间接测量结果不确
16、定度的合成,例2.1,解：,两边求全微分,方和根合成,例2.2,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,例2.3,解：,两边求全微分,方和根合成,例2.4,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,例2.5,解：,两边求全微分,方和根合成,再求全微分,两边取自然对数,对数微分法,方和根合成,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,例2.6,解：,两边求全微分,方和根合成,再求全微分,两边取自然对数,对数微分法,合并微分同类项,方和根合成,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,对于和差形式的函数时用直接微分法计算较方便,对于积商形式的函数时用对数微分法计算较方便。,2.2.3 间接测量结果不确定度的合成,2.3.1 有效数字,
