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1、郑州大学物理实验中心 侯晓强 13213175919 2014.08.28,大学物理实验绪论,物理实验的地位、作用 物理实验课的目的 测量与有效数字 测量误差及处理方法 测量结果的不确定度表示 数据处理的基本方法 怎样上好物理实验课 实验成绩的评定 上课须知及本学期课程安排,内 容,3,前 言物理学从本质上来讲是一门实验科学。物理学领域的所有成果都是理论与实验密切结合的结晶。,4,诺贝尔物理学奖（19012000年）开奖次数 94次 得 奖 人 数 总 计 160 实 验 108 理 论 46 实验和理论 6,1901年，首届诺贝尔物理学奖金得主德国人伦琴(W.C.R?ntgen)，他因发现X
2、射线而获奖；1902年的得主是荷兰人塞曼(P.Zeeman)，他在1894年发现光谱线在磁场中分裂的现象； 1903年的得主是法国人贝可勒尔(H.A.Becquerel)和居里夫妇(P.Curie，M.S.Curie)，他们发现了天然放射性，由此成为了核物理学的奠基人。由此看出，这些实验方面的发现已被公认为是物理学发展中的最伟大的成就。可见实验物理在物理学发展中的地位是多么重要。 (2)从物理规律的建立过程看实验物理的重要性。 1924年法国人德布罗意(De Broglie)在光波具有微粒性的启发下，明确提出实物粒子具有波动性，即物质波和粒子的缔合概念，通常人们将它描述为波粒二重性或二象性。这
3、是一个大胆而伟大的假设。物理伟人爱因斯坦(A.Einstein)对此给予充分的肯定，他称这是照亮我们最难解开的物理学之谜的第一缕微弱的光。并提名德布罗意获诺贝尔物理学奖金。要强调说明的是，理论上美妙的假设或推理，要最终成为被公认的物理规律，还必须有实验结果的验证。德布罗意本人当时指出，可以通过电子在晶体上的衍射实验来证明上述假设。 果然，在1927年美国科学家戴维孙(C.J.Davisson)和革末(L.H.Germer)用被电场加速的电子束打在镍晶体上，从而得到衍射环纹照片，恰如光波在光栅上的衍射花样。同时由加速电场计算出电子束动量对应的物质波长与在晶体光栅上衍射极大值对应波长的关系，证实了
4、德布罗意关于p、 间的假设关系成立。 最终使德布罗意的假设得到公认，他本人也获得了1929年的诺贝尔物理学奖。这一历史事实雄辩地说明了实验结果在物理学概念的提出、理论规律的确立及被公认的过程中所占的重要地位和所起的关键作用。,6,杨振宁教授：“物理学是以实验为本的科学。”“大学物理实验”是对高等学校学生进行科学实验基本训练的的一门独立的必修基础课程；是学生在大学接受系统实验方法和实验技能训练的开端。,物理学是一门实验科学。 许多物理学理论和规律都是以实验的新发现为依据被提出来,并进一步由实验所检验。,物理实验的地位、作用,物理学研究方法,理论物理,实验物理,物理学是自然科学的基础，它们在工程技
5、术和生产实践的各行各业中得到广泛的应用。如计量技术、激光技术、半导体技术、真空技术、航空航天技术等等。,“物理实验课”是独立于“大学物理”的一门基础课。物理实验能使学生在实验方法与实验技能上得到系统的训练，使学生的科学实验素质与素养得到培养与提高。物理实验课使用案例教学，每一个实验就是一个案例。其内容或是对一些物理量进行测量，或是对某一物理规律进行研究。学习一个实验包含了一般科学实验的全过程：提出任务、研究实验原理、设计实验方案、选择仪器设备、安装调试、按照设计方案步骤进行实验、观察现象、记录数据、处理数据、分析结果、写出实验报告。实验的过程往往存在许多随机因素的干扰，同学们要正确运用理论知识
6、、实验技能在实验中发现问题、分析问题、解决问题，观察现象、归纳结论。,物理实验课的目的,学习实验知识 培养实验能力 提高实验素养,通过对实验现象的观察、分析和对 物理量的测量，学习物理实验知识和设 计思想，掌握和理解物理理论。,学习实验知识,借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器； 运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断； 正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告； 能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。,培养实验能力,培养理论联系实际和实事求是的科学作风； 严肃认真的工作态度； 主动研究和创新的探索精神； 遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。,提高实
7、验素养,测量与有效数字,测量 有效数字的读取 有效数字的运算 有效数字尾数的舍取规则,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，将反映被测对象某些特征的物理量（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。,测量,直接测量：将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位直接相比较，得到的比值就是被测物理量的测量值；间接测量：利用待测物理量与某些可直接测量量之间的已知函数关系，求得该待测物理量的测量值。,测量,测量,有效数字的读取,测量值 = 读数值(有效数字)+单位有效数字可靠数字可疑数字（一位）,35 36 (cm),3 36.0
8、0cm,3,2 35.40cm,2,1,1 35.66cm,有效数字的读取,一位存疑数字,有效数字的读取,1、一般读数应读到最小分度以下再估一位。,2、有时读数的估计位，就取在最小分度位。例如，仪器的最小分度值为0.5，则0.1-0.4,0.6-0.9都是估计的，不必估到下一位。,3、游标类量具，读到卡尺分度值。多不估读。,4、数字式仪表及步进读数仪器不需估读。,1、加、减法：经加、减运算后，计算结果中小数点后面应保留的位数和参与运算的诸数中小数点后位数最少的一个相同。4.178+ 21.3 25.478 = 25.5,有效数字的运算,2、乘、除法：经乘、除运算后，计算结果的有效数字与诸因子中
9、有效数字最少的一个相同。4.178 10.14178417842.1978=42.2,有效数字的运算,3、乘方开方：有效数字与其底的有效数字相同。 4、对数函数: 运算后的尾数位数与真数位数相同例：lg1.938 = 0.2973lg1938 = 3 + lg1.938 = 3.2973 5、指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。例： 106.25 = 1.8 106 100.0035 = 1.008,有效数字的运算,6、三角函数:取位随角度有效数字而定。例：Sin3000= 0.5000Cos2016= 0.93817、取常数与测量值的有效数字的
10、位数相同。,有效数字尾数的舍取规则,例：将下列数字全部修约为四位有效数字 1）尾数4，1.118400001.118 2）尾数6，1.118600001.119 3）尾数5， a）5右面还有不为0的数1.118599991.119 1.118500011.119 b） 5右面尾数为0则凑偶1.117500001.118 1.118500001.118,口诀： 4舍6入5看右，5后有数进上去，尾数为0向左看，左数奇进偶舍弃。,测量误差及处理方法,测量误差 系统误差 随机误差,测量误差,1、真值与误差,测量值 ：依据一定的理论方法，使用确定的仪器，通过直接测量或间接测量得到的物理量的值。,误差：,
11、真值 : 一个物理量的客观存在值，与测量 所用的理论方法及仪器无关。,2、误差的分类,偶然误差：在对同一被测量进行多次测量时，误差的大小和符号以不可预知的方式变化的误差分量。,测量误差,误差存在于一切测量之中， 消除或减小误差、对误差作出估计是测量的不可缺少的组成部分。,误差,系统误差：在对同一被测量进行多次测量时，误差的大小和符号保持恒定或以某种可预知的方式变化的误差分量。,系统误差,仪器误差,天平不等臂所造成的系统误差,1、系统误差的来源,系统误差,公式 （忽略了空气阻力）,理论误差,方法误差,内接,V,VR,VA,V,IR,IV,用V作为VR的近似值 时，求,外接,系统误差,个人误差,心
12、理作用，读数（估计）偏大或偏小。,系统误差,环境误差,市电的干扰,输入,光点检流计,接近时，静 电干扰，使 光斑移动等 。,系统误差,系统误差,已定系统误差：在测量结果中引入修正量对误差进行消除。如伏安法测电阻时要计算出电表内阻产生的修正量。 未定系统误差：可采用合适的测量方法对误差进行补偿和消除。如交换法、补偿法、异号抵消法等。不可消除的误差要估计出分布范围。,2、系统误差的处理方法,随机误差,随机误差对每一次测量结果的影响具有随机性特点。但在多次测量中表现出确定的规律-统计规律。因此，可用统计规律对随机误差的影响程度作出客观的估计和评价。,1、产生原因:实验条件和环境因素无规则的起伏变化，
13、引起测量值围绕真值发生涨落的变化。随机误差无法消除。,随机误差,2、无穷多次测量，随机误差服从正态分布,随机误差,标准误差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准误差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,标准误差表示测量值的离散程度,随机误差,任意一次测量值落入区间 的概率为,这个概率叫置信概率对应的区间叫置信区间,0.683,随机误差,扩大置信区间，可增加置信概率,随机误差,测量次数 较小时, 偏离正态分布较多，测量次数 较大时, 趋于正态分布。分布时，置信区间和置信概率的计算需引入算术平均值,2、有限次测量，随机误差服从t分布,用多次测量的算术平
14、均值 作为被测量的最佳估计值。,可以证明，测量次数 为趋于无穷大时，算术平均值等于真值。,随机误差,假定对一个物理量进行了有限的 次测量，测得的值为 ，算术平均值为：,3、算术平均值替代真值,随机误差,4、平均值的标准偏差,测量列单次测量的标准偏差：,测量列平均值的标准偏差：,待测量的值处于置信区间 内的置信概率为0.683。,随机误差,若置信概率提高到 ，置信区间则为 ，其中 是与测量次数 和置信概率 有关的量。,一般，我们取测量次数为6次。,物理实验中，置信概率一般取作0.95,这时 t 分布相应的置信区间可写为:,或,测量结果的不确定度表示,不确定度的基本概念 直接测量不确定度估计与表示 间接测量不确定度的合成,不确定度的基本概念,概念：不确定度 是指由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。意义：不确定度是对一定置信概率下被测量的真值所处的量值范围的评定。,置信概率一般取0.95,A 类分量 : 可以用统计学方法估算的分量。,不确定度的基本概念,根据测量不确定度表示指南ISO1993（E)的精神，总不确定度分为两类：,B 类分量 : 不能用统计学方法估算的分量。,总不确定度 ：,为仪器误差,4、电表的示值误差， 量程 准确度等级%。,注：仪器误差举例,1、游标卡尺，仪器示值误差一律取卡尺分度值。,
