大学物理实验

1. 大学物理实验 华中农业大学应用物理系 物理实验教学中心 主讲人:马成长

2. 实验内容 • 独立完成实验(五个模块，十个实验) • A.基本测量实验 • B.示波器的原理及其应用 • C.物理光学实验 • D.分光计的调节和使用 • E.电学磁学实验 • 实验安排 • 一次实验完成一个模块（两个实验），一人一套仪器，中间轮换一次。学号1-16为A组，其余为B组。

3. 实验内容 • 小组协作完成实验 • F.全息照相 G.数码摄影技术 • 实验课的性质 • 实验乃独立设课，不是理论课的配套课程，又与理论课有联系。 • 实验内容不是按照理论课的内容顺序开设的，因此在遇到相关实验时，除了要预习实验外，还需要自学理论课的相关内容。 • 做实验时注意 • 每个实验有两种原理：一种是理论上的原理，一种是实验方案原理，理论原理确定原则上的可行性，实验方案原理则确定手段的可行性，二者之间存在一定的鸿沟。

4. 实验组织安排 • 独立完成实验一次四个学时，完成两个实验，因此来一次实验室需要准备两份实验预报，提前预习两个实验。 • 小组协作完成实验每个实验四学时，因此要进行两周，时间一般安排在独立完成实验两次后进行。 • 由于每班不满40人，每次实验空出来的仪器可供补做实验。不要与其他同学冲突。 • 仪器经指导教师或实验室工作人员认可后且来不及修复的，可两人共用一套仪器。不得私自共用。不得随意更改项目顺序。不要旷课！

5. 实验组织安排(以A组为例)

6. 实验不确定度的理论基础 • 基本概念—真值、误差、自由度、分布

7. 实验不确定度的理论基础

8. 实验不确定度的理论基础

9. 实验不确定度的理论基础

10. 实验不确定度的理论基础 • 基本概念—方差与标准差

11. 实验不确定度的理论基础

12. 实验不确定度的理论基础 • 基本概念—标准偏差

13. 实验不确定度的理论基础

14. 实验不确定度的理论基础 • t-分布原理—t-分布与置信概率

15. 实验不确定度的理论基础

16. 实验不确定度的理论基础 • t-分布原理—分位数

17. 实验不确定度的理论基础 • t-分布原理—分位数

18. 实验不确定度的理论基础

19. 实验不确定度的理论基础 • t-分布原理在不确定度中的应用

20. 实验不确定度的理论基础

21. 实验不确定度的理论基础

22. 实验不确定度的理论基础

23. 实验不确定度的理论基础

24. 实验室纪律 • 习惯养成 • 不要将书包等与实验无关的东西放在实验台上。 • 实验完成后自己负责实验台的整理，不要遗留杂物在实验台上。 • 不得往抽屉里放任何物品，抽屉是用来放实验仪器零配件的。 • 请班干部安排每次实验完成后的实验室卫生。 • 请班干部填写实验日志，请老师签字，不要代签。 • 遵守实验报告册上的有关规定。 严禁：进实验室不知道自己要做什么实验！ 严禁：在实验室梦游，游乐！

25. 实验室纪律

26. 实验报告及原始数据记录要求 • 每个实验都要完成实验报告。（报告的目的，阅读对象） • 原始数据记录在实验报告后面的原始数据记录表中！ • 原始数据不能代替实验报告中的数据。 • 实验报告中的数据必须整理成表格形式，并有处理结果。 • 实验报告的完成 • 实验报告的完成分三步走 • 一、实验预报 • 二、采集原始数据 • 三、分析处理数据，实验总结，完成实验结报。 练习科技写作 同行，读者，客户，而不是老师。

27. 物理实验的作用 • 物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，它必须以客观事实为基础，必须依靠观察和实验。归根结底物理学是一门实验科学，无论物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础，并通过今后的科学实验来证实。 • 物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的作用。 • 实验可以发现新事实，实验结果可以为物理规律的建立提供依据。 • 研究科学史，我们可以发现，历史上有许多聪明的人曾经发明了很多在今天看来很稀奇古怪的理论，但都灰飞烟灭了。担当终极裁判员的角色的就是科学实验。无论这个理论是多莫美妙，都必须接受终极裁判员的裁决。 科学实验有严格的程序，不能像日常生活那样大大咧咧。

28. 实验数据有效位数的确定 测量的不确定度 测量对象 • 物理实验以测量为基础。 • 完整的测量结果应表示为： • 以电阻测量为例, • Y = y  表示被测对象的真值落在（y ，y  ）范围内的概率很大， 的取值与一定的概率相联系。 • 测量分为直接测量和间接测量 • 直接测量指可直接得到被测量值的测量； • 间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系经过计算从而得到被测量值的测量。 • 任何测量都可能存在误差（测量不可能无限准确)。 测量值的单位 测量对象的量值

29. 实验数据有效位数的确定 • 实验中我们所测的被测量都是含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，应反映出测量值的准确度。所以在记录数据、计算以及书写测量结果时，应根据测量误差或实验结果的不确定度来定出究竟应取几位有效位数。 • 直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度 • 游标类器具（游标卡尺、分光计度盘、大气压计等）读至游标最小分度的整数倍，即不需估读。 • 数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读取仪表的示值。 • 指针式仪表及其它器具，读数时估读到仪器最小分度的1/2～1/10，或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1/5～1/3。

30. 实验数据有效位数的确定 • 单位应在表格头上注明，或直接记录在读数后面。不要忘记！ • 注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。

31. 实验数据有效位数的确定 • 读读认认

32. 实验数据有效位数的确定 • 读读认认

33. 实验数据有效位数的确定 • 读读认认

34. 实验数据有效位数的确定 • 中间运算结果的有效位数 • 加减运算的结果末位以参与运算的末位最高的数为准。 • 如 11.4+2.56=14.0 75-10.356=65 • 乘除运算结果的有效位数多少以参与运算的有效位数最少的数为准，可比其多取一位。 • 如 4000×9=3.6×104 2.000÷0.99=2.00 • 用计算器进行计算时中间结果可不作修约或适当多取几位（不能任意减少）。 • 测量结果表达式中的有效位数 • 总不确定度Δ的有效位数，取1 ～2位 • 首位大于5时，一般取1位；首位为1、2时，一般取2位 • 例 ：估算结果 Δ=0.548mm时，取为Δ=0.5 mm；Δ=1.37 时， 取为 Δ=1.4

35. 实验数据有效位数的确定 • 被测量值有效位数的确定 • Y＝y±Δ中，被测量值y 的末位要与不确定度Δ的末位对齐。 • （求出y后先多保留几位，求出Δ，由Δ决定y的末位） • 例：环的体积 • 不确定度分析结果 • 最终结果为：V=9.44±0.08cm3 • 即：不确定度末位在小数点后第二位，测量结果的最后一位也取到小数点后第二位。

36. 作图法处理实验数据 • 作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用正规纸张作图。 • 1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小： • 坐标分度值的选取应能反映测量值的有效位数，一般以 1～2mm对应于测量仪表的仪表误差。 • 2. 标明坐标轴： • 用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。 • 3.标实验点： • 实验点可用“+”、“□”、“ ●”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。

37. I (mA) 20.00 B(7.00,18.58) 18.00 16.00 14.00 12.00 10.00 由图上A、B两点可得被测电阻R为： 8.00 6.00 4.00 A(1.00,2.76) 2.00 U (V) 0 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 作图法处理实验数据 • 5.标出图线特征： • 在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点 A、B的坐标就可求出 R值。 • 6.标出图名： • 在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。 电阻伏安特性曲线 至此一张图才算完成

38. 错误作图实例 修改 图1 n n 1.7000 1.7000 1.6900 1.6900 1.6800 1.6800 1.6700 1.6700 1.6600 1.6600 1.6500 λ(nm) 500.0 600.0 400.0 700.0 玻璃材料色散曲线图 1.6500 λ(nm) 500.0 600.0 400.0 700.0 玻璃材料色散曲线图 作图法处理实验数据

39. 改正为： 图2 I (mA) I (mA) 横轴坐标分度选取不当。横轴以3 cm代表1 V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1 mm 代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。 20.00 20.00 18.00 18.00 16.00 16.00 14.00 14.00 12.00 12.00 10.00 10.00 8.00 8.00 6.00 6.00 4.00 4.00 2.00 2.00 U (V) U (V) o 0 1.00 1.00 2.00 2.00 3.00 4.00 3.00 电学元件伏安特性曲线 电学元件伏安特性曲线 作图法处理实验数据 • 错误作图实例

40. P(×105Pa) P(×105Pa) 图3 1.6000 1.2000 改正为： 图纸使用不当。实际作图时，坐标原点的读数可以不从零开始。 1.2000 1.1500 0.8000 1.1000 1.0500 0.4000 t(℃) t(℃) 1.0000 o 80.00 60.00 30.00 50.00 60.00 100.00 70.00 20.00 40.00 40.00 120.00 80.00 140.00 90.00 20.00 定容气体压强～温度曲线 定容气体压强～温度曲线

41. 数据处理软件举例 • Excel • 可用来计算直接测量误差，平均值等。 • 可用来计算逐差法(需要自己设计公式)。 • Mathematica • 利用其符号功能可用来计算间接误差，实验室可以提供程序包。 • 可用来做曲线拟合，如最小二乘法等。 • 未讲内容: • 误差分类，正态分布，t 分布，系统误差的修正，最小二乘法，逐差法等等 未讲解的内容请自己看书！

42. 实验考核方式及成绩构成 • 平时实验成绩占50% • 考试成绩占30% • 其他(纪律，品德，责任心，创新等因素)20% • 考试安排在最后一次实验后进行，分两种考核方式： • 一种是上机考试，单项选择题，半个小时 • 一种是操作考试，随机选择实验项目独立完成，并在完成后回答老师提问。 • 哪些同学参加操作考试，考什么内容，由计算机随机选择决定！ 谢谢！

43. 2006年旧版内容 • 以下内容为以前内容

44. 实验内容(旧版) • 独立完成实验 • 实验一 密度测量（参考页码:P19,P25） • 实验二 分光计测折射率（参考页码:P58,P173） • 实验三 分光计测光栅常数（参考页码:P58,P165） • 实验四 测量牛顿环的曲率半径（参考页码:P22,P58,P176） • 实验五 迈克耳逊干涉仪（参考页码:P55,P178） • 实验六 分压电路（参考页码:P79） • 实验七 声速的测量（参考页码:P39,P131） • 实验八 用霍尔元件测螺线管轴向磁感应强度（参考页码:P117） • 实验九 扭摆法测量物体转动惯量（参考页码:P76） • 实验十 示波器的使用（参考页码:P39，P49）

45. 实验内容 • 小组协作完成实验 • 全息照相 • 印放相实验 • 实验课的性质 • 实验乃独立设课，不是理论课的配套课程，但又与理论课有联系。 • 实验内容不是按照理论课的内容顺序开设的，因此在遇到相关实验时，除了要预习实验外，还需要自学理论课的相关内容。 • 做实验时注意 • 每个实验有两种原理：一种是理论上的原理，一种是实验方案原理，理论原理确定原则上的可行性，实验方案原理则确定手段的可行性，二者之间存在一定的鸿沟。

46. 实验组织安排 • 大循环 • 实验一到实验十在一个实验室完成，每个实验室每个实验有两套设备。 • 按学号单双号分为两组: A组，B组。 • 独立完成实验一次四个学时，完成两个实验，因此来一次实验室需要准备两份实验预报，提前预习两个实验。 • 小组协作完成实验每个实验四学时，因此要进行两周，时间一般安排在独立完成实验两次后进行。 • 由于每班不满40人，每次实验空出来的仪器可供补做实验。不要与其他同学冲突。 • 仪器经指导教师或实验室工作人员认可后且来不及修复的，可两人共用一套仪器。不得私自共用。不得随意更改项目顺序。不要旷课！

47. 实验组织安排(以A组为例)

48. 实验数据处理 • 注意： • 在实验中，我们测得的数据有些是等间距的，有些是不等间距的，还有等精度测量，不等精度测量等等。 • 不同的数据分布有不同的处理方式，在预习相关实验项目时要仔细阅读相关章节，务求理解。 • 不确定度计算(简易方法) • 算平均值(测得值的最佳估计值为) • 算标准偏差s(测量列的标准偏差)

49. 实验数据处理 • 总不确定度分为两类不确定度： • A 类分量——多次重复测量时 与随机误差有关的分量； • B 类分量——与未定系统误差有关的分量。 • 直接测量量不确定度的估算 • 用方和根方法合成总不确定度： • A 类分量A的估算： 当 5＜ n ≤10时，可简化认为 A=Sy（置信概率95%）

50. 实验数据处理 • A 类分量A的估算理论浅说