高中物理實(shí)驗(yàn)詳解

1、前言由于歷史原因，我國教育長期存在著文、理分科的現(xiàn)象，致使受教育者知識片面化、思維單一化，嚴(yán)重影響了現(xiàn)代型人才的形成及完善。無疑消除文、理分科帶來的現(xiàn)代文化中兩種文化科學(xué)文化和人文文化之間的隔閡，高等學(xué)校是最合適的場所。武漢大學(xué)作為培養(yǎng)高素質(zhì)、全面發(fā)展人才的高等學(xué)校，對文科學(xué)生（也包括理、工、醫(yī)科學(xué)生 )開設(shè)走進(jìn)物理世界公選課程，正是順應(yīng)時(shí)代要求。其目的是使學(xué)生在學(xué)習(xí)人文文化的同時(shí)，也接受科學(xué)文化的熏陶和訓(xùn)練，成為知識結(jié)構(gòu)更合理、有一定自然科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展人才。走進(jìn)物理世界課程的任務(wù)是：定性、半定量、定量地介紹實(shí)驗(yàn)原理，讓學(xué)生在做中學(xué)，通過動(dòng)手完成一些基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，初步了解、體驗(yàn)、掌握科學(xué)實(shí)

2、驗(yàn)的過程，讓學(xué)生的知識面更具有時(shí)代性、實(shí)用性、廣泛性。編者2007 年 8 月目錄1、課前必讀12、實(shí)驗(yàn) 1 長度和密度的測量213、實(shí)驗(yàn) 2 萬用表的使用284、實(shí)驗(yàn) 3重力加速度的測量345、實(shí)驗(yàn) 4簡易電壓表的設(shè)計(jì)366、實(shí)驗(yàn) 5 文科 多普勒效應(yīng)387、實(shí)驗(yàn) 6光柵衍射（ 1）408、實(shí)驗(yàn) 7 電光源的特性分析439、實(shí)驗(yàn) 8 偏振現(xiàn)象在攝影技術(shù)中的應(yīng)用5010、實(shí)驗(yàn) 9 dn 結(jié)正向電壓溫度特性研究5411、實(shí)驗(yàn) 10 超聲測厚5812、實(shí)驗(yàn) 11 工科多普勒效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)6313、實(shí)驗(yàn) 12 太陽能電池（工科）6714、實(shí)驗(yàn) 13 太陽能電池（文科）7515、實(shí)驗(yàn) 14 風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)

3、（工科）8016、實(shí)驗(yàn) 15 風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)（文科）8917、實(shí)驗(yàn) 16dh6001 超聲定位綜合實(shí)驗(yàn)儀96課前必讀 0-1 緒論科學(xué)理論來源于科學(xué)實(shí)驗(yàn)， 并受到科學(xué)實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。 所謂科學(xué)實(shí)驗(yàn)，是人們按照一定的研究目的，借助特定的儀器，人為地控制和模擬自然規(guī)律，突出主要因素，對自然事物和自然現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)、反復(fù)研究，探究其內(nèi)部規(guī)律性的一種研究方法。它是自然科學(xué)的根本，是工程技術(shù)的基礎(chǔ)。 物理實(shí)驗(yàn)是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要組成部分之一。一、物理實(shí)驗(yàn)的目的和任務(wù)物理學(xué)本質(zhì)上是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。 無論是物理規(guī)律的發(fā)現(xiàn)、 物理概念的確立還是物理理論體系的建立， 都來源于對實(shí)驗(yàn)的觀察和研究，并受實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。例如：牛頓是在

4、伽利略、開普勒等人的實(shí)驗(yàn)及工作的基礎(chǔ)上總結(jié)出萬有引力定律并建立了經(jīng)典力學(xué)體系；楊氏的干涉實(shí)驗(yàn)使光的波動(dòng)學(xué)說得以確立；赫茲的電磁波實(shí)驗(yàn)使麥克斯韋的電磁場理論得到普遍承認(rèn)；盧瑟福的粒子散射實(shí)驗(yàn)揭開了原子的秘密，等等。武漢大學(xué)作為培養(yǎng)高素質(zhì)、 全面發(fā)展人才的高等學(xué)校， 對文科學(xué)生開設(shè)走進(jìn)物理世界一課 ,其目的是使學(xué)生在學(xué)習(xí)人文文化的同時(shí)，也接受科學(xué)文化熏陶和訓(xùn)練，成為知識結(jié)構(gòu)更合理的、有一定自然科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展人才。走進(jìn)物理世界課程的任務(wù)是：定性、半定量地介紹實(shí)驗(yàn)原理，讓學(xué)生在做中學(xué)，通過動(dòng)手完成一些基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)，初步了解、體驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的過程。對理、工、醫(yī)科學(xué)生來說，能夠起到加強(qiáng)基礎(chǔ)，提高動(dòng)手能力

5、，擴(kuò)寬視野，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)意識的作用。二、走進(jìn)物理世界課程的基本環(huán)節(jié)1. 課前預(yù)習(xí)為了保證在正常的實(shí)驗(yàn)課時(shí)內(nèi)，順利、按時(shí)地完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)之前必須進(jìn)行預(yù)習(xí)。 預(yù)習(xí)一般以實(shí)驗(yàn)講義為主， 由于講義中是定性、半定量地介紹實(shí)驗(yàn)原理，有興趣的同學(xué)也可查閱相關(guān)的圖書資料，力爭對實(shí)驗(yàn)原理、待測物理量、實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)、實(shí)驗(yàn)要獲得的結(jié)果做到心中有數(shù)。預(yù)習(xí)時(shí)，必須寫出預(yù)習(xí)報(bào)告。預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容主要包括：（ 1） 實(shí)驗(yàn)名稱；（ 2） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?3） 基本原理（包括重要的計(jì)算公式， 簡單的電路圖、 光路圖，及簡要的文字說明） ；（ 4） 數(shù)據(jù)記錄草表；2. 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作是物理實(shí)驗(yàn)課的的重要環(huán)節(jié)，也就是在實(shí)驗(yàn)室里完成實(shí)驗(yàn)

6、的全過程，其基本過程和要求一般為：（ 1） 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之前首先要按預(yù)約名單進(jìn)行登記、簽到。（ 2） 教師在檢查完預(yù)習(xí)報(bào)告，并進(jìn)行適當(dāng)講解后，實(shí)驗(yàn)才可進(jìn)行。（ 3） 實(shí)驗(yàn)正式進(jìn)行前，要熟悉一下將要使用的儀器、設(shè)備等的性能以及正確的操作規(guī)程，切忌盲目操作；另外，要全面思考一下實(shí)驗(yàn)操作程序，不要急于動(dòng)手，因?yàn)檎`解一步或調(diào)錯(cuò)一次，都有可能使整個(gè)實(shí)驗(yàn)前功盡棄。（ 4） 實(shí)驗(yàn)中要注意對現(xiàn)象的觀察， 尤其對所謂的 “反?！?現(xiàn)象，更要仔細(xì)觀察分析， 不要單純地追求 “順利”。要學(xué)習(xí)對觀察到的現(xiàn)象和測得的數(shù)據(jù)隨時(shí)進(jìn)行判斷，判斷正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過程是否正常合理。（ 5） 及時(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在觀察和測量時(shí)，要做到正

7、確讀數(shù)，在數(shù)據(jù)表格內(nèi)實(shí)事求是地記錄數(shù)據(jù)。 當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)條件有關(guān)時(shí)，還要記錄相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件，如當(dāng)時(shí)的室溫、溫度、大氣壓等。（ 6） 實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，要把測得的數(shù)據(jù)交給指導(dǎo)教師檢查簽字。對不合理的或錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)分析后還要補(bǔ)做或重做。離開實(shí)驗(yàn)室前，要整理好使用過的儀器。3. 書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)結(jié)束后書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告的目的是為了培養(yǎng)和訓(xùn)練學(xué)生以書面形式總結(jié)工作和報(bào)告科學(xué)成果的能力。一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告通常包括以下內(nèi)容：（ 1） 實(shí)驗(yàn)名稱；（ 2） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；?3） 儀器設(shè)備：應(yīng)寫明儀器設(shè)備的型號或規(guī)格、精度等；（ 4） 實(shí)驗(yàn)原理：包括重要的計(jì)算公式，重要的電路圖、光路圖及簡要的文字說明；（ 5） 數(shù)據(jù)

8、記錄及數(shù)據(jù)處理（包括計(jì)算和作圖） 。要求把數(shù)據(jù)記錄草表中的原始數(shù)據(jù)填入該數(shù)據(jù)表格中， 不得涂改，并按要求處理數(shù)據(jù)；（ 6） 問題討論。 0-2 測量誤差和數(shù)據(jù)處理初步知識一、 測量與誤差進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，總是使用一定的實(shí)驗(yàn)方法，由實(shí)驗(yàn)者選用一定的儀器，在一定的條件下對某些物理量進(jìn)行測量。因?qū)嶒?yàn)方法的完善性、實(shí)驗(yàn)儀器的精度、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的條件及實(shí)驗(yàn)者的習(xí)慣等因素，不可能使實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常完美，即一定存在著誤差。如何正確的處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使測量結(jié)果盡可能的接近真值，減少誤差，這是實(shí)驗(yàn)過程中必須掌握的。1. 測量（ 1） 測量的定義所謂測量，就是借助儀器或量具來確定被測量大小的全部操作。（ 2） 測量的分類 直接

9、測量能夠用儀器或量具直接得到被測量值大小的測量方法稱為直接測量法。相應(yīng)測得的物理量稱為直接測量量。例如，用米尺測量物體的長度 l，用物理天平測量物體的質(zhì)量m 等，就是直接測量。 間接測量有些物理量是不能夠用所給的儀器直接測量的。而要以直接測量為基礎(chǔ)，并由直接測量量利用一定的函數(shù)關(guān)系求出被測量量的大小，這種測量方法稱為間接測量法。例如用游標(biāo)卡尺測量圓柱體的體積，先要對其直徑d、高度 h 進(jìn)行測量，然后用函數(shù)關(guān)系vd 2 h4來求得體積，所以這種測量是間接測量。在整個(gè)測量過程中，若影響和決定誤差大小的全部因素（條件）始終保持不變，如由同一個(gè)觀察者、用一臺儀器、用同樣的方法、在同樣的環(huán)境條件下、同樣

10、認(rèn)真仔細(xì)地對同一工件作相同次數(shù)的測量，稱之為等精度測量。2. 誤差(1)真值與誤差的定義真值一個(gè)待測物理量的大小，在客觀上應(yīng)該有一個(gè)真實(shí)存在的數(shù)值叫“真值”，也就是指當(dāng)一個(gè)量能被完善的確定并能排除所有測量上的缺陷時(shí)，通過測量所得到的數(shù)值。記為 a0 。測量通過儀器進(jìn)行， 儀器最后一位為估讀， 所以測量必有誤差?！罢嬷怠笔菬o法知道的。在物理實(shí)驗(yàn)中常用以下幾種方法來處理，例如用非常接近真值的近似值或理論值來代替真值。（ a）公認(rèn)值：由國際計(jì)量大會約定的值。（ b）高級儀器的測量值：有更高級的儀器測量出來的值。（ c）理論值：由理論公式計(jì)算出來的值， 如三角形的內(nèi)角和為 180。（ d）多次測量的平

11、均值。 在比較理想的條件下， 可以用多次測量所得的平均值來代替真值。這是我們常用的方法。 測量誤差測量值與真值之間的差， 叫測量誤差。如果用 x 來表示測量誤差， x 代表測量結(jié)果， a0 代表被測量量的真值，則有xxa0（0-1）由此式可知， 誤差是有正負(fù)的。當(dāng) xa0 時(shí)，x 為正；當(dāng) xa0 時(shí)，x 為負(fù)。x 反映了測量值偏離真值的大小和方向。沒有誤差評估的實(shí)驗(yàn)沒有意義。工科生不能只測結(jié)果，計(jì)算平均值。（ 2）絕對誤差與相對誤差（ 0-1）式定義的誤差稱為絕對誤差。測量的絕對誤差與被測量的真值之比稱為相對誤差。 相對誤差常用百分?jǐn)?shù)表示，即e x 100% a0（ 0-2）絕對誤差反映了誤

12、差本身的大小，而相對誤差反映了誤差的嚴(yán)重程度。注意：絕對誤差大的，相對誤差不一定大。例如l125.00 mml10.05 mml22.50 mml20.01 mml32.5mml30.1 mm根據(jù)（ 0-2）式，可得e10.2%e20.4%e34%從上述數(shù)據(jù)可知：l3l1l2 ，而 e3e2e1 ?？梢娊^對誤差的大小與相對誤差的大小沒有必然的關(guān)系。（3）誤差的分類產(chǎn)生誤差的原因很多，按照誤差產(chǎn)生的原因和不同性質(zhì)，可將誤差分為系統(tǒng)誤差、隨即誤差。 系統(tǒng)誤差：可以修正在相同條件下多次測量同一量時(shí)，其誤差的大小和符號始終保持恒定或總按一定的規(guī)律變化。這種誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差按產(chǎn)生的原因不同可分

13、為（ a）儀器零點(diǎn)誤差由于測量所用儀器本身的缺陷造成的誤差。如儀器零點(diǎn)未對準(zhǔn)，天平的砝碼有缺損而又未經(jīng)校準(zhǔn)等。加校正項(xiàng)即可消除，所以也稱已定系統(tǒng)誤差。每次實(shí)驗(yàn)儀器應(yīng)先校正。（b）儀器讀數(shù)誤差不可克服 ,末定系統(tǒng)誤差。以u b 表示。最小刻度的一半，千分尺，最小刻度0.001mm,u b =0.0005mm1/50 游標(biāo)卡尺， u b =準(zhǔn)確度 =0.02mm米尺不必用最大誤差u b =0.3mm注意， u b 只有一位有效數(shù)字。 隨機(jī)誤差：不可避免，但可以減小隨機(jī)誤差是指在同一量的多次測量過程中，以不可預(yù)知方式變化的測量誤差的分量。f ( x)隨機(jī)誤差主要是由于測量過程中一些偶然的或不確定的因

14、素引起的。根據(jù)隨機(jī)誤差的特點(diǎn)可以知道，隨機(jī)誤差不可修正。隨機(jī)誤差就個(gè)體而言ox圖0-1 隨機(jī)誤差正態(tài)分布曲是不確定的， 但其總體（大量個(gè)體的總和）服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。理論研究表明，用平均值可以減少其誤差。例，米尺測長度。測量 x 值 3 次,x1=1.5mm,x2=1.5mm,x3=1.7mm1x( x 1 x 2 x 3)33、直接測量的表示計(jì)算平均值x1 ( x1x 2x 3) =4.7/3=1.566.63ub =0.3mm結(jié)果表示:x 的最后一位必須與u b 對齊x =1.6mm,四舍五入u b =0.3mm可以知道x 的大小與大致誤差范圍。二、有效數(shù)字及其運(yùn)算規(guī)則1. 有效數(shù)字的概念

15、物理實(shí)驗(yàn)離不開測量，直接測量需要記錄數(shù)據(jù)，間接測量不僅要記錄數(shù)據(jù)，還要進(jìn)行數(shù)據(jù)的計(jì)算。記錄數(shù)據(jù)應(yīng)取幾位數(shù)字，運(yùn)算后需要保留幾位數(shù)字，這是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中的一個(gè)重要問題。為了正確地反映測量的精密程度，我們引入有效數(shù)字的概念。有效數(shù)字由測量結(jié)果中可靠的幾位數(shù)字和末位的一位不可靠數(shù)字組成。對有效數(shù)字的處理應(yīng)遵循以下原則：（ 1） 對于直接測量，測量結(jié)果的有效數(shù)字的位數(shù)與測量儀器的最小分度值有密切關(guān)系。一般來說，必須讀到儀器最小分度值的下一位上。當(dāng)然，這最后一位的數(shù)字是估讀出來的。例如用米尺測量某一物體的長度，若它的末尾正好與233 刻度線相重合，這時(shí)就必須把測量結(jié)果記為 233.0mm，而不能籠統(tǒng)地記

16、為 233mm。從數(shù)字的概念上看， 233.0 與 233 是一樣大的，前者小數(shù)點(diǎn)后面的“ 0”似乎沒有保留的價(jià)值，但從測量及其誤差的角度來看，它卻表示了測量進(jìn)行到了這一位，只不過把它估讀為“ 0”而已。因此。“ 233.0mm”既準(zhǔn)確地表達(dá)了測得的數(shù)值，又粗略的反映了測量的精確程度。（2） 測量單位的變化只改變有效數(shù)字中小數(shù)點(diǎn)的位置，而有效數(shù)字的位數(shù)仍然保持不變。例如，長度為10.50mm 是四位有效數(shù)字，若改用“米”為單位，則應(yīng)記為 0.01050 m。由于非零數(shù)字之前的 “0” 不是有效數(shù)字，而在非零數(shù)字之間或之后的“ 0”都是有效數(shù)字，因此，這時(shí)有效數(shù)字0.01050 的位數(shù)仍為四位。

17、在進(jìn)行單位換算時(shí)，要避免把上例中的長度寫成10500m，因?yàn)檫@就無故增加了有效數(shù)字的位數(shù)。當(dāng)遇到測量結(jié)果對某一單位數(shù)值過大或過小，應(yīng)使用科學(xué)記數(shù)法表達(dá)，即把數(shù)字寫成10 的方冪標(biāo)準(zhǔn)形似。如10.50mm可以寫成為1.05010 4 m或 1.050102 m 。2. 有效數(shù)字的運(yùn)算有效數(shù)字是由可靠數(shù)字與可疑數(shù)字組成的，當(dāng)兩個(gè)有效數(shù)字進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，應(yīng)遵循以下原則。（ 1） 可靠數(shù)字與可靠數(shù)字運(yùn)算，其結(jié)果仍為可靠數(shù)字；（ 2） 可靠數(shù)字與可疑數(shù)字運(yùn)算，可疑數(shù)字與可疑數(shù)字運(yùn)算其結(jié)果原位為可疑數(shù)字；進(jìn)位為可靠數(shù)字。0.7+0.5=1.20.7 一位有效數(shù)字為可疑數(shù)字,0.5 一位有效數(shù)字為可疑數(shù)字 ,1

18、.2 兩位有效數(shù)字0.2 為可疑數(shù)字 ,1 為可靠數(shù)字。（3） 運(yùn)算的結(jié)果只保留一位可疑數(shù)字，末尾多余的可疑數(shù)字取舍時(shí)，按尾數(shù)湊偶數(shù)法則進(jìn)行。即大于5 入，小于 5 舍，等于 5 把尾數(shù)湊成偶數(shù)，其規(guī)則如下： 擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字小于5 時(shí)，則舍去； 擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字大于5 時(shí)，或者是5 而其后跟有非 0 的數(shù)字時(shí)，則進(jìn)一位； 擬舍棄數(shù)字的最左一位數(shù)字是5，而 5 的右邊沒有數(shù)字或皆為0 時(shí)，若所保留的末尾數(shù)字為奇數(shù)則進(jìn)一，為偶數(shù)或?yàn)? 則舍棄，即“單進(jìn)雙不進(jìn)” 。根據(jù)上述規(guī)則， 要將下列各數(shù)據(jù)保留四位有效數(shù)字，舍入后的數(shù)據(jù)為：2.717262.7173.141593.1428.5

19、10508.5106.213506.2145.2785015.2795.7915995.792（4） 在運(yùn)算中若遇到物理常數(shù)或純數(shù)學(xué)數(shù)字（如可以認(rèn)為是無限制的。,2 等），其位數(shù)3.加減乘除的運(yùn)算(1)加減法以可疑數(shù)字位數(shù)高的為準(zhǔn)，先化簡，即其他分量比它多保留一位，最后由 u b 定。99.7+6.3289+0.004299.7+6.33106.030、3 為可疑，不能兩位若 u b 0.1， 106.0101.01-100.0001=101.01-100.00=0.01（2）乘除法： (用運(yùn)算法則直接驗(yàn)證)以有效數(shù)字少的為準(zhǔn)，最后結(jié)果,無進(jìn)位時(shí)與有效數(shù)字少的相同有進(jìn)位時(shí)比有效數(shù)字少的多一位7

20、3.9 4.86791364,4x7=28 有進(jìn)位運(yùn)算前先將各分量化簡,將各分量化為比有效數(shù)字少的多保留一位，最后由 ub 定.73.9 4.86791 73.9 4.8681.6x3=?4.8?1.6x3=52 11 無進(jìn)位1.6x3-4、 8 均為可疑數(shù)字 ,只能保留一位4. 80.5x 2=1?1.025x3=?75?25x3=8x10?(四舍六入五湊偶 )8.0x10,80 x258.197 21=258 21=12.29=12三、常用數(shù)據(jù)處理方法科學(xué)實(shí)驗(yàn)的目的是為了找出事物的內(nèi)在規(guī)律，因而物理實(shí)驗(yàn)除了對物理量進(jìn)行測量獲得大量數(shù)據(jù)外，還必須對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行正確處理。數(shù)據(jù)處理是指從獲得數(shù)據(jù)

21、起到得出結(jié)論為止的加工過程。本節(jié)中僅介紹物理實(shí)驗(yàn)中常用的幾種方法。1. 列表法在記錄數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)時(shí)，常常將數(shù)據(jù)列成表格。這樣做可以簡單而明確的表示出有關(guān)物理量之間的對應(yīng)關(guān)系，便于隨時(shí)檢查測量結(jié)果是否合理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題和分析問題，有助于找出有關(guān)物理量之間的規(guī)律。數(shù)據(jù)列表還可以提高處理數(shù)據(jù)的效率，減少和避免錯(cuò)誤。數(shù)據(jù)列表記錄和處理時(shí)，應(yīng)遵循下列原則：（ 1） 在表格的上方寫出表格的標(biāo)題；（ 2） 各欄目均應(yīng)標(biāo)注名稱和單位；（ 3） 列入表中的主要是原始數(shù)據(jù)，有時(shí)，處理數(shù)據(jù)過程中的一些重要中間運(yùn)算結(jié)果也可以列入表中；（ 4） 若是有函數(shù)關(guān)系的測量數(shù)據(jù)，則應(yīng)按自變量由小到大或由大到下的順序排列。下面

22、以使用讀數(shù)顯微鏡測一圓環(huán)直徑為例，列表記錄和處理數(shù)據(jù)。表 0-1圓環(huán)直徑測量記錄測量次數(shù)左讀數(shù) / mm右讀數(shù) / mm直徑 d/ mm111.46417.4625.998210.84316.8385.995311.98217.9785.996411.58817.5845.996512.34618.3385.992611.01517.0105.995712.34118.3355.994直徑的平均值 _d5.9952. 作圖法作圖法是將一系列數(shù)據(jù)之間的關(guān)系或其變化情況用圖線直觀地表示出來。它可以研究物理量之間的變化規(guī)律，找出對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，求出經(jīng)驗(yàn)公式。如果圖線是依據(jù)許多測量數(shù)據(jù)通過描點(diǎn)得出的光

23、滑曲線，則作圖法有多次測量取其平均效果的作用；能簡便地從圖線上求出實(shí)驗(yàn)需要的某些結(jié)果，繪出儀器的校準(zhǔn)曲線；在圖線范圍內(nèi)可以直接讀出沒有進(jìn)行觀測的點(diǎn)的值 （即內(nèi)插法），在一定條件下，也可以從圖線的延伸部分讀到測量范圍以外無法測量的點(diǎn)的值（即外推法）。由圖線還可以幫助發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中個(gè)別的測量錯(cuò)誤， 并可通過圖線進(jìn)行系統(tǒng)誤差的分析。雖然作圖法有簡便、形象、直觀等優(yōu)點(diǎn)，但它只是一種粗略的數(shù)據(jù)處理方法。因?yàn)樗皇墙⒃趪?yán)格的統(tǒng)計(jì)理論基礎(chǔ)上，且還受坐標(biāo)紙及人為因素的影響。盡管這樣，作圖法仍不失為一種重要而常用的數(shù)據(jù)處理方法。（ 1） 作圖要求 選用合適的坐標(biāo)紙應(yīng)根據(jù)物理量之間的函數(shù)關(guān)系選用合適的坐標(biāo)紙。如果函

24、數(shù)關(guān)系為線性關(guān)系時(shí)選用直角坐標(biāo)紙，為對數(shù)關(guān)系時(shí)選用對數(shù)坐標(biāo)紙。 坐標(biāo)軸的比例與標(biāo)度坐標(biāo)紙的大小及坐標(biāo)軸的比例， 應(yīng)根據(jù)測量數(shù)據(jù)的有效數(shù)字位數(shù)及測量結(jié)果的需要來確定。原則上，數(shù)據(jù)中的可靠數(shù)字在圖中也應(yīng)該是可靠的，數(shù)據(jù)的末位是不可靠的，在圖中應(yīng)是估計(jì)的，即坐標(biāo)中的最小分格對應(yīng)測量值可靠數(shù)字的最后一位。以橫軸代表自變量， 縱軸代表因變量， 并標(biāo)明所代表的物理量名稱（或符號）及單位。按簡單和便于讀數(shù)的原則選擇圖上的讀數(shù)與測量值之間的比例，一般選用 1:1， 1:2， 1:5，2:1 等為好。用選好的比例在坐標(biāo)軸上等距離地、按圖上所能讀出的有效數(shù)字位數(shù)表示分度。為使圖線布局合理， 應(yīng)當(dāng)合理選取比例， 使

25、圖線比較對稱地展示在整個(gè)圖紙上，而不是偏向一邊?？v橫兩坐標(biāo)軸的比例可以不同，坐標(biāo)軸的起點(diǎn)也不一定從零開始。對于數(shù)據(jù)特別大的或特別小的，則可以寫成數(shù)量級表示法，如10m 或 10 n ，并放在坐標(biāo)軸最大值的右邊（或上方）。 標(biāo)點(diǎn)和連線要根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)，用明確的符號準(zhǔn)確地標(biāo)明實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，要做到不錯(cuò)不漏。常用的符號有“ +”、“”、“ ”、“”、“ ”、“”等。若要在同一張圖上畫不同的圖線，標(biāo)點(diǎn)是應(yīng)選用不同的符號，以便區(qū)分。連線時(shí)必須使用工具，最好用透明的直尺、三角板、曲線板等。多數(shù)情況下，物理量之間的關(guān)系在一定范圍內(nèi)是連續(xù)的，因此應(yīng)根據(jù)圖上各實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的分布和趨勢。作出一條光滑連續(xù)的曲線和直線。所繪的曲

26、線或直線應(yīng)光滑勻稱，而且要盡可能使所繪的圖線通過較多的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。對那些嚴(yán)重偏離圖線的個(gè)別點(diǎn)，應(yīng)檢查一下標(biāo)點(diǎn)是否有誤，若沒有錯(cuò)誤，表明這個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的測量存在粗大誤差，在連線時(shí)應(yīng)將其舍去不作考慮。其它不在圖線上的點(diǎn)，應(yīng)比較均勻地分布在圖線的兩側(cè)。對儀器儀表的校正曲線，連接時(shí)應(yīng)將相鄰兩點(diǎn)連成直線段，整個(gè)校正曲線圖呈折線形式。 標(biāo)注圖名應(yīng)在圖上明顯位置處寫清圖的名稱。必要時(shí)在圖的下方注明簡要的實(shí)驗(yàn)條件。（3） 圖解法利用已作好的圖線， 定量的求得待測量或待測公式，稱為圖解法。在物理實(shí)驗(yàn)中遇到最多的圖解法例子是通過圖示的直線關(guān)系確定該直線的參數(shù)斜率和截距。 選點(diǎn)一般在直線的兩端任取兩點(diǎn)a(x, y)和b(

27、x , y)。一般不用實(shí)驗(yàn)1122點(diǎn)，而是在直線上選取，并用不同于實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的記號表示，在記號旁注明其坐標(biāo)值。這兩點(diǎn)應(yīng)盡量分開些，如圖0-2 所示。如果這兩點(diǎn)靠得太近，計(jì)算斜率時(shí)就會使結(jié)果的有效數(shù)位減少，但也不能取超出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)范圍的點(diǎn)，熱敏電阻與溫度的關(guān)系曲線因?yàn)檫x這樣的點(diǎn)沒有實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 求斜率設(shè) 直 線 方 程 為yaxb，則斜率圖0-2用圖解法求直線斜率與截距ay2y1x2x13. 逐差法逐差法適用于兩個(gè)被測量之間存在多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系、自變量為等間距變化的情況。逐差分為逐項(xiàng)逐差和分組逐差。逐項(xiàng)逐差就是把實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項(xiàng)相減，用這種方法可以檢驗(yàn)被測量之間是否存在多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系，如果函數(shù)關(guān)系滿足 y

28、 ax b ，逐項(xiàng)逐差所得差值應(yīng)近似為一常數(shù)。分組逐差是將數(shù)據(jù)分為高、低兩組，實(shí)行對應(yīng)項(xiàng)相減。這樣做可以充分利用數(shù)據(jù)。具有對數(shù)據(jù)取平均的效果，從而較準(zhǔn)確的求得多項(xiàng)式系數(shù)的值。下面通過一個(gè)具體的例子來說明如何使用逐差法，以及它的優(yōu)點(diǎn)。例如：用伏安法測電阻，得到一組數(shù)據(jù)如表0-2 所示。測量時(shí)電壓每次增加 2.00v ?，F(xiàn)在要檢驗(yàn) uir 這個(gè)關(guān)系式， 并求出 r 值數(shù)學(xué)形式上相當(dāng)于i 的系數(shù)。表 0-2伏安法測電組序號 i電壓 ui/v電流 ii/mai 1i i i 1 i i / mai 5 i i i 5 i i / ma10.000.003.9620.0522.003.964.0420.

29、0934.008.004.0420.0046.0012.044.0820.0658.0016.123.9320.03610.0020.054.00712.0024.053.95814.0028.004.10916.0032.104.051018.0036.15由表 0-2 中逐項(xiàng)所得的i 1i 值可以看出它們基本相等，應(yīng)此可以說明 i 與 u 之間存在一次線性函數(shù)關(guān)系。但是，如果要求得電壓每增高2.00v 時(shí)，電流的平均增加量的話，可以有兩種不同的方法。如用所得的9 個(gè)逐項(xiàng)逐差的值取平均，則9i 1i_(i 2i 1 )( i 3 i 2 )( i 4 i 3 )(i 5 i 4 )( i 1

30、0 i 9 )i 1i 199(i 10i 1 )9這樣，中間測量數(shù)據(jù)全部相互抵消，全部未用，起作用的只是初末兩次測量值?？梢娺@樣做是不好的。若用分組逐差。將數(shù)據(jù)分為高組（ i 6 , i 7 , i 8 , i 9 , i10 ）和低組（i 1 , i 2 , i 3 , i 4 , i 5 ）兩組，求得各i 5 i ，然后求平均值，得_( i 10i 5 ) ( i 9i 4 ) ( i 8 i 3 )( i 7 i 2 ) ( i 6 i 1)i5520.0520.0920.0020.0620.03520.05再除以 5 便得到每升高2.00 v 電壓時(shí)的電流增加量。這樣做，全部測量數(shù)據(jù)

31、都得到的利用。ru2.002.00)10.499(k1_20.054.015i 55由本例可以看出， 逐差法具有充分利用所有測量數(shù)據(jù)得的優(yōu)點(diǎn)，使測量結(jié)果更合理。實(shí)驗(yàn) 1長度和密度的測量長度測量是最基本的物理測量之一， 許多物理量的測量常常會轉(zhuǎn)化為對長度的測量。 在許多儀器上都裝有游標(biāo)或螺旋測微讀數(shù)裝置， 因此我們必須熟練掌握游標(biāo)卡尺和螺旋測微計(jì)的原理和使用方法。在許多實(shí)驗(yàn)中，還需要知道物體的質(zhì)量，因而了解最簡單、最常用的物理天平構(gòu)造，學(xué)會用其稱量物體質(zhì)量的方法很有必要的?！緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?. 學(xué)習(xí)正確讀數(shù)、記錄和處理數(shù)據(jù)；2. 學(xué)習(xí)游標(biāo)和測微螺旋的原理和使用；3. 了解物理天平的構(gòu)造，學(xué)習(xí)使用的方

32、法；4. 掌握測量規(guī)則形狀物體的體積和密度的方法?！緦?shí)驗(yàn)儀器】一、長度的測量1. 米尺圖1-1米尺的讀數(shù)進(jìn)行比較精確的長度測量時(shí)，常用到測量工具米尺。米尺的分度值為 1mm ，用米尺測量長度時(shí)，可準(zhǔn)確到毫米這一位，毫米以下的一位則靠估計(jì)。例如，用米尺測量一個(gè)物體的長度lab 見 圖1-1 （ a ）。 ab點(diǎn) 位 置 的 讀 數(shù) 是12.63cm ， 則l12.639.503.13 cm。毫米以下的一位讀數(shù)（9.50 中的“ 0”和12.63 中的“3”）是估讀的，在這一位存在誤差。用米尺測量時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：首先，盡量減小誤差，使待測物與米尺的刻度緊貼，如圖1-1（ a）所示。否則如圖1-

33、1（ b）所示，因米尺有一定的厚度。測量時(shí)從不同的角度去看，會導(dǎo)致讀數(shù)的差異。其次，當(dāng)米尺的刻度由端邊開始時(shí)，不要用米尺的端邊作為測量的起點(diǎn)，以免由于米尺端邊的磨損對測量結(jié)果引入系統(tǒng)誤差。2. 游標(biāo)卡尺在米尺上附加一個(gè)能夠滑動(dòng)的有刻度的小尺， 叫游標(biāo)，利用它可以把米尺估讀的那一位數(shù)值準(zhǔn)確地讀出來。游標(biāo)卡尺主要由兩部分構(gòu)成 （見圖 1-2）：與量爪 1，3 相連的主尺 6（主尺的分度值為 1mm）；與量爪 2，4 及深度尺 5 相連的是游標(biāo) 7。游標(biāo)可貼著主尺滑動(dòng)。 量爪 1，2 用來測量厚度和外徑，量爪 3， 4 用來測量內(nèi)徑，深度尺5 用來測量槽的深度。它們的讀數(shù)值，都是由游標(biāo)的0 線與主尺

34、的 0 線之間的距離表示出來的。8 為固定螺釘。圖 1-2游標(biāo)卡尺下面介紹游標(biāo)卡尺的讀數(shù)原理。游標(biāo)卡尺在構(gòu)造上其主要特點(diǎn)是：游標(biāo)上的n 個(gè)分格的總長與主尺上 (n1) 個(gè)分格的總長相等，設(shè)y 代表主尺上一個(gè)分格的長度，x 代表游標(biāo)上一個(gè)分格的長度，則有nx（1-1）那么主尺與游標(biāo)上每個(gè)分格的差值為xy（ 2-2）上面式中 x( y x) 為游標(biāo)的分度值，通常稱為游標(biāo)的精度。對于 n10 的游標(biāo)卡尺，主尺上一分格是，那么游標(biāo)上10 個(gè)分格的總長等于9mm，這樣游標(biāo)上一個(gè)分格的長度是0.90.90.1mm ，當(dāng)量爪1， 2合攏圖 1-3 量爪合攏時(shí)讀數(shù)圖1-4 測量值為0.2 mm時(shí)游標(biāo)上的“ 0

35、”線與主尺上的“0”線重合，如圖1-3 所示。這時(shí)，游標(biāo)上第一條刻線在主尺第一條刻線的左邊0.1mm 處，游標(biāo)上第二條刻線在主尺第二條刻線的左邊0.2mm 處，依次類推。這就提供了利用游標(biāo)進(jìn)行測量的依據(jù)。如果在量爪1， 2 間放進(jìn)一張厚度為0.1mm 的紙片，那么，與量爪 2 相連的游標(biāo)就要向右移動(dòng)，這時(shí)游標(biāo)上的第一條刻線與主尺上的第一條線相重合， 而游標(biāo)上的其他各條線都不與主尺上的任一條線相重合；如果紙厚為0.2mm，那么游標(biāo)就要向右移動(dòng)0.2mm，游標(biāo)上的第二條刻線就與主尺上的第二條刻線相重合依次類推。反過來，如果游標(biāo)上的第二條刻線與主尺上的第二條線相重合，那么紙的厚度就是0.2mm，如圖

36、 1-4所示。這種把游標(biāo)等分為10 個(gè)分格（即）的游標(biāo)稱為“十分游標(biāo).”。 常用的還有“二十分游標(biāo)”、“ 三十分游標(biāo)” “ 五十分游標(biāo)”等。圖 1-5五十分游標(biāo)在我們實(shí)驗(yàn)室中常用的五十分游標(biāo)），即主尺上 49mm 與游標(biāo)上50 格相當(dāng)（見圖 1-5所示），故游標(biāo)上每一格的長度是，這樣主尺上一分格與游標(biāo)上一分格之差為即五十分游標(biāo)分度值游標(biāo)上刻有0，1，2，3，9，以便于讀數(shù)。圖1-6游標(biāo)卡尺讀數(shù)圖 1-7 游標(biāo)卡尺使用方法當(dāng)測量大于1mm”在主尺的位置讀出毫米的整數(shù)位，再從游標(biāo)上讀出毫米的小數(shù)位。即用游標(biāo)卡尺測量長度lkym x式中， k 是游標(biāo)的“ 0”線所在處主尺刻度的整毫米數(shù)，m 是指游標(biāo)

37、的第m 條線與主尺的某一條線重合， y= 1 mm。在圖 1-6 所示的情況， l 21.48 mm2.148cm 。在用游標(biāo)卡尺測量之前，應(yīng)先把量爪1，2 和攏，檢查游標(biāo)卡尺的“0”線是否與主尺“ 0”線重合，如果不重合，應(yīng)記下零點(diǎn)讀數(shù)，加以修正，即待測量l l1l 0 。其中 l 1 為未作零點(diǎn)修正前的讀數(shù)值， l0 為零點(diǎn)讀數(shù)。 l 0 可以為正，也可以為負(fù)。使用游標(biāo)卡尺時(shí)，可以手拿物體，另一手持尺，如圖1-7 所示。要特別注意保護(hù)量爪不被磨損。使用時(shí)輕輕地把物體卡住即可讀數(shù)，不允許用來測量表面粗糙的物體，并切忌把被夾緊的物體在卡口內(nèi)挪動(dòng)。3. 螺旋測微計(jì)螺旋測微計(jì)又稱千分尺， 它是比游

38、標(biāo)卡尺更為精密的測長儀器。 在實(shí)驗(yàn)室中常用來測量小球的直徑、金屬絲的直徑等。圖1-8 螺旋測微計(jì)圖1-9 螺旋測微計(jì)的讀數(shù)螺旋測微計(jì)的主要部分是測微螺旋，它由一根精密的測微螺桿和螺母套管組成，如圖 1-8 所示。螺母套管2、固定套管4 和量砧 5 都固定在尺架7 上，固定套管4 上刻有主尺，主尺上刻有一條橫線， 橫線上刻有表示毫米數(shù)的刻度，橫線下面刻有表示半毫米數(shù)的刻線（有的螺旋測微計(jì)在橫線的下面刻毫米數(shù)，在橫線的上面刻半毫米數(shù)）。測微螺桿1 和微分筒3、棘輪旋柄8 連在一起，在微分圓筒 3 上沿圓周刻有 50 個(gè)等分格。螺旋測微的螺距是 0.5mm，因此，測微螺桿旋轉(zhuǎn)一周時(shí)， 它沿軸線方向前

39、進(jìn) （或后退） 0.5mm，而每旋轉(zhuǎn) 1 格時(shí)，它沿軸線方向前進(jìn) （或后退）0.5/50=0.01mm 。由此可見，螺旋測微計(jì)的最小刻度是0.01mm ，并且還可以估讀一位。測量物體長度時(shí)，應(yīng)先將測微螺桿1 退開，把待測物體放在測量面（即5、 1 間的兩平面）之間，然后輕輕的轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪旋柄8，使兩測量面剛好與物體接觸（可聽到咔咔的響聲）。讀數(shù)時(shí)，從主尺上讀出0.5 毫米以上的部分，從微分筒上讀出余下的部分（估計(jì)到最小分度的十分之一，即千分之一毫米） ，然后兩者相加。例如，圖1-9 （ a）中的讀數(shù)是5.155mm，圖 1-9（ b）中的讀數(shù)是5.655mm ，兩者的差別就在于微分筒的端面位置，前

40、者沒有超過5.5mm，而后者超過了5.5mm。使用螺旋測微計(jì)測量時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：（ 1）當(dāng)螺旋測微計(jì)的兩測量面密合時(shí)，如果副尺的零線不和主尺的橫線對齊時(shí)，而是顯示某一讀數(shù)，這個(gè)讀數(shù)稱為零點(diǎn)讀數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意零點(diǎn)讀數(shù)的正負(fù)，以便對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行零點(diǎn)修正。（ 2）在校正零點(diǎn)和測長時(shí)，不要直接轉(zhuǎn)動(dòng)測微螺桿1 和微分筒 3，以免過分壓緊。應(yīng)輕輕的轉(zhuǎn)動(dòng)棘輪旋柄 8，待發(fā)出“咔，咔”聲時(shí)，即可進(jìn)行讀數(shù)，棘輪的作用是使測量面剛好與物體接觸。（ 3）測量完畢后，應(yīng)使測量面1、 5間留出空隙，以免因?yàn)闊崤蛎浂鴵p壞螺紋。二、質(zhì)量的測量物理天平圖 1-10 物理天平物理天平如圖 1-10 所示。在物理天平的橫梁上裝有三個(gè)刀

41、口，中間刀口向下，作為橫梁的支點(diǎn)，兩側(cè)刀口各掛一個(gè)秤盤。橫梁下面固定一個(gè)指針，當(dāng)橫梁擺動(dòng)時(shí)，指針尖端就在支柱下方的標(biāo)尺前左右擺動(dòng)。制動(dòng)旋鈕可以使橫梁上升或下降，橫梁下降時(shí)制動(dòng)架可以把它托住，以免磨損刀口。橫梁兩端有兩個(gè)平衡螺母，是天平空載時(shí)調(diào)平衡用的。橫梁上裝有游碼，用于 10 克以下的稱衡。支柱左邊附有托盤，可以托住不被稱衡的物體。物理天平的規(guī)格由下面兩個(gè)參量來表示（ 1）稱量：允許稱衡的最大質(zhì)量。（ 2）感量： 指天平平衡時(shí)， 為使指針從標(biāo)尺的平衡位置產(chǎn)生一小格的偏轉(zhuǎn)，在一端砝碼盤需加的最小質(zhì)量。感量越小，天平的靈敏度越高。物理天平的操作步驟如下：（ 1）水平調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)底腳螺釘，使懸掛的重錘

42、錘尖與底座上的準(zhǔn)尖對齊（或使水準(zhǔn)儀的氣泡居中），這樣可使天平底座處于水平，立柱處于鉛直狀態(tài)。（ 2）零點(diǎn)調(diào)節(jié)把橫梁上的游碼移到刻度“ 0”處，將兩空稱盤吊鉤掛在兩端刀口上，制動(dòng)旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)， 支起天平橫梁， 指針將在標(biāo)尺前左右擺動(dòng)。 如不平衡， 應(yīng)反時(shí)針旋轉(zhuǎn)制動(dòng)旋鈕，使橫梁支在制動(dòng)架上，然后調(diào)節(jié)平衡螺母，反復(fù)以上操作，直至指針在標(biāo)尺前來回?cái)[動(dòng)，當(dāng)左右兩邊的擺幅相等時(shí)，天平達(dá)到平衡。（ 3）稱衡將待測物放在左邊盤內(nèi)，砝碼放在右邊盤內(nèi)，進(jìn)行稱衡。當(dāng)天平平衡時(shí)，被測物體的質(zhì)量就等于砝碼的質(zhì)量與游碼所指值之和（包括估讀的一位數(shù)字）。（ 4）每次稱衡完畢，應(yīng)將制動(dòng)旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，放下橫梁。全部稱完后，將稱盤摘離刀口。使用物理天平的注意事項(xiàng)：（ 1）被測物體的質(zhì)量不得超過天平的稱量。（ 2） 為避免刀口受到?jīng)_擊而損壞， 在取放物體和砝碼、 移動(dòng)游碼或調(diào)節(jié)天平時(shí)， 都必須制動(dòng)天平。只有判別天平是否平衡時(shí)才啟動(dòng)天平。（ 3）