物理實驗緒論-徐1

1物理實驗

緒論中國計量學(xué)院物理系2015年3月徐鵬2

1.為什么要上物理實驗課(WHY)2.物理實驗課的要求3.怎樣上好物理實驗課(How)4.數(shù)據(jù)處理方法5.測量、誤差和不確定度估計31.1物理實驗的作用1.2物理實驗課的目的1.為什么要上物理實驗課41.1物理實驗的作用

物理學(xué)是研究物質(zhì)運動一般規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科,是學(xué)習(xí)其它自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，物理實驗在物理學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用過程中起著重要作用。5伽利略把實驗和邏輯引入物理學(xué),使物理學(xué)最終成為一門科學(xué)。經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律是從實驗事實中總結(jié)出來的。近代物理學(xué)是從實驗事實與經(jīng)典物理學(xué)的矛盾中發(fā)展起來的。很多技術(shù)科學(xué)是從物理學(xué)的分支中獨立出去的。6以諾貝爾物理學(xué)獎為例：80%以上的諾貝爾物理學(xué)獎給了實驗物理學(xué)家。20%的獎中很多是實驗和理論物理學(xué)家分享的。實驗成果可以很快得獎，而理論成果要經(jīng)過至少兩個實驗的檢驗。有的建立在共同實驗基礎(chǔ)上的成果可以連續(xù)幾次獲獎。7

1.2

物理實驗課的目的學(xué)習(xí)實驗知識培養(yǎng)實驗?zāi)芰μ岣邔嶒炈仞B(yǎng)8

學(xué)習(xí)實驗知識通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和對物理量的測量，學(xué)習(xí)物理實驗知識和設(shè)計思想，掌握和理解物理理論。9培養(yǎng)實驗?zāi)芰柚滩幕騼x器說明書正確使用常用儀器；運用物理學(xué)理論對實驗現(xiàn)象進行初步的分析判斷；正確記錄和處理實驗數(shù)據(jù)，繪制實驗曲線，說明實驗結(jié)果，撰寫合格的實驗報告；能夠根據(jù)實驗?zāi)康暮蛢x器設(shè)計出合理的實驗。10提高實驗素養(yǎng)培養(yǎng)理論聯(lián)系實際和實事求是的科學(xué)作風(fēng)；嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度；主動研究和創(chuàng)新的探索精神；遵守紀(jì)律、團結(jié)協(xié)作和愛護公共財產(chǎn)的優(yōu)良品德。11

物理實驗課程不同于一般的探索性的科學(xué)實驗研究，每個實驗題目都經(jīng)過精心設(shè)計、安排，可使同學(xué)獲得基本的實驗知識，在實驗方法和實驗技能諸方面得到較為系統(tǒng)、嚴(yán)格的訓(xùn)練，是大學(xué)里從事科學(xué)實驗的起步，同時在培養(yǎng)科學(xué)工作者的良好素質(zhì)及科學(xué)世界觀方面，物理實驗課程也起著潛移默化的作用。

希望同學(xué)們能重視這門課程的學(xué)習(xí)，經(jīng)過半年或一年的時間，真正能學(xué)有所得。12教學(xué)目標(biāo)學(xué)生守則以往不及格的情況基礎(chǔ)物理實驗課總體安排122、物理實驗課的要求13物理實驗課的目標(biāo)掌握物理實驗的基本知識、基本方法和基本技能。學(xué)習(xí)用實驗方法研究物理規(guī)律，加深對物理規(guī)律的理解和掌握，并在實驗中提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。養(yǎng)成無私無畏的敬業(yè)精神和實事求是、嚴(yán)謹(jǐn)踏實的科學(xué)態(tài)度。1314學(xué)生在實驗前應(yīng)認(rèn)真預(yù)習(xí)實驗內(nèi)容，明確實驗?zāi)康摹⒁蠛筒襟E，并寫好實驗預(yù)習(xí)報告。進實驗室后……進實驗室做實驗，其實驗者序號必須按順序做！實驗時應(yīng)獨立思考，獨立操作……實驗中應(yīng)注意安全……注意愛護儀器設(shè)備……實驗應(yīng)在規(guī)定時間內(nèi)完成……實驗報告（含預(yù)習(xí)報告）必須在48小時內(nèi)交至求中二樓教師信箱！不然該實驗按缺席處理。14物理實驗課的學(xué)生守則15以往不及格的情況報告不交或超期交；有曠課；不參加期末考試；報告太差：如報告內(nèi)容極少，或主要內(nèi)容錯誤率超過2/5；在每個實驗項目中成績最低的次數(shù)較多者；曠課和缺交實驗報告的學(xué)時數(shù)累計超過課程總學(xué)時數(shù)的1/3——取消考試資格1516物理實驗課總體安排第2周：講課—緒論1第3-4周：2個實驗第5周：講課—緒論2第6-17周：11個實驗考試（筆試+操作，原上課時間，具體要求另行通知）1617物理實驗成績評定方法本學(xué)期的學(xué)生期末實驗總成績按平時實驗60%、考試40%加權(quán)評定。2.每個實驗項目成績評定其中：每次實驗成績，按滿分100分進行評分，其中預(yù)習(xí)20分，操作40分、報告及創(chuàng)新40分。預(yù)習(xí)馬虎、缺項（見預(yù)習(xí)要求）視情扣除5分至20分。抄襲實驗報告者及被抄襲者，按考試作弊處理。違章操作損壞儀器者酌情扣除10至40分。操作能力差和不能完成全部操作內(nèi)容者扣除10至40分。報告內(nèi)容不完整等逐項扣分。18物理實驗成績評定方法3.考試試卷的組成部分其中：卷面總分?jǐn)?shù)40分誤差理論部分10分實驗理論和操作30分4.分組考試5.考試范圍——每個學(xué)生完成的實驗項目19

因為實驗課程的特殊性，不接受請假。如因突發(fā)事情（僅指生病），盡快聯(lián)系管理員，在上課之前取消。不能取消的課程在一周之內(nèi)聯(lián)系任課教師補課，需提交相關(guān)材料。缺課的處理方法20實驗報告交接方法1.實驗完成后48小時內(nèi)須交報告。若周四、周五上課，下周一之前交。遲交報告并在一周內(nèi)補交，該實驗總成績降兩個等級，其余情況該實驗總成績計為0分。實驗報告，自己交自己的，不允許代交。教師一人一個信箱，直接投到教師的信箱里（求中二樓）；2.教師收到報告后二周內(nèi)批改完，在網(wǎng)站上登錄實驗成績；3.實驗報告在考試之前會返回。

21學(xué)生網(wǎng)上選課須知

下午567節(jié)：13:30——15:45

晚上9-11節(jié)：18:00——20:15上課時間22

信息平臺BB平臺學(xué)號00000023

信息平臺物理實驗教學(xué)示范中心243、怎樣上好物理實驗課3.1實驗前—預(yù)習(xí)（２0分）

如何寫預(yù)習(xí)報告？3.2實驗中3.2.1簽到3.2.2操作與記錄（４0分）

如何做實驗記錄？3.3實驗后—數(shù)據(jù)處理與實驗分析（４0分）

如何寫實驗報告？253.1預(yù)習(xí)(20分)實驗報告紙要求實驗題目：班級：姓名:學(xué)號:實驗日期26沒有預(yù)習(xí)報告不可以做實驗:預(yù)習(xí)報告要求：

用實驗報告紙，

內(nèi)容要求如右：為什么要寫實驗報告？如何做數(shù)據(jù)表格？實驗?zāi)康模簩嶒瀮x器及用具：

實驗原理：含公式及成立條件、電路或光路圖實驗內(nèi)容及步驟：注意事項：實驗記錄：

記下儀器規(guī)格型號、畫出數(shù)據(jù)表格

實驗前263.1實驗前——預(yù)習(xí)(20分)273.1實驗前——預(yù)習(xí)(20分)28例：測量一個圓柱體樣品的密度如何求密度？明確測量量，直接測量量，間接測量量。先測哪個？后測哪個？多次測量還是單次測量？哪些需要列在表格里？測量順序？物理量名稱、單位3.1預(yù)習(xí)(20分)—如何做數(shù)據(jù)表格？29樣品的質(zhì)量M

=

g。樣品的密度室溫T

=

℃；濕度

=

%。293.1預(yù)習(xí)(20分)—如何做數(shù)據(jù)表格？例：測量一個圓柱體樣品的密度30對待實驗數(shù)據(jù)

必須嚴(yán)格、慎重、準(zhǔn)確、真實303.1實驗前——預(yù)習(xí)(20分)313.2實驗中3.2.1簽到3.2.2操作與記錄（４0分）

如何做實驗記錄？32

3.2.1簽到33

3.2.1簽到按照名單順序入座，上課時，要攜帶證件；一個房間一般有二個實驗。進實驗室做實驗，其實驗者順序必須與儀器順序一一對應(yīng)！34

3.2.2操作與記錄（40分）遲到扣5-10分，遲到30分鐘以上

則不允許做實驗，該次實驗成績?yōu)?分。遵守各項制度和學(xué)生守則，注意安全。不許帶著別人的實驗報告在實驗室做實驗，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該實驗作0分處理。如實、清晰、詳盡的記錄原始數(shù)據(jù)，不要隨意涂改數(shù)據(jù)也不要打草稿再謄寫上去。按時完成、爭取選做。實驗完畢，要指導(dǎo)教師確認(rèn)簽字并且整理好實驗儀器方能離開實驗室。實驗中3435如何使用儀器儀表？實驗中左端讀數(shù)為：10.00cm右端讀數(shù)為：15.25cm估讀、有效數(shù)字、單位數(shù)字表測量某一電路中的電流對于數(shù)字儀表該如何讀數(shù)？35

3.2.2操作與記錄（40分）36如何做實驗記錄？實驗中實驗條件：記錄數(shù)據(jù)或現(xiàn)象時的實驗條件實驗現(xiàn)象：與預(yù)想一致或不一致的各種現(xiàn)象實驗數(shù)據(jù)：清晰、詳盡實驗中的問題和想法36

3.2.2操作與記錄（40分）37

3.3實驗報告（40分）實驗后如何做數(shù)據(jù)處理？（第5周詳細(xì)討論）（1）有效數(shù)字

（2）不確定度評定（3）最小二乘法

（4）作圖

3738不僅要正確處理實驗所得的數(shù)據(jù)，注意有效數(shù)字與單位，也要解釋實驗中看到的現(xiàn)象。認(rèn)真地分析和解釋實驗結(jié)果，得出實驗結(jié)論。實驗結(jié)論不是簡單的測量結(jié)果，它應(yīng)包括對測量結(jié)果的簡要評論，與期望值的關(guān)系，分析誤差的主要原因和改進方法，對測量結(jié)果意義的討論等?！坝懻摗苯钩u。如果可以，請談一下對本實驗的體會和對教師或教材的批評與建議。交取實驗報告的時間完成實驗后48小時內(nèi)將報告交至指定信箱。實驗后

3.3實驗報告（40分）39實驗后(1)有效數(shù)字有效數(shù)字----從第一個不為0的數(shù)開始算起的所有數(shù)字。如,0.35(2個);3.54(3個);0.003540(4個);3.5400(5個)。

加減法：與不確定度最大項的末位有效數(shù)字對齊

57.31＋0.0156－2.24342（=55.08218）=55.08乘除法：與最少個數(shù)的有效數(shù)字相同

57.31×0.0156÷2.24342（=0.398514767）=0.399運算規(guī)則39

3.3實驗報告（40分）40有效數(shù)字

不確定度本身一般只取一（二）個有效數(shù)字，測量值的末位有效數(shù)字應(yīng)與不確定度的有效數(shù)字對齊。即：測量值的末位有效數(shù)字是不確定的。有效數(shù)字修約規(guī)則：

“4舍6入5成雙”小于5舍大于5入剛好是5時，若前一位為奇數(shù)則入，為偶數(shù)則舍。如：計算值為3.54835;3.65325

若不確定度為0.0003,則取x=3.5484;3.6532

若不確定度為0.002,則取x=3.548；3.653

若不確定度為0.04,則取x=3.55;3.65

若不確定度為0.1,則取x=3.5;3.7實驗后“4”代表小于5“6”代表大于5

3.3實驗報告（40分）41為什么使用修約規(guī)則？1.選取修約規(guī)則的原則——

對大量數(shù)據(jù)進行修約后，誤差能達到相互抵消，而不導(dǎo)致互相迭加而積累；2.修約規(guī)則“4舍6入5成雙”合理假設(shè)最后第二位奇偶幾率各半。這樣舍去或增加最后第二位的0.5的幾率一樣。

3.3實驗報告（40分）42

(2)不確定度u(x)的評定

(第5周詳細(xì)討論數(shù)據(jù)處理)實驗后

測量結(jié)果的表達

1、測量結(jié)果的一般表示法：如：長度為（1.05±0.02）cm。

2、不確定度的百分比表示法：如，長度為1.05cm，相對不確定度2%

。

3、測量結(jié)果的有效數(shù)字表示法(1.05cm)42不是“測量結(jié)果的百分比表示法”而是“不確定度”的“百分比表示法”

3.3實驗報告（40分）43正確度、精密度與準(zhǔn)確度真值正確度高,但精密度低精密度高,但正確度低準(zhǔn)確度高!統(tǒng)計不確定度uA大系統(tǒng)不確定度uB大系統(tǒng)誤差大隨機誤差大

不必請同學(xué)討論誤差和不確定度的概念、異同（因為他們頭腦中沒有誤差的概念）

誤差一般是不能計算的，它可正、可負(fù)也可能十分接近零；而不確定度總是不為零的正值，是可以具體評定的。

--所以也不必討論

3.3實驗報告（40分）44不確定度A類不確定度(多次測量)

B

類不確定度B1類不確定度

d為儀器的分度值（單次測量）B2

類不確定度（儀器不確定度）uB1=d/10（最好）uB1=d/5

（中等）uB1=d/2

（較差）a為儀器的不確定度限值C稱為“置信因子”，本基礎(chǔ)物理實驗課程中大多取uB1=d

（特殊情況，比如數(shù)字顯示）44

3.3實驗報告（40分）45不確定度的合成單次測量多次測量在長度測量中，長度值是兩個位置讀數(shù)x1和x2之差，其不確定度合成公式為：45

3.3實驗報告

—不確定度的合成46一般傳遞公式，當(dāng)各直接測量的量相互獨立無關(guān)時：加減：乘方：幾個常用的傳遞公式乘除：46

3.3實驗報告—不確定度的傳遞47（3）最小二乘法若最佳擬合的直線為：y=kx+b，則所測各值與擬合直線上相應(yīng)的各估計值之間偏差的平方和為最小，即:47

3.3實驗報告（40分）48實驗后(4)作圖、讀圖

通過作圖直線擬合求斜率48

3.3實驗報告（40分）——作圖49實驗后作圖、讀圖

通過作圖直線擬合求斜率49

3.3實驗報告（40分）——作圖50實驗后作圖、讀圖

通過作圖直線擬合求斜率作圖規(guī)則?50

3.3實驗報告（40分）——作圖51選擇圖紙（采用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙）根據(jù)自變量－因變量選擇圖紙方向（一般取自變量為橫坐標(biāo)），選擇合適比例，圖紙上1格所表示的數(shù)據(jù)量值符合原數(shù)據(jù)量值變化的1、2、5等數(shù)（或它們的十進倍率）,便于讀取。畫坐標(biāo)軸、分度線（等間距、勿太密）并標(biāo)明物理量名稱斜體）及單位（正體）。畫數(shù)據(jù)點（不標(biāo)數(shù)據(jù)值，要用端正的“+”或者“⊙”符號來表