南郵物理實(shí)驗(yàn)緒論2008

物理實(shí)驗(yàn)緒論第一部分

物理實(shí)驗(yàn)課的基本程序1.實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)2.實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行—中心環(huán)節(jié)3.實(shí)驗(yàn)后寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.實(shí)驗(yàn)前的預(yù)習(xí)認(rèn)真閱讀教材和有關(guān)參考書弄清實(shí)驗(yàn)原理、方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)康某浞至私鈱?shí)驗(yàn)理論依據(jù)和條件提前進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室熟悉實(shí)驗(yàn)儀器寫出實(shí)驗(yàn)的預(yù)習(xí)報(bào)告預(yù)習(xí)應(yīng)做到以下幾點(diǎn)：預(yù)習(xí)報(bào)告內(nèi)容包括如下幾方面：①實(shí)驗(yàn)名稱；②實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；③?shí)驗(yàn)儀器(型號(hào)、規(guī)格等)；④實(shí)驗(yàn)原理：在理解的基礎(chǔ)上，用簡短的文字扼要闡述實(shí)驗(yàn)原理，切忌照抄。包含主要原理公式及簡要說明，畫出必要的原理圖、電路圖或光路圖；⑤列出記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的“原始數(shù)據(jù)的記錄表格”。（畫在報(bào)告冊(cè)最后一頁，注：用鉛筆畫以便修改）未預(yù)習(xí)或未寫好預(yù)習(xí)報(bào)告者，老師有權(quán)停止其實(shí)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)成績降一檔！2.實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行—中心環(huán)節(jié)動(dòng)手實(shí)驗(yàn)前老師檢查預(yù)習(xí)報(bào)告交上次實(shí)驗(yàn)報(bào)告(班長收齊，按學(xué)號(hào)排好)聽老師講解實(shí)驗(yàn)原理及注意事項(xiàng)等動(dòng)手實(shí)驗(yàn)必須按操作規(guī)程使用儀器，不明確操作規(guī)程，千萬不要?jiǎng)佑脙x器。仔細(xì)觀察和認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象；準(zhǔn)備就緒后再開始測量，要求實(shí)驗(yàn)者精力集中，仔細(xì)觀察，精心操作如實(shí)記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象；原始數(shù)據(jù)是指從儀器上直接讀出而未經(jīng)整理的數(shù)據(jù)，它是以后計(jì)算和分析問題的依據(jù)，在實(shí)際工作中則是寶貴的資料。應(yīng)當(dāng)一開始就記錄在正式的記錄紙上。記錄的內(nèi)容包括：日期、時(shí)間、地點(diǎn)、室溫、氣壓、儀器編號(hào)、名稱及規(guī)格、原始數(shù)據(jù)及有關(guān)現(xiàn)象原始數(shù)據(jù)必須給教師審閱后簽字！離開實(shí)驗(yàn)室前，要整理好所用的實(shí)驗(yàn)儀器，做好清潔工作。3、實(shí)驗(yàn)后寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)報(bào)告是實(shí)驗(yàn)工作的總結(jié)，是學(xué)生實(shí)驗(yàn)成果的書面反映，要求文字通順、字跡端正、圖表規(guī)范、數(shù)據(jù)完備和結(jié)果正確。要養(yǎng)成按時(shí)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和交報(bào)告的習(xí)慣，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行不確定度評(píng)估和討論。實(shí)驗(yàn)報(bào)告的內(nèi)容包括：1、實(shí)驗(yàn)名稱2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、實(shí)驗(yàn)儀器：4、實(shí)驗(yàn)原理：5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：6、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理：7、討論與分析。此部分在實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行，緊接著“實(shí)驗(yàn)原理”寫此部分在實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟：重點(diǎn)寫出“做什么，怎么做”實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及處理：（1）重新規(guī)范合理地畫出正式數(shù)據(jù)的表格（應(yīng)與“原始數(shù)據(jù)的記錄表格”不同）（2）作圖、計(jì)算結(jié)果和不確定度估算（3）結(jié)果：按標(biāo)準(zhǔn)形式寫出實(shí)驗(yàn)結(jié)果(測量值、不確定度和單位)，在必要時(shí)注明實(shí)驗(yàn)條件。第二部分

測量誤差與不確定度評(píng)定測量----就是將待測物理量與一個(gè)選作標(biāo)準(zhǔn)的同類量進(jìn)行比較，得出它們之間的關(guān)系。數(shù)值+單位，構(gòu)成一個(gè)物理量，數(shù)據(jù)應(yīng)包含：數(shù)值大小和單位，二者缺一不可。如測量值：175.0cm數(shù)值大小單位一、測量與單位實(shí)驗(yàn)中要求采用國際單位制(SI)：米(m)、千克(kg)、秒(s)、安培(A)、開爾文(K)、摩爾(mol)、坎德拉(cd)二、測量的分類按測量過程分：直接測量間接測量直接測量----將待測量與定標(biāo)的測量儀器或量具比較，直接讀出待測物理量的量值。間接測量----有些無法用儀表或量具直接測量的物理量只能通過對(duì)一些相關(guān)物理量的直接測量，再通過這些物理量間的一定的函數(shù)關(guān)系求出待測量的大小。例：測量圓柱體的密度首先測出圓柱體的直徑D、高度h和質(zhì)量m通過公式可以間接測得圓柱體的密度五、有效數(shù)字的概念測量值存在誤差是不可避免的，因而測量值包含了準(zhǔn)確數(shù)字和欠準(zhǔn)數(shù)字。我們將準(zhǔn)確數(shù)字和欠準(zhǔn)數(shù)字總稱為有效數(shù)字。在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，通常只取一位欠準(zhǔn)數(shù)字。因此有效數(shù)字由若干位準(zhǔn)確數(shù)字和一位欠準(zhǔn)數(shù)字組成。有效數(shù)字不僅反映了待測量的大小，正確書寫的有效數(shù)字還可以反映測量的精確程度。1).有效數(shù)字定義：由測量結(jié)果的第一位非零數(shù)起到最后那一位數(shù)字止的全部數(shù)字統(tǒng)稱為測量的有效數(shù)字。4.60cm≠4.600cm2).有效數(shù)字的性質(zhì)（1）有效數(shù)字位數(shù)的多少與被測對(duì)象數(shù)值大小有關(guān)。（2）有效數(shù)字位數(shù)的多少與測量儀器的精度有關(guān)。例如：用不同精度的量具測同一物體的長度。有效數(shù)字多一位,相對(duì)不確定度值幾乎小一個(gè)數(shù)量級(jí),測量準(zhǔn)確度高。用游標(biāo)卡尺測量:L=46.00mm,Δ儀=0.02mm,Er=0.026%Er=0.13%Er=0.006%用鋼直尺測量：L=46.0mm,Δ儀=0.1mm,用千分尺測量:L=46.000mm,Δ儀=0.004mm,（3）有效數(shù)字位數(shù)與小數(shù)點(diǎn)的位置、單位無關(guān)。例如：4.60cm0.0460m46.0mm（4）測量結(jié)果第一位非零數(shù)字前的“0”不屬于有效數(shù)字，測量結(jié)果第一位非零數(shù)字后的“0”都是有效數(shù)字.0.0125m=1.25cm1.0900cm≠1.09cm8.88m=8880mm?3).科學(xué)記數(shù)法科學(xué)記數(shù)法:a×10n(單位）a小數(shù)點(diǎn)前只取一位，再乘以10的冪次。8.88m=8.88×103mm80.30g=0.0803kg?=80300mg?80.30g=8.030×101g=8.030×104mg=8.030×10-2kg不論采用何種記數(shù)法，有效數(shù)字位數(shù)不變4).有效數(shù)字的修約規(guī)則根據(jù)GB8017-87規(guī)定的數(shù)值修約規(guī)則，測量結(jié)果尾數(shù)的修約原則是：四舍六入五湊偶。即小于5者舍，大于5者入，等于5者把尾數(shù)湊成偶數(shù)。(5后非零則進(jìn)1，5后全零湊成偶)例如：測量結(jié)果為m=3.065kg,ucm=0.042kg則應(yīng)表示成m=(3.06±0.05)kg例如:6.28271取4位有效數(shù)字為6.2832.4352取3位有效數(shù)字為17.425取4位有效數(shù)字為7.146取2位有效數(shù)字為0.086取1位有效數(shù)字為17.415取4位有效數(shù)字為5).有效數(shù)字的運(yùn)算法則運(yùn)算結(jié)果有效數(shù)字的位數(shù)，需求出不確定度才可以確定出來。在不要求不確定度時(shí)，按以下粗略的方法來確定。(1)加減運(yùn)算規(guī)則：幾個(gè)數(shù)相加減時(shí)，結(jié)果的末位與各數(shù)末位數(shù)中數(shù)量級(jí)最大的那一位對(duì)齊。例如：(2)乘除運(yùn)算規(guī)則：幾個(gè)數(shù)相乘除時(shí)，結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)與各數(shù)中位數(shù)最少的相同。例如：6)、直接測量量的有效數(shù)字讀數(shù)原則讀數(shù)為2cm或20mm?應(yīng)為2.00cm或20.0mm所有從儀器上直接讀出的數(shù)字(包括估讀的一位),都為有效數(shù)字。儀器誤差或最小分度決定測量值的有效數(shù)字位數(shù)例1：普通刻度尺估讀到最小分度值1/5~1/2例2：角游標(biāo)尺估讀值:最小分度值1’233o13?類似的例子：游標(biāo)卡尺例3：數(shù)字表頭的讀數(shù)無估讀值，測量值直接從表頭讀出：23.9℃誤差與真值關(guān)系：真值：物理量在一定的條件下客觀的真正大小，通常用a表示六、誤差與不確定度誤差：由于測量儀器不準(zhǔn)，環(huán)境等對(duì)測量的影響，測量的結(jié)果并不完全一致，存在誤差,用ε表示。誤差與真值誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差確定性按特征和表現(xiàn)隨機(jī)性系統(tǒng)誤差----在同一條件下對(duì)同一物理量進(jìn)行等精度測量，誤差呈現(xiàn)的符號(hào)和數(shù)值不變或按照一定的規(guī)律變化，這類誤差稱作系統(tǒng)誤差。誤差的分類粗差剔除不確定度表示測量值可能變動(dòng)（不能確定）的范圍，也是與測量結(jié)果相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，用于合理表示由于測量誤差的存在而對(duì)被測量值的不能肯定的程度。不確定度1981年10月第十七屆國際計(jì)量委員會(huì)大會(huì)通過決議，建議采用“不確定度”作為測量結(jié)果正確程度的評(píng)價(jià)。不確定度u包含兩個(gè)方面1.A類不確定度：多次重復(fù)測量后，用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算用uA表示2.B類不確定度：用其它非統(tǒng)計(jì)方法估算的例如儀器誤差、未定系統(tǒng)誤差估值等，用uB表示3.合成不確定度：A、B兩類不確定度合成，用合成不確定度作為測量值正確程度的評(píng)價(jià)A類不確定度的估算t為分布因子，n為測量次數(shù)，概率P=0.95時(shí)，滿足下表：測量次數(shù)n2345678910t因子的值12.714.303.182.782.572.452.362.312.268.992.481.591.241.050.930.840.770.72B類不確定度的估算B類不確定度是指用非統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的誤差分量，它通常是指儀器誤差和一些特殊估測的極限誤差。儀器誤差：是指正確使用的情況下儀器示值的最大誤差，通常用Δ表示。儀器誤差Δ通常用級(jí)別表示儀器誤差=級(jí)別×量程儀器誤差的具體計(jì)算可查閱所用儀器量具的使用說明。將誤差折算成B類不確定度合成不確定度的估計(jì)測量結(jié)果表示：Ｎ＝Ｎ測±u（單位）u是合成不確定度，Ｎ測是測量結(jié)果的最佳估計(jì)值。u：取一到兩位有效數(shù)字，尾數(shù)只進(jìn)不舍。Ｎ測：保證最后一位與u末位對(duì)齊，修約規(guī)則:四舍六入五湊偶注：1、單次直接測量的結(jié)果表示Ｎ＝Ｎ測±△儀（單位）△儀：取一到兩位有效數(shù)字，尾數(shù)只進(jìn)不舍。Ｎ測的最后一位應(yīng)于△儀末位對(duì)齊，

不可能或不需要重復(fù)多次。多次測量同一量結(jié)果一致。單次直接測量真值估計(jì)值：單次測量結(jié)果物理量的測量可分為單次測量和多次測量。例１用1.0級(jí),量程為3.0V的電壓表測量電壓,單次測量測得電壓為2.62V,寫出結(jié)果表達(dá)式.解對(duì)齊2、多次重復(fù)測量結(jié)果表示u取一到兩位有效數(shù)字，尾數(shù)只進(jìn)不舍。的最后一位應(yīng)于u末位對(duì)齊。（單位）真值估計(jì)值：多次測量的算術(shù)平均值不確定度：A類和B類不確定度合成:例2用50分度的游標(biāo)卡尺測量圓柱體直徑10次，數(shù)據(jù)如下表。寫出結(jié)果表達(dá)式。解次數(shù)12345678910di(cm)19.7819.8019.7019.7819.7419.7619.7219.6819.8019.72總不確定度直徑的測量結(jié)果對(duì)齊測量結(jié)果的相對(duì)不確定度表示法為全面評(píng)價(jià)測量結(jié)果的優(yōu)劣,還應(yīng)考慮被測量量大小,故引入相對(duì)不確定度,Er。Er的首位數(shù)字≥5，取一位有效數(shù)字Er的首位數(shù)字＜5，取兩位有效數(shù)字Er參與中間計(jì)算，可多保留一位有效數(shù)字。L1=(170.0±0.3)(cm)L2=(17.0±0.3)(cm)Er1=0.18%Er1=1.8%如待測物理量有公認(rèn)值或理論值，可用百分差來表示測量的優(yōu)劣，定義為：百分差不表示測量結(jié)果的統(tǒng)計(jì)意義其有效數(shù)字位數(shù)與Er一樣。(3)百分差相對(duì)不確定度或百分差修約時(shí)末位數(shù)也只進(jìn)不舍Er=1.54%Er=1.6%Er=3.82%Er=3.9%E0=5.04%E0=6%

間接測量量的測量結(jié)果表示假設(shè)間接測量量N=f(x，y，z….)其中x，y，z….為直接測量量則間接測量量的最佳估值

如果為直接測量量真值的最佳估值

間接測量量真值的估算間接測量量不確定度的估算Ｎ的不確定度Ｎ的相對(duì)不確定度當(dāng)函數(shù)中各量間是乘除關(guān)系時(shí)，利用相對(duì)不確定度傳遞公式計(jì)算方便。間接測量的結(jié)果表示uＮ取一到兩位有效數(shù)字，尾數(shù)只進(jìn)不舍。Ｎ’的最后一位應(yīng)于uN末位對(duì)齊。間接測量結(jié)果不確定度的計(jì)算過程1、先求直接測量量(x，y，···)不確定度ux，uy，···；2、根據(jù)函數(shù)關(guān)系3、利用傳遞公式計(jì)算N的不確定度uN寫出Ｎ的全微分式間接測量結(jié)果相對(duì)不確定度的計(jì)算過程1、先求直接測量量不確定度ux，uy，···；2、根據(jù)函數(shù)關(guān)系取對(duì)數(shù)3、利用傳遞公式計(jì)算N的相對(duì)不確定度寫出lnＮ的全微分式例3用單擺測重力加速度的公式為g=4π2l/T2，測得T=2.000±0.002s,l=100.0±0.1cm,試寫出重力加速度g的結(jié)果表示式.解:由得重力加速度g=(987.0±2.3)(cm/s2)取一位,只進(jìn)不舍!對(duì)齊第三部分

數(shù)據(jù)處理的基本方法列表記錄和處理數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)注意1、表格設(shè)計(jì)要合理，要簡單明了，能完整地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。物理量的排列應(yīng)與測量順序一致。2、各標(biāo)題欄中應(yīng)注明所列物理量的名稱、符號(hào)和單位（數(shù)據(jù)不要重復(fù)書寫單位）。3、表中數(shù)據(jù)要正確反映測量的有效數(shù)字。一、列表法4、提供與表格有關(guān)的說明和參數(shù)（表格名稱、測量儀器規(guī)格、環(huán)境條件等），以利于對(duì)結(jié)果的復(fù)查。5、表格中所列的主要是原始數(shù)據(jù)，重要的中間計(jì)算結(jié)果也可列入。舉例----測鋼絲直徑二.作圖法作圖法就是通過圖線將物理量之間的關(guān)系直觀地表示出來的方法。作好一張正確、實(shí)用、美觀的圖是實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練中的一項(xiàng)基本功。實(shí)驗(yàn)作圖不是示意圖，而是用圖來表達(dá)實(shí)驗(yàn)中得到的物理量之間的定量關(guān)系，要反映測量的準(zhǔn)確程度，必須滿足一定的作圖規(guī)則。作圖的基本規(guī)則1、有完整列有數(shù)據(jù)的表格。2、選用合適的坐標(biāo)紙作圖必須用坐標(biāo)紙。物理實(shí)驗(yàn)中常用的是直角坐標(biāo)紙（毫米方格紙）根據(jù)需要選用合適種類和大小的坐標(biāo)紙。3、確定坐標(biāo)軸習(xí)慣以橫軸表示自變量，以縱軸表示因變量。在軸的端部表明其所代表的物理量的名稱符號(hào)及其單位。4、合理確定坐標(biāo)分度應(yīng)保證圖上實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的坐標(biāo)讀數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)不損失。容易讀出圖上實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的坐標(biāo)讀數(shù)，用1、2、5進(jìn)行分度.坐標(biāo)原點(diǎn)不一定從零開始5、標(biāo)出實(shí)驗(yàn)點(diǎn)用削尖的鉛筆以“+”、“×”、“⊙”等記號(hào)標(biāo)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。同一圖上化幾條圖線時(shí)，每條圖線要用不同的符號(hào)標(biāo)記。6、連接實(shí)驗(yàn)曲線用直尺、曲線板等工具連線。圖線應(yīng)細(xì)而光滑。在連線時(shí)，盡可能通過較多的點(diǎn)，不在線上的各點(diǎn)應(yīng)均勻分布在緊靠圖線兩側(cè)。彈簧伸長L與受力F的關(guān)系（No。5焦利秤）7、圖注和說明在圖紙的明顯的位置寫出圖名和實(shí)驗(yàn)條件。圖解法利用已作好的圖線，定量地求得待測量或得出相關(guān)量的經(jīng)驗(yàn)公式的方法。當(dāng)圖線是直線時(shí)，尤為方便。直線圖線的圖解步驟：1）在所做直線上選取相距較遠(yuǎn)的兩點(diǎn)，從圖上讀取其坐標(biāo)值（x1，y1）、（x2，y2）。