[理学]大学物理实验讲义-张家港校区.doc
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1、大学物理实验教材江苏科技大学张家港校区前 言大学物理实验是面向高等学校理工科学生的重要实践课程,对于培养学生的从事科学研究的基本素养、锻炼学生的动手能力、观测能力、数据处理与分析能力,培养学生的创新意识与科研开发能力,具有不可替代的重要作用。物理实验作为科学实验的基础实验,其研究方法、观察和分析手段、各种仪器设备已被广泛地应用在自然科学和工程技术的各个领域。因此作为基础实验课,它既能让学生通过实验学习到科学实验的基础知识,又能使学生在实验方法的考虑、测量仪器的选择、实验误差的分析中受到训练,并为学生进行后续实验打下基础。我们根据目前我国高等院校大学物理实验开设的情况,及我校的大学物理实验培养方
2、案与目标,对照校区实验室的仪器设备配置,组织编写了这本实验讲义,可供校区所有理工科专业的学生使用。本讲义的编写由肖沛主持,肖沛、林季资和徐胜共同完成。本讲义在编写过程中,参考了许多其他高等师范院校的实验教材,得到了我校许多长期从事实验教学工作教师的大力支持,特别是参考了校本部物理实验室所用讲义以及学校尤建飞老师和李巧改老师编写的教材,以及,在此表示感谢!本讲义难免有不妥之处,恳请读者批评指正。目 录绪 论 误差理论与数据处理-3实验一 霍尔位置传感器测杨氏模量-35实验二 研究弦线上的驻波现象-41实验三 利用霍尔效应测磁场-45实验四 电位差计测电动势-49实验五 线性电阻和非线性电阻的伏电
3、安特性曲线-54实验六 测量超声波在空气中的传播速度-61实验七 光电效应测普朗克常数-66实验八夫兰克-赫兹实验-69实验九 光的等厚干涉实验-72附 录 实验报告范例-76绪 论物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质最基本、最普遍的运动形式及其规律的学科。物理学按研究方法可分为理论物理和实验物理两大分支。理论物理是从一系列基本原理出发,经过数学的推演得出结果,并将结果与观测和实验相比较,从而达到理解现象、预测未知的目的。实验物理是以观测和实验为手段来发现新的物理规律,验证理论结论,同时也为理论物理提供新的研究课题。因此,物理实验是研究自然规律的最基本的手段,是物理理论的源泉。物理学从本
4、质上说是一门实验科学。历史表明,在物理学的建立和发展过程中,物理实验一直起着重要的作用,并且在今后探索和开拓新的科技领域时,物理实验仍然是强有力的工具。在高等理工院校,物理实验课是学生进入大学后受到系统实验方法和实验技能训练的开端,是理工类专业对学生实验训练的重要基础,是大学生学习或从事科学实验的起步。因此,国家教育部把物理实验列为理工院校培养大学生进行科学实验基本训练的一门独立的、重要的必修课程。所以,学好物理实验对于高等理工院校的学生来说是十分重要的。一、物理实验课的任务根据国家教育部颁发的高等工业学校物理实验课程教学基本要求的规定,物理实验课的具体任务是:1. 通过对物理实验现象的观察、
5、分析及对物理量的测量,学习物理实验知识,加深对物理学原理的理解。2. 培养与提高学生的科学实验能力,其中包括:(1) 能够自行阅读实验教材和资料,作好实验前的准备;(2) 能够借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器;(3) 能够运用物理学理论对实验现象进行初步分析判断;(4) 能够正确记录和处理实验数据,绘制曲线,说明实验结果,撰写合格的实验报告;3. 培养与提高学生的科学实验素养。要求学生具有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,主动研究的探索精神和遵守纪律、爱护公共财产的优良品德。二. 物理实验课的主要教学环节为达到物理实验课的目的,学生应重视物理实验教学的三个重要环节。1.
6、 实验预习课前要仔细阅读实验教材或有关的资料,基本弄懂实验所用的原理和方法,并学会从中整理出主要实验条件、实验关键及实验注意事项,根据实验任务画好数据表格。有些实验还要求学生课前自拟实验方案,自己设计线路图或光路图,自拟数据表格等。因此课前预习的好坏是实验中能否取得主动的关键。2. 实验操作学生进入实验室后应遵守实验室规则,按照一个科学工作者那样要求自己。井井有条地布置仪器,安全操作,注意细心观察实验现象,认真钻研和探索实验中的问题。不要期望实验工作会一帆风顺,在遇到问题时,应看作是学习的良机,冷静地分析和处理它。仪器发生故障时,也要在教师的指导下学习排除故障的方法。总之,要将着重点放在实验能
7、力的培养上,而不是测出几个数据就以为完成了任务。对实验数据要严肃对待,要用钢笔和圆珠笔记录原始数据。如确系记错了,也不要涂改,应轻轻划上一道,在旁边写上正确值(错误多的,需重新记录),使正误数据都能清晰可辨,以供在分析测量结果和计算误差时参考。希望同学们注意纠正自己的不良习惯,从一开始就不断培养良好的科学作风。实验结束时,将实验数据交教师审阅签字,整理还原仪器后方可离开实验室。3. 实验总结实验后要对数据及时进行处理。如果原始记录删改较多的,应加以整理,对重要的数据要重新列表。数据处理过程包括计算、作图、误差分析等。计算要有计算式,代入的数据都要有根据,便于别人看懂,也便于自己检查。作图按作图
8、规则,图线要规矩、美观。数据处理后应给出实验结果。最后要撰写出一分简洁、明了、工整有见解的实验报告。这是每一个大学生必须具备的报告工作成果的能力。实验报告内容包括:(1) 实验名称实验项目或实验选题。(2) 实验目的实验所希望得到的结果和希望实现的目标。(3) 实验原理简要叙述有关物理内容(包括电路图、光路图或实验装置示意图)及测量中依据的主要公式,式中各量的物理含义及单位,公式成立应满足的实验条件等。(4) 实验步骤写下主要实验步骤。设计性实验的步骤应详细写明,还要注明注意事项。(5) 数据表格与数据处理记录中要有仪器编号、规格及完整的实验数据。要完成数据计算、曲线图绘制及误差分析。最后写明
9、实验结果。(6) 分析与讨论对实验进行合理的评价。可以是实验中现象的分析,对实验关键问题的研究体会,实验的收获和建议,也可解答思考题。三. 实验室规则1. 学生进入实验室需带上记录实验数据的表格,课前应完成指定的预习内容,经教师检查同意方可进行实验。2. 遵守课堂纪律,保持安静的实验环境。3. 使用电源时,务必经过教师检查线路后才能接通电源。4. 爱护仪器。进入实验室不能擅自搬弄仪器,实验中严格按仪器说明书操作,如有损坏,照章赔偿。公用工具用完后应立即归还原处。5. 做完实验后学生应将仪器整理还原,将桌面和凳子收拾整齐。经教师审查测量数据和仪器还原情况并签字后,方可以离开实验室。6. 实验报告
10、应在实验后一周内交实验指导教师。误差理论与数据处理基础知识在科学研究和实验过程中,往往离不开对某个物理量的测量。物理实验除了定性地观察物理现象外,也需要对物理量进行定量测量,并确定各物理量之间的关系。由于测量设备、环境、人员、方法等方面诸多因素的影响,使得测量值与真实值并不完全一致,这种差异在数值上表现为误差。随着科学水平的提高和人们的经验、技巧、专门知识的丰富,误差虽然可以被控制得越来越小,却始终不能把它消除。因此,对实验中测量获得的数据,要选择合适的方法进行处理,并对其可靠性做出评价,否则,测量结果是没有价值的。误差与数据处理理论已发展为一门学科,它涉及的内容丰富,且较为复杂。在此,将简单
11、介绍大学物理实验中常用的一些初步和基本知识。第一节 测量与误差11 测量一、定义所谓测量,就是借助于专门设备,通过一定的实验方法,以确定物理量值为目的所进行的操作。它是一个实验比较的过程,即把一个量(待测量)与另外一个量(标准量)相比较。测量由测量过程与测量结果组成。测量过程是执行测量所需的一系列操作。包括建立单位、设计工具、设计测量方法、研究分析测量结果、寻找减小误差的途径等方面。测量结果表示由测量所获得的待测量的值,一般由数值、单位和精度评定三部分组成。二、分类从不同的角度考虑,测量有不同的分类法。按照测量结果获得方法的不同,测量分为直接测量和间接测量。用预先校对好的测量仪器或量具对被测量
12、进行测量,直接读取被测量数值的大小,称为直接测量。例如,用米尺测物体的长度,用秒表测时间,用天平与砝码测物体的质量,用电压表(或电流表)测电压(或电流)等都属于直接测量,相应的被测物理量称为直接测量量。如果待测量的量值是由若干个直接测量量经过一定的函数运算获得的,这种测量称为间接测量。例如,体积、密度等物理量的测量往往采用间接测量,相应的被测物理量称为间接测量量。实际测量中多数为间接测量,但直接测量简单、直观,是一切间接测量的基础。按照测量条件的不同,测量可分为等精度测量和非等精度测量。在相同的测量条件下(同一测量水平的观测者,同一精度的仪器,同样的实验方法和环境等)对某一待测量所做的重复性测
13、量,称为等精度测量。大学物理实验学习阶段,主要考虑等精度测量。在不同的测量条件下对某一待测量所做的重复性测量,称为非等精度测量。非等精度测量获得的所有数据的可信赖程度是不同的,在数据处理过程中应按精度高低,区别对待。按照被观测对象在测量过程中所处的状态,可分为静态测量和动态测量。如果待测量在测量过程中是固定不变的,这时所进行的测量为静态测量。静态测量不需要考虑时间因素对测量结果的影响,应把被测量或误差作为随机变量进行处理。如果待测量在测量过程中随时间不断变化,这时所进行的测量为动态测量。动态测量需考虑时间因素对测量结果的影响,应把被测量或误差作为随机过程来进行处理。12 误差一、定义误差是指测
14、量值与被测量的真值之差。用式子表示为误差=测量值-真值 (1-1)其中,误差可正可负,反映了测量值偏离真值的程度;测量值是通过测量得到的被测量的值;真值是某一物理量在一定条件下所具有的客观的、不随测量方法改变的真实数值。一般情况下,真值是未知的,所以误差的概念只具有理论意义。只是在某些特殊情况下,真值可认为是已知的,主要包括:1理论真值:通过理论方法获得的真值。例如,三角形内角之和为180;理想电容或电感构成的电路,电压与电流的相位差为90等。2计量学的约定真值:国际计量机构内部约定而确定的真值。例如,7个SI基本单位量的确定,即长度单位米(m)、时间单位秒(s)、电流强度单位安培(A)、质量
15、单位千克(kg)、热力学单位开尔文(K)、物质的量的单位摩尔(moL)、发光强度单位坎德拉(cd)。3标准器的相对真值:当高一级的标准器的误差小于低一级的标准器或普通计量仪器的误差一定程度后,高一级标准器的指示值可以作为级别低的仪器的相对真值。二、误差的分类根据误差的性质,可将误差分为系统误差、随机误差和疏失误差三类。1系统误差系统误差是指在重复性条件下,对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差。一个完整的测量系统,通常由实验源、实验体、观测系统、实验环境4部分组成,因此系统误差来源可以归纳为以下几个方面:(1)仪器设备、装置误差 标准器误差标准器是作为与被测量相比较时提
16、供标准值的器具。例如,标准电池、标准量块、标准电阻等。由于使用条件或制作不够完善等原因,标准器本身也会产生附加误差。 仪器误差测量仪器是指能将被测量转化为可直接观测的指示值或等效信息的计量器具。例如,天平、电桥等比较仪器;温度计、秒表、检流计等指示仪器。仪器设计制造不完善、调节使用不当、老化等原因都会造成测量误差。 附件误差为使测量方便进行而使用的各种辅助配件,均属测量附件。例如,开关、导线、电源等各种辅助配件也会引起误差。(2)环境误差由于各种环境因素,如温度、湿度、压力、震动、电磁场等,与要求的标准状态不一致而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差。(3)方法误差由于测量方法或计算方
17、法不完善、不合理等原因引起的误差。例如,瞬时测量时取样间隔不为零;用单摆测量重力加速度时,公式的近似性;用伏安法测电阻时,忽略电表内阻的影响等。(4)人员误差由测量人员分辨力有限,感官的生理变化,反应速度及固有习惯等原因引起的误差。例如,测量滞后与超前、读数倾斜等。从不同角度,系统误差又可分为不同种类。按对误差掌握程度,系统误差可分为已定系统误差和未定系统误差。已定系统误差的大小和符号是可以确定的,如千分尺、电表的零位误差,伏安法测电阻电表内阻引起的误差等。这类误差可以修正。未定系统误差是大小和符号不能确定,只能估计出大小变化范围的系统误差,如仪器误差。按误差的变化规律,系统误差又可分为不变系
18、统误差和变化系统误差。不变系统误差的大小和符号保持恒定不变。变化系统误差的大小和符号按某一确定规律变化,如线性、周期性等规律。2随机误差在同一测量条件下,多次测量同一物理量时,误差的绝对值时大时小,符号时正时负,以不可预知的方式变化,这种误差称为随机误差。随机误差是由测量过程中一些随机的或不确定的因素引起的。例如,人的感官灵敏度及仪器精度有限,实验环境(温度、湿度、气流等)变化,电源电压起伏,微小振动等都会导致随机误差。由于引起随机误差的因素复杂,又往往交叉在一起,不能分开,因此,随机误差是无法控制的,无法从实验中完全消除,一般通过多次测量来达到减小的目的。从一次测量来看,随机误差是随机的。但
19、当测量次数足够多时,随机误差服从一定的统计规律,可按统计规律对误差进行估计。3粗大误差粗大误差又称疏失误差,它是由于工作人员疏失、仪器失灵等原因造成的超出规定条件下预期的误差。含有粗大误差的测量值明显偏离被测量的真值,在数据处理时,应首先检验,并将含有粗大误差的数据剔除。应当指出,系统误差是测量过程中某一突出因素变化所引起的,随机误差是测量过程中多种因素微小变化综合引起的,两者不存在绝对的界限,变化的系统误差数值较小时与随机误差的界限不明显。随机误差和系统误差有时可以相互转化。三、误差的表示形式1绝对误差用绝对大小给出的误差定义为绝对误差。用式子表示为误差=测量值-真值 (1-2)绝对误差是带
20、有单位的数,可正可负。绝对误差反映测量值偏离真值的大小与方向。2相对误差绝对误差与被测量真值的比值称为相对误差。用式子表示为相对误差=绝对误差/真值 (1-3)由于一般情况下真值未知,通常用测量值代替真值。相对误差是无量纲数,通常用“%”表示。相对误差可以反映测量的精度高低。例1-1 测量两个长度量,测量值分别为mm,mm,其测量误差分别为,。试比较两个测量结果精度的高低。解:,从绝对误差的角度看,第一个量测量值的误差大于第二个量的误差;但从相对误差的角度来看,第一个量的测量精度却高于第二个量。13 精度精度又称为精确度,用来描述测量结果与真值的接近程度。它是一个定性的概念,不能用数值大小来表
21、示,只能讲高低。主要分为一、精密度精密度用来描述测量结果中随机误差的大小程度,即在一定条件下,进行多次重复测量时,各测量值之间的接近程度。精密度反映随机误差大小的程度。二、正确度正确度用来描述测量结果与真值的偏离程度,它反映系统误差的大小程度。三、准确度(精确度)准确度反映系统误差与随机误差综合大小程度。准确度高说明测量结果既精密又正确。通过图1-1打靶弹着点的分布图,可以形象地说明上述三个概念。图中(a)表示精密度高,正确度低;图(b)表示正确度高,精密度低;图(c)表示正确度与精密度都高,即准确度高,或精度高。(a) (b) (c)图1-1 精度示意图14 测量不确定度由于真值的未知性,使
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