大学物理实验

绪论 1998年8月，我国颁布了《中华人民共和国高等教育法》，其**章总则的第五条中明确提出：“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才”.学校的科学实验课在这两方面起着重要的作用. 一、实验在物理学发展中的作用 前苏联著名化学家涅斯米扬诺夫说过，科学是近代技术之基础，物理是现代科学之领袖.物理学何以成为自然科学中的带头学科？何以成为推动科技革命的主要原动力呢？追根寻源，物理实验的作用功不可没. 科学实验是整个自然科学的基础，而物理实验在整个自然科学中起着极其重要的作用.回顾物理学的发展史，可以看到，实验和理论是物理学的两大支柱.实验—理论—再实验 的模式是物理学发展所遵循的基本规律，即以某些物理现象或实验事实为基础(或起点)，或在受到某些事物的启发下，提出物理模型，用来解释过去已有的实验事实，然后再用实验来验证这个模型的正确与否，并根据不断发展的实验技术和实验方法及实验结果来进一步修正和完善它.若新的实验事实与原有的模型不符，或新的实验结果推翻原有理论的某些结论或推论，这个实验模型便促使新的物理模型和新理论的诞生 实验和理论相互依赖，相互促进，共同缔造着物理王国，并不断向其他学科辐射、渗透，成为发展新学科的源泉和推动科学技术革命的动力.**次产业革命如此，第二次产业革命亦如此，今后的发展还将如此.物理实验的思想方法、仪器和技术已被普遍地应用到自然科学以外的各个学科，并且日益广泛地向生产和生活的各个领域渗透、发展和推广应用. 例如，1831年法拉第的电磁感应现象的发现和1887年赫兹的电磁波实验，就是麦克斯韦电磁场理论的实验基础和理论验证中*关键的两个实验；1800年杨氏的双缝干涉实验，证明了光的波动学说;赫兹的光电效应的发现，是爱因斯坦光量子假设的实验依据，并*终证明了光的波粒二象性；卢瑟福的α粒子散射实验，揭开了原子秘密;吴健雄的实验验证了李政道和杨振宁的宇称不守恒定律.对科学技术正在起到巨大作用的新器件、新材料、新技术等(如晶体管、激光器、低温超导、可控热核反应)，也都是首先在实验室中研究出来的.事实证明，实验工作在物理学各个领域的发展中起着重大的作用，实验室从来就是历史上许多重大技术革命的发源地. 二、物理实验教学的目的和任务 理工科高等院校的物理实验已发展成为一门独立的科学实验课程，是学生在大学期间进行科学实验的入门课，是学生受到系统的实验思想方法和技能训练的开端，也是后续实验课程的基础.物理实验课程教学的目的和任务如下. (1)通过实验要求学生做到：弄懂实验原理，了解一些物理量的测量方法；熟悉常用仪器的基本原理和技术性能，正确选择和使用常用仪器；能够正确记录及处理实验数据，分析判断实验结果；能写出完备的实验报告. (2)培养并逐步提高学生观察和分析实验现象的能力，进行综合设计实验的能力，独立进行研究工作的能力.为此，要加强对实验的观察、测量和分析的训练，加深对物理概念、规律和理论的理解和应用，并力求逐步提高. (3)培养及提高学生的科学素质，即严谨的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度，遵守纪律及爱护国家财产的优良品德，刻苦钻研、勇于探索和创新的开拓精神等. 三、物理实验的基本程序 物理实验虽然有多种类型，但都是在教师指导下，独立进行实验的实践活动，因此，在实验过程中应当发挥学生的主观能动性，有意识地培养他们的独立工作能力和严谨的工作作风.物理实验课的基本程序，可分为如下三个阶段. 1.实验前预习 仔细阅读实验教材，了解本次实验的原理和方法，并基本了解有关测量仪器的使用方法，在此基础上写出预习报告.预习报告包括：实验名称、目的要求、实验仪器、原理简述(主要原理、有关定律或公式、电路图或光路图等)、数据记录表格.如果是设计性实验，还需写出设计概要或有关计算结果.预习时，应以理解原理为主，了解实验中的待测物理量，可能出现的现象，要达到什么目的(要求什么或验证什么)，以求在实验中主动地、有目的地操作，克服机械而呆板的操作方式. 2.进行实验 实验时应遵守实验室规章制度，先要阅读有关仪器使用的注意事项或说明书，熟悉仪器，了解原理和用法，调整好仪器或接好电路，经教师检查后再开始做实验. 实验过程中按步骤进行，仔细测量和读数，正确记录数据并填入数据表格中.数据记录中，如发现有错，可以重新记录，并对原来数据加上特殊符号(如“－”或“×”).未重新测量绝不允许修改实验数据. 将实验记录交教师审核签字后，整理好实验仪器，方能离开实验室.整个过程要求保持实验室的整洁、安静、有序. 3.实验报告 实验报告是实验工作的全面总结，要用简明扼要的形式，将实验结果完整而又真实地表达出来，这是进行科学素质培养的必要内容之一. 书写实验报告时，要求文字通顺，字迹端正，图表规范，结果表示正确(包括误差的表示)；认真讨论，按自己思路来写.实验报告的格式包括下列几部分： (1)实验名称； (2)实验目的； (3)实验仪器； (4)简要原理(或定律)及计算公式(光学、电学等实验应有光路图或电路图)；实验简要步骤和实验数据记录； (5)数据处理(包括计算、图表、误差分析等)； (6)实验结果(结论)； (7)讨论(或问题回答). 实验报告要用正规的实验报告纸书写，原始记录必须附在后面一并交给老师.第1章测量不确定度与数据处理方法 第1章 测量不确定度与数据处理方法 本章将具体介绍大学物理实验所必需的基础知识，它包括测量误差与不确定度的基本概念，实验数据的常用处理方法，以及物理实验的基本测量方法. 1.1 测量误差 误差理论是物理实验的重要数学工具.在物理实验中经常要遇到许多综合的实验，为了获得准确的测量结果，需要理解实验设计的原理，掌握好误差理论，才能有效地进行实验测量和数据处理，并*终对实验结果做出正确的评价和分析.本节将介绍测量误差和不确定度的一些基本概念. 1.测量 物理实验离不开各种测量.物理测量的内容很多，大到日月星辰，小到分子、原子、粒子.可以说，测量是进行科学实验必不可少且极其重要的一环. 测量分为直接测量和间接测量.直接测量是将待测物理量直接与认定为计量标准的同类量进行比较，如用米尺测量长度、用天平称质量、用万用表测量电压等.而间接测量则是指按照一定的函数关系由一个或多个直接测量计算出另一个物理量.例如，测量气垫导轨上滑块滑行的速度，要先测出滑块滑行的时间和距离，再用公式计算出滑块滑行的速度，这就属于间接测量.物理实验中的大多数测量是间接测量. 测量的数据不同于普通的数值，它是由数值和单位两部分组成的.数值有了单位，才具有特定的物理意义，因此测量所得的值应含数值和单位，两者缺一不可. 2.误差 对某一物理量进行测量时，由于受到测量环境、方法、仪器以及不同观测者等诸多因素的影响，测量结果与被测量的客观真实值(真值)存在一定的偏离，也就是说存在误差(error).测量误差可以用绝对误差，也可以用相对误差来表示. 绝对误差＝测量结果－真值(1.1.1) 相对误差＝绝对误差真值(1.1.2) 真值(truevalue)是指被观测的量在实验条件下所具有的确定值.一个量的真值是一个理想的概念，一般情况下是不知道的，但在某些特定的情况下，真值又是可知的.例如，三角形的三个内角和为180°，一个圆周角为360°等. 由于测量总存在一定的误差，为此，必须分析测量中可能产生的各种误差因素，尽可能消除其影响，并对测量结果中未能消除的误差给予正确的评价.一个优秀的实验者，应该根据实验的具体要求和误差限度来确定合理的测量方案以及合适的测量仪器，从而能够在实验的要求下，以*低的代价来取得*佳的实验结果. 3.误差的分类 按照误差的基本性质和特点，可以把它分为三大类：系统误差、随机误差和粗大误差. (1)系统误差(systematicerror). 系统误差指的是在重复条件下，多次测量同一物理量时，测量结果对真值的偏离总是相同的，即误差的大小和符号始终保持恒定或按照一定的规律变化.系统误差的特征是它的确定性. (2)随机误差(randomerror). 随机误差是指在重复条件下，对同一被测量进行足够多次测量时，误差的大小、符号的正负是随机的.随机误差的特点是单个具有随机性，而总体服从统计分布规律，常见的统计分布有正态分布、t分布、均匀分布等. (3)粗大误差. 粗大误差结果实际上是一种测量过程中的人为过失，并不属于误差的范畴.对于这种由于测量过程中人为过失而产生的错误数据应当予以剔除. 4.测量结果的评价 评价测量结果，反映测量误差大小，常用到精密度、正确度和准确度三个概念. 精密度反映随机误差大小的程度，它是对测量结果的重复性的评价.精密度高是指测量的重复性好，各次测量值的分布密集或接近，随机误差小.但是，精密度不能反映系统误差的大小. 正确度反映系统误差大小的程度.正确度高是指测量数据的算术平均值偏离真值较小，测量的系统误差小.但是正确度不能确定数据分散的情况，即不能反映随机误差的大小. 准确度反映系统误差与随机误差综合大小的程度.准确度高是指测量结果既精密又正确，即随机误差与系统误差均小. 现以射击打靶的结果为例说明以上三个术语的意义，如图1.1.1所示. 图1.1.1 正确度、精密度和准确度 (a)正确度好而精密度低，即系统误差小，而随机误差大;(b)精密度高而正确度低，即系统误差大而随机误差小;(c)准确度高，系统误差和随机误差都小 5.发现和消除系统误差 1)如何发现系统误差 物理实验中的系统误差通常是很难发现的，但通过长期的实践和经验的积累，已总结出一些发现系统误差的办法，归纳如下. (1)理论分析法. 分析实验所依据的理论和实验方法是否有不完善的地方，检查理论公式所要求的条件是否满足，所用仪器是否存在缺陷，通过分析得到有关系统误差是否存在的信息. (2)实验对比法. 釆用不同的方法测量同一物理量，让不同的人员测量同样的物理量或使用不同的仪器测量同一物理量，通过对比测量结果的数值，来发现系统误差的存在. (3)数据分析法. 分析测量结果，若结果不服从统计分布，则说明测量存在系统误差. 2)消除系统误差的方法 在实验条件稳定，同时系统误差可以掌握时，常用三种方法消除已知系统误差，即加修正值、消去误差源或采用适当测量方法.下面分别介绍这三种方法. (1)测量结果加修正值. 由仪器、仪表不准确产生的误差，可以通过与更高级别的仪器、仪表做比较，从而得到相应的修正值；由理论上、公式上的近似性而产生的误差，可以通过理论分析，导出修正公式. (2)消去误差源. 包括仪表使用前零点的校准，仪表使用环境温度的调节，以及保证仪器装置及测量环境满足规定的条件等. (3)采用适当的测量方法. 采用适当的测量方法，对消除实际测量中的系统误差具有重要的现实意义.常用的测量方法有异号法、交换法、替代法、对称法.如天平横梁不等臂系统误差，就可以用交换法来消除.将具有质量x的被测物体放在天平的左、右托盘各称一次，分别称衡为m1和m2，根据力学原理，可以算出物体的实际质量为m1m2.对称法常用来消除线性系统误差，半周期偶数法则可以消除周期性的系统误差. 6.随机误差的统计处理 随机误差的分