包邮大学物理实验

绪论 物理学是研究物质的基本结构、相互作用和物质*基本、*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*基本的手段，是物理理论的源泉。 物理学从本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，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 根据教育部颁发的《高等工业学校物理实验课程教学基本要求修定征求意见稿》的规定，物理实验课的具体任务如下。 （1）通过对物理实验现象的观察、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，做好实验前的准备； 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； ⑤能够完成简单的设计性实验。 （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.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，自己设计电路图或光路图，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，像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，应看成是学习的良机，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，要用钢笔或圆珠笔记录原始数据。如确实记错了，也不要涂改，应轻轻画上一道，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。不要用铅笔记录原始数据，自己留有涂抹的余地，也不要先草记在另外的纸上再誊写到数据表格里，这样容易出错，况且，这已不是原始记录。希望同学们注意纠正自己的不良习惯，从开始就应该养成良好的科学作风。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，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，代入的数据都要有依据，便于别人看懂，也便于自己检查。作图按作图规则，图线要规矩、美观。数据处理后应给出实验结果。*后要撰写出一份简洁、明了、工整、有见解的实验报告。这是每个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。*后写明实验结果。 （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，对实验关键性问题的研究体会，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）实验报告应在实验后两周内交给实验指导教师。 第1章　测量误差和数据处理的基本知识 在物理实验中，需要对物理量进行测量。实验仪器的灵敏度或分辨率的限制、测量方法的不完善等因素，使得测量结果与真实值之间总有一定差异。因此在实验中除了获得必要的测量数据，还必须对测量结果进行评价。对测量结果精确程度的评价涉及面非常广泛，包括对测量误差的分析估算和对实验数据的处理，它是完整的科学实验的一个重要方面。在物理实验课中，将对有关知识作初步介绍，并将通过具体实验进行*基本的训练。 1.1　测量与误差 物理实验是以测量为基础的。实践表明，测量结果都存在误差，误差自始至终存在于一切科学实验和测量的过程中。任何测量仪器、测量方法、测量环境、测量者的观察力等都不能做到严密，这就使测量不可避免地伴随着误差的产生。因此，分析测量中可能产生的各种误差，尽可能消除其影响，并对测量结果中可能的误差做出估计，就是物理实验和许多科学实验中必不可少的工作。为此必须了解误差的概念、特性、产生的原因和估计方法等有关知识。 1.1.1　常用误差概念 1.绝对误差δ 被测物理量的客观大小称为真值，记为μ0。用实验手段测量出来的值为测量结果，也即测量值，记为xi。测量结果减去被测量的真值叫测量误差，简称误差，记为δ，即 （1.1.1） 真值是理想概念，一般是不可知的。为了求得测量误差，通常用约定真值（近似的相对真值）代替真值。在实际运用中，对单次测量可直接将测量结果当成约定真值，对多次测量将其算术平均值当成约定真值。式（1.1.1）表示的误差是与测量值同量纲的，故又称为绝对误差。绝对误差可以用来比较不同仪器测量同一被测物理量的测量准确度的高低。 2.相对误差E 测量的绝对误差与真值之比称为测量的相对误差。一般用百分比来表示 （1.1.2） 相对误差E可以用来比较不同被测物理量测量准确度的高低，或者说用相对误差能确切地反映测量的效果。被测量的量值大小不同，允许的误差也应有所不同。被测量的量值越小，允许测量的绝对误差也应越小。 3.偏差 在多次测量中，测量列内任意一个测量值xi与测量列的算术平均值的差称为偏差，即 （1.1.3） 式中：偏差可正可负，可大可小。 4.标准误差σ 在同一条件下，若对某物理量x进行n次等精度、独立的测量，则测量列中单次测量的标准误差σ为 （1.1.4） 式中：μ相应于测量次数n→∞时测量的平均值。式（1.1.4）是对这一组测量数据可靠性的估计，标准误差小，说明这一组测量的重复性好，精密度高。 5.标准偏差Sx 在有限的n次测量中，单次测量的标准偏差Sx为 （1.1.5） 这个公式又称为贝塞尔公式。它表示测量的随机误差，标准偏差小就表示测量值很密集，即测量的精密度高；标准偏差大就表示测量值很分散，即测量的精密度低。 6.平均值的标准偏差 在进行有限的n次测量中，可得一*佳值。也是一个随机变量，它随n的增减而变化，显然它比单次测量值可靠。可证明平均值的标准偏差与一列测量中单次测量的标准偏差Sx满足如下关系： （1.1.6） 7.仪器误差限 任何测量过程都存在测量误差，其中包括仪器误差。仪器误差限或*大允许误差是指在正确使用仪器的条件下，测量结果和被测量值的真值之间可能产生的*大误差，用表示。对照国际标准及我国制定的相应的计算器具检定标准和规定，考虑物理实验教学的要求，下面做简略的介绍或约定。 在长度测量类中，*基本的测量工具是直尺、游标卡尺、螺旋测微器。在基础物理实验中，除具体实验另有说明外（如游标卡尺、螺旋测微器），我们约定：这些测长度的工具仪器误差限按其*小分度值的一半估算。 在质量测量类中，主要工具是天平。天平的测量误差应包括示值变动性误差、分度值误差和砝码误差等。单杠杆天平按精度分为十级，砝码的精度分为五等，一定精度级别的天平要配用等级相当的砝码。在简单实验中，我们约定：取天平的*小分度值作为仪器误差限。 在时间测量类中，停表是物理实验中常用的计时仪表。在本课程中，对较短时间的测量，我们约定：取停表的*小分度值作为仪器误差限。对石英电子秒表，其*大偏差，其中t是时间的测量值。 在温度测量类中，常用的测量仪器包括水银温度计、热电偶和电阻温度计等。在本课程中，我们约定：水银温度计仪器误差限按其*小分度值的一半估算。 在电学测量类中，电学仪器按国家标准大多是根据准确度大小划分其等级，其基本误差限可通过准确度等级的有关公式给出。 对电磁仪表，如指针式电流、电压表 （1.1.7） 式中：Am是α以百分数表示的准确度等级，电表精度分别为5.0，2.5，1.5，1.0，0.5，0.2，0.1七个级别。 对直流电阻器（包括标准电阻、电阻箱），准确度等级分为0.0005，0.001，0.002，0.005，0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5等级别。实验室使用的电阻箱，其优点是阻值可调，但接触电阻的变化要比固定的标准电阻大。一般按不同度盘分别给出准确度级别，同时给出残余电阻值（刻度盘开关取零时，连接点的电阻）。仪器误差限按不同度盘允许误差限之和加上残余电阻来估算，即