大学物理实验教程(第三版)

第0章绪论 　　0.1　物理实验的重要性 　　物理学是人类认识自然界的基础，它揭示与阐述物质世界基本构成及其运动和相互作用的基本规律。物理学对人类社会的发展起到了极大的推动作用，是现代科学的基石，也是当代前沿科学的源泉。从改变人类生活模式的手机、电视、笔记本电脑、无人驾驶汽车，到提高人类健康水平的超声波、CT技术等各种诊疗设备，再到影响人类生存和开拓的登月工程、火星探索、核武器、核能源等，都深深根植于物理科学的成就之上。 　　物理学也是一门实验科学。发现新的物理现象、探索新的物理规律、验证新的物理理论，都离不开物理实验。纵观整个物理学的发展历史就会发现，实验对理论的建立起着十分强大的支撑作用。从伽利略（Galileo）的自由落体实验发现的力学规律，到卡文迪什（Cavendish）实验验证静电力与距离的平方反比规律、法拉第（Faraday）的电磁感应实验，再到托马斯 杨（Thomas Young）的双缝干涉实验验证光的波粒二象性等经典实验，用*简单的仪器和设备，发现了*根本、*单纯的科学本质，开辟了对自然界崭新的认识，也闪烁着物理学家们思想的光芒，在物理学发展史上竖立起一座座丰碑。诺贝尔物理学奖从1901年开始获奖的150多位获奖者中，因物理实验方面的伟大发现或发明而获奖的占2/3以上。毫不夸张地说，没有物理实验就没有物理学。 　　科学的迅猛发展使得有些知识很快陈旧，但是物理实验揭示的规律和基本原理仍然在物理学及其衍生分化开来的其他学科中得到广泛应用。在探索与开拓新的科技领域中，物理实验仍然是强有力的工具和基础。在探索新理论、新材料、新工艺的研究中，必须进行大量的科学实验，而物理实验提供了实验原理设计、数据处理、常用仪器选择等基础知识。物理实验作为理工科学生必修的基础课，是学生接受系统科学训练和技能培养的开端，在培养学生发现、观察、分析、研究、解决问题的能力方面，在培养思维和创造能力、激发求知欲望、养成严谨科研作风等方面都有着不可或缺的重要作用。 　　0.2　物理实验课程的教学目的 　　本课程的教学目的如下： 　　（1）培养学生的科学实验技能、科学思维和创新意识，提高学生科研实验素质，使学生初步掌握科学实验的思想和方法； 　　（2）培养学生严谨务实的科学作风，实事求是的科学态度，积极主动的探索欲望，遵章守纪、团结协作的科学精神； 　　（3）让学生掌握物理实验的基本理论和基本方法，初步培养学生的实验研究能力； 　　（4）使学生熟悉各种常用仪器的结构、性能及使用方法，培养其正确进行实验操作、准确测量的能力； 　　（5）让学生掌握正确处理实验数据、分析与估算实验误差的基本理论和方法，培养学生撰写能够正确反映实验过程和结果的实验报告的能力。 　　0.3　物理实验课程的教学环节 　　物理实验课程包括实验预习、实验操作和完成实验报告三个基本环节。 　　1.实验预习 　　实验预习是实验成功与否的先决条件。学生应该在上课前仔细阅读相关实验全部内容，掌握实验原理；了解实验内容和步骤，明确要观察的物理现象和需要测量的物理量及测量方法；了解实验仪器的使用方法和操作程序。要求通过预习，整理出实验要点，提交预习报告。 　　预习报告主要包括实验目的、原理、内容、仪器、步骤，以及数据记录表格等内容。 　　2.实验操作 　　实验操作是实验课的中心环节。学生应该根据实验教材要求，在教师的指导下，独立完成实验操作的全过程。 　　学生进入实验室后，首先要做好以下两项工作。 　　（1）清点仪器。对照实验项目检查实验桌上的仪器设备，如有短缺或损坏，应及时向老师反映，予以补充或更换。实验中如有丢失或损坏仪器的情况，应及时向老师报告，必要时还应填写书面报告。 　　（2）认识仪器。清点无误后，要对仪器充分观察，了解仪器的结构、特性，以及调节与使用方法。在此基础上，进行仪器的安装调试、电路连接、光路调整等工作，为测量实验数据做好充分准备。 　　测量实验数据时，要注意是否满足实验条件，是否正确执行操作规范，是否采用正确的读数方法，是否准确记录实验数据等。对实验中出现的问题应认真分析、思考，要将其看成学习的良好机会，尝试独立排除故障或解决问题。 　　真实记录实验数据，如实描述实验过程，是一个科学工作者基本的职业道德要求。在实验过程中，当实验结果与已知值或公认值出现偏差时，不允许篡改或伪造数据。实验过程比结果更重要。 　　实验完成后，把记录的原始数据呈交指导老师审阅，经认可后学生可结束实验。学生整理好实验仪器、清理干净桌面方可离开实验室。 　　3.实验报告 　　实验报告是对实验过程的全面总结，由学生在课后独立完成。实验报告除预习报告的所有内容外，还包括数据记录、数据处理、误差及误差分析、实验结果或结论，以及问题与讨论等。 　　第1章误差分析及数据处理 　　1.1　测量与误差 　　1.1.1　测量与读数 　　1.测量 　　将被测物理量与作为标准的物理量进行比较，以突出被测物理量为标准物理单位多少倍的过程称为测量，它是实验的基础，是人们对物理现象、规律、特性由感性认识上升为理性认识的必然过程。测量所得物理量称为测量量，它必须包括数值和单位两个部分。 　　依据操作方法的不同，测量大致可分为如下两类。 　　1）直接测量 　　能从仪器、量具上直接读出测量量的测量称为直接测量，用这种方法获得的物理量称为直接测量量。例如，用游标卡尺测量长度、用物理天平测量质量、用秒表测量时间等都属于直接测量，它们所获得的物理量，如长度、质量、时间等均为直接测量量。 　　2）间接测量 　　依据某些物理原理（函数关系式），将可直接测量的物理量代入函数关系式进行计算才能获得待测物理量的测量称为间接测量。例如，圆周长的测量、重力加速度的测量（用单摆）等都属于间接测量。因为圆周长L的测量须先直接测出圆半径r，然后代入关系式 来计算；重力加速度g的测量须先测出单摆的周期T和摆长 ，然后代入公式 来计算。圆周长L、重力加速度g都是间接测量量。 　　2.读数 　　从仪器、量具上获取待测物理量的过程称为读数，它是物理实验中的重要环节，对实验的精确度有着一定的影响。 　　依据获取数据方法的差异，读数有直读与估读之分。 　　1）直读 　　从仪器、量具上直接读取数据的过程称为直读，其优点是直观、快捷，多用在能够“对准”的仪器、量具上（如游标卡尺）。此外，数字仪表（如旋转式电阻箱）也用直读。 　　2）估读 　　有些仪表，如螺旋测微器（千分尺）等，因构造问题而不能直读，只好估读。估读，就是必须通过估算才能得出*后结果的一种读数方法，其要点是先直读仪器*小分格的整数部分（其值称为可靠读数），然后用估算法估出*小分格以下的部分（只取一位数，其值称为可疑值或存疑值）。可靠读数与存疑值之和即为测量的结果。螺旋测微器的读数就是一种估读，实际上它是直读与估算的一种混合读数。 　　1.1.2　误差 　　任何物体在一定条件下都有一个能反映自身某种特性的、客观存在的、不以人们意志为转移的物理量的真实值，称为真值（用A表示），实验目的就是设法获取真值。但是，由于各种原因，测量值 与真值A之间总是或多或少地存在差别，这种差别（亦称偏差）称为误差，常用 来表示，即 　　（1-1-1） 　　这样定义的误差反映了测量值对真值大小及方向的偏离，亦称绝对误差，其值越小，测量结果就越精确。 　　绝对误差有正、负之分：若，则称正性误差，说明测量结果大于真值；若，则称负性误差，说明测量结果小于真值。 　　顺便指出，从测量的角度来说，真值是个理想的概念，一般来说是不知道的，因此，在实际测量中通常多用该物理量的多次重复测量的平均值（称约定真值）来取代真值A（即令），于是式（1-1-1）也可改成 　　（1-1-2） 　　式中： 　　（1-1-3） 　　为平均值；为第次的测量值。 　　考虑到绝对误差的正负性，实验的测量值又可表示为 　　（1-1-4） 　　式（1-1-4）说明，被测物理量在至的范围内（式中为绝对误差值，后同），换言之，绝对误差 给出了被测量的范围： 越小，实验测量值就越接近于真值。 　　但是，绝对误差不能用来对不同测量结果优劣（或精确度）进行比较。例如，某人测量1m长的物体的绝对误差为0.2mm，另一人测量10m长的物体的绝对误差也是0.2mm，显然，后者测量的精确度要高（优）于前者。这说明，为了便于对不同测量结果优劣进行比较，必须要考虑被测物理量本身的大小，于是，引入相对误差的概念，其定义为绝对误差 与物理量本身大小 之比，即 　　（1-1-5） 　　相对误差越小，实验的精确度就越高。 　　例1-1-1　某人用游标卡尺（参见第3章实验一）测量两个物体的长度分别为（60.04±0.02）mm和（10.02±0.02）mm。求两次测量的绝对误差和相对误差。