《大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)》課件

1、緒論主講：楊開禧大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的地位與作用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是理工科院校各專業(yè)的一門必修的、獨(dú)立設(shè)置的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課，是學(xué)生在大學(xué)接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端。物理學(xué)學(xué)什么？為什么要學(xué)物理學(xué)物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)一般規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的科學(xué)，是自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科，是學(xué)習(xí)其他自然科學(xué)和工程技術(shù)的基礎(chǔ)。物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)的產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用過(guò)程中起到重要的作用。物理學(xué)重大發(fā)現(xiàn)深刻影響著我們的生活，X射線、核磁共振、核能、激光、信息技術(shù)1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)X射線的發(fā)現(xiàn) 倫琴1901年，首屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予德國(guó)物理學(xué)家倫琴（Willhelm Konrad Rotgen，

2、18451923）以表彰他在1895年發(fā)現(xiàn)的X射線。1895年，物理學(xué)已經(jīng)有了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展，它的幾個(gè)主要部門-牛頓力學(xué)、熱 力學(xué)和分子運(yùn)動(dòng)論、電磁學(xué)和光學(xué)，都已經(jīng)建立了完整的理論，在應(yīng)用上也取得 了巨大成果。這時(shí)物理學(xué)家普遍認(rèn)為，物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頂了，以后的任務(wù)無(wú)非是在細(xì)節(jié)上作些補(bǔ)充和修正而已，沒(méi)有太多的事情好做了。 正是由于X射線的發(fā)現(xiàn)喚醒了沉睡的物理學(xué)界。它像一聲春雷，引發(fā)了一系列重大的發(fā)現(xiàn)，把人們的注意力引向更深入、更廣闊的天地，從而揭開了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕。1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)貝克勒爾 皮埃爾居里 瑪麗居里1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予法國(guó)物理學(xué)家亨利貝克勒爾（Antoine Hen

3、ri Becquerel ,1852 -1908），以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性；另一半授予法國(guó)物理學(xué)家皮埃爾居里（Pierre Curie ,1859 -1906）和瑪麗斯可羅夫斯卡居里（Marie Sklodowska ,1867 - 1934）,以表彰他們對(duì)貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象所作的卓越貢獻(xiàn)原子彈1909年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)倫敦馬克尼無(wú)線電報(bào)公司的意大利物理學(xué)家馬克尼（Guglielmo Marcoin ,1874-1937）和德國(guó)阿爾薩斯州特拉斯堡大學(xué)的布勞恩(Karl Braun ,1850-1918),以表彰他們?cè)诎l(fā)展無(wú)線電報(bào)上所作的貢獻(xiàn)。1909年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)無(wú)線電報(bào)馬克尼

4、布勞恩1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)晶體管的發(fā)明 肖克利 巴丁 布拉坦1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國(guó)加利福尼亞州景山(Mountain View )貝克曼儀器公司半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室的肖克利（William Shockley ,1910-1989）、美國(guó)伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學(xué)的巴?。↗ohn Bardeen ,1908-1991）和美國(guó)紐約州謬?yán)蘸枺∕urray Hill ）貝爾電話實(shí)驗(yàn)室的布拉坦（Walter Brattain ,1902-1987）, 以表彰他們對(duì)半導(dǎo)體的研究和晶體管效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)。晶體管的發(fā)明是20世紀(jì)中葉科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有劃時(shí)代意義的一件大事。由于晶體管比電子管有體積小、耗電省、

5、壽命長(zhǎng)、易固化等優(yōu)點(diǎn)，它的誕生使電子學(xué)發(fā)生了根本性的變革，它撥快了自動(dòng)化和信息化的步伐，從而對(duì)人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和文化產(chǎn)生不可估量的影響。2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)半導(dǎo)體研究的突破性進(jìn)展2000年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予三位科學(xué)家，表彰他們?cè)谝苿?dòng)電話及半導(dǎo)體研究中獲得突破性進(jìn)展。他們分別是俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術(shù)學(xué)院的若爾斯阿爾費(fèi)羅夫、美國(guó)加利福尼亞大學(xué)的赫伯特克勒默和德州儀器公司的杰克S基爾比。 他們的工作奠定了現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)，特別是他們發(fā)明的快速晶體管、激光二極管和集成電路(芯片)。阿爾費(fèi)羅夫 赫伯特克勒默 基爾比1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予美國(guó)馬薩諸塞州坎布里奇的麻省理工學(xué)院的湯斯(Cha

6、rles H.Townes，1915- )，另一半授予蘇聯(lián)莫斯科蘇聯(lián)科學(xué)院列別捷夫物理研究所的巴索夫(Nikolay G.Basov，1922- )和普羅霍羅夫(Aleksandr M.Prokhorow，1916- )，以表彰他們從事量子電子學(xué)方面的基礎(chǔ)工作，這些工作導(dǎo)致了基于微波激射器和激光原理制成的振蕩器和放大器。1964諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)微波激射器和激光器的發(fā)明湯斯 巴索夫 普羅霍羅夫 激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一

7、個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是通過(guò)受激發(fā)射光擴(kuò)大。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過(guò)程。1964年按照我國(guó)著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。激光應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測(cè)距、激光雷達(dá)、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矯視、激光美容、激光掃描、激光滅蚊器等等。教學(xué)目的與要求學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰μ岣邔?shí)驗(yàn)素養(yǎng)學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)“三基”基本原理、基本儀器和基本方法觀察與分析物理現(xiàn)象，測(cè)量物理量，學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的原理和設(shè)計(jì)思想，掌握和理解物理理論；學(xué)會(huì)儀器的基本原理和使用方法；掌握物理實(shí)驗(yàn)的基本技術(shù)；掌握誤差理論。培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰κ褂?/p>

8、儀器能力能借助教材或儀器使用說(shuō)明書掌握儀器使用方法。故障分析能力對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的異?，F(xiàn)象能正確找出原因并排除。觀察思維能力通過(guò)觀察分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并得出正確規(guī)律的能力。數(shù)據(jù)處理能力能正確記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，正確分析實(shí)驗(yàn)誤差，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中獲得有用的信息?？茖W(xué)研究能力了解科學(xué)研究的過(guò)程，培養(yǎng)實(shí)事求是和自主創(chuàng)新的精神。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力能根據(jù)課題要求，確定實(shí)驗(yàn)方案和條件，合理選擇實(shí)驗(yàn)儀器的能力。報(bào)告寫作能力能撰寫規(guī)范、合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告的能力。提高實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)；嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度；科學(xué)研究和創(chuàng)新能力；遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作和愛護(hù)公共財(cái)產(chǎn)的優(yōu)良品德。物理實(shí)驗(yàn)的具體要求：正確使用常用儀器；

9、掌握基本物理量的測(cè)量方法；運(yùn)用物理學(xué)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行初步分析；正確記錄、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)曲線，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果，撰寫合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告；能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢x器設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)方案；現(xiàn)代物理實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備、器件的原理、使用方法。物理實(shí)驗(yàn)課基本程序?qū)嶒?yàn)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊耥樌M(jìn)行的關(guān)鍵明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康念A(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理練習(xí)基本儀器使用了解實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)寫好實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱、目的、主要儀器原理簡(jiǎn)述（主要公式、原理圖）簡(jiǎn)要步驟（注意事項(xiàng)）列出記錄數(shù)據(jù)表格（已知量、指定量、待測(cè)量和單位）物理實(shí)驗(yàn)課基本程序?qū)嶒?yàn)操作遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)則（附錄一P171）。清點(diǎn)儀器，了解儀器性能和使用方法，按要求組裝、調(diào)試，了解儀器使用的注意事項(xiàng)。

10、依照學(xué)號(hào)按號(hào)入座，根據(jù)老師講解及儀器使用方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。實(shí)驗(yàn)中，仔細(xì)觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄必要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)在原始數(shù)據(jù)紙上。必須獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。物理實(shí)驗(yàn)課基本程序?qū)嶒?yàn)報(bào)告寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告是對(duì)實(shí)驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行總結(jié)和深入理解的一個(gè)重要步驟。認(rèn)真進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，力求做到字跡端正，文句通順，數(shù)據(jù)記錄整潔，圖表正確，內(nèi)容簡(jiǎn)明扼要。仔細(xì)觀察和認(rèn)真分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)在課堂實(shí)驗(yàn)后獨(dú)立完成，按時(shí)提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告，逾期將降分處理。注意事項(xiàng)不能無(wú)故曠課，如因特殊原因不能來(lái)上課，應(yīng)事先與其他同學(xué)調(diào)換并出具有學(xué)院蓋章的證明。未完成預(yù)習(xí)和預(yù)習(xí)報(bào)告者，老師有權(quán)停止其實(shí)驗(yàn)或扣去平時(shí)成績(jī)。完成實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)把實(shí)驗(yàn)結(jié)果及所用儀器

11、參數(shù)抄正，經(jīng)老師審閱簽名。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)按實(shí)驗(yàn)規(guī)范寫作，及時(shí)上交老師批閱。報(bào)告抄襲將不給予成績(jī)。其他相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)?jiān)敿?xì)閱讀“物理實(shí)驗(yàn)室學(xué)生守則”以及相關(guān)注意事項(xiàng)物理學(xué)中的基本物理量在國(guó)際單位制中，共有七個(gè)基本量：長(zhǎng)度，質(zhì)量，時(shí)間，電流，熱力學(xué)溫度，物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度。誤差理論測(cè)量、誤差和不確定度測(cè)量與誤差理論不確定度估算方法有效數(shù)字測(cè)量的基本概念物理實(shí)驗(yàn)以測(cè)量為基礎(chǔ)。所謂測(cè)量，就是用合適的工具或儀器，通過(guò)科學(xué)的方法，將反映被測(cè)對(duì)象某些特征的物理量（被測(cè)物理量）與選作標(biāo)準(zhǔn)單位的同類物理量進(jìn)行比較的過(guò)程，其比值即為被測(cè)物理量的測(cè)量值。測(cè)量是以確定被測(cè)對(duì)象量值為目的的全部操作。測(cè)量測(cè)量 測(cè)量的基本概念測(cè)量值

12、一般是由一個(gè)數(shù)乘以計(jì)量單位來(lái)表示量的大小測(cè)量過(guò)程四要素：測(cè)量對(duì)象、測(cè)量單位、測(cè)量方法、測(cè)量不確定度。完整的測(cè)量結(jié)果表述：被測(cè)量的數(shù)值，測(cè)量單位，不確定度，有關(guān)的對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響的量。測(cè)量 測(cè)量的基本概念Y=yU（單位）（置信概率）例：用三個(gè)0.1級(jí)電阻箱組成電橋測(cè)量電阻，測(cè)量結(jié)果最后寫成： R=（845.30.6） （p0.95） 測(cè)量的基本概念直接測(cè)量間接測(cè)量等精度測(cè)量直接測(cè)量：直接將待測(cè)物理量與選定的同類物理量的標(biāo)準(zhǔn)單位相比較得到的測(cè)量值;間接測(cè)量：利用直接測(cè)量的量與被測(cè)量之間的已知函數(shù)關(guān)系，求得該被測(cè)物理量等精度測(cè)量：同一個(gè)人，用同樣的方法，使用同樣的儀器并在相同的條件下對(duì)同一物理量進(jìn)行

13、的多次測(cè)量測(cè)量值=讀數(shù)值（有效數(shù)字）+單位 測(cè)量的基本概念精密度準(zhǔn)確度精確度精密度：表示測(cè)量結(jié)果中的隨機(jī)誤差大小的程度準(zhǔn)確度：表示測(cè)量結(jié)果中的系統(tǒng)誤差大小的程度精確度：是對(duì)測(cè)量結(jié)果中系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的綜合描述。 誤差理論定義：對(duì)一待測(cè)物理量，測(cè)量值X與真值X0之差稱為測(cè)量誤差，簡(jiǎn)稱誤差。誤差 =測(cè)量結(jié)果X-真值X0誤差公理：測(cè)量誤差存在于一切測(cè)量過(guò)程中，可以控制得越來(lái)越小，不可能為零。真值：物理量在一定實(shí)驗(yàn)條件下的客觀存在值。真值是一個(gè)理想的概念，一般是未知的但在某些特殊情況下，可以用準(zhǔn)確度足夠高的實(shí)際值來(lái)作為量的約定真值。有的專著將真值分為三類： 理論真值；計(jì)量學(xué)約定真值；相對(duì)真值。 誤差

14、理論誤差的表現(xiàn)形式絕對(duì)誤差X表示測(cè)量結(jié)果X與真值X0之間的 差值以一定的可能性（概率）出現(xiàn)的范圍，即真值以一定的可能性（概率）出現(xiàn)在X-X至X+X區(qū)間內(nèi)相對(duì)誤差百分誤差誤差的表現(xiàn)形式絕對(duì)誤差X相對(duì)誤差百分誤差如果待測(cè)量有理論值或公認(rèn)值X，也可用百分誤差來(lái)表示測(cè)量結(jié)果的好壞 誤差理論 誤差理論誤差的分類與來(lái)源為了分析和處理的方便，過(guò)去一般將誤差分為系統(tǒng)誤差，隨機(jī)誤差和粗大誤差三類，不同的誤差將表現(xiàn)出不同的特性和規(guī)律。 誤差理論定義：在對(duì)同一被測(cè)量的多次測(cè)量過(guò)程中，絕對(duì)值和符號(hào)保持恒定或隨測(cè)量條件的改變而按可預(yù)知變化的規(guī)律變化的誤差。產(chǎn)生原因：主要有儀器缺陷或未按規(guī)定條件使用儀器；測(cè)量所依據(jù)的理論

15、公式的近似性或?qū)嶒?yàn)條件未達(dá)到理論公式所規(guī)定的要求；環(huán)境和裝置條件未達(dá)到；測(cè)量者的生理或心理特點(diǎn)。系統(tǒng)誤差 誤差理論系統(tǒng)誤差（系差）分類及處理方法：已定系統(tǒng)誤差：指符號(hào)和絕對(duì)值已經(jīng)知道的系差分量。必修修正電表、螺旋測(cè)微計(jì)的零位誤差；測(cè)電壓、電流時(shí)由于忽略表內(nèi)阻引起的誤差。未定系統(tǒng)誤差：指符號(hào)和絕對(duì)值未被確定而未知的系差分量。要估計(jì)出分布范圍螺旋測(cè)微計(jì)制造時(shí)的螺紋公差等 誤差理論隨機(jī)誤差定義：在對(duì)同一被測(cè)量的多次測(cè)量過(guò)程中，絕對(duì)值和符號(hào)以不可預(yù)知方式變化的測(cè)量誤差分量。產(chǎn)生原因：實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境因素?zé)o規(guī)則的起伏變化，引起測(cè)量值圍繞真值發(fā)生漲落的變化例如：電表軸承的摩擦力變動(dòng)螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)力在一定范圍內(nèi)

16、隨機(jī)變化操作讀數(shù)時(shí)的視差影響 誤差理論隨機(jī)誤差分類離散型隨機(jī)變量：只能取有限個(gè)或可數(shù)個(gè)數(shù)值的隨機(jī)變量。連續(xù)型隨機(jī)變量：可能值布滿某個(gè)區(qū)間的隨機(jī)變量隨機(jī)變量要完整地表示一個(gè)隨機(jī)變量，除了要給出它可能取的全部值（或取值范圍）之外，還必須給出每種可能取值出現(xiàn)的可能性，即出現(xiàn)概率的大小，并寫出它的概率（密度）函數(shù)或分布函數(shù)。 誤差理論隨機(jī)誤差無(wú)窮多次測(cè)量時(shí)服從正態(tài)分布 誤差理論 誤差理論 誤差理論 誤差理論粗大誤差用當(dāng)時(shí)的測(cè)量條件不能解釋為合理的誤差稱為粗大誤差。其產(chǎn)生的原因是實(shí)驗(yàn)者在操作、讀數(shù)、記錄、計(jì)算等方面的粗心造成的。含有粗大誤差的測(cè)量值會(huì)明顯歪曲客觀事實(shí)，因而必須用適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵涮蕹龢?biāo)準(zhǔn)偏差

17、標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差標(biāo)準(zhǔn)偏差 測(cè)量結(jié)果的不確定度A類不確定度A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度是在一系列重復(fù)測(cè)量中，用統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算的分量，它的表征值用平均的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，即考慮到有限次測(cè)量服從t分布，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度應(yīng)表示為：B類不確定度 測(cè)量結(jié)果的不確定度測(cè)量中凡是不符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的不確定度統(tǒng)稱為B類不確定度，記為UbuB1由估讀引起，通常取最小分格1/101/5對(duì)一般有刻度的量具和儀表，估計(jì)誤差在最小分格的1/101/5，通常小于儀器的最大允許誤差儀（a）。所以通常以儀表示一次測(cè)量的B類不確定度。一般而言，uB2與儀（a）的關(guān)系為B類不確定度 測(cè)量結(jié)果的不確定度一般儀器誤差的概率密度函數(shù)遵從均勻分布。在均勻分布函

18、數(shù)條件下，當(dāng)P=0.683時(shí)，一次測(cè)量的B類標(biāo)準(zhǔn)差 合成不確定度 測(cè)量結(jié)果的不確定度 測(cè)量結(jié)果的表達(dá)根據(jù)所用的置信概率，測(cè)量結(jié)果的最終表達(dá)式為例：用螺旋測(cè)微計(jì)測(cè)某一鋼絲的直徑，6次測(cè)量值yi分別為：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同時(shí)讀得螺旋測(cè)微計(jì)的零位y0為：0.004, 單位mm，已知螺旋測(cè)微計(jì)的儀器誤差為儀=0.004mm，請(qǐng)給出完整的測(cè)量結(jié)果。解：測(cè)得值的最佳估計(jì)值為 測(cè)量列的標(biāo)準(zhǔn)偏差 測(cè)量次數(shù)n=6，可近似有 則：測(cè)量結(jié)果為 Y=0.2460.004mm 有效數(shù)字有效數(shù)字 有效數(shù)字有效數(shù)字的讀取 有效數(shù)字有效數(shù)字的運(yùn)算 有效數(shù)字有效

19、數(shù)字的運(yùn)算 有效數(shù)字 數(shù)據(jù)處理的基本方法列表法逐差法作圖法最小二乘法列表法列表法測(cè)定金屬電阻的溫度系數(shù)逐差法逐差法示例作圖法作圖法示例I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00電阻伏安特性曲線A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由圖上A、B兩點(diǎn)可得被測(cè)電阻R為：n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲線圖圖1不當(dāng)圖例展示曲線太粗，不均勻，不光滑。應(yīng)該用直尺、曲線板等工具把實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑、均勻的細(xì)實(shí)線。n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.