大學(xué)物理實驗的基礎(chǔ)知識

大學(xué)物理實驗的基礎(chǔ)知識1.1物理實驗的意義和任務(wù)(1)通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析及對物理量的測量，學(xué)習(xí)物理實驗知識，加深對物理學(xué)原理的理解。(2)培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰Α?3)培養(yǎng)與提高學(xué)生的科學(xué)實驗素養(yǎng)。1緒論1.2物理實驗的基本程序1.預(yù)習(xí)寫預(yù)習(xí)報告(寫在實驗報告上)

(無預(yù)習(xí)報告不允許做實驗)(1)實驗名稱(2)實驗?zāi)康?3)實驗器材(4)實驗原理(5)實驗內(nèi)容和步驟數(shù)據(jù)記錄表格2.實驗

對照課本和實驗室提供的器材，了解儀器的結(jié)構(gòu)、原理和使用方法。將儀器安裝、調(diào)試好，或按電路圖連接線路。準(zhǔn)備就緒后按實驗步驟進(jìn)行觀察、測量和記錄。測量時，應(yīng)按照有效數(shù)字規(guī)則進(jìn)行讀數(shù)，其有效數(shù)字的位數(shù)不能任意增減，如實記錄數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)記錄在統(tǒng)一的原始數(shù)據(jù)記錄表上，原始數(shù)據(jù)記錄后不得任意更改。實驗結(jié)束后，實驗數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)教師審閱認(rèn)可，否則應(yīng)重做或補做。將儀器或?qū)嶒炑b置恢復(fù)到實驗前的狀態(tài)。3.撰寫實驗報告(1)補充儀器的規(guī)格和編號(2)數(shù)據(jù)記錄與處理(3)結(jié)果分析和問題討論等。實驗報告應(yīng)保持字跡端正、書寫整潔、條理清楚、內(nèi)容正確、完整。1.3實驗規(guī)則自學(xué)2.1測量與誤差2.1.1直接測量與間接測量測量：將待測量與單位進(jìn)行比較。直接測量：待測量與儀器比較，讀出測量結(jié)果。2測量誤差與數(shù)據(jù)處理間接測量：由直接測量的結(jié)果，算出測量結(jié)果。真值：待測量在一定條件下具有的大小。絕對誤差：測量值X和真值A(chǔ)的差異。2.1.2測量誤差相對誤差：約定真值：公認(rèn)值，測量值，測量值的算術(shù)平均值1.系統(tǒng)誤差(規(guī)律誤差)主要原因：①儀器誤差。儀器本身的缺陷。②理論誤差。理論與方法上的不完善。③環(huán)境誤差。外界環(huán)境因素的影響。④個人誤差。測量者的習(xí)慣和偏向。2.1.3測量誤差的分類在測量條件變化時，按一定規(guī)律變化的誤差。特點：

測量結(jié)果向一個方向偏離，其數(shù)值按一定規(guī)律變化，具有重復(fù)性、單向性。2.隨機(jī)誤差（偶然誤差）主要原因：①人的感官判斷力的隨機(jī)性。②外界因素起伏不定。③儀器內(nèi)部存在一些偶然因素。在測量條件不變時，大小和正負(fù)都具有隨機(jī)性的誤差。特點：

隨機(jī)誤差具有統(tǒng)計規(guī)律。隨機(jī)誤差的統(tǒng)計規(guī)律正態(tài)分布的概率密度函數(shù)分布函數(shù)的特征量①單峰性。②對稱性。③有界性。④抵償性。正態(tài)分布的隨機(jī)誤差特征：3.過失誤差(a)(b)(c)

圖(a)表明數(shù)據(jù)的精密度高，但正確度低，相當(dāng)于隨機(jī)誤差小而系統(tǒng)誤差大；圖(b)則表示數(shù)據(jù)的正確度高而精密度低，即系統(tǒng)誤差小而隨機(jī)誤差大；圖(c)則代表精密度和正確度都較高，即精確度高，總誤差小。2.1.4精密度、正確度和精確度1.測量結(jié)果的最佳值2.1.5隨機(jī)誤差的估計多次測量的算術(shù)平均值(約定真值)。稱為偏差或殘差2.多次測量的隨機(jī)誤差估計標(biāo)準(zhǔn)偏差3.算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差測量算術(shù)平均值隨機(jī)誤差在區(qū)間的概率為68.3%。一般實驗中測量次數(shù)取6～10次。2.2測量結(jié)果的表示與不確定度2.2.1測量結(jié)果的表達(dá)形式與不確定度Y是待測量相對不確定度，X是測量值，ΔX是不確定度。2.2.2直接測量結(jié)果的不確定度A類分量：多次重復(fù)測量后用統(tǒng)計方法算出B類分量B：其它方法估算總不確定度合成：方和根合成1.多次測量結(jié)果的不確定度稱為儀器誤差限值，P11表2-22.單次測量結(jié)果的不確定度算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差2.2.3間接測量結(jié)果的不確定度誤差的傳遞

x、y、z…表示各自獨立的直接測量量。N表示間接測量量1.絕對值合成法2.方和根合成法(大學(xué)物理實驗采用本方法)例2.1用不確定度的方和根合成法推導(dǎo)加減乘除運算的不確定度的合成公式。解：（1）設(shè)N=x+y（2）設(shè)N=x-y略（3）設(shè)N=xy（4）設(shè)N=x/y例2.2設(shè)，試用方和根合成法推導(dǎo)不確定度傳遞公式。解：函數(shù)式不確定度傳遞公式2.3有效數(shù)字及其運算2.3.1有效數(shù)字1.有效數(shù)字的概念正確、有效地表示測量結(jié)果的數(shù)字。讀數(shù)為，四位有效數(shù)字，第四位8是欠準(zhǔn)數(shù)字有效數(shù)字=

準(zhǔn)確數(shù)+一位欠準(zhǔn)數(shù)2.有效數(shù)字的意義數(shù)字而言，測量值而言，

有效數(shù)字中欠準(zhǔn)位的位置反映了不確定度的大小

有效數(shù)字的位數(shù)反映了相對不確定度的大小高長26±5mm3.正確記錄和書寫有效數(shù)字有效數(shù)字與小數(shù)點位置無關(guān)

測量結(jié)果X保留一位欠準(zhǔn)數(shù)。不確定度X取一位有效數(shù)字，X對齊X的最后一位。相對不確定度一般取一位有效數(shù)字。建議首位是1,2,3時取兩位有效數(shù)字。如:5%，2.6%。必要時，采用科學(xué)表達(dá)式注意:

A.中間或后面的“0”是有效數(shù)字。B.表示小數(shù)點位置的“0”不是有效數(shù)字。與中的“0”都是有效數(shù)字L10-5km1.28cm1280m與是兩個不同的有效數(shù)字1.28cm=103m1)運算總則①不確定度決定有效數(shù)字②結(jié)果只保留一位欠準(zhǔn)數(shù)2)常見運算規(guī)則①加減運算欠準(zhǔn)位對齊高位，“4舍6入5湊偶”+6

2.3.2有效數(shù)字的運算474②乘除運算取最少位數(shù)③乘方、開方運算取底的位數(shù)

1.724.1172688

70522=

0.5④對數(shù)運算小數(shù)部分取真數(shù)的位數(shù)⑤其它函數(shù)運算

遵循不確定度決定有效數(shù)字的原則，通過不確定度的傳遞公式確定有效數(shù)字。ln2.67log2.673)常數(shù)、無理數(shù)在運算中可多取一位。4)運算中間過程，可多保留一位，最后結(jié)果保留一位欠準(zhǔn)數(shù)。例：例2.4已知金屬環(huán)的外徑D1=(3.600±0.004)cm，內(nèi)徑D2=(2.880±0.004)cm，高h(yuǎn)=(2.575±0.004)cm，求金屬環(huán)體積的測量結(jié)果表達(dá)式。解：測量結(jié)果例2.5已知一圓柱體的質(zhì)量m=(14.06±0.01)g，高H=(6.715±0.005)cm，用螺旋測微計測得直徑D的數(shù)據(jù)，如下表所示。次數(shù)

123456Di/cm0.56420.56480.56430.56400.56490.5646求其密度ρ的測量結(jié)果。解：用計算器密度Excel計算P11表不確定度測量結(jié)果2.4數(shù)據(jù)處理的基本方法2.4.1列表法原則A欄目應(yīng)標(biāo)明名稱和單位。B表中數(shù)據(jù)主要是原始數(shù)據(jù)。C表中數(shù)據(jù)要正確反映測量結(jié)果的有效數(shù)字。D欄目順序應(yīng)注意數(shù)據(jù)間的聯(lián)系和計算的程序，力求簡明、齊全、有條理。

次數(shù)

123456Di/mm5.645.685.605.665.645.66-0.01+0.03-0.05+0.01-用游標(biāo)卡尺測量小球直徑數(shù)據(jù)記錄與處理2.4.2作圖法1.圖示法曲線圖折線圖原則A用坐標(biāo)紙作圖。B坐標(biāo)軸的選擇和坐標(biāo)軸單位的標(biāo)定要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的有效數(shù)字的位數(shù)來確定。C標(biāo)點與連線。實驗點可用符號如＋、⊙、×等表示，兼顧各數(shù)據(jù)點擬合光滑曲線或直線。正確⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙⊙不正確2.圖解法⊙⊙⊙⊙⊙測定線膨脹系數(shù)單擺測重力加速度化曲為直。令2.4.3逐差法彈簧的勁度系數(shù)求出k2.4.4最小二乘法和直線擬合線性關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)最佳直線其中2.5計算機(jī)數(shù)據(jù)處理法2.5.1Origin數(shù)據(jù)處理法2.5.2Excel數(shù)據(jù)處理法自學(xué)3常用物理儀器及使用4常用物理思想與方法課程的考核(1)平時實驗60%，期末筆試40%。(2)平時實驗成績不及格須重修。

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