簡明大學(xué)物理實驗教程 課件 ch9 怎么做怎么做得更好

第九章怎么做，怎么做得更好物理學(xué)-實驗-高等學(xué)校-教材簡明大學(xué)物理實驗教程01物理學(xué)與人類文明的關(guān)系PARTONE大學(xué)物理實驗課程的作用主要是培養(yǎng)學(xué)生的基本科學(xué)實驗技能，提高學(xué)生的科學(xué)實驗基本素質(zhì)，使學(xué)生初步掌握實驗科學(xué)的思想和方法，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和創(chuàng)新意識，使學(xué)生掌握實驗研究的基本方法，提高學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力。按照大學(xué)物理實驗課程教學(xué)基本要求，物理實驗課程教學(xué)內(nèi)容應(yīng)該包含測量誤差、數(shù)據(jù)處理、基本物理量的測量、常用的物理實驗方法、常用實驗儀器和常用實驗操作技術(shù)六個方面。一、大學(xué)物理實驗課程的教學(xué)目標(biāo)二、大學(xué)物理實驗項目的學(xué)習(xí)要點一個實驗題目應(yīng)能反映實驗的重點內(nèi)容，涉及物理實驗基本要求中的基本物理量測量的內(nèi)容。1實驗題目教師在教學(xué)時應(yīng)將實驗項目的歷史背景和現(xiàn)代應(yīng)用加以介紹，然后再講授教學(xué)目的，這樣會大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣從而提高學(xué)習(xí)效果。學(xué)生在預(yù)習(xí)實驗、撰寫報告時，要用心地挖掘?qū)嶒烅椖康臍v史與應(yīng)用，實現(xiàn)實驗教學(xué)的目標(biāo)。2實驗?zāi)康亩⒋髮W(xué)物理實驗項目的學(xué)習(xí)要點3實驗原理和方法實驗原理和方法包括兩個層面：一是理論原理（科學(xué))，二是實驗方法(技術(shù))。理論原理是指該實驗所依據(jù)的物理概念、規(guī)律等相關(guān)物理原理。物理實驗是人為創(chuàng)造在相對理想的實驗環(huán)境下進(jìn)行物理量的測量的過程，需要借助一定的實驗方法和手段才能最終實現(xiàn)。這些實驗方法往往具有普適性，它們不僅只適用于某個實驗，而且可以推廣應(yīng)用于類似的其他實驗中。如果教學(xué)中能強調(diào)實驗方法的重要性，并將這些不同的實驗方法用于實驗的創(chuàng)新和拓展，將有利于提高實驗教學(xué)的水平。二、大學(xué)物理實驗項目的學(xué)習(xí)要點4實驗數(shù)據(jù)處理如果測量的數(shù)據(jù)沒有被合理地解讀，整個實驗就變得毫無意義，因此實驗數(shù)據(jù)處理是評估整個實驗結(jié)果不可或缺的重要一環(huán)。數(shù)據(jù)處理包括計算待測的物理量、測量結(jié)果的誤差或不確定度分析、圖示所測不同物理量的數(shù)學(xué)關(guān)系等。每個實驗根據(jù)實驗原理、方法和目的的不同，可以采用不同的數(shù)據(jù)處理方法。通過最終的數(shù)據(jù)處理，才可以對實驗結(jié)果有個基本的判斷，并分析產(chǎn)生這些判斷的依據(jù)是什么，從而引發(fā)思考，形成對整個實驗的完整認(rèn)識。經(jīng)過大學(xué)物理實驗課程的學(xué)習(xí)，既完成了多個預(yù)習(xí)的仿真實驗，又做過了若干個實驗項目。那么實驗學(xué)習(xí)的成效到底怎樣?達(dá)到了應(yīng)用的水平了嗎?要檢驗學(xué)習(xí)的遷移能力和應(yīng)用能力，最好是在學(xué)科競賽、開放性實驗項目、獨立完成課程的設(shè)計性實驗等活動中進(jìn)行評價。學(xué)科競賽需要參賽選手根據(jù)競賽的題目，自主確定實驗方案和獨立自主地開展實驗，以實驗的結(jié)果支撐競賽題目的分析和問題的解決。通過競賽活動能夠?qū)⒃诮虒W(xué)過程中學(xué)到的知識綜合起來，在調(diào)動這些顯性知識的過程中，也極大地激發(fā)那些隱性知識，構(gòu)成一個在活動中發(fā)揮最佳效能的整體。所謂最佳方案，指的是在現(xiàn)有條件下最充分地利用儀器裝置以力求得到最好的實驗結(jié)果。具體來說，就是根據(jù)研究對象及實驗項目的要求，選定合適的實驗原理，按照實驗對測量精度的要求（包括儀器要求、量限要求、特性要求、環(huán)境要求等)，選定合適的實驗方法。三、物理實驗最佳方案四、最佳方案選擇的一般程序01、根據(jù)研究對象（物理量或物理過程)，列出各種可能的實驗原理及測量所依據(jù)的理論公式，以便選擇。02、分析各測量原理及其所依據(jù)的測量公式的適用條件、局限性和優(yōu)缺點。03、根據(jù)羅列的實驗原理或所依據(jù)的測量公式，結(jié)合可能提供的實驗條件（包括實驗儀器設(shè)備、實驗環(huán)境等)，分析各實驗原理應(yīng)用的可行性，并大致估算可能達(dá)到的測量精度。04、根據(jù)實驗要求(如實驗對測量精度的要求)，確定實驗原理并選定實驗方法與儀器，即確定實驗的最佳方案。五、設(shè)計性實驗的特點、任務(wù)和要求設(shè)計性實驗由教師提出課題，根據(jù)實驗室能夠提供的條件，要求學(xué)生在規(guī)定時間內(nèi)，通過閱讀資料提出實驗原理、確定實驗方案，選擇合適的儀器設(shè)備，擬定實驗程序和注意事項，調(diào)整測試，合理處理實驗數(shù)據(jù)，最后寫出完整的實驗報告。設(shè)計性實驗是在學(xué)生經(jīng)過一定基礎(chǔ)實驗訓(xùn)練后，對學(xué)生進(jìn)行的種介于基礎(chǔ)教學(xué)與科學(xué)研究之間的教學(xué)實驗，目的是使學(xué)生運用所學(xué)的實驗知識和技能，在實驗方法的考慮、測量儀器的選擇、測量條件的確定等方面受到系統(tǒng)的訓(xùn)練，它對開拓學(xué)生思路、擴展學(xué)生知識面、培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)實驗?zāi)芰哂蟹浅Ｖ匾囊饬x。開設(shè)設(shè)計性實驗除了實驗室提供必要的物質(zhì)保證，要求學(xué)生在進(jìn)入設(shè)計性實驗之前，必須具有比較豐富的實驗經(jīng)驗和技能，掌握相當(dāng)數(shù)量的基本儀器的使用和基本測量方法，掌握正確的不確定度的估算和數(shù)據(jù)處理方法。六、設(shè)計性實驗的步驟1）選擇最佳實驗方法一旦實驗題目確定下來，首先就涉及如何制定實驗方案的問題，即考慮實驗依據(jù)于哪種原理、采用何種方法、使用哪些儀器等。一般來說，對于一個確定的檢測項目，總會有多種方案可供選擇。根據(jù)設(shè)計題目，查閱有關(guān)資料，提出多種可能的實驗方法，畫出必要的原理圖，推證有關(guān)理論公式，通過分析和比較，選擇一種實驗上可行、經(jīng)濟上最省或?qū)嶒炇覘l件允許，又能保證精度要求的最佳實驗方案。1實驗方法的制定六、設(shè)計性實驗的步驟在選定實驗的最佳方案時，需對實驗過程中可能的不確定度的（誤差）來源、性質(zhì)及大小做出初步估算，針對不同性質(zhì)的不確定度（誤差）及其來源，選定實驗方案，力求使測量的不確定度（誤差）最小。A類不確定度分量的主要來源：觀測者感官靈敏度的限制、儀器分辨能力的局限。B類不確定度分量的主要來源：測量原理和方法、儀器與設(shè)備、實驗條件。一般消除的途徑是校準(zhǔn)儀器、改進(jìn)實驗裝備或?qū)嶒灧椒ǎ驅(qū)y量結(jié)果進(jìn)行理論上的修正。在實驗中需要仔細(xì)考慮與研究測量原理和方法的推演過程中的每一步驟；檢驗或核準(zhǔn)每一件儀器與設(shè)備；分析每個實驗條件，注意每一步調(diào)整和測量的細(xì)節(jié)，以便從中發(fā)現(xiàn)B類不確定度分量。一般情況下，該類不確定度分量不能由多次重復(fù)測量來發(fā)現(xiàn)，多次測量的方法對消除B類分量無濟于事。所謂“消除”B類不確定度分量，其實不過只是將其影響減小到A類不確定度分量之下而己。1實驗方法的制定六、設(shè)計性實驗的步驟實驗方法確定后，應(yīng)選擇一種最佳測量方法。當(dāng)對某一物理量有幾種測量方法供選擇時，應(yīng)選擇不確定度最小的那種方法。在物理實驗中，常用的基本測量方法有比較法、補償法、置換法等。選擇合適的測量方法對提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確度非常重要。測量方法的精確度分析，常采用分項誤差分析綜合法，就是對所涉及的測量方法、試驗器具的各個方面可能產(chǎn)生的誤差及各種影響因素及它們造成的分項誤差值加以逐項分析，然后選擇出其中的主要項目，經(jīng)過分析，按照誤差的不同類型的規(guī)律綜合成測量的不確定度。它能反映出各個原始誤差的來源及其對測量的影響程度，以及它們在測量不確定度中所占比例。2最佳測量方法的選擇六、設(shè)計性實驗的步驟1）不確定度均分原理