大学物理实验(一)绪论讲义

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1、大学物理实验(一)绪论讲义 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望主要主要教材：大学物理实验，周殿清主编，教材：大学物理实验，周殿清主编，科学出版社科学出版社210年第一版；年第一版；本次课主要内容本次课主要内容一、本学期物理实验的教学安一、本学期物理实验的教学安排及具体要求排及具体要求二、测量误差和不确定度评定二、测量误差和不确定度评定基本知识基本知识 主要目的主要目的：帮帮助助同同学学们们了了解解物物理理实实验验的的基基本本程程序序(预预习习-操操作作

2、-处处理理)，如如何何去去做做好好物物理理实实验验；以以及及了了解解实实验验误误差差和和不不确确定定度度的的基基本本概概念念，如如何何正正确确表表达实验结果。达实验结果。具体的目的：实验抓住两点，能力更要具体的目的：实验抓住两点，能力更要全面。两点是重点全面。两点是重点(知识点知识点)和难点和难点(操作操作点点)。能力指预习能力能力指预习能力(准备实验准备实验)、认知能力、认知能力(尽快熟悉仪器尽快熟悉仪器)、操作能力、操作能力(准确、快速准确、快速)、数据记录、数据记录(简洁、清晰有条理简洁、清晰有条理)和数据和数据处理能力处理能力(方法科学、结论丰富方法科学、结论丰富)。由于误差理论涉及较

3、多的数理统计由于误差理论涉及较多的数理统计知识，一、两次课很难讲清楚，因知识，一、两次课很难讲清楚，因此此本次课只能介绍测量误差与不确本次课只能介绍测量误差与不确定度的基本概念，在实验过程中如定度的基本概念，在实验过程中如何运用这些知识，正确处理实验数何运用这些知识，正确处理实验数据和评价实验结果，还需要我们结据和评价实验结果，还需要我们结合具体实验，重新学习第一章的相合具体实验，重新学习第一章的相关内容才行关内容才行；“有效数字的运算及有效数字的运算及数据处理方法数据处理方法”不讲，留给同学们不讲，留给同学们课后自学。课后自学。一、一、物理实验物理实验(一）的一）的 教学安排及要求教学安排及

4、要求1物理实验（一）教学安排物理实验（一）教学安排 2实验课具体要求实验课具体要求 3实验考核实验考核 1.本学期物理实验教学安排本学期物理实验教学安排 第二周第二周绪论课绪论课 第三第三周第十四周周第十四周完成完成12个实验个实验 实验题目和轮换表如下实验题目和轮换表如下，分组名单各分组名单各班班长班班长(或学习委员或学习委员)下课来领。下课来领。序序号号实实验验题题目目大大学学物物理实验理实验实实验验物物理理学学地地点点1气垫导轨实验（二）气垫导轨实验（二）实验实验2-4实验五实验五一一区区物物理理学学院六层院六层力力热热学学实实验验室室2声速的测定（驻波法）声速的测定（驻波法）实验实验2

5、-8实验十一实验十一3用冷却法测固体的比热容用冷却法测固体的比热容4用用拉拉脱脱法法测测液液体体的的表表面面张张力力系数系数实验实验2-15实验七实验七5直流电桥测电阻直流电桥测电阻实验实验3-2实验二十实验二十五层五层电电磁磁学学实实验验室室6用用补补偿偿法法测测量量电电压压、电电流流和和电阻电阻实验实验3-3实验二十二实验二十二7交流电路的谐振交流电路的谐振实验实验3-8实验二十八实验二十八8示波器的原理及应用示波器的原理及应用实验实验3-9实验二十九实验二十九9薄透镜焦距的测定薄透镜焦距的测定实验实验4-1实验三十三实验三十三四层四层光学实验室光学实验室10等厚干涉的应用等厚干涉的应用实

6、验实验4-8实验三十七实验三十七11分光计的调节和使用分光计的调节和使用实验实验4-3实验三十四实验三十四12衍射光栅衍射光栅实验实验4-12实验三十九实验三十九 三周三周四周四周五周五周六周六周七周七周八周八周九周九周十周十周十一十一周周十二十二周周十三十三周周十四十四周周第一组第一组1 12 23 34 45 56 67 78 89 9101011111212第二组第二组2 21 14 43 36 65 58 87 710109 912121111第三组第三组3 34 41 12 27 78 85 56 6111112129 91010第四组第四组4 43 32 21 18 87 76 6

7、5 51212111110109 9第五组第五组5 56 67 78 89 91010111112121 12 23 34 4第六组第六组6 65 58 87 710109 9121211112 21 14 43 3第七组第七组7 78 85 56 6111112129 910103 34 41 12 2第八组第八组8 87 76 65 51212111110109 94 43 32 21 1第九组第九组9 91010111112121 12 23 34 45 56 67 78 8第十组第十组10109 9121211112 21 14 43 36 65 58 87 7第十一第十一组组1111

8、12129 910103 34 41 12 27 78 85 56 6第十二第十二组组1212111110109 94 43 32 21 18 87 76 65 5注注意：意：（1）实实验验轮轮换换表表的的题题号号112与与所所用用教教材上的实验题号对应，不要弄错。材上的实验题号对应，不要弄错。（2）每每次次实实验验分分12个个大大组组循循环环，弄弄清清你你在在哪哪一一组组，把把你你这这组组的的实实验验轮轮换换顺顺序序写在教材上，便于预习时不会弄错。写在教材上，便于预习时不会弄错。（3）节假日冲掉的实验不需补做，继节假日冲掉的实验不需补做，继续按轮换表进行。续按轮换表进行。2实验课具体要求实验

9、课具体要求 每堂实验课都包括三个环节：每堂实验课都包括三个环节：课前预习课前预习 课堂实习课堂实习课后小结课后小结课前预习课前预习 认认真真阅阅读读教教材材，明明确确本本次次实实验验的的任任务务和要求；和要求；正正确确理理解解实实验验测测量量所所依依据据的的原原理理、公公式式及采用的方法；及采用的方法；了解所用仪器的结构及使用注意事项；了解所用仪器的结构及使用注意事项；在在原原始始记记录录纸纸上上设设计计好好数数据据表表格格，写写出出预预习习报报告告（包包括括实实验验目目的的、原原理理及及数数据据表格表格），教师要检查。），教师要检查。预习报告：名称+目的+仪器+原理(可直接写在”武汉大学物理

10、科学与技术学院物理实验报告”纸中或单独用纸)突出重点，结合每个实验步骤、思考题，预测难点(不用写在预习报告中)。课堂实习课堂实习 遵遵守守实实验验室室规规则则（不不要要迟迟到到，自自备备鞋鞋套套），按按轮换表顺序进行实验；轮换表顺序进行实验；遵遵守守仪仪器器操操作作规规则则，严严肃肃认认真真，独独立立操操作作（认认真阅读电磁学真阅读电磁学P101和光学实验和光学实验P209基本知识）；基本知识）；要用钢笔或圆珠笔记录数据，要用钢笔或圆珠笔记录数据，不要用铅笔不要用铅笔；实实验验完完毕毕后后，原原始始数数据据交交老老师师签签字字认认可可，整整理理好桌面仪器。好桌面仪器。因因病病、事事不不能能上上

11、课课者者，必必须须出出具具医医院院或或院院系系办办证明证明，否则按旷课论。，否则按旷课论。课后小结课后小结 实实验验报报告告要要用用学学校校统统一一的的报报告告纸纸撰撰写写，要要求求字字体体工工整整、文文理理通通顺顺、图图表表规规矩矩、结论明确。结论明确。报报告告内内容容包包括括：实实验验名名称称、实实验验目目的的、实实验验原原理理、实实验验内内容容、数数据据记记录录与与处处理理结果与讨论结果与讨论。要尽量用。要尽量用自己自己的语言写。的语言写。下下次次实实验验交交前前次次实实验验报报告告（原原始始记记录录附附在报告上）。在报告上）。3实验考核实验考核 平平时时成成绩绩：由由各各实实验验成成绩

12、绩累累加加平平均均，占占80%每每个个实实验验成成绩绩包包括括课课堂堂表表现现、操操作作分分和报告分（和报告分（6：4）；）；期未考试期未考试：占：占20%实实验验考考试试分分笔笔试试和和操操作作考考试试两两部部分分，操操作作部部分分分分组组抽抽题题，老老师师不不讲讲，当当场场交考试报告。交考试报告。实验成绩评定标准实验成绩评定标准实验操作要求实验操作要求等等级级实验报告要求实验报告要求等等级级1预预习习充充分分abc1格格式式规规范范abc2目目的的明明确确达达到到要要求求基基本本达达到到要要求求达达不不到到要要求求2书书写写整整洁洁达达到到要要求求基基本本达达到到要要求求达达不不到到要要求

13、求3原原理理清清楚楚3作作图图完完美美4步步骤骤正正确确4表表达达完完整整5操操作作规规范范5结结果果分分析析6数数据据正正确确6实实验验体体会会7遵遵守守纪纪律律7见见解解创创新新8整整理理仪仪器器8习习题题正正确确实验操作分实验操作分标标准准实验报告分实验报告分标标准准A(952)等级为全等级为全aA(952)等级为全等级为全aA-(902)等级为等级为7a、1bA-(902)等级为等级为7a、1bB+(852)等级为等级为6a、2bB+(852)等级为等级为6a、2bB(802)等级为等级为5a、3bB(802)等级为等级为5a、3bB-(752)等级为等级为4a、4bB-(752)等级

14、为等级为4a、4bC+(702)等级中有等级中有3个个cC+(702)等级中有等级中有3个个cC(652)等级中有等级中有4个个cC(652)等级中有等级中有4个个cC-(60+2)等级中有等级中有5个个cC-(60+2)等级中有等级中有5个个cD(不及格不及格)等级中有等级中有6个个cD(不及格不及格)等级中有等级中有6个个c1.实验有新发现，见解独特、有创新，实实验有新发现，见解独特、有创新，实 验成绩评定后，提高一档。验成绩评定后，提高一档。2.2.迟到时间超过迟到时间超过1010分钟成绩降一档，之后分钟成绩降一档，之后每每1010分中为一档类推。分中为一档类推。3.3.无故缺席，不能补

15、做，该次成绩记无故缺席，不能补做，该次成绩记0 0分。分。4.4.无故迟交报告成绩降一档。无故迟交报告成绩降一档。5.5.篡改实验数据，成绩降一档。篡改实验数据，成绩降一档。6.6.抄袭报告或数据、成绩为抄袭报告或数据、成绩为0 0分分说说明明：下面通过光学方面的四个案例来说明如何总结各个实验的“两点”，希望对各位同学能有启发。光学预备知识中的重点：两灯、两镜。两灯:高压汞灯(白)、钠灯(黄)P198、199；两镜:测微目镜，读数显微镜P239、245；光学仪器的使用和维护6条P205。实验4-1测焦距，重点(知识)：两图、两公式。高斯公式4-1-1和图4-1-1(P206)、贝塞尔(或二次成

16、像)公式4-1-2和图4-1-2P。凸透镜成像规律物距大(小)，像距小(大)，且都不能小于f焦距(实像)。成像要求物距+像距略大于4f焦距(1-5厘米)，此时透镜在中间。凹透镜成像必须要凸透镜帮忙(实像)。难点(操作)：透镜、物(十字)和光具座共轴P208;判断实像(十字像)的清晰(可看十字边缘)。记录：表格化(数据多)；物距的正负号(透镜左边正号，右边负号)，本次像距均为正。习题1、2P210实验4-3分光计(4-3-2内容不做)P217-226，重点：六图、三公式。图1(仪器)、4(读数)、6和7(原理兼光路)、3(现象)、9(操作)，公式1(偏心差)、2(自准直)和3(反射)/原理，全部

17、运用平行光反射原理，入、反射光与反射面和法线夹角相等或反射光原路返回(垂直入射)；难点：固定、调节螺钉多(图1P218)，固定13/14/20(重点)、2、8，调节11/21(重点)、12/19(微调)。望远镜光管水平难调(用反射规律，管外找像)。记录：读数时一定固定一个(盘)，转动一个(盘)；两个读数游标1、2相像，不能弄混，不能刻、写标记。习题P226：1、2题实验4-8等厚干涉(牛顿环，4-8-2劈尖 不做)P240-244，重点：2图(图1、2),1公式(式4-8-5)，两束光干涉重点是，两束光路程之差与波长的比值整数(亮)，半整数-尾数0.5(暗)。难点：读数显微镜的回程误差(应单方

18、向测量)P245；调显微镜视场明亮、牛顿环清晰；读数显微镜的十字叉丝水平移动，垂直相切牛顿环。记录和处理：读数显微镜要估读一位；要算不确定度(实验步骤7)，先算d平方差的不确定度，再用公式传递到R半径的不确定度，或自行设计方案。习题P244：2、3题实验4-12衍射光栅P254 重点：1式-衍射方程4-12-2P255，3图-图3、4、5（全是调节要求）P256；分光概念：复合光（如汞灯光白色）按不同的出射角（衍射角，与入射白光夹角）展开为众多单色光。波长短(紫、蓝)，衍射角小，波长长(红、黄、绿)，衍射角大。习题P258：1、3题难点：现象是分立的不同颜色的单色线（每根线一个波长）图2P25

19、5。保证入射角为0度，一要光栅垂直平行光管（现象图4P256）、二要光栅狭缝线平行分光计转轴（现象图5P257），注意光栅放法图3P256。记录和处理：衍射角为+1级读数-(-1)级读数/2，实际要/4（用了两个游标读数消偏心差）。二、测量误差与不确定度二、测量误差与不确定度基本知识基本知识（一）测量误差理论的基本概念（一）测量误差理论的基本概念（二）测量不确定度（二）测量不确定度（三）结果表达（三）结果表达（四）作图基本要求（四）作图基本要求真值测量值平均值系统误差随机误差标准差测量的质量实用标准差平均标准差仪器未知差不确定度U直测U公式间测U公式结果表达取舍原则取舍实例作图要求作图实例 1

20、 1指出下列各量是几位有效数字：指出下列各量是几位有效数字：(1)1)(2 (2位）位）(2)T(2)T1.0000s1.0000s (5 (5位）位）(3)L=0.00001cm(3)L=0.00001cm (1 (1位）位）(4)g=980.12306cm/s(4)g=980.12306cm/s (8 (8位）位）有效数字的位数与小数点的位置无关有效数字的位数与小数点的位置无关 根据测量不确定度和有效数字的概念，根据测量不确定度和有效数字的概念，改正以下测量结果表达式，写出正确答案改正以下测量结果表达式，写出正确答案。(1).(1).d=10.430d=10.4300.3 cm0.3 cm

21、(2).E=1.9150.05 V(2).E=1.9150.05 V(3).(3).L=10.850.200 mmL=10.850.200 mm(4).P=31690200 Kg(4).P=31690200 Kg(5).(5).(6).(6).(7).(7).10.00.095 mm10.00.095 mm(1).d=10.4(1).d=10.430300.3 cm0.3 cm改正改正：10.4 0.3 cm10.4 0.3 cm(3).(3).L=10.8L=10.85 50.20.20000 mm mm改正改正：L=10.80.2 mmL=10.80.2 mm(5).改正改正：或：或：(6

22、).(6).改正改正：(7).10.(7).10.0 00.0.0 095 mm95 mm改正改正：10.10.0 00.0.1 1 mm mm判断下列各式的正误，请在括号内填写判断下列各式的正误，请在括号内填写有效数字的正确答案。有效数字的正确答案。(1).1.732(1).1.732 1.74=3.013681.74=3.01368 (3.01)(3.01)(2).628.7(2).628.77.8=80.6037.8=80.603 (81)(81)(3).(3).（38.38.4 4+4.2+4.25656）2.0=21.328 2.0=21.328 (38.(38.4 4+4.+4.3

23、 3)2.0 )2.0 (21)(21)(4).(4).（17.34-17.1317.34-17.13）14.28=2.998814.28=2.9988 （0.0.2121 14.28 14.28）（3.03.0）换算下列各测量值的单位：（1 1）4.80cm=()m=()mm 4.80cm=()m=()mm 4.80cm=(4.80cm=(4.804.801010-2-2)m=()m=(4.804.801010)mm)mm（2 2）30.70g=()kg=()mg 30.70g=()kg=()mg 30.70g=(30.70g=(3.0703.0701010-2-2)kg=()kg=(3.0

24、70 3.070 10104 4)mg)mg（3 3）3.50mA=()A=()A 3.50mA=()A=()A 3.50mA=(3.50mA=(3.503.501010-3-3)A=()A=(3.503.5010103 3)A)A 一圆柱体的外径一圆柱体的外径(D)约约6厘厘米、高米、高H)约约8厘米，求测厘米，求测圆柱体的体积圆柱体的体积V和不确定度和不确定度v，并写出测量结果表达式。，并写出测量结果表达式。（要求：选用的仪器在测量时所产生的最大相对误差不超过0.3%）解题步骤解题步骤1.根据要求选择合适的根据要求选择合适的测量仪器测量仪器。2.直接测量直接测量圆柱体的外径（圆柱体的外径（

25、D）和高（）和高（H）。）。3.计算（计算（D）、（）、（H）的）的平均值平均值和和标准偏差标准偏差。4.确定测量确定测量仪器误差仪器误差引起的不确定度分量引起的不确定度分量u。5.计算直接测量量的计算直接测量量的合成合成不确定度不确定度UD、UH。6.写出写出D和和H的测量的测量结果表达式结果表达式。7.计算圆柱体的计算圆柱体的体积体积（平均值平均值）。）。8.计算圆柱体计算圆柱体体积体积的测量的测量不确定度不确定度。9.测量测量结果表达式结果表达式。1.根据要求选择合适的测量仪器根据要求选择合适的测量仪器。因为 根据仪器误差传递公式得：已知：即：根据误差均分原则可得：已知 D6cm，H8c

26、m 则：D 0.001D 0.006cm H 0.001H 0.008cm 根据以上数据可用游标精度为0.002cm的游标卡尺测量圆柱体的外径(D)和高H)常用函数误差传递公式函数表达式测量不确定度传递公式仪器误差传递公式Z=XYZ=x+yZ=XY或Z=X/YZ/z=x/x+y/yZ=kxUz=k UxZ=kxZ=X1/KZ/z=1/kx/xZ/z=kx/x+my/y+ns/SZ=sinxZ=|cosx|Ux Z=cosxZ=lnxUz=Ux/xZ/z=x/x次数次数D（cm）H（cm）16.0048.09626.0028.09436.0068.09246.0008.09656.0068.09

27、666.0008.09476.0068.09486.0048.09896.0008.094106.0008.096计算（计算（D）、（）、（H）的）的平均值平均值和和标准偏差标准偏差确定测量仪器误差引起的不确定度确定测量仪器误差引起的不确定度分量分量u 游标精度为0.002cm的游标卡尺 引起的不确定度分量不确定度分量u=仪仪=0.002 cm=0.002 cm计算计算直接测量量的合成不确定度直接测量量的合成不确定度UD、UHD和和H的的测量测量结果表达式结果表达式计算计算圆柱体圆柱体的的体积体积（平均值）（平均值）计算圆柱体计算圆柱体体积体积的测量的测量不确定度不确定度计算圆柱体计算圆柱体体

28、积体积的测量的测量不确定度不确定度(1).计算计算圆柱体圆柱体体积体积的测量的测量不确定度不确定度(2).直接利用传递公式：Z=XkYm测量测量结果表达式结果表达式 1 1指出下列各量是几位有效数字：指出下列各量是几位有效数字：(1)1)(2 (2位）位）(2)T(2)T1.0000s1.0000s (5 (5位）位）(3)L=0.00001cm(3)L=0.00001cm (1 (1位）位）(4)g=980.12306cm/s(4)g=980.12306cm/s (8 (8位）位）有效数字的位数与小数点的位置无关有效数字的位数与小数点的位置无关 根据测量不确定度和有效数字的概念，根据测量不确

29、定度和有效数字的概念，改正以下测量结果表达式，写出正确答案改正以下测量结果表达式，写出正确答案。(1).d=10.430(1).d=10.4300.3 cm0.3 cm(2).E=1.9150.05 V(2).E=1.9150.05 V(3).L=10.850.200 mm(3).L=10.850.200 mm(4).P=31690200 Kg(4).P=31690200 Kg(5).(5).(6).(6).(7).10.00.095 mm(7).10.00.095 mm(1).d=10.4(1).d=10.430300.3 cm0.3 cm改正改正：10.4 0.3 cm10.4 0.3 cm(3).(3).L=10.8L=10.85 50.20.20000 mm mm改正改正：L=10.80.2 mmL=10.80.2 mm