物理实验

物理实验学习中应注意学习与掌握那些调整与操作技术一、零位调整：一个初学者，往往不注意仪器或量具的零位是否正确，总以为它们在出厂时都已校准好的。

但实际情况不完全如此，由于环境的变化或经常使用而引起磨损等原因，它们的零位往往已发生了变化，因此，在实验前总是需要检查和校准仪器的零位，否则将人为地引入误差。

零位校准的方法一般有两种：一种是测量仪器有零位校准，如：电表等，则应调整校准器，使仪器在测量前处于零位；另一种是仪器不能进行零位校准，如：端点磨损的米尺或螺旋测微计等，则在测量前应先记下初始读数，以便在测量结果中加以修正。

二、水平、垂直调整：有些仪器和实验装置必须在水平或垂直的状态下才能正常地进行实验。

如：天平、气垫导轨、三线摆等。

因此，在实验中经常遇到要对仪器进行水平、垂直的调整。

这种调整常借助于水准仪或悬锤进行。

凡是要作水平、垂直调整的仪器或装置，在其底座上大多数设置有三个底脚螺丝（或一个固定，两个可调节），通过调节底脚螺丝，借助于水准仪或悬锤，可将仪器装置调整到水平或垂直状态。

三、光路共轴调整：在由两个或两个以上的光学元件组成的光学系统中，为了获得好的像质，满足近轴光线的条件，必须进行共轴调整。

一般分为粗调和细调。

粗调：一般多采用目测法判断。

将各光学元件和光源的中心调成等高。

并且使各元件所在平面基本上相互平行且垂直。

这样，各光学元件的光轴已大至接近重合。

细调：利用光学系统本身或者借助于光学仪器依据光学的基本规律来进行调整。

如依据透镜成像规律，由自准法和二次成像法来调光学仪器时，移动光学元件，使像没有上下左右移动。

常用此方法来进行光路的共轴调节四、逐次逼近法：在物理实验中，仪器的调节大多不能一步到位。

例如：电桥达到平衡状态、电势差计达到补偿状态、灵敏电流计零点的调节、分光计中望远镜光轴的调节等，都必须经过反复多次调节才能完成。

“逐次逼近调节”是一种能迅速、有效地达到调整要求的调节技巧。

依据一定的判断标准，逐次缩小调整范围，较快地获得所需要的状态的方法称为逐次逼近调节法。

判断标准在不同的仪器中是不同的。

如：天平是观察其指针在标度前来回摆动，左右两边的振幅是否相等；平衡电桥是看检流的指针是否指零。

逐次逼近调节不仅在天平、电桥、电势差计等仪器的平衡调节中用到，而且在光路的共轴调节、分光计的调节中也要用到，它是一种经常使用的调节方法。

五、先定性、后定量的原则：在测量某一物理量随另一物理量变化的关系时，为了避免测的盲目性，应采用“先定性、后定量的原则”进行测量。

即在定量测量前，先对实验的全过程进行定性观察，在对实验数据的变化规律有一初步了解的基础上，然后进行定量测量。

如：在测量晶体二极管的伏安特性曲线时，对于电流随电压变化的情况先进行定性观察，然后在分配测量间隔时，采用不等间距测量，在电压增量相等的两点之间，如果电流的变化较大时，就应多测几个点。

这样采用测不同间隔所得的数据作图就比较合理。

六、回路接线法：在电磁学实验中，常遇到按电路图接线的问题。

一张电路图可分解为若干个闭合回路，接线时，应从回路Ⅰ的始点（往往为高电势点或低电势点）出发，依次首尾相连，最后回到始点，再依次连接回路Ⅱ、Ⅲ……。

这样接线方法称为回路接线法。

按此方法接线和查线，可确保电路连接的正确。

七、避免空程误差：在丝杠和螺母构成的传动与读数机构中，由于螺母与丝杠之间有螺纹间隙，往往在测量刚开始或反向转动时，丝杠需要转过一定角度（可能达到几十度）才能与螺母啮合。

结果与丝杠连结在一起的鼓轮已有读数改变，而螺母的传动机构尚未产生位移，造成虚假计数而产生空程误差。

为避免产生空程误差，使用这类仪器时，必须待丝杠与螺母啮合后，才能进行测量。

一般在这类仪器使用时，多采用的是单向旋转操作。

八、消除视差调节：在实验测量中，经常会遇到读数标准（如：指针、叉丝）和标尺平面不重合的情况。

例如电表的指针和标度尺面总是离开一定距离，因此，当眼睛在不同位置观察时，读数的指示值就会有差异，这就是视差。

有无视差可根据观测时人眼睛稍稍移动，标线与标尺刻度是否有相对运动来判断。

为了消除测量读数时的视差，应做到正面垂直测量读数。

在用光学仪器进行非接触式测量时，常用到带有叉丝的测微目镜、望远镜或读数显微镜。

望远镜和读数显微镜基本光路图如图1.1-6所示。

它们共同点是在目镜焦平面F2内侧附近装有一个十字叉丝（或带有刻度的玻璃分划板），若观察物经物镜后成像A1B1落在叉丝位置处，人眼经目镜看到叉丝与物体的最后虚像A2B2都在明视距离的同一平面上，这便无视差。

在消除视差时，只要仔细调节目镜（连同叉丝）与物镜之间的距离，使被观察物体经物镜后成像在叉丝所在的平面内。

一般是一边仔细调节一边稍稍移动人眼，看看两者是否有相对运动。

4简述测量的基本概念、测量的性质与分类。

什么情况下的测量是等精度测量？测量，就是把被测量与复现计量单位的标准量进行比较，从而确定被测量量值的过程。

按其比较特点，可将测量进一步分为检验和测量。

一、按获得结果的方式分类答(1). 直接测量－被测几何量的数值直接由计量器具读出。

(2). 间接测量－被测几何量的数值由实测几何量的数值按一定的函数关系式运算后获得。

二、按比较的方式分类(1). 绝对测量－被测量的整个数值可以直接从测量器具上读出。

(2). 相对测量（比较测量）－测量时先用标准器调整计量器具的零位，再由刻度尺读出被测量几何量相对於标准器的偏差。

三、按同时测量被测几何量参数的多少分类(1). 单项测量－分别而独立地测量工件上各个几何量。

(2). 综合测量－同时测量工件上某些相关的几何量的综合状态，以判断综合结果是否合格。

综合测量的效率高，能反映工件上一些误差的综合结果，适用於只要判断工件是否合格的场合，当需要分析加工过程中产生废品的原因时，应采用单项测量。

四、按测量时是否有机械测量力分类(1). 接触测量－计量器具的测头与被测表面以机械测量力接触。

为了保证接触的可靠性，测量力是必要的，但它可能使测量器具或工件产和变形，从而造成测量误差。

尤其对於软金属或薄结构等易变形工件，接触测量可能因变形造成较大的测量误差，或划伤工件表面。

(2). 非接触测量－计量器具的测头与被测表面不接触，不存在机械测量力。

五、按测量目的分类(1). 主动测量(工序测量)－在零件加工过程中进行的测量，其测量结果用於控制零件的加工过程，决定零件是否需要继续加工或调整机床，以便及时防止废品的产生。

(2). 被动测量－零件加工完成后进行的测量，其测量结果主要用来发现并剔除废品。

六、按被测件与测量头在测量过程中的状态分类(1). 静态测量－测量时，被测表面与测量头相对静止。

(2). 动态测量－测量时，被测表面测量头之间有相对运动，它能反映被测参数的变化过程。

七、按测量条件的情况分类(1). 等精度测量－在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。

例如由同一个人，用同一台机器，在同样的条件下，以同样方法，同样仔细地测量同一个量，求测量结果平均值时所依据的测量次数也相同，因而可以认为每一测量结果的可靠性和精确程度都是相同的。

在一般情况下，为了简化测量结果的处理，大家采用等精度测量。

(2). 不等精度测量－在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件可能完全改变或部分改变。

显然，其测量结果的可靠性与精确程度各不相同。

等精度测量－在测量过程中，决定测量精度的全部因素或条件不变。

例如由同一个人，用同一台机器，在同样的条件下，以同样方法，同样仔细地测量同一个量，求测量结果平均值时所依据的测量次数也相同，因而可以认为每一测量结果的可靠性和精确程度都是相同的。

在一般情况下，为了简化测量结果的处理，大家采用等精度测量。

5误差按性质分类可分为那几类？简述各类误差的基本概念。

可分系统误差，偶然误差两类。

1.在相同的观测条件下作一系列观测，若误差的大小及符号表现出系统性，或按一定的规律变化，那么这类误差称为系统误差。

2.在相同的观测条件下作一系列观测，若误差的大小及符号都表现出偶然性，即从单个误差来看，该误差的大小及符号没有规律，但从大量误差的总体来看，具有一定的统计规律，这类误差称为偶然误差，或随机误差。

6、写出标准偏差、平均值标准偏差的计算式，并说明它们的物理意义。

标准偏差公式：S = Sqrt[(∑(xi-x拔)^2) /（N-1）]公式中∑代表总和，x拔代表x的均值，^2代表二次方，Sqrt代表平方根。

标准差能反映一个数据集的离散程度。

平均值的标准偏差时相对于单次测量标准偏差而言的，在随机误差正态分布曲线中作为标准来描述其分散程度：在一定测量条件下（真值未知），对同一被测几何量进行多组测量(每组皆测量N 次)，则对应每组N 次测量都有一个算术平均值，各组的算术平均值不相同。

不过，它们的分散程度要比单次测量值的分散程度小得多。

描述它们的分散程度同样可以用标准偏差作为评定指标。

根据误差理论，测量列算术平均值的标准偏差σχ与测量列单次测量值的标准偏差σ存在如下关系σχ=σ/√n7、简述不确定度的概念及其分类。

直接测量的不确定度应如何估算？不确定度的含义是指由于测量误差的存在，对被测量值的不能肯定的程度。

反过来，也表明该结果的可信赖程度。

它是测量结果质量的指标。

不确定度愈小，所述结果与被测量的值愈接近，质量越高，水平越高，其使用价值越高；不确定度越大，测量结果的质量越低，水平越低，其使用价值也越低。

在报告物理量测量的结果时，必须给出相应的不确定度，一方面便于使用它的人评定其可靠性，另一方面也增强了测量结果之间的可比性。

不确定度分标准不确定度和扩展不确定度两类。

测量不确定度用标准偏差表示时称为标准不确定度，如用说明了置信水准的区间的半宽度的表示方法则成为扩展不确定度。

扩展不确定度是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间。

它有时也被称为范围不确定度。

扩展不确定度是由合成标准不确定度的倍数表示的测量不确定度。

8、简述有效数字的概念及有效数字与仪器的关系。

从一个数的左边第一个非0数字起,到末位数字止,所有的数字都是这个数的有效数字. 有效数字保留的位数，应根据分析方法与仪器的准确度来决定，一般使测得的数值中只有最后一位是可疑的。

例如在分析天平上称取试样0.5000g，这不仅表明试样的质量0.5000g，还表明称量的误差在±0.0002g以内。

如将其质量记录成0.50g，则表明该试样是在台称上称量的，其称量误差为0.02g，故记录数据的位数不能任意增加或减少。

如在上例中，在分析天平上，测得称量瓶的重量为10.4320g，这个记录说明有6位有效数字，最后一位是可疑的。

因为分析天平只能称准到0.0002g,即称量瓶的实际重量应为10.4320±0.0002g,无论计量仪器如何精密，其最后一位数总是估计出来的。