大学物理实验基础知识(1)

1.误差: 测量值与被测量的真值之差。
测量结果x 真值A0
约定真值(近真值)A
E

A0
偏差
x x A
x E A
测量误差存在于一切实验中, 可以控制得越来越小,不可能为零。
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系统误差 误差 2. 误差的分类 采用不同的方法测量同一物 随机误差 1) 系统误差 理量，让不同的人员测量同 分析测量结果， 样的物理量或使用不同的仪 分析实验所依据的理论和实验方法是否有不完善的 在相同测量条件下,多次测量同一物理量时 • 定义 : 若结果不服从 , 器测量同一物理量，通过对 地方，检查理论公式所要求的条件是否满足，所用 统计分布，则 测量结果对真值的偏离总是相同的，即误 比测量结果的数值，来发现 的仪器是否存在缺陷，以及实验人员的素质和技术 说明测量存在 差的大小和符号始终保持恒定或按照一定 系统误差的存在。 水平是否存在造成误差的因素，从而得到有关系统 系统误差。 的规律变化 . 误差是否存在的信息。 • 产生的原因: 由测量仪器、测量方法、环境带入. • 特征: 具有确定性. • 发现和消除系统误差
①理论分析法.
(1) 如何发现系统误差？ ②实践对比法. ③数据分析法.
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• 发现和消除系统误差 (2) 消除系统误差的方法 ① 测量结果加修正值.
• 由仪器、仪表不准确产生的误差，可以通过与更 高级别的仪器、仪表做比较，而得到相应的修正值. • 由理论上、公式上的不准确而产生的误差，可以 通过理论分析，导出修正公式. ② 消去误差源 包括：仪表使用前零点的校准，仪表使用温度的校准， 以及保证仪器装置及测量环境满足规定的条件等. ③ 采用适当的测量方法.
的作用。
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实验可以发现新事实，实验结果可以为
物理规律的建立提供依据
●
经典物理学（力学、电磁学、光学）规律是由 以往的无数实验事实为依据来总结出来的。 X射线、放射性和电子的发现等为原子物理学、 核物理学等的发展奠定了基础。 卢瑟福从大角度α粒子散射实验结果提出了原 子核基本模型。
●
●
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三、随机误差的统计处理：
1、正态分布、算术平均值和标准差 正态分布：大量相对独立因素共同作用下得到的随机变量服从正 态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作 服从正态分布。
f ( x)
正态分布的概率密度函数为
f ( x)
68.3%
1 2
( x Fra Baidu biblioteka ) 2
e
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4.每次实验必须携带实验讲义、实验报告本、图纸、计算器及 必备的文具 。
5.每次实验的数据，请记录在“实验报告册”的“实验部分”， 实验完毕须经指导教师审核实验结果(包括数据处理)并签阅后 方可结束实验。
6.选做内容可网上自行选择，在规定的范围内，可自由选择实 验内容和实验时间。由于选择了实验时间,即占用了实验资源, 因此，选了实验却没有做的同学，后果自负。
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实验又是检验理论正确与否的重要判据
理论物理与实验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受实践 检验。只有经受住实验的检验，由实验所证实，才会得到公认。
●电磁场理论的提出与公认
库仑定律 高斯定律 安培定律 法拉第定律 统一了电、磁、光现象, 预言了电磁波的存在并预 见到光也是一种电磁波
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f ( x)
服从正态分布的随机 误差具有下列特点: ① 单峰性 ② 对称性 ③ 有界性 ④ 抵偿性 即
1 lim n n
n
68.3%
a a a
x
随机误差的算术平均值随着测 量次数n的增加而趋于零.
i
( x a) 0
i 1
1 n lim x lim ( xi ) a n n n i 1
测量方法：正负补偿法、交换法、替代法、对称法。
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2) 随机误差
• 定义: 在同样条件下,对同一物理量的多次重复测量中,误差
的大小符号的正负是随机的.
• 产生的原因: 实验条件和环境因素无规则的起伏变化,引起
测量值围绕真值发生涨落变化.
• 特征： 单次测量随机误差出现具有偶然性；大量多次测量
2
等精度测量：在相同测量条件下对同一物理量进 行的多次重复测量。 测量列 x1, x2 ,, xn
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3.仪器 测量仪器：用以直接或间接测出被测对象量值的 所有器具，是进行实验的必要工具。
在制造仪器时，最 仪器精密度： 指仪器的最小分度相当的物理量。对测量读 小分度值是受仪器 数最小一位的取值，一般来讲应在仪器最小 准确度约束的。 分度范围内再进行估计读出一位数字。
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① 精密度 ：重复测量数据相互分散 偶然误差 的程度
② 准确度 ：实验结果与真值的符合 系统误差 程度
③ 精确度 ：精密度与准确度的综合 反映 大学物理实验
精密度、准确度、精确度 精密度高 准确度低 精密度低 准确度高 精确度高
图(A)
图(B)
图(C)
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二
测量误差
真值: 待测物理量具有的客观存在值。 对于待测物理量 x 绝对误差 相对误差
随机误差出现遵从一定的统计规律.
• 随机误差的统计处理：
物理实验中只要测量次数足够多，相当多的随机误 如实验方法不合理、用错仪器、 操作不当、读错数值、记错数据 差满足正态分布。
3) 粗大误差
是由于测量者过失或较强的外界干扰、测量条件的意外变化 等引起的误差，是一种人为的过失误差，不属于测量误差 。
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实验操作
• 听讲：黑板-书不同，注意事项
• 熟悉仪器及使用方法 – 仔细观察实验现象 • 认真测试数据 – 有异常、故障要请教老师
• 数据须老师审查签字
• 规整仪器，保持卫生(5-10分)
•进实验室,老师检查实验预习报告, 没有预习者,取消本次实验!
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撰写报告
• 完成数据列表及填写 • 原始数据粘贴于报告背面 • 进行数据处理 • 回答问题，小结或讨论
在实际测量中，将多次测量的算术平均值作为 测量结果的近真值，即测量结果的最佳估计值。
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f ( x)
置信概率:
p
x2
x1
f ( x )dx
f ( x)
68.3%
1 2
( x a ) 2
e
2 2
表示随机变量x在区间 x a a a [x1, x2]出现的概率. 由正态分布知随机变量x出现在[a- , a+ ] 之间的概率为
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大学物理实验课的目的
1、通过观察、测量和分析，加强对物理理论、 物理概念的理解和认识。 2、学习物理实验的基本知识、基本方法，培 养基本的实验技能。学习实验数据处理的基 本方法，撰写合格的实验报告。 3、培养严肃认真、实事求是的科学态度和一
丝不苟的工作作风以及遵守操作规程、爱护实验 器材的良好习惯。
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第一章 绪 论
• §1.1 物理实验课的目的和意义
• §1.2 物理实验课的基本程序
• §1.3 实验者须知
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§1.1 物理实验的重要作用
物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构
的科学，它必须以客观事实为基础，必须依靠观察和实
验。归根结底物理学是一门实验科学，无论物理概念的 建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基 础，并通过今后的科学实验来证实。 物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接
单位
例如用米尺测量一长度 任何测量不可避免地存在误差
不确定度 单位 测量值 cm: 15.64cm mm: 156.4mm 测量数值、不确定度、单位是测量结果的三要素。
综合评定
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直接测量：用测量仪器或仪表直接读出测量值的 测量。
间接测量： 利用直接测量量与被测量间之间的已 知函数关系，求得该被测物理量。 2.等精度测量与不等精度测量 例：测量圆的面积 测量条件：一切能影响测量结果，本质上又能控 1 S D D 制的全部因素（测量人员、测量方法、 4 仪器、 环境条件等）。
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7.设计性、研究性实验，可根据选择的内容自行组成不超过3 人的小组，在6学时(分2次)内完成，以小论文的形式撰写实验 报告。内容为网上提供的设计性、研究性实验或本年度所做 实验的研究性内容。若学生需要做其它内容的研究，必须经 指导老师同意，并由指导老师了解、关注研究过程。 8.物理实验课程的总成绩由学生选做的实验内容和实验个数决 定。每个实验根据其难易程度的不同，获得满分(平均分为9分) 的分数亦不同。指导教师根据学生的实验预习情况、实际操作 能力、实验报告书写、实验态度等因素对学生所选的实验(单 个)进行综合评定，给予一定的成绩。当学生选做若干个实验 后，累计成绩达60分时，即为合格，累计成绩达75分以上(含 75分)时为良好，累计成绩达90分以上(含90分)时为优秀。
1879年赫兹实验发现了
假说
电磁场理论
麦克斯韦方程组 二十多年后
麦克斯韦在
1865年提出
电磁场理论 才得到公认
电磁波的存在并证实电 磁波的传播速度是光速
1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争 论，能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果，但是直到1916年 当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒 子性才为人们所接受。 1974年J/ψ粒子的发现更进一步证实盖尔曼1964年提出的夸克理论。
i
2 2
(1) (2)
a a a
x
x a lim
n
n
a为测量次数n时被测量的算术平均值,在 消除了系统误差后,为被测量的真值.
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f ( x)
68.3%
lim
a a a

( xi a ) 2 n
x
n
(3)
称为标准差,是反映测量值离散程度的参 数, 小,测量值精密度高,随机误差小; 大,测 量值精密度低,随机误差大.
仪器准确度： 仪器测量读数的可靠程度。电学仪器的级别就 测量过程中，不能测量超过仪器量程的相
是该仪器的准确度。对于没有标明的，课粗略 应物理量，否则，会降低仪器准确度，缩 地取仪器最小分度数值（非连续读数的仪器） 短使用寿命，甚至损坏仪器。 或最小分度数值的一半（连续读数的仪器）。
量程：
指仪器所能测量物理量的最大值和最小值之 差，即仪器的测量范围。
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§1.3 实验者须知
1.实验课前应充分做好预习工作，真正了解本次实验“做什么、 怎么做、为什么这样做”，并设计好数据表格，完成“实验 报告册”上“预习部分”内容。教师上课时将检查学生预习 情况，凡未预习或预习不充分的学生，不可实验。 2.实验时应严肃认真，养成严谨求实的工作作风，不得伪造实 验数据或相互抄袭实验结果。 3.实验课应注意安全，爱护仪器，如有遗失或损坏仪器等情况 发生，请及时向指导教师报告，教师将酌情按有关章程制度处 理。实验结束应将仪器、桌凳等整理好后再离开实验室。
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●
物理实验课程的目的
我们的物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验 研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，实验结果也 比较有定论，但它是对学生进行基础训练的一门重要课程。 它不仅可以加深大家对理论的理解，更重要的是可使 同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能诸方面 得到较为系统、严格的训练，是大学里从事科学实验的起 步，同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面， 物理实验课程也起着潜移默化的作用。 希望同学们能重视这门课程的学习，经过一年的时间， 真正能学有所得。
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第二章 测量误差与数据处理基础
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2.1 测量与测量误差
2.2 不确定度估算与实验结果的表示
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2.3 有效数字及其运算法则
2.4 数据处理的基本方法
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§2-1 测量与测量误差 一 测量 1.测量 用合适的工具或仪器，通过科学的方法， 将反映被测对象某些特征的物理量（被 测物理量）与选作标准的同类量进行比 较的过程，其比值即为被测物理量数值。
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§1.2 物理实验课的基本程序
预 习
实验操作
撰写报告
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预习
• 仔细阅读实验教材和有关的资料，明确实验目的、原理和方法，
了解主要的实验步骤。对实验中使用的仪器，要弄清操作方法和 注意事项。
• 在统一的实验报告册上书写实验预习报告，包括:目的、原理、内
容、注意事项；要求简明 • 书面回答预习思考题 • 另备纸张绘制好数据记录表格（实验数据不能直接记入实验报告）