大学物理实验教学

绪论
1.物理实验的地位和作用 2.测量误差和不确定度 3.实验数据的列表与作图 4.怎样上好物理实验课
§1.物理实验的地位和作用
• 物理学是一门以实验为基础的科学.
大学物理实验课是对学生进行科学实验基础训练的单独开设的一门重要实验课程。
• 学习物理，理论课和实验课同样重要.
• 物理学是其他工程技术科学的基础.



精密度：表示对同一被测量作多次测量时，各 次测量值之间彼此接近的程度。精密度高，说 明重复性好，即随机误差小。 正（准）确度：表示测量值与真值接近的程度。 正确度高，说明测量值接近真值的程度高，系 统误差小。 精确度：精确度高，说明精密度和正确度都高， 它反映随机误差和系统误差的综合效果。
直接测量：被测量直接与标准量相比较而
得出测量结果.
间接测量：利用被测量与可以直接测量的
量的函数关系，通过计算而得
出测量结果.
例：测量铜柱的密度时，我们可以用米尺量出它 d 2 h 的高h和直径d，算出体积 V 然 4
后用天平称出它的质量M，算出密度
这里，铜柱的高h、直径d和密度M是直接测得量，
②研究其分布，找出其特征值，归入A类不确定度，
参与对测量结果的评价.
随机误差的分布
正态分布：随机误差一般服从正态分布
1 x x0 2 f ( x) exp( ( ) ) 2 2 1
特点：
(1). 分布的平均值是 x0 ，即真值 x
σ大
f(x)
σ小
x
2


被测量 仪器、方法

标准量
测量结果应包括数值、单位和对测量结果精确程度的评价
以电阻测量为例
R＝910 .3 0.4
测量对象 数值 不确定度 单位
• 函义： R 的真值有相当大（例如95%）的可能（概率）位于区
间 （909.9，910.7）Ω之内。
表达式：
R=(910.3
0.4)Ω
测量分为直接测量和间接测量
使学生掌握误差分析、数据处理的基本理论和方法；学会常用仪器的调整和使用
、以及常用的实验方法；对常用的物理量进行一般测量；具有初步的实验设计能力。
2. 培养与提高学生的创新思维、创新意识、创新能力。
通过对物理实验现象的深入观察，建立合理的模型、定量研究物理规律；对实验 现象进行分析判断，学习运用理论指导实验，加深对理论的理解。

x0 k x0 k
f ( x)dx
f(x)

x0 x0
f ( x)dx 0.683 f ( x)dx 0.95
x0 1.96 x0 1.96 x0 3 x0 3
f ( x)dx 0.997
x x0-kσ x0 x0+ kσ
xf ( x)dx f ( x)dx
x x0
x0 x
2
(2).
是方差 ( x x0 )


( x x0 ) 2 f ( x)dx


2
f ( x)dx
称为标准差，Hale Waihona Puke Baidu映测量值的离散程度
置信区间 ( x0 k , x0 k ) 置信概率 （置信水平） 关系：
科学实验是科学理论的源 泉，是自然科学的根 本，也
是工程技术的基础。
实验课程体系
1
一. 绪论（误差理论与数据处理） 二. 实验项目内容（基础与综合实验）
长度的测量 2 密度的测定 3 单摆 4 重力加速度测量 5 验证牛顿第二定律 6 验证动量守恒定律 7 弦振动实验 8. 相对湿度的测定 9.万用电表的使用 10. 伏安法测电阻 11.双臂电桥测低值电阻 12 示波器实验 13.分光计的调节和使用 14. 牛顿环的测量
力学—土木，机械；电磁学—电气、电子、通信；光学—信息、通信、网络 热学—化工、能源、动力：原子物理—化学、生物、纳米技术、量子计算机. 例如：三峡大坝；核能发电；航空航天工程；现代信息网络；光、量子计算 机技术；
●
大学物理实验教学的目的和任务
1. 培养与提高学生科学实验的基本素质，确立正确的科 学思想和科学方法。
M 4M 2 V d h
体积V和密度ρ是间接测得量。
2.2 误差的定义、分类和性质
误差公理：测量总是存在误差的.
误差定义：Δ
x x
。
x
:测量值； x :真值.
真值：理想值。
(1) 真值不可确知. (2) 误差不可确知.
误差虽然不可确知，但我们可以分析误差的主要来源， 尽可能消除或减小某些误差分量对测量的影响，把它控制在 允许范围之内。 对于最终不能消除的误差分量，我们还可以估计出它的 限值或分布范围，对测量结果的精确程度作出合理的评价。
系统误差的处理
①已定系统误差：设法消除，或修正. 测量结果 = 测得值(或其平均值) - 已定系统误差
（如电表、螺旋测微计的零位误差；伏安法测电阻时电表内阻 引起的误差）
②未定系统误差：估计其限值，归入B类不确定度参与
对测量结果的评价（如仪器误差）。
随机误差的处理
随机误差的特点： ①小误差出现的概率大；大误差出现的概率小. ②正、负误差对称分布，具有抵偿性. 处理方法： ①取多次测量的平均值为测量结果的最佳估计值.
3. 培养与提高学生的科学实验素养。
培养理论联系实际和实事求是的科学作风和严谨认真的工作态度，坚忍不拔的钻 研精神，爱护公物的优良品德。
§2.测量误差和数据处理
包括二部分内容：
1 测量的误差和不确定度的基础知识. 2 实验数据的有效数字.
2.1测量的误差和不确定度
测量：将待测物体的某物理量与相应的标准做定量比较
误差分类
1. 系统误差：由于确定的原因，以确定的方式引起。 具有确定性，服从因果律。 2. 随机误差：由大量、微小、不可预知的因素引起。 具有随机性，服从统计规律。

产生原因： 系统误差： 如仪器误差，方法误差，人员误差。 随机误差： 如实验条件和环境因素的起伏，估读数的 偏差，测量对象的不稳定等。
参数 x0 和 的估算
假定系统误差已消除，对同一个物理量进行了n次测量，
测得的值为xi (i =1, 2，…，n)
(1) 用多次测量的算术平均值作为x0的估计值：
x ( xi ) / n
i 1 n
(2) 用标准偏差 x 作为 的估计值