大学物理绪论-杭师大报告

时间和空间是一切物质运动和存在的基本形式
二、物理学的发展
• 2600年前 • 1687年
• 17 世纪
古希腊的自然科学。
牛顿《自然哲学的数学原理》发表 物理学真正成为一门精确的科学；
在伽利略、开普勒工作基础上，牛 顿建立了完整的经典力学理论 ；
• 18-19世纪
• • •
在大量实验基础上，卡诺、焦耳、 开尔文、克劳修斯，建立了宏观热力学论；
3) 总不确定度的合成：
2A 2B
S
2 x
2仪
4) 误差的判定与剔除
的仅为随当0机.3测误%，量差因列落此的在（，不3S确x3称S定x为，度3S测x）量这列3个S的x 时区极，间限待以误测外差量的。真概
值 率
(6) 间接测量结果的表示和总不确定度的估计
1) 间接测量结果的一般表示：
令：F F(x, y, z,) 则：F F(x, y, z,)
克劳修斯、麦克斯韦、玻尔兹曼建立了
气体分子动理论；（热学）
库仑、奥斯特、安培、法拉第、麦克斯
韦建立了电磁学理论 。
惠更斯、菲涅尔等建立了波动光学 • 至此，经典物理学理论体系的大厦巍然耸立!
20世纪
爱因斯坦独立创立了相对论;
普朗克、爱因斯坦、玻尔 德布罗意、 海森伯、薛定谔、 玻恩等人共同努力 创立了量子论和量子力学。
生理因素
听觉
嗅觉 色觉 视觉
对音域（20HZ--20KHZ
）
的辨别。 对音色的辨别。
环境
输入
市电的干扰
光点检流计
接近时，静 电干扰，使 光斑移动等 。
方法
内接
VR
VA
A
外接
IR A
V
用V作为VR的近似值 时，求
R V VR VA
I
I
VR VA VR I II
V IV
RV I
V V I R IV I R
自然科学理论不能离 开实验的基础
——丁肇中
物理实验的目的
• 学习如何获取知识 • 培养获取知识能力 • 提高知识应用能力
1. 物理实验课的任务和要求
物理学是一门实验科学。物理实验的基础知 识、基本方法和基本技能是一般工程技术人员所 必须具备的。
(1) 物理实验课的任务
1) 通过对实验现象的观察、分析和对物理量的 测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理 的理解。
(2) 测量误差 物理量的真值
一个待测物理量的大小， 在客观上应该有一个真实
测量误差简称为“误差的”数，值以，x叫做表“示真。值误”差。
定义为测量值x 与真值A 之差。
x x A
通常，用多次测量的算术平均值作为测量的最
佳值来代替真值。即：
x x x
1) 绝对误差
绝对误差是指被测量的测量结果与其最佳值之 差，它与被测量具有相同的量纲，表示的是测量值
空间两点的距离为长度，任何长度的测量都是通过某一 长度基准进行的。长度的米制标准起源于法国。
a.最早的米定义是通过巴黎的一条子午线从北极到 赤道的一千万分之一。
b.1889年的一届国际计量大会通过，将保存在法国 国际计量局中的铂铱合金棒的两条刻线间距离定义 为1米。
c.1983年的十七届国际计量大会通过，光在真空中 （1/299792458）秒内运行的路程定义为1米。
t n
可近似取为1。
这时： A Sx
2) 总不确定度 的 B类分量 B
——指用其他方法计算出的不确定度分量
本课程中，近似地取： B 仪
仪器的最大允差Δ仪
Δ仪可从仪器说明书中得到，它表征同一规 格型号的合格产品，在正常使用条件下，可 能产生的最大误差。一般而言，Δ仪为仪器 最小刻度所对应的物理量的数量级（但不同 仪器差别很大）。
大学物理实验 理论
本学期要做的实验
• 长度密度的测量 • 刚体转动的研究 • 电表改装 • 静电场描绘 • 杨氏模量 • 示波器 • 惠斯通电桥测电
阻
• 分光计的调整 • 声速的测量 • 线胀系数 • 牛顿环测量透镜
的曲率
• 分光计测量三棱 镜顶角
一 什么是物理学？
物理学是研究物质的结构、运动、相互作用形式 及其相互转化规律的科学。
实验报告要求
实验报告要求使用实验报告纸，作 图部分必须使用坐标纸，其内容包括：
• 实验名称
• 实验目的
• 实验仪器
• 实验概述：包括实验原理，原理草图， 实验电路图，主要公式。
• 数据表格
1、信息齐全、格式规范。 2、字体工整、干净整洁。 3、表述正确、层次清楚。 4、图表合理、讨论认真。
物理实验的数据处理
发展独立思考和独立创新的一般能力， 应当始终放在首位, 而不应当把知识放在首 位。如果一个人掌握了他的学科的基础理 论，并且学会了独立思考与工作，他必定 会找到自己的道路。而且比起那些主要以 获取细节知识为训练内容的人来，他一定 会更好地适应进步和变化。
——爱因斯坦
物理学是以实验为本 的科学
——杨振宁
即：间接测量量的平均值等于将各直接测量量 的平均值带入函数关系式后的结果。
2) 间接测量结果的总不确定度：
F
(
F x
)2
2x
(
F y
)2
2y
(
F z
)2
2z
F F
(
ln F x
)2
2x
(
ln F y
)2
2y
(
ln F z
⑤ 能够完成简单的设计性实验。
物理实验报告要求
1、信息齐全、格式规范。 2、字体工整、干净整洁。 3、表述正确、层次清楚。 4、图表合理、讨论认真。
预习要求
• 明确实验目的， • 预习实验原理， • 了解实验注意事项。
预习报告是实验工作的前期准备，是写给自 己参考用的，故要求简单明了。实验前应清楚本 次实验应达到什么目的，通过什么实验方法和测 量哪些数据才能实现实验的目的。
如： B nI 0 螺线管为无限长，管壁磁漏可
忽略。
公式 h 1（g忽t 2略了空气阻力等）
2
意大利科学 家伽利略在比 萨斜塔上做的 铁球落地实验 。两个不同重 量的铁球从高 处落下，同时 着地。说明理 论在一般情况 下都能较准确 地反映物体真 实的运动规律
人为
心理作用，读数（估计）偏大或偏小。
1、物质的基本结构 2、物质间的相互作用
引力作用、电磁作用、强 相互作用、弱相互作用
3、物质最基本、最普遍的运动形式 及转化规律 机械运动 热运动 电磁运动（光）
原子和原子核内部的运动
物理学研究对象在十分广泛范围内运动
空间尺度（相差1046 m）
1026 m（约150亿光年）（宇宙）——10-20 m（夸克）
为随机误差。
特点：测量结果的误差大小和符号都不固定，其 值时大时小，其符号时正时负，就某一次测量而 言没有一定的规律，但在测量次数很大时，随机
误差整体上服从正态分布的统计规律。
误差分布函数：
f ( x) 1 exp( x2 / 2 2 ) 2
f (x)dx 1
误差的分类
按性质、来源分
系统误差
n(n 1)
(5)直接测量结果的表示和总不确定度的估计
测量结果的表达式：x x
它表示被测量的真值在（x , x ）的范围
内的可能性(概率)，不确定度是指由于测量误差 的存在而对被测量的真值不能肯定的程度。
总不确定度： 2A 2B
1) 总不确定度的 A类分量 A ——指用统计的方法计算出的不确定度分量
(1) 测量的概念
所谓测量，就是将被测量的物理量与作为测 量单位的标准量进行比较，确定其比值的过程。
1) 直接测量 指使用仪器或量具，直接测得（读出）被测
量数值的测量，该物理量称为直接测量量。
2) 间接测量
指依据直接测量量，通过一定的关系式计算 而得到，这种测量称为间接测量，需要通过间接 测量求得结果的物理量称为间接测量量。
给出待测量（其值或关系） 不确定度的计算 结果表达
课堂完成并签名
• 数据记录（数据须如实用钢笔或圆珠笔 记录并交任课老师签名，不得抄袭！否 则作零分处理。可附原始数据记录纸）
课后完成
• 补充实验步骤 • 数据处理并得出实验结果和结论（要写
计算过程） • 课本上要求的分析和讨论，思考题
测量误差与数据处理的基本 知识
时间尺度 （相差1045 s ）
1018 s（150亿年）（宇宙年龄）——10-27 s（硬 射线周期）
速率范围
0（静止）——3108 m/s（光速）
不同尺度和速度范围的对象要用不同的物理理论研究
天体物理 粒子物理 两大尖端紧密衔接
星系团
微观
10-20 粒子 W++
10-15
原子核
10-10 10-5
偏离其实际值的大小。
wenku.baidu.com 2) 相对误差
相对误差是指某一待测物理量的绝对误差与其 测量的最佳值之比，它是没有量纲的，通常写成百 分比的形式。
Er
x x
100%
(3) 测量误差的分类
1) 系统误差
特点：总是使测量结果向一个方向偏离，它有固
定的大小，或是按一定规律变化。系统误差的来
源主要有下面几个方面：
① 仪器误差
预习报告内容：
①实验名称，实验目的，实验仪器； ②实验原理：包括实验简图（电路图或光 路图），主要公式； ③列出记录数据表格（分清已知量、指定 量、待测量和单位）。
无需照抄实验原理！
可充分利用时间预先了解实验仪器。
实验操作要求
③如实记录实验数据和现象; 用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得
改动 ④整理仪器，清扫实验室。
随机误差
粗大误差
误差 = 随机误差 + 系统误差
1. 系统误差
仪器误差
天平不等臂所造成的 系统误差
aA O
b B
a A
b
B
不偏心时，由于
aa ，b所b以
可用弧长反映角度的 大小。
由于偏心，使之用弧
长 生反的映系角统度误差时。产如：
AA这BB是 由偏心
造成的。
理论 由于理论推导中的近似,产生的
系统误差
当测量次数无穷多时， 该随机误差的算术平均值
趋向于0。
(4)随机误差的处理
1)测量的平均值：x
2)标准偏差：
x
n i 1
xi n
1 n ( x1
x2
xn )
n
(xi x)2
测量列的标准偏差：Sx
i 1
n1
平均值的标准偏差： Sx
Sx n
多次测量可以减小随机误差
n
(xi x)2
i 1
有限次测量：
测量列的不确定度： A
t n Sx
t n
n
(xi x)2
i 1
(n 1)
n
平均值的不确定度：Ax
t n Sx
t Sx nn
t n
(xi x)2
i 1
n(n 1)
上面两式中的t 称为“t 因子”，与测量次数n 和
置信概率有关，在大学物理实验中，当测量次数
n
5
时，
2) 培养与提高学生的科学实验能力。其中包括：
① 能够自行阅读实验教材或资料，做好实验前 的准备；
② 能够借助教材或仪器说明书，正确使用常用 仪器；
③ 能够运用物理学理论知识，对实验现象进行 初步分析判断；
④ 能够正确记录和处理实验数据、绘制曲线、 分析误差原因、说明实验结果、撰写合格的实 验报告；
b.1956年定义1秒为
1900年太阳年1/31556925.9747。（一太阳年为太 阳两次通过春分点的时间间隔）
c.1967年第13届国际计量大会决定定义
1秒等于铯133原子基态的两个超细能级之间跃迁相 对应的辐射周期的9192631770倍。这就是原子钟。
精度为 1012
空间：表征物质存在的广延性，物质之间的排列顺序。
② 理论（方法） 误差
仪器本身不可能制造得无限精 密，总是存在着某些缺陷。
理论公式的近似性、实验条 件达不到要求、测量方法不
够完善等。
③ 个人误差
由于实验者本人生理或心理特 点所带来的误差
2) 随机误差（又称偶然误差）
由于环境有起伏变化和偶然因素的干扰，使 测量结果略有差异，因而产生误差，这类误差称
奠定了近代物理学的理论基础。
物理学在不断发展
前沿
粒子物理、 天体物理 、 复杂性研究
经典物理也在发展
波动光学 信息光学
21世纪物理学的发展趋势 把对微观世界的研究与对宏观世界的研究结合起来
（二） 为什么学习物理学？
1.物理学是一切自然科学的基础 2. 物理学是认识世界，掌握世界的思维方法 3. 物理学是现代技术革命的先导
随机误差
• 定义：
在对同一量的多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变 化的测量误差分量。
• 产生原因：
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 生涨落的变化。 例如：
电表轴承的摩擦力变动 螺旋测微计测力在一定范围内随机变化
操作读数时的视差影响
随机误差分布的特点：
① 对称性 ② 单峰性 ③ 有界性
原子
1025 1020 1015 1010
1m 104
星系 宇观
太阳系
地球
介观 DNA 人
山 宏观
时间：表征物质存在的持续性，物质运动的阶段性
和顺序性。用能周期性重复的现象来计量时间。时间 的国际单位是秒（s） a.定义1秒为
平均太阳日的1/86400。（一个太阳日就是太阳相 继两次经过同一子午面的时间间隔。平均太阳日 就是全年太阳日的平均）