欢迎欢迎2012013 3级同学级同学 到物理实验中心到物理实验中心 学习物理实验课程学习物理实验课程刘伟 物理实验中心楼220房间 Email: liuwei73150bit.edu.cn Tel: 13911168421第一部分l物理实验的地位作用物理实验课程的要求一 物理实验的地位及作用1 物理实验是物理学发展的基础物理学本身是一门实验的科学。物理学发展的基本模式是“实验理论实验”在物理学中每一个物理定律的 发现都以严格的物理实验为基础， 一切物理理论的确立都经过了实验 的检验和证明，否则它们就难以确 立和被人们所接受。例如：l关于光的本性的争论l关于麦克斯韦电磁场理论的确立在物理学发展中，出现了许多在物理学发展中，出现了许多 伟大的理论物理学家，同时也出伟大的理论物理学家，同时也出 现了许多著名的实验物理学家。现了许多著名的实验物理学家。l 在诺贝尔物理学奖的获得者中 ，有70%以上是由于在物理实验 方面的突出贡献而获奖的。塞曼效应实验（1902年度奖）突出贡献：证实了原子具有磁矩和空间 量子化效应；有力地支持了光的电磁理 论；证明了电子自旋假设是正确的。迈克尔逊干涉实验（1907年度奖）突出贡献：用于精确测量和光谱研究 。密立根油滴实验（1923年度奖） 突出贡献：精确测量了电子的电量； 第 一次证明了电荷的不连续性。夫兰克赫兹实验（1925度奖）突出贡献：直接验证了波尔理论的量子 能态假设。物理实验与物理理论的关系:物理实验与物理理论是物理中相辅 相成的两个方面。物理实验是物理理论的生命支柱； 物理理论是物理实验的总结与升华 。2 物理实验是学习一切工程技术实验技 能的基础l 物理是学习一切工程技术知识的理论基础 课，而物理实验是学习和锻炼工程技术实验 技能的实验基础课。l 物理实验为各学科的专业实验提供了最基 本的实验技能训练和科学方法。无论从事哪个 学科或专业技术的研究工作都需要有良好的科 学素质、扎实的理论基础和熟练的实验技能。 物理实验是能够达到上述培养目标的一门最有 效的基础课。二 物理实验课程的要求1 物理实验教学目标l学习物理实验的基本知识, 实验方法和实 验技能l掌握常用的基本测量仪器仪表的使用方法 ；l学习测量误差的理论，掌握数据处理的基 本方法；为后续的专业实验奠定基础。*12理工工科学生必修课工科 48学时 3学分 一学年完成理科 96学时 6学分 一学年完成工科：每两个星期做一个实验，本学期有一 次绪论课和五个实验课。期末成绩是这六次 成绩的平均值。 2 物理实验的内容第一循环实验（基础实验）：力学基础实验 (A或B) 示波器 （A或B) 光学基础实验 （A或B)第二循环实验：第二循环实验：l转动惯量实验l杨氏模量 l霍尔效应l电桥实验 l分光计实验l光的干涉实验第三循环实验：第三循环实验：l迈克耳逊干涉仪l光的偏振 l声速测量实验l核磁共振实验l夫兰克赫兹实验 第三循环实验：第三循环实验：l光的衍射l密立根油滴仪 l光的全内反射l电位差计实验lRLC串联电路l 开放性、设计性的选修实验、竞 赛实验l热敏电阻和温度测量实验l设计与组装望远镜l全息照相l氢原子光谱l光纤通信l数码像机和数字图象处理l计算机仿真实验l史庆藩 13681432876 qfshi123bit.edu.cn3 物理实验教材课程表名称讲义讲义 名称 力学A,B： 力学基本量测测量 光学A,B： 薄透镜镜的焦距与成像 英汉大学物理实验主编：史庆藩4 物理实验课要求 （1）每个学生都必须在物理实验中心网上注 册，否则期末教师无法给登成绩。物理实验中 心网址为： http:/www.pec.bit.cn ，平时 要注意网上的教学通知；（2）实验前必须预习讲义，写出预习报告 。没有写预习报告的同学不允许做实验；（3）每次上课都要带上该实验的数据表格 ，部分新的实验在实验中心网站上下载数 据表格。原始数据另外用张纸记录。（4）上课前5-10分钟到达实验室。不要迟 到，迟到超过15分钟者，不允许上课。 如生病不能如期上课，要有病假条跟上课 教师请假，并由教师安排补课。不接受社 团活动登请假。上课时间： 上午8：00 11：20下午 2:00 5:20 晚上 6:10 9:30*21（6）实验报告必须在课后一个星期内交到 老师的报告箱中（老师的报告箱在物理实验中心 楼二层中厅，报告箱上写有教师的姓名）。报告迟 交要扣分。（5）进入实验室请先在实验名单上亲笔签名 （不要代签）。实验结束后应将仪器及实验 台面收拾整齐方可离开实验室。实验结束后 ，测量数据必须经老师签字！ 5 5 对实验报告的要求对实验报告的要求（1）实验报告应在实验报告纸上书写；务必 写上班级、学号、姓名、上课日期。（2）实验报告的后面附上有教师签字的原始 测量数据，没有教师签字的报告为无效报告 。 （3）要将每页报告纸按报告内容顺序装订 在一起，以免丢失，影响成绩。 （4）实验报告应为以下方面的内容和顺序：实验名称实验目的实验仪器实验原理（文字叙述、公式、必要的 图）实验内容与主要步骤 （以上这几项在课前写好作为预习报告，上课 时教师要检查）实验数据处理（数据表、计算、作图）回答思考题教师签名的原始数据对实验报告的要求对实验报告的要求6 实验成绩的评定l实验数据必须经教师签字实验报告才 有效l实验成绩：预习报告10分实验操作和实验数据处理80分思考题10分 不交报告只给40分 通知通知l各班课代表第3周以后到物理实验中心 楼111房间找潘孟书老师领取本班报告 箱的钥匙，须交十元押金，到下学期 末课程结束交回钥匙后归还押金。l（本班报告箱是教师发报告用的，学 生一定不要将报告误交到该箱中。）l潘孟书：13426003405*26第二部分第二部分 测量误差测量误差 不确定度不确定度 测量结果的表示测量结果的表示*27一 测量与测量误差1 测量的定义与分类定义： 测量是指利用各种方法和器具对“ 被测量”进行尽量合理的赋值。*28测量的分类：直接测量：测量结果可以从测量仪 器（或量具）上直接获得。间接测量：测量结果要借助某些直 接测量结果再通过函数计算得到。*29等精度测量：在测量条件不变的情况下对同一物理量 进行重复测量，各次测量值具有相同的精度 。 不等精度测量：在测量条件有变化的情况下对同一物理 量进行重复测量，各次测量值精度不同。测量条件是指实验仪器、方法、环境和人员等方面；在 物理实验课上所涉及的测量均认为是等精度测量。*302 2 测量误差的定义与分类测量误差的定义与分类为什么要学习误差理论？l明确测量结果的可信赖程度；l求找误差产生的原因，提出消除 或减小误差的方向和措施；l设计最佳的实验方法，选择合理 的测量仪器*31测量误差的定义：l测量误差为：测量值与被测量真值之差。l测量误差表示为：x = x - x0 用此形式表示的误差称为绝对误差。*32相对误差定义：相对误差定义：l用测量值计算相对误差：相对误差通常用百分数表示。*33l 真值：被测量在一定客观条件和状态下 本身所存在的真实值。真值的特性：理想概念，客观存在，不能得到*34误差的分类误差的分类误差按其性质可分为两类：“系统误差”和“随机误差”系统误差： 指在测量前后可以确切知道的误差 (已定系统误差)*35系统误差的来源 （1）仪器误差仪器本身有缺陷或使用不当 （2）理论和方法误差理论公式的近似性、理论公式成立的 条件不完全满足、实验方法不完善 （3）实验人员的误差实验人员的操作习惯、熟练程度、分 辨能力、反应速度等*36l随机误差：由偶然因素引起的、大小和方向不 能预料、变化方式不可预知的误差。l随机误差的特点：具有随机性服从一定的统计规律*37随机误差的分布有多种形式，如：二 项式分布、正态分布、均匀分布、三 角分布 不同的分布有不同的分布函数 任何分布函数一般都有两个重要的参 数：“平均值”和“标准偏差”*38关于正态分布关于正态分布正态分布曲线正态分布曲线正态分布密度(概率 密度)函数f(x)xmm+m-*39正态分布的总体标准偏差正态分布的总体平均值*40怎样理解总体平均值和总体标 准偏差的意义总体平均值m是被测物理量真值的最 佳估计值。当系统误差小到可以不考虑（ 忽略）时，m就是真值。在实际测量中n不可能实现， m 和 都是理想值；置信概率P = 68.3%也是理想值。是一个有概率意义的参量。它不是测 量列中任一次测量的随机误差，而是表征测 量分散性的一个参量。*41与曲线的形状有关哪一个大？mxf(x)*42曲线和 X 轴所包围的面积表示随机误差在一 定范围（置信区间）内的概率P置信区间与置信概率 区间内，P=68.3%, 表明测量值落在(m- ，m+)区间的概率P(可能性)为68.3%; 2区间，P=95.4%；3区间，P = 99.7%; 扩大置信区间，置信概率就会相应 提高对于有限次测量，表征测量分散性的参 量是实验标准差，它是方差的正平方根方差的正平方根：贝塞尔公式方差：*44算数平均值的实验标准差*45用贝塞尔公式计算的标准差“S” 称为实验标准差，它是总体标准差 的最佳估计值。S也是一个有概率意义的参量， 它相应的置信概率接近68.3%，但不 等于68.3%。算数平均值是总体平均值 m 的 最佳估计值。*46二 不确定度及其评定方法1 不确定度的提出与发展不确定度是测量技术领域中的一个 重要概念。它是评定测量质量的重 要指标之一。“不确定度”一词最早起源于1927年 海森堡在量子力学中提出的不确定 关系。（测不准关系）*471962年，由美国研究学者首先在计量校 准系统中提出定量表示不确定度的建议。1970年以来，一些国家计量部门开始相 继使用不确定度。1986年，建立了国际不确定度工作组。1993年，由IS0等七个国际组织联名正式 出版“测量不确定度指南”。我国于1999年5月1日执行最新的计量规 范（JJF10591999）。 *482 2 不确定度的定义与分类不确定度的定义与分类定义：不确定度是表征测量结果中合 理赋予被测量值的一个分散性的参数 。它表示由于测量误差的存在而对被 测量值不能肯定的程度，表征被测量 的真值所处量值范围的评定。l它是表示测量质量的量度；不确定度小 ，测量结果准确度高，测量的质量高； 不确定度大，测量结果准确度低，测量 的质量低。*49不确定度的分类：不确定度分为：A类不确定度（分量）B类不确定度（分量） A类不确定度：指用统计方法计算的不确定度。 B类不确定度：指用非统计方法计算的不确定度。*50不确定度表示形式及表示符号：不确定度表示形式有两种，即“标准 不确定度”和“扩展不确定度”。标准不确定度的符号记为“u”（小写 ）扩展不确定度符号记为：“U”（大写 ）*51标准不确定度是低概率的表示形式，它表 示被测量的真值落在（x-u,x+u)区间内的 概率约为68.3%。扩展不确定度是高概率的表示形式，它表 示被测量的真值在（x-U,x+U)区间内的概 率约为90%以上。合成标准不确定度的符号记为“ uc”。它是 由标准不确定度分量合成的不确定度。*52标准不确定度和扩展不确定度都可 以用于测量结果的报告。约定1我们在物理实验中使用“标准不确定度” 来表示实验的测量结果 。*53为什么选用“标准不确定度” 概率唯一 标准不确定度的置信概率都是约68.3%, 不需要在实验报告中另作说明。 计算方便，易于定量操作 标准不确定度直接可用标准偏差算出， 计算方便。 它是基础 有了标准不确定度，在此基础上乘一个 包含因子便可得到扩展不确定度。*543 标准不确定度的评定方法lA类标准不确定度的评定：A类标准不确定度的评定方法是直 接用贝塞尔公式计算。l因此被测量观察值的A类标准不确定度为：u uA A=S(x)=S(x) 对于多次测量来说，由于被测量的测量 结果最终要用算