大学物理实验(一)绪论讲义

绪 论 主 要 教 材 ： 大 学 物 理 实 验 ， 周 殿 清 主 编 ，科 学 出 版 社 210年 第 一 版 ；本 次 课 主 要 内 容一 、 本 学 期 物 理 实 验 的 教 学 安排 及 具 体 要 求二 、 测 量 误 差 和 不 确 定 度 评 定基 本 知 识 主 要 目 的 ： 帮 助 同 学 们 了 解 物 理 实验 的 基 本 程 序 (预 习 -操 作 -处理 )， 如 何 去 做 好 物 理 实 验 ；以 及 了 解 实 验 误 差 和 不 确 定度 的 基 本 概 念 ， 如 何 正 确 表达 实 验 结 果 。 具 体 的 目 的 ： 实 验 抓 住 两 点 ， 能 力 更 要全 面 。 两 点 是 重 点 (知 识 点 )和 难 点 (操 作点 )。 能 力 指 预 习 能 力 (准 备 实 验 ) 、 认 知 能 力(尽 快 熟 悉 仪 器 )、 操 作 能 力 (准 确 、 快 速 )、数 据 记 录 (简 洁 、 清 晰 有 条 理 )和 数 据 处理 能 力 (方 法 科 学 、 结 论 丰 富 )。 由 于 误 差 理 论 涉 及 较 多 的 数 理 统 计知 识 ， 一 、 两 次 课 很 难 讲 清 楚 ， 因此 本 次 课 只 能 介 绍 测 量 误 差 与 不 确定 度 的 基 本 概 念 ， 在 实 验 过 程 中 如何 运 用 这 些 知 识 ， 正 确 处 理 实 验 数据 和 评 价 实 验 结 果 ， 还 需 要 我 们 结合 具 体 实 验 ， 重 新 学 习 第 一 章 的 相关 内 容 才 行 ； “ 有 效 数 字 的 运 算 及数 据 处 理 方 法 ” 不 讲 ， 留 给 同 学 们课 后 自 学 。 1 物 理 实 验 （ 一 ） 教 学 安 排 2 实 验 课 具 体 要 求 3 实 验 考 核 1. 本 学 期 物 理 实 验 教 学 安 排 第 二 周 绪 论 课 第 三 周 第 十 四 周 完 成 12个 实 验 实 验 题 目 和 轮 换 表 如 下 ， 分 组 名 单 各班 班 长 (或 学 习 委 员 )下 课 来 领 。 序号 实 验 题 目 大 学 物理 实 验 实 验 物 理 学 地 点1 气 垫 导 轨 实 验 （ 二 ） 实 验 2-4 实 验 五 一 区 物 理 学院 六 层力 热 学 实 验室2 声 速 的 测 定 （ 驻 波 法 ） 实 验 2-8 实 验 十 一3 用 冷 却 法 测 固 体 的 比 热 容4 用 拉 脱 法 测 液 体 的 表 面 张 力系 数 实 验 2-15 实 验 七5 直 流 电 桥 测 电 阻 实 验 3-2 实 验 二 十 五 层电 磁 学 实 验室6 用 补 偿 法 测 量 电 压 、 电 流 和电 阻 实 验 3-3 实 验 二 十 二7 交 流 电 路 的 谐 振 实 验 3-8 实 验 二 十 八8 示 波 器 的 原 理 及 应 用 实 验 3-9 实 验 二 十 九9 薄 透 镜 焦 距 的 测 定 实 验 4-1 实 验 三 十 三 四 层光 学 实 验 室10 等 厚 干 涉 的 应 用 实 验 4-8 实 验 三 十 七11 分 光 计 的 调 节 和 使 用 实 验 4-3 实 验 三 十 四12 衍 射 光 栅 实 验 4-12 实 验 三 十 九 三 周 四 周 五 周 六 周 七 周 八 周 九 周 十 周 十 一周 十 二周 十 三周 十 四周第 一 组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12第 二 组 2 1 4 3 6 5 8 7 10 9 12 11第 三 组 3 4 1 2 7 8 5 6 11 12 9 10第 四 组 4 3 2 1 8 7 6 5 12 11 10 9第 五 组 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4第 六 组 6 5 8 7 10 9 12 11 2 1 4 3第 七 组 7 8 5 6 11 12 9 10 3 4 1 2 第 八 组 8 7 6 5 12 11 10 9 4 3 2 1第 九 组 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8第 十 组 10 9 12 11 2 1 4 3 6 5 8 7第 十 一组 11 12 9 10 3 4 1 2 7 8 5 6第 十 二组 12 11 10 9 4 3 2 1 8 7 6 5 注 意 ： （ 1） 实 验 轮 换 表 的 题 号 1 12与 所 用 教材 上 的 实 验 题 号 对 应 ， 不 要 弄 错 。 （ 2） 每 次 实 验 分 12个 大 组 循 环 ， 弄 清你 在 哪 一 组 ， 把 你 这 组 的 实 验 轮 换 顺 序写 在 教 材 上 ， 便 于 预 习 时 不 会 弄 错 。 （ 3） 节 假 日 冲 掉 的 实 验 不 需 补 做 ， 继续 按 轮 换 表 进 行 。 2 实 验 课 具 体 要 求 每 堂 实 验 课 都 包 括 三 个 环 节 ： 课 前 预 习 课 堂 实 习 课 后 小 结 课 前 预 习 认 真 阅 读 教 材 ， 明 确 本 次 实 验 的 任 务 和 要 求 ； 正 确 理 解 实 验 测 量 所 依 据 的 原 理 、 公式 及 采 用 的 方 法 ； 了 解 所 用 仪 器 的 结 构 及 使 用 注 意 事 项 ； 在 原 始 记 录 纸 上 设 计 好 数 据 表 格 ， 写出 预 习 报 告 （ 包 括 实 验 目 的 、 原 理 及 数据 表 格 ） ， 教 师 要 检 查 。 预 习 报 告 ： 名 称 +目 的 +仪 器 +原 理(可 直 接 写 在 ” 武 汉 大 学 物 理 科 学 与技 术 学 院 物 理 实 验 报 告 ” 纸 中 或 单独 用 纸 ) 突 出 重 点 ， 结 合 每 个 实 验 步 骤 、 思考 题 ， 预 测 难 点 (不 用 写 在 预 习 报 告中 )。 课 堂 实 习 遵 守 实 验 室 规 则 （ 不 要 迟 到 ， 自 备 鞋 套 ） ， 按轮 换 表 顺 序 进 行 实 验 ； 遵 守 仪 器 操 作 规 则 ， 严 肃 认 真 ， 独 立 操 作 （ 认真 阅 读 电 磁 学 P101和 光 学 实 验 P209基 本 知 识 ） ； 要 用 钢 笔 或 圆 珠 笔 记 录 数 据 ， 不 要 用 铅 笔 ； 实 验 完 毕 后 ， 原 始 数 据 交 老 师 签 字 认 可 ， 整 理好 桌 面 仪 器 。 因 病 、 事 不 能 上 课 者 ， 必 须 出 具 医 院 或 院 系 办证 明 ， 否 则 按 旷 课 论 。 课 后 小 结 实 验 报 告 要 用 学 校 统 一 的 报 告 纸 撰 写 ，要 求 字 体 工 整 、 文 理 通 顺 、 图 表 规 矩 、结 论 明 确 。 报 告 内 容 包 括 ： 实 验 名 称 、 实 验 目 的 、实 验 原 理 、 实 验 内 容 、 数 据 记 录 与 处 理结 果 与 讨 论 。 要 尽 量 用 自 己 的 语 言 写 。 下 次 实 验 交 前 次 实 验 报 告 （ 原 始 记 录 附在 报 告 上 ） 。 3 实 验 考 核 平 时 成 绩 ： 由 各 实 验 成 绩 累 加 平 均 ， 占 80% 每 个 实 验 成 绩 包 括 课 堂 表 现 、 操 作分 和 报 告 分 （ 6： 4） ； 期 未 考 试 ： 占 20% 实 验 考 试 分 笔 试 和 操 作 考 试 两 部 分 ，操 作 部 分 分 组 抽 题 ， 老 师 不 讲 ， 当场 交 考 试 报 告 。 实 验 成 绩 评 定 标 准 实 验 操 作 要 求 等 级 实 验 报 告 要 求 等 级1 预 习 充 分 a b c 1 格 式 规 范 a b c2 目 的 明 确 达到要求 基本达到要求 达不到要求 2 书 写 整 洁 达到要求 基本达到要求 达不到要求3 原 理 清 楚 3 作 图 完 美4 步 骤 正 确 4 表 达 完 整5 操 作 规 范 5 结 果 分 析6 数 据 正 确 6 实 验 体 会7 遵 守 纪 律 7 见 解 创 新8 整 理 仪 器 8 习 题 正 确 实 验 操 作 分 标 准 实 验 报 告 分 标 准A (95 2) 等 级 为 全 a A (95 2) 等 级 为 全 aA- (90 2) 等 级 为 7a、 1b A- (90 2) 等 级 为 7a、 1bB+ (85 2) 等 级 为 6a、 2b B+ (85 2) 等 级 为 6a、 2bB (80 2) 等 级 为 5a、 3b B (80 2) 等 级 为 5a、 3bB- (75 2) 等 级 为 4a、 4b B- (75 2) 等 级 为 4a、 4bC+ (70 2) 等 级 中 有 3个 c C+ (70 2) 等 级 中 有 3个 cC (65 2) 等 级 中 有 4个 c C (65 2) 等 级 中 有 4个 c C- (60+2) 等 级 中 有 5个 c C- (60+2) 等 级 中 有 5个 cD (不 及 格 ) 等 级 中 有 6个 c D (不 及 格 ) 等 级 中 有 6个 c 1. 实 验 有 新 发 现 ， 见 解 独 特 、 有 创 新 ， 实 验 成 绩 评 定 后 ， 提 高 一 档 。2. 迟 到 时 间 超 过 10分 钟 成 绩 降 一 档 ， 之 后每 10分 中 为 一 档 类 推 。3. 无 故 缺 席 ， 不 能 补 做 ， 该 次 成 绩 记 0分 。4. 无 故 迟 交 报 告 成 绩 降 一 档 。5. 篡 改 实 验 数 据 ， 成 绩 降 一 档 。 6. 抄 袭 报 告 或 数 据 、 成 绩 为 0分说 明 ： 下 面 通 过 光 学 方 面 的 四 个 案 例 来 说明 如 何 总 结 各 个 实 验 的 “ 两 点 ” ，希 望 对 各 位 同 学 能 有 启 发 。 光 学 预 备 知 识 中 的 重 点 ： 两 灯 、 两镜 。 两 灯 :高 压 汞 灯 (白 )、 钠 灯(黄 )P198、 199； 两 镜 :测 微 目 镜 ， 读数 显 微 镜 P239、 245； 光 学 仪 器 的 使用 和 维 护 6条 P205。 实 验 4-1测 焦 距 ， 重 点 (知 识 )： 两 图 、两 公 式 。 高 斯 公 式 4-1-1和 图 4-1-1(P206)、 贝 塞 尔 (或 二 次 成 像 )公 式 4-1-2和 图 4-1-2P。 凸 透 镜 成 像 规 律 物距 大 (小 )， 像 距 小 (大 )， 且 都 不 能 小于 f焦 距 (实 像 )。 成 像 要 求 物 距 +像 距略 大 于 4f焦 距 (1-5厘 米 )， 此 时 透 镜 在中 间 。 凹 透 镜 成 像 必 须 要 凸 透 镜 帮忙 (实 像 )。 难 点 (操 作 )： 透 镜 、 物 (十 字 )和 光 具座 共 轴 P208;判 断 实 像 (十 字 像 )的 清晰 (可 看 十 字 边 缘 )。 记 录 ： 表 格 化 (数 据 多 )； 物 距 的 正 负号 (透 镜 左 边 正 号 ， 右 边 负 号 )， 本 次像 距 均 为 正 。 习 题 1、 2P210 实 验 4-3分 光 计 (4-3-2内 容 不 做 )P217-226， 重 点 ： 六 图 、 三 公 式 。 图 1(仪器 )、 4 (读 数 )、 6和 7(原 理 兼 光 路 )、3(现 象 )、 9(操 作 )， 公 式 1(偏 心 差 )、2(自 准 直 )和 3(反 射 )/原 理 ， 全 部 运 用平 行 光 反 射 原 理 ， 入 、 反 射 光 与 反射 面 和 法 线 夹 角 相 等 或 反 射 光 原 路返 回 (垂 直 入 射 )； 难 点 ： 固 定 、 调 节 螺 钉 多 (图 1P218)，固 定 13/14/20(重 点 )、 2、 8， 调 节11/21(重 点 )、 12/19(微 调 )。 望 远 镜光 管 水 平 难 调 (用 反 射 规 律 ， 管 外 找像 )。 记 录 ： 读 数 时 一 定 固 定 一 个 (盘 )， 转动 一 个 (盘 )； 两 个 读 数 游 标 1、 2相 像 ，不 能 弄 混 ， 不 能 刻 、 写 标 记 。 习 题 P226： 1、 2题 实 验 4-8等 厚 干 涉 (牛 顿 环 ， 4-8-2劈 尖 不 做 )P240-244， 重 点 ： 2图 (图 1、2),1公 式 (式 4-8-5)， 两 束 光 干 涉 重 点是 ， 两 束 光 路 程 之 差 与 波 长 的 比 值 整数 (亮 )， 半 整 数 -尾 数 0.5(暗 )。 难 点 ： 读 数 显 微 镜 的 回 程 误 差 (应 单方 向 测 量 )P245； 调 显 微 镜 视 场 明 亮 、牛 顿 环 清 晰 ； 读 数 显 微 镜 的 十 字 叉 丝水 平 移 动 ， 垂 直 相 切 牛 顿 环 。 记 录 和 处 理 ： 读 数 显 微 镜 要 估 读 一位 ； 要 算 不 确 定 度 (实 验 步 骤 7)， 先算 d平 方 差 的 不 确 定 度 ， 再 用 公 式 传递 到 R半 径 的 不 确 定 度 ， 或 自 行 设 计方 案 。 习 题 P244： 2、 3题 实 验 4-12衍 射 光 栅 P254 重 点 ： 1式 -衍 射 方 程 4-12-2P255， 3图 -图 3、 4、5（ 全 是 调 节 要 求 ） P256； 分 光 概 念 ：复 合 光 （ 如 汞 灯 光 白 色 ） 按 不 同 的出 射 角 （ 衍 射 角 ， 与 入 射 白 光 夹 角 ）展 开 为 众 多 单 色 光 。 波 长 短 (紫 、 蓝 )，衍 射 角 小 ， 波 长 长 (红 、 黄 、 绿 )， 衍射 角 大 。 习 题 P258： 1、 3题 难 点 ： 现 象 是 分 立 的 不 同 颜 色 的 单色 线 （ 每 根 线 一 个 波 长 ） 图 2P255。保 证 入 射 角 为 0度 ， 一 要 光 栅 垂 直 平行 光 管 （ 现 象 图 4P256） 、 二 要 光 栅狭 缝 线 平 行 分 光 计 转 轴 （ 现 象 图5P257） ， 注 意 光 栅 放 法 图 3P256。 记 录 和 处 理 ： 衍 射 角 为 +1级 读 数 -(-1)级 读 数 /2， 实 际 要 /4（ 用 了 两 个 游 标读 数 消 偏 心 差 ） 。 （ 一 ） 测 量 误 差 理 论 的 基 本 概 念（ 二 ） 测 量 不 确 定 度（ 三 ） 结 果 表 达（ 四 ） 作 图 基 本 要 求 真值 测 量 值 平 均 值 系 统 误 差 随 机 误 差 标 准 差 测 量 的 质量 实 用 标 准 差 平 均 标 准 差 仪 器 未 知 差 不 确 定 度 U 直 测 U公 式 间 测 U公 式 结 果 表 达 取 舍 原 则 取 舍 实 例 作 图 要 求 作 图 实 例 1 指 出 下 列 各 量 是 几 位 有 效 数 字 ： (1) (2位 ）(2) T 1.0000s (5位 ） (3) L=0.00001cm (1位 ） (4) g=980.12306cm/s (8位 ）有 效 数 字 的 位 数 与 小 数 点 的 位 置 无 关 JE 25107.2 根 据 测 量 不 确 定 度 和 有 效 数 字 的 概 念 ，改 正 以 下 测 量 结 果 表 达 式 ， 写 出 正 确 答 案 。(1). d=10.430 0.3 cm(2). E=1.915 0.05 V (3). L=10.85 0.200 mm(4). P=31690 200 Kg(5). (6).(7).10.0 0.095 mm 1046.12345R mAI 34 10045.010354.5 (1).d=10.430 0.3 cm改 正 ： 10.4 0.3 cm (3). L=10.85 0.200 mm改 正 ： L=10.8 0.2 mm (5).改 正 ：或 ： 1046.12345R 10)41235(R 310)004.0235.1(R (6).改 正 ： mAI 34 10045.010354.5 mAI 410)005.0354.5( (7).10.0 0.095 mm改 正 ： 10.0 0.1 mm 判 断 下 列 各 式 的 正 误 ， 请 在 括 号 内 填 写有 效 数 字 的 正 确 答 案 。 (1).1.732 1.74=3.01368 (3.01)(2). 628.7 7.8=80.603 (81)(3).（ 38.4+4.256） 2.0=21.328 (38.4+4.3) 2.0 (21)(4).（ 17.34-17.13） 14.28=2.9988 （ 0.21 14.28 ） （ 3.0） 换 算 下 列 各 测 量 值 的 单 位 ： （ 1） 4.80cm= ( )m= ( )mm 4.80cm= (4.80 10-2 )m= (4.80 10 )mm（ 2） 30.70g=( )kg= ( ) mg 30.70g=(3.070 10-2 )kg= ( 3.070 104 ) mg（ 3） 3.50mA= ( )A= ( ) A 3.50mA= (3.50 10-3 )A= (3.50 103 ) A 一 圆 柱 体 的 外 径 (D)约 6厘米 、 高 H )约 8厘 米 ， 求 测圆 柱 体 的 体 积 V和 不 确 定 度v， 并 写 出 测 量 结 果 表 达 式 。（ 要 求 ： 选 用 的 仪 器 在 测 量 时 所 产 生 的 最 大相 对 误 差 不 超 过 0.3%） 解 题 步 骤1. 根 据 要 求 选 择 合 适 的 测 量 仪 器 。2. 直 接 测 量 圆 柱 体 的 外 径 （ D） 和 高 （ H ） 。3. 计 算 （ D） 、 （ H ） 的 平 均 值 和 标 准 偏 差 。4. 确 定 测 量 仪 器 误 差 引 起 的 不 确 定 度 分 量 u。5. 计 算 直 接 测 量 量 的 合 成 不 确 定 度 UD、 UH 。6. 写 出 D和 H 的 测 量 结 果 表 达 式 。7. 计 算 圆 柱 体 的 体 积 （ 平 均 值 ） 。8. 计 算 圆 柱 体 体 积 的 测 量 不 确 定 度 。9. 测 量 结 果 表 达 式 。 1.根 据 要 求 选 择 合 适 的 测 量 仪 器 。因 为 根 据 仪 器 误 差 传 递 公 式 得 ： 已 知 ： 即 ： 根 据 误 差 均 分 原 则 可 得 ： 已 知 D 6cm， H 8cm 则 ： D 0.001D 0.006cm H 0.001H 0.008cm 根 据 以 上 数 据 可 用 游 标 精 度 为 0.002cm的 游 标 卡 尺测 量 圆 柱 体 的 外 径 (D)和 高 H) HDV 24 HHDDVV 2 003.0%3.0 VV 003.02 HHDD001.0 HHDD 常 用 函 数 误 差 传 递 公 式函 数 表 达 式 测 量 不 确 定 度 传 递 公 式 仪 器 误 差 传 递 公 式Z=X Y Z= x+ yZ=XY或Z=X/Y Z/z= x/x+ y/yZ=kx Uz=k Ux Z=k xZ=X1/K Z/z= 1/k x/x Z/z=k x/x+m y/y+ n s/SZ=sinx Z=|cosx|U x Z=cos xZ=lnx Uz=Ux/x Z/z= x/xn mkS YXZ yxz UUU 2 22 )()( YUXUZU yxz XUkZU xz 1 222222 )()()( SUnYUmXUkZU syxz 次 数 D（ cm） H （ cm）1 6.004 8.0962 6.002 8.0943 6.006 8.0924 6.000 8.0965 6.006 8.0966 6.000 8.0947 6.006 8.0948 6.004 8.0989 6.000 8.09410 6.000 8.096 计 算 （ D） 、 （ H ） 的 平 均 值 和 标 准 偏 差 cmn HHS cmHnH cmn DDS cmDnDH i iD i 0017.01 )( 0950.81 0027.01 )( 0028.6 1 2 2 确 定 测 量 仪 器 误 差 引 起 的 不 确 定 度 分 量 u 游 标 精 度 为 0.002cm的 游 标 卡 尺 引 起 的 不 确 定 度 分 量u= 仪 =0.002 cm 计 算 直 接 测 量 量 的 合 成 不 确 定 度 UD、 UH cmcmuSU cmcmuSU HHH DDD 003.0106.2 )100.2()107.1(004.0104.3 )100.2()107.2(3 232322 3 232322 D和 H 的 测 量 结 果 表 达 式 %037.0%100 )003.0095.8( )0026.00950.8( %067.0%100 )004.0003.6( )0034.00028.6( HUE cm cmUHH DUE cm cmUDD HH H DD D 计 算 圆 柱 体 的 体 积 （ 平 均 值 ）3 2211.229 095.8)003.6(1416.3414 cmHDV 计 算 圆 柱 体 体 积 的 测 量 不 确 定 度2222 )()( HDV UHVUDVU 计 算 圆 柱 体 体 积 的 测 量 不 确 定 度(1). 2222 )()( HDV UHVUDVU 322 322 32 4.032.0)003.028()004.076( 28)0.6(14.341)4( 761.80.614.321)4( cmU cmHDHHV cmHDDDVV 计 算 圆 柱 体 体 积 的 测 量 不 确 定 度(2).直 接 利 用 传 递 公 式 ： Z=XkYm 33 22 222 2222 4.032.01038.11.229 )1.8003.0()0.6004.0(41.229 )()(2 )()( cmHUDUUU YUmXUkZU HDv yxz 测 量 结 果 表 达 式 %17.0%10011.22904.0%100 )04.011.229( 3 VUE cmUVV VV V 1 指 出 下 列 各 量 是 几 位 有 效 数 字 ： (1) (2位 ）(2) T 1.0000s (5位 ） (3) L=0.00001cm (1位 ） (4) g=980.12306cm/s (8位 ）有 效 数 字 的 位 数 与 小 数 点 的 位 置 无 关 JE 25107.2 根 据 测 量 不 确 定 度 和 有 效 数 字 的 概 念 ，改 正 以 下 测 量 结 果 表 达 式 ， 写 出 正 确 答 案 。(1). d=10.430 0.3 cm(2). E=1.915 0.05 V (3). L=10.85 0.200 mm(4). P=31690 200 Kg(5). (6).(7).10.0 0.095 mm 1046.12345R mAI 34 10045.010354.5 (1).d=10.430 0.3 cm改 正 ： 10.4 0.3 cm (3). L=10.85 0.200 mm改 正 ： L=10.8 0.2 mm