1、大 学 物 理 实 验 绪 论补 充 教 材机 械 学 院1 物理实验的主要任务和要求一、物理实验的地位、作用和任务 物理学从本质上说是一门实验科学。物理规律的研究都是以实验事实为基础,并不断接受实验的检验。物理实验在物理学的发展过程中起着十分重要的作用。物理实验课高等学校理工科各专业一门独立开设的必修基础课程，与理论课教学具有同等重要的地位。两者既有深刻的内在联系，又有各自的任务和作用。物理实验是对理工科大学生系统进行实验方法和实验技能训练的开端，也是对学生进行科学实验训练的重要基础。物理实验课对学生进行基础实验方法和技能的训练，特别是有效数字概念和误差理论的学习、运用和训练。本课程的具体任
2、务：1、 通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验的基础知识(1) 掌握常用物理量的基本测量方法，常用实验方法及常用测量仪器的原理和使用等。这些测量方法及有关仪器在科学实验或日常工作中会经常遇到。(2) 学习误差理论、有效数字的读取、记录和运算方法以及正确处理实验数据的基本方法，学习提高实验精度和减小实验误差的常用方法和技巧。例如，学会分析哪些误差是主要的，哪些可以减小或忽略。在满足精度要求的前提下，能够提出初步的最简便、经济的实验方案，包括选择恰当的仪器与测量步骤等。(3)了解理论知识的有关应用，包括最新应用。这不但能加深对物理学原理的理解，反过来还可以增加理论课的学习兴趣及
3、主动性，同时也可以拓宽知识面，开阔思路，丰富应用实践方面的经验。2、培养和提高学生的科学实验能力(1) 独立阅读实验教材和仪器说明书，查阅相关参考资料以及做好实验前准备工作的能力，正确使用常用仪器进行测量的能力；(2) 初步掌握常用物理仪器的基本操作方法以及利用这些仪器对基本物理量进行测量的能力；(3) 运用物理学理论及相关知识对实验现象进行初步分析判断的能力；(4) 正确记录和处理实验数据，绘制曲线和图表，说明实验结果，撰写合格实验报告的能力。 3、培养和提高学生的科学实验素养使学生具有理论联系实际的优良作风，实事求是、严谨认真的科学态度，有序细致的操作习惯，自觉研究和探索科学问题的创新精神
4、；自学遵守纪律、团结协作爱护公共财物的优秀品德。二、怎样学好物理实验课要想实现培养目标，完成上述任务，学生应该根据物理实验课的特点和要求认真对待实验教学的各个环节，潜心钻研，才可以达到更好的效果。物理实验课一般可分为四个主要环节进行。1、实验前的预习实验课前，学生必须认真阅读实验教材，以便更好地了解实验的基本原理，掌握实验的关键环节，为及时、迅速、准确地测得实验数据做好准备。通过预习，还要了解仪器的工作原理和使用方法。在学习中要认真回答思考题，牢记注意事项及安全操作规程。由于实验课时间有限，因此课前预习的好坏是能否完成实验，能否取得较好效果的前提。2、课堂讲解实验前老师对仪器的调节使用，主要实
5、验内容、具体步骤和注意事项进行简要的讲解。为准确无误地完成实验打好基础。3、课堂实验课堂实验是实验课最重要的环节。(1)实验前必须检查和辨认仪器设备、材料是否完好、齐备，明确各部分的作用、使用方法和注意事项；(2)根据实验要求正确地将有关仪器组成所需的测试系统。经检查确保无误，方可按步骤进行实验操作。特别是在电磁学实验中，在连接电路前，应考虑仪器设备的合理布局及电源的正负极性，电路连接好之后，还要注意把仪器调节到“安全待测状态” ，然后请教师检查，确定电路连接正确无误后方可接通电源进行实验。(3)在实验中必须仔细观察、积极思考、认真操作、防止急躁，做到实事求是地观察和测量。要初步学会分析实验现
6、象，遇到问题时应冷静分析和思考；在实验中有意识地培养自己的独立工作能力。(4)实验数据的记录是实验结果和分析问题的依据。在实验中，应根据所使用仪器的精度和实验条件认真真实地读取和记录实验数据，千万不可根据主观意想来编造数据、凑数据，特别是要正确使用有效数字。原始数据必须要用钢笔或圆珠笔记录在原始数据记录本上，不要随意涂改，对认为错误的数据应轻轻划上一道，在旁边写上正确值，以便在分析测量结果和误差时参考。两人以上合作实验时要合理分工，充分交流，协调一致，共同达到实验要求。实验完毕，应将所测量的数据交给任课老师检查、签字。最后再仔细收拾整理仪器设备，保持实验室的清洁与整齐。4、撰写实验报告实验报告
7、是对实验过程及其结果的系统而全面的总结，要用简明的形式将实验结果完整而真实地表达出来。实验报告要用统一规格的实验报告纸书写（可加附页） ，必须各自独立地及时完成。要做到文字通顺、表述明确、字迹端正、图表规范、结果正确、讨论认真。好的实验报告应作为研究资料保存。实验报告通常包括：(1)实验名称、实验者姓名、学号、同组人姓名、实验日期。(2)实验目的(3)实验原理 用简洁的语言对实验所依据的理论进行叙述，不要照抄书本。要给出实验所依据的定理、定律、线路、光路以及有关实验条件等。(4)实验的内容和步骤 根据老师的具体要求简述实验的主要实验内容和步骤。 (5)实验记录 实验数据记录应尽量详尽，并注明单
8、位。数据记录还应包括相关的常数。(6)数据处理及实验结果的表示 包括结果计算、实验曲线、表格、误差分析、最后结果表示等内容。计算按照有效数字的运算法则进行。根据要求计算各直接测量量和间接测量量的标准误差，并将实验结果正确地表示出来。(7)结果讨论 根据实验的具体情况，必要时应对实验结果进行讨论，讨论内容不限。如实验中观察到的现象分析、误差来源分析、实验中存在的问题讨论、结果的可靠性等。三 实验的具体安排1、本学期须完成八个物理实验。实验采用循环的方式进行，三(或四个) 个实验为一个循环，每周完成一个实验；每个实验为两个学时。2、实验时每个教学班分为 A、B 两个大组，一般采用一个上午或下午为单
9、元，前两节为 A 组实验时间，后两节为 B 组实验时间；每个大组按学号顺序分分成若干个实验小组，每个小组两至三人，实验时必须按小组编号顺序与仪器编号对号入座。3、每个小组必须准备一个原始数据记录本，实验时必须带原始数据记录本，原始数据必须记录在原始数据本，每次数据必须有任课老师签字，否则本次实验按零分计。4、实验时必须遵守实验室规章制度，有事请假，假条必须有班主任老师签名盖章，否则按旷课处理。旷课时本次实验成绩按零分计。5、必须按时上交实验报告。实验报告每周交一次。每次上课前由学习委员或课代表交上次课实验报告，并附缺交实验报告人员名单。无故不按时上交实验报告者将酌情扣减本次实验成绩。6、实验报
10、告上必须写明班级、学号及同组人姓名，实验报告不得抄袭，不交实验报告和雷同实验报告均按零分处理。7、物理实验成绩按等级记分制，共分为五个等级：优秀、良好、中等、及格和不及格。记录成绩的主要依据是实验报告和课堂实验情况。8、实验结束后，各组必须将使用的仪器整理好，关闭有关的电源。每个大组每次实验必须明确值日生(三人)，实验结束后值日生要打扫实验室卫生。 2 误差理论及其处理1、测量测量就是将待测物体的某物理量与相应的标准进行定量比较，得到此物理量的测量值。测量结果数值的大小与所选用的单位有关。因此，表示一个被测对象的测量值时必须包括数值和单位。对物理量的测量按测量方式通常可分为直接测量和间接测量。
11、直接测量 凡是可以用测量仪器或仪表直接读出待测物理量量值的测量称为直接测量，相应的物理量称为直接测量量。例如用米尺量长度，用天平称质量等。间接测量 是指被测物理量的量值要用相关的直接测量的量值通过公式运算间接获得，这类测量称为间接测量，相应的物理量称为间接测量量。例如根据公式利用单摆测量重力加速度，摆长 和单摆周期 T 为直接测量量，重力加速度24Tlglg 为间接测量量。按照测量条件通常可分为等精度测量和非等精度测量。等精度测量 如果对某一物理量进行多次重复测量，并且每次测量的条件（测量者、测量仪器、实验方法和温度等）都相同，所以每一次测量的精度都具有相同的级别。这样进行的重复测量称为等精度
12、测量。非等精度测量 在诸多测量条件中，只要有一个发生了变化，这时所进行的测量，就称为非等精度测量。在进行多次重复测量时，要尽量保持为等精度测量。除了上面的分类方式外，还有各种分类方法。如单次测量与多次测量，接触测量与非接触测量，静态测量和动态测量等。2、真值所谓真值，是指被测量在特定的时间、特定的环境条件下，客观存在的真实大小。它是一个理想的概念。实际测量中只有最佳值，通常取多次测量的平均值作为最佳值。3、测量误差由于被测量的真值是无法测得的，不管使用多么精密的仪器，测量出来的结果总是真值的近似值。所以任何测量都存在误差。测量误差可分为绝对误差和相对误差。绝对误差 若某物理量的测量值为 x，真
13、值为 a，则测量值与真值的之差为： (1)a上式定义的测量误差反映了测量值偏离真值的大小和方向，因此称 为绝对误差。相对误差 绝对误差只能表示某一测量结果偏离真值的大小，但却不能说明不同测量结果的优劣。例如，测量 10m 长绝对误差为 1mm 与测量 1m 长绝对误差 1mm，两者绝对误差相同，但是测量结果前者优于后者。要说明不同测量结果的优劣程度必须用相对误差表示。相对误差定义为： (2)%1010axaE测量不确定度 由于被测量的真值不可测得，测量误差也不可得，只能给出被测量的最佳估计值及对其不确定范围做出近似估计。测量不确定度表征被测量值的分散性。二 误差的分类由于实验方法、仪器精度、环
14、境条件的不同，误差存在于一切科学实验和测量过程中。误差按其性质和产生的原因可分为系统误差、随机误差和粗大误差三类。1、系统误差(1)系统误差的定义 在一定条件下，对同一物理量进行多次重复测量时，其测量结果总是偏向某一个方向，其数值操持一定或按一定规律变化。这类误差就称为系统误差。(2)系统误差的来源仪器误差 由于仪器本身缺陷或没有按规定条件使用仪器造成的。如标准电池，标准电阻等本身的误差；天平不等臂造成的误差；电表的示值与实际值不符等，这类误差采用适当的方法可以使之消除。 理论或方法误差 由于实验所依据的理论公式为近似公式或者实验条件达不到理论要求等而引起的。如单摆测重力加速度时所用公式的近似
15、性；伏安法测电阻时，没有考虑电表内阻的影响等。环境误差 它是由于实验的外部环境，如温度、湿度、光照等与仪器要求的环境条件不一致而引起的误差。实验人员生理或心理特点所造成的误差 如使用停表计时时，总是超前或滞后；用仪表读数时总是偏向一方斜视等。(3)系统误差的分类 定值系统误差 这种误差在测量过程中其大小和符号恒定不变。例如，千分尺没有进行零点修正，天平砝码的标称值不准确等。 变值系统误差 这种误差在测量过程中呈现规律性变化。例如，分光计刻度盘中心与望远镜转轴中心不重合，存在偏心差所造成的读数误差。(4)系统误差的处理系统误差产生的原因往往可知或能掌握，查明后应设法加以修正清除其影响。2、粗大误差
