1、五 年 制 高 等 职 业 教 育 通 用 教 材技 术 物 理实 验 与 实 训段 超 英 王 文 钧 主 编 王 文 钧 樊 玉 平 编李 法 春 段 超 英王 一 功 主 审高 等 教 育 出 版 社内 容 提 要本 书 根 据 教 育 部 高 等 教 育 司 关 于 五 年 制 高 等 职 业 教 育 六 门 公 共 课 程 基 本 要 求 的 精 神 编 写 .全 书 文 字 流 畅 , 内 容 精 炼 ,融 入 了 作 者 多 年 职 业 教 育 物 理 课 程 的 教 学 经 验 .全 书 分 实 验 和 综 合 实 践 训 练 两 部 分 ,包 括 实 验 项 目24 个 、
2、综 合 实 践 训 练 项 目 7 个 ,内 容 丰 富 ,覆 盖 了 力 学 、 热 学 、 电 磁 学 、 光 学 和 原 子 物 理 学 ;方 式 、 方 法 多 样 ,有 验证 、 设 计 、 观 察 、 制 作 、 拆 装 和参 观 等 ,既 能使 学 生 掌 握 基 本 实 验 技 能 ,又 能 提 高 学生 的 动 手 能 力 ,增 强 综 合 素 质 .本 书 与 技 术 物 理 教 材 配 套 ,可 供 五 年 制 高 等 职 业 教 育 和 中 等 职 业 教 育 各 专 业 选 用 .图 书 在 版 编 目 ( CIP)数 据技 术 物 理 实 验 与 实 训 段 / 超
3、 英 ,王 文 钧 主 编 . 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 ,2003.7ISB N 7 - 04 - 012859 - 4 .技 . . 段 . 王 . . 工 程 物 理 学 - 高 等 学 校 :技 术 学 校 - 教 学 参 考 资 料 . T B13中 国 版 本 图 书 馆 CIP 数 据 核 字 (2003)第 043821 号出 版 发 行 高 等 教 育 出 版 社 购 书 热 线 010 - 64054588社 址 北 京 市 西 城 区 德 外 大 街 4 号 免 费 咨 询 800 - 810 - 0598邮 政 编码 100011 网 址 http: /w
4、/w w 总 机 010 - 82028899 http: /w/w w .hep.co m .cn经 销 新 华 书 店 北 京 发 行 所排 版 高 等 教 育 出 版 社 照 排 中 心印 刷 开 本 7871092 1 1/6 版 次 年 月 第 1 版印 张 8.75 印 次 年 月 第 次 印 刷字 数 200 000 定 价 11.60 元本 书 如有 缺 页 、 倒 页、 脱 页 等 质 量问 题 ,请 到所 购 图 书 销 售 部 门 联 系 调 换.版 权 所 有 侵 权 必 究策 划 编 辑 邵 勇责 任 编 辑 董 洪 光 封 面 设 计 于 文 燕 责 任 绘 图 朱
5、 静 版 式 设 计 胡 志 萍 责 任 校 对 存 怡 责 任 印 制 前 言根 据 教 育 部 高 等 教 育 司 关 于 加 强 五 年 制 高 等 职 业 教 育 管 理 工 作 的 通 知 精 神 和 全 国 五 年 制 高 职 教 育 公 共 课 开 发 指 导 委 员 会 技 术 物 理 基 础 课 程 基 本 要 求 ,我 们 编 写 了 这 本 技 术 物 理 实 验 与 实 训 教 材 . 在 编 写 中 ,努 力 贯 彻 全 面 推 进 素 质 教 育 , 培 养 有 实 践 能 力 、 创 业 能 力 和 创 新 精 神 的 高 等 技 术 应 用 性 专 门 人 才
6、的 思 想 .物 理 学 是 一 门 实 验 科 学 ,物 理 实 验 在 物 理 教 学 中 占 有 十 分 重 要 的 地 位 . 在 职 业 技 术 教 育 中 , 技 术 物 理 课 程 更 要 强 调 物 理 实 验 的 重 要 性 .通 过 物 理 实 验 , 要 让 学 生 验 证 、 掌 握 物 理 规 律 , 学 习 使 用 实 验 仪 器 ,增 强 动 手 能 力 , 全 面 提 高 素 质 .此 外 , 还 应 该 纠 正 一 些 人 把 物 理 学 当 成 纯 理 论 课 程 的 片 面 认 识 .本 书 与 五 年 制 高 职 教 材 技 术 物 理 配 套 ,共 分
7、 为 两 部 分 . 第 1 部 分 为 学 生 实 验 ,包 括 力 学 、 热学 、 电 磁 学 、 光 学 、 原 子 物 理 学 24 个 实 验 ,有 测 量 、 验 证 、 探 索 、 设 计 、 观 察 等 各 种 实 验 形 式 , 可 在 其中 选 做 16 18 个 . 考 虑 到 各 学 校 实 验 条 件 的 区 别 ,有 的 实 验 列 出 了 2 或 3 种 实 验 方 法 . 第 2 部 分为 综 合 实 践 训 练 ,包 括 拆 装 、 制 作 、 实 践 、 参 观 等 形 式 共 7 个 实 践 训 练 项 目 .按 照 技 术 物 理 基 础 课 程 基
8、本 要 求 , 应 在 物 理 教 学 (包 括 学 生 实 验 ) 课 时 外 ,另 安 排 一 周 时 间 为 物 理 综 合 实 践 训 练 专 用 周 .各 学 校 可 根 据 情 况 , 在 综 合 实 践 训 练 项 目 中 选 择 3 5 个 组 织 学 生 进 行 实 践 训 练 .通 过 技 术 物 理 课 程 (包 括 实 验 与 实 践 训 练 ) 的 学 习 ,应 使 学 生 具 有 必 备 的 物 理 基 础 知 识 , 了 解 科 学 技 术 的 发 展 与 物 理 学 的 相 互 联 系 ,学 会 观 察 物 理 现 象 , 培 养 学 生 运 用 物 理 知 识
9、 分 析 、 解 决 实 际 问 题 的 能 力 ,掌 握 基 本 的 实 验 技 能 , 提 高 动 手 能 力 .通 过 学 习 , 逐 步 形 成 科 学 的 世 界 观 和 严 谨 的 工 作 作 风 .能 在 这 些 方 面 做 一 些 贡 献 , 是 本 教 材 编 者 的 愿 望 .全 书 使 用 国 际 单 位 制 ,物 理 量 名 称 及 物 理 学 名 词 符 合 全 国 自 然 科 学 名 词 审 定 委 员 会 公 布 的 物 理 学 名 词 (1996) .本 教 材 由 王 文 钧 、 樊 玉 平 、 李 法 春 、 段 超 英 编 写 . 段 超 英 、 王 文
10、钧 任 主 编 ; 王 一 功 任 主 审 ; 全 书 由 段 超 英 统 稿 .编 写 本 书 时 ,参 考 了 许 多 书 刊 , 综 合 实 践 训 练 项 目 “制 作 数 字 显 示 器” 采 用 了 陕 西 省 安 康 农 业 学 校 物 理 组 的 选 题 ,在 此 对 有 关 资 料 的 编 著 者 表 示 深 切 的 谢 意 .欢 迎 职 教 物 理 教 师 、 物 理 实 验 教 师 、 学 生 和 其 他 专 家 、 读 者 提 出 宝 贵 意 见 .编 者 2003 年 3 月目 录绪 论 1第 1 部 分 实 验 61.1 测 定 金 属 圆 柱 体 的 密 度 6仪
11、 器 介 绍 物 理 天 平 7游 标 卡 尺 81.2 测 定 匀 加 速 直 线 运 动 的 瞬 时 速 度 和 加 速 度 101.2.1 用 气 垫 导 轨 测 定 匀 加 速 直 线 运 动 的 瞬 时 速 度 和加 速 度 10仪 器 介 绍 气 垫 导 轨 11计 时 计 数 测 速 仪 121.2.2 用 电 火 花 描 迹 仪 测 定 匀 加 速 直 线 运 动 的 瞬 时 速 度 和 加 速 度 13仪 器 介 绍 电 火 花 描 迹 仪 191.2.3 用 打 点 计 时 器 测 定 匀 加 速 直 线 运 动 的 瞬 时 速 度 和 加 速 度 201.3 验 证 力
12、的 平 行 四 边 形 法 则 231.4 验 证 牛 顿 第 二 定 律 251.4.1 用 气 垫 导 轨 验 证 牛 顿 第 二定 律 251.4.2 用 电 火 花 描 迹 仪 验 证 牛 顿第 二 定 律 271.4.3 用 打 点 计 时 器 验 证 牛 顿第 二 定 律 311.5 验 证 机 械 能 守 恒 定 律 331.5.1 用 气 垫 导 轨 验 证 机 械 能守 恒 定 律 331.5.2 用 电 火 花 描 迹 仪 验 证 机 械能 守 恒 定 律 351.5.3 用 单 摆 验 证 机 械 能 守 恒定 律 381.6 验 证 弹 性 碰 撞 过 程 中 动 量
13、守恒 和 动 能 守 恒 411.6.1 用 气 垫 导 轨 验 证 弹 性 碰 撞 过 程 中 动 量 守 恒 和 动 能守 恒 411.6.2 用 碰 撞 实 验 器 验 证 弹 性 碰 撞 过 程 中 动 量 守 恒 和 动 能守 恒 431.7 测 定 弹 丸 的 速 度 451.8 验 证 力 矩 平 衡 条 件 481.9 测 定 转 动 惯 量 501.10 研 究 单 摆 振 动 的 周 期 用 单 摆 测 定 重 力 加 速 度 541.11 验 证 理 想 气 体 状 态 方 程 561.12 学 习 使 用 多 用 电 表 59仪 器 介 绍 稳 压 电 源 631.13
14、 描 绘 等 势 线 63仪 器 介 绍 灵 敏 电 流 计 671.14 测 量 电 阻 671.14.1 用 伏 安 法 测 量 电 阻 671.14.2 用 惠 斯 通 电 桥 测 量电 阻 72仪 器 介 绍 直 流 电 流 表 74直 流 电 压 表 761.15 改 装 电 表 761.16 测 定 电 源 的 电 动 势 和 内 阻 (设 计 性 实 验 ) 801.17 研 究 电 源 的 输 出 功 率 与 负 载 电 阻 的 关 系 (设 计 性 实 验 ) 821.18 观 察 电 子 束 在 电 场 、 磁 场 中 的 偏 转 841.19 研 究 感 应 电 动 势
15、的 方 向 (探 索 性 实 验 ) 861.20 测 定 玻 璃 的 折 射 率 901.21 测 定 凸 透 镜 的 焦 距 验 证 透 镜 成 像 规 律 92 2.3 拆 、 装 家 用 饮 水 机 1091.22 观 察 光 谱 95 2.4 拆 、 装 电 动 剃 须 刀 1121.23 观 察 光 的 干 涉 、 衍 射 和 偏 振 2.5 制 作 数 字 显 示 器 116现 象 97 2.6 组 装 、 使 用 望 远 镜 和 显 微 镜 1201.24 观 察 光 电 效 应 100 2.7 参 观 发 电 厂 124第 2 部 分 综 合 实 践 训 练 102 2.7.
16、1 参 观 火 力 发 电 厂 1242.1 拆 、 装 家 用 缝 纫 机 102 2.7.2 参 观 水 力 发 电 站 1292.2 制 作 “ 水 火 箭” 108 绪 论一 、 物 理 学 是 以 实 验 为 基 础 的 科 学物 理 概 念 的 建 立 以 及 物 理 定 律 的 发 现 都 是 以 实 验 事 实 作 为 依 据 的 . 已 经 建 立 起 来 的 物 理 定律 或 理 论 也 必 须 经 得 起 非 常 严 格 的 科 学 实 验 的 检 验 , 才 能 被 确 认 . 综 观 物 理 学 史 , 物 理 学 中 一 些划 时 代 的 带 根 本 性 的 发 现
17、 ,无 一 不 是 以 物 理 实 验 为 基 础 的 , 且 往 往 是 从 实 验 开 始 的 .所 以 , 不 论 对 物 理 学 的 发 展 ,还 是 对 我 们 学 习 物 理 学 , 实 验 都 是 非 常 重 要 的 .为 了 适 应 社 会 主 义 市 场 经 济 的 需 要 ,培 养 合 格 的 现 代 化 职 业 技 术 人 才 , 按 照 职 业 教 育 对 学 生 知 识 和 能 力 的 要 求 ,必 须 要 使 学 生 学 会 必 要 的 基 础 知 识 , 同 时 更 要 加 强 实 验 、 实 践 训 练 教 学 以 增 强 实 验 技 能 、 培 养 动 手 能
18、 力 . 物 理 实 验 是 学 生 进 校 后 首 先 遇 到 的 实 验 课 , 要 通 过 物 理 实 验 和 实 训对 学 生 进 行 基 本 实 验 技 能 方 面 的 训 练 ,逐 步 培 养 起 愿 动 脑 、 肯 动 手 的 实 验 能 力 , 为 今 后 提 高 职 业 技 能 和 从 事 职 业 技 术 工 作 打 下 基 础 .物 理 实 验 是 按 照 一 定 的 教 学 目 的 而 设 计 的 ,有 它 自 己 的 特 点 和 规 律 , 因 此 也 是 一 门 科 学 . 要掌 握 好 这 门 实 验 科 学 ,做 好 每 一 个 物 理 实 验 , 要 注 意 以
19、 下 几 点 :1. 在 实 验 前 , 要 充 分 预 习 实 验 指 导 书 , 明 确 实 验 的 目 的 要 求 , 弄 懂 实 验 原 理 , 了 解 仪 器 性 能和 使 用 方 法 ,搞 清 基 本 操 作 步 骤 .2. 在 实 验 中 要 遵 守 实 验 室 规 则 ,在 教 师 的 指 导 下 按 步 骤 认 真 操 作 , 细 致 观 察 各 种 现 象 ,正 确记 录 实 验 数 据 ,掌 握 从 实 验 中 找 出 规 律 的 方 法 .3. 实 验 后 ,及 时 对 观 察 到 的 现 象 和 记 录 的 数 据 进 行 认 真 地 分 析 、 计 算 , 得 出
20、合 理 的 实 验 结 论 ,写 出 实 验 报 告 .4. 实 验 完 毕 要 收 拾 整 理 好 仪 器 ,经 教 师 许 可 后 方 可 离 开 实 验 室 .二 、 有 效 数 字 和 误 差在 实 验 中 , 我 们 将 要 直 接 测 量 一 些 物 理 量 , 或 者 通 过 对 某 些 量 的 测 量 再 计 算 出 另 一 些 物 理量 ,这 就 是 间 接 测 量 . 但 是 ,测 量 是 不 可 能 绝 对 精 确 的 , 这 就 出 现 了 如 何 记 录 这 些 测 量 值 才 算 合 理 以 及 怎 样 确 定 它 的 精 密 度 和 准 确 度 等 问 题 .为
21、此 , 我 们 要 采 用 有 效 数 字 ,并 且 要 讨 论 其 误 差 .1. 有 效 数 字 及 其 表 示测 量 仪 器 的 最 小 刻 度 ( 或 分 度 ), 称 为 仪 器 的 精 密 度 . 最 小 刻 度 越 小 , 其 精 密 度 越 高 . 如 图 0 - 1 和 图 0 - 2 所 示 ,两 只 精 密 度 不 同 的 毫 安 表 , 前 者 精 密 度 为 10 m A, 后 者 精 密 度 为 1 m A. 图 0- 1 所 示 测 量 值 为 45 m A, 其 中 十 位 数 字 “ 4”是 由 仪 器 的 最 小 刻 度 直 接 读 出 的 , 是 准 确
22、的 、 可 靠 的 ,叫 做 可 靠 数 字 ; 个 位 数 字 “5”是 估 计 出 来 的 , 即 把 最 小 刻 度 的 间 距 凭 肉 眼 分 成 2、 5 或 10 等 份 , 估 计 读 数 所 占 的 份 数 ,然 后 把 这 一 位 数 读 出 . 因 为 是 估 计 的 , 所 以 是 不 可 靠 的 , 称 为 可 疑 数 字 . 可疑 数 字 在 测 量 中 也 是 有 效 的 ,不 能 因 为 它 是 可 疑 的 , 而 把 它 去 掉 , 变 成 40 m A , 这 样 误 差 更 大 . 同一 电 流 ,用 图 0 - 2 所 示 仪 器 测 量 ,其 测 量 值
23、 为 44.8 m A, 其 中 “ 44”是 可 靠 数 字 ,“ 8”是 估 计 出 来 1 的 ,是 可 疑 数 字 .图 0 - 1 图 0 - 2仪 器 上 读 出 的 可 靠 数 字 与 可 疑 数 字 ,在 测 量 中 都 是 有 效 的 , 称 为 有 效 数 字 .图 0 - 1 所 示 测 量 值 为 两 位 有 效 数 字 ,图 0 - 2 所 示 测 量 值 为 三 位 有 效 数 字 .对 同 一 个 量 进 行 测 量 , 有 效 数 字 位 数 越 多 ,测 量 结 果 越 精 确 .在 测 量 中 ,如 果 指 针 正 对 某 一 刻 度 , 如 图 0 - 1
24、、 图 0 - 2 中 虚 线 所 示 , 则 在 读 数 时 , 前 者 应 读 作 30 m A ,后 者 应 读 作 30.0 m A.在 单 位 换 算 时 ,必 须 注 意 使 有 效 数 字 的 位 数 不 变 . 例 如 ,测 量 某 物 体 的 质 量 为 10.0 g, 这 是 三 位 有 效 数 字 .如 果 用 千 克 作 单 位 , 就 写 为 0.010 0 kg, 仍 应 是 三 位 有 效 数 字 . 可 见 在 小 数 点 后 面 , 且 在 非 零 数 字 后 的 “0”是 有 意 义 的 , 它 是 有 效 数 字 .相 反 , 在 非 零 数 字 前 的
25、“0”不 是 有 效 数 字 , 它 只 与 单 位 的 换 算 有 关 ,不 表 示 有 效 数 字 的 位 数 . 为 了 避 免 混 淆 ,并 使 记 录 和 计 算 方 便 , 通 常 写 成 有 一 位 整 数 的 小 数 和 10 的 乘 方 的 积 的 形 式 .上 例 中 质 量 可 写 成 1.00 10 - 2 kg, 这 就 是 说 ,在 单 位 换算 时 ,有 效 数 字 的 位 数 要 保 持 不 变 , 从 而 使 测 量 精 密 度 不 变 .在 实 验 中 ,平 均 值 、 绝 对 误 差 、 相 对 误 差 以 及 间 接 待 测 的 量 等 等 , 都 要
26、对 直 接 测 得 的 量 经 过 一 定 运 算 才 能 求 得 .由 于 直 接 测 得 的 量 是 用 有 效 数 字 表 示 的 , 所 以 在 运 算 过 程 中 , 本 应 遵 循 有 效 数字 的 运 算 法 则 进 行 运 算 ,签 于 有 效 数 字 的 运 算 法 则 比 较 复 杂 , 我 们 暂 不 要 求 大 家 按 有 效 数 字 的 运 算 法 则 进 行 运 算 .但 在 做 实 验 时 , 应 按 照 有 效 数 字 的 要 求 ,能 够 根 据 仪 器 的 精 密 度 正 确 地 读 数 和记 录 ,在 一 般 的 计 算 中 , 运 算 结 果 取 两 位
27、 或 三 位 有 效 数 字 就 行 了 .2. 误 差(1) 什 么 是 误 差被 测 的 物 理 量 总 有 一 个 客 观 的 真 实 数 值 ,这 个 数 值 叫 该 量 的 真 值 .但 在 实 际 测 量 中 , 由 于 仪器 、 测 量 方 法 、 环 境 变 化 和 观 察 者 观 察 能 力 的 差 异 等 原 因 ,往 往 使 测 量 值 与 真 值 之 间 存 在 着 差 值 , 这 个 差 值 称 为 误 差 .(2) 误 差 的 产 生 和 分 类系 统 误 差 : 由 于 测 量 仪 器 本 身 不 完 善 ( 如 刻 度 不 准 、 电 表 零 点 未 调 好 、
28、 砝 码 未 校 正 等 ) 、 环 境 的 改 变 (如 温 度 、 压 强 的 变 化 )、 实 验 方 法 粗 糙 以 及 实 验 理 论 与 方 法 本 身 的 近 似 性 等 原 因 , 所 得 测量 值 总 是 有 规 律 地 偏 高 或 偏 低 于 真 值 ,这 种 误 差 称 为 系 统 误 差 .系 统 误 差 是 可 以 设 法 减 小 的 ,一 般 采 用 的 方 法 有 : 选 用 精 密 度 较 高 的 仪 器 ,提 高 操 作 技 能 , 正确 使 用 仪 器 ,改 进 测 量 原 理 和 方 法 等 .偶 然 误 差 :实 验 中 即 使 排 除 了 系 统 误
29、差 , 仍 存 在 一 些 偶 然 因 素 , 如 风 、 振 动 、 电 压 的 突 然 变 化 等 因 素 对 实 验 者 、 测 量 仪 器 、 被 测 对 象 的 影 响 ,这 样 造 成 的 误 差 称 为 偶 然 误 差 . 偶 然 误 差 具 有 明 显 2 3 4 3 3 3334 3 3的 特 点 , 即 测 量 值 有 时 偏 大 , 有 时 偏 小 , 对 大 量 偶 然 误 差 的 统 计 表 明 , 偏 大 或 偏 小 的 机 会 是 均 等的 .所 以 , 可 采 用 多 次 测 量 取 其 平 均 值 的 方 法 来 减 少 偶 然 误 差 .系 统 误 差 和
30、偶 然 误 差 只 能 减 小 ,不 能 完 全 消 除 . 所 以 ,它 们 对 测 量 值 的 精 确 程 度 起 决 定 作 用 . 在 实 验 中 由 于 测 量 者 疏 忽 大 意 或 违 反 操 作 规 程 等 会 引 起 疏 失 误 差 ,例 如 读 错 数 值 、 计 算 错 误等 ,只 要 测 量 者 谨 慎 、 细 心 ,认 真 对 待 实 验 , 疏 失 误 差 是 可 以 避 免 的 . (3) 误 差 的 表 示绝 对 误 差 : 测 量 值 与 真 值 间 差 值 的 绝 对 值 称 为 绝 对 误 差 . 但 是 , 真 值 是 无 法 测 得 的 , 而 被 人
31、们 公 认 的 精 确 测 量 值 比 较 接 近 于 真 值 ,所 以 往 往 用 公 认 值 取 代 真 值 . 然 而 在 一 般 的 测 量 中 , 被 测 量 可 能 连 公 认 值 也 没 有 ,在 这 种 情 况 下 , 常 取 多 次 测 量 的 平 均 值 作 为 该 量 的 公 认 值 .设 对 某 量 测 量 的 总 次 数 为 i,每 次 测 量 值 记 作 x1 , x2 , , xi , 则 该 量 的 平 均 值 珔 x 为珔 x = ( x1 + x2 + + xi ) i/每 次 测 量 值 xi 与 公 认 值 ( 或 平 均 值 )珔 x 差 值 的 绝
32、对 值 | xi - 珔 x| 称 为 该 次 测 量 的 绝 对 误 差 . 各 次 测 量 的 绝 对 误 差 的 平 均 值 称 为 平 均 绝 对 误 差 ,用 x 表 示 , 则 x = (| x1 - 珔 x| + | x2 - 珔 x| + + | xi - 珔 x|) i/ 通 常 x 只 取 1 位 非 零 数 字 ,测 量 结 果 写 成 以 下 形 式 :珔 x = x x 它 表 示 被 测 量 接 近 珔 x 值 , 在 (珔 x - x) (珔 x + x)之 间 .对 同 一 个 量 进 行 测 量 ,( 平 均 )绝 对 误 差 越 小 的 , 测 量 的 准
33、确 度 越 高 . 例 如 ,某 同 学 用 钢 板 尺 测 量 一 支 铅 笔 的 长 度 , 前 后 测 4 次 ,分 别 为 x1 = 17.65 c m , x2 = 17.71c m , x3 = 17.63 c m , x4 = 17.69 cm . 试 算 出 这 支 铅 笔 的 平 均 长 度 和 平 均 绝 对 误 差 , 并 将 测 量 结 果表 示 成 珔 x = x x 的 形 式 .铅 笔 的 平 均 长 度珔 x = ( x1 + x2 + x3 + x4 ) 4/= (17.65 + 17.71 + 17.63 + 17.69)c m 4/= 17.67 c m平
34、 均 绝 对 误 差 x = (|17.65 - 17.67| + |17.71 - 17.67| +|17.63 - 17.67| + |17.69 - 17.67|)c m 4/= 0.03 c m对 铅 笔 测 量 的 结 果 应 表 示 为x = (17.67 0.03)c m相 对 误 差 : 用 绝 对 误 差 往 往 表 达 不 了 实 验 结 果 的 优 劣 . 例 如 , 用 同 样 方 法 测 得 水 的 密 度 为1.110 kg m/ ,水 银 的 密 度 为 1.3710 kg m/ . 它 们 的 公 认 值 分 别 是 1.0 10 kg m/ 和 1.3610
35、kg m/ ,所 以 两 次 测 量 的 绝 对 误 差 都 是 0.110 kg m/ , 但 水 的 绝 对 误 差 占 公 认 值 的 10 % ,而 水 银 的 还 不 到 1 % ,显 然 , 后 者 要 准 确 得 多 .因 此 , 我 们 就 用 (平 均 ) 绝 对 误 差 与 公 认 值 (平 均 值 ) 的比 x 珔 x/ 来 表 示 实 验 的 精 确 度 , 称 为 相 对 误 差 . 一 般 用 百 分 比 来 表 示 , 又 叫 百 分 误 差 . 在 上 例 中 ,水 密 度 测 定 值 的 相 对 误 差 是 3 4 343 3 x1 |1.1 - 1.0| 1
36、0 kg m/ x1 = =珔 x1 1.0 103 kg m/3 = 0.1 = 10 %水 银 密 度 测 定 值 的 相 对 误 差 是 x2 |1.36 - 1.37|10 kg m/ x2 = =珔 x2 1.36103 0.007 = 0.7 %kg m/3. 有 效 数 字 的 运 算 规 则(1) 加 减 法 运 算 可 靠 数 字 与 可 疑 数 字 相 加 减 ,所 得 结 果 就 变 成 可 疑 的 了 . 所 以 ,诸 数 相 加 减 , 要 把 绝 对 误 差 最大 的 那 个 有 效 数 字 的 末 位 作 为 加 减 结 果 的 有 效 数 字 的 末 位 , 其
37、 余 的 尾 数 四 舍 五 入 , 以 下 举 例 说明 ,为 了 清 楚 起 见 , 我 们 在 可 疑 数 字 上 面 加 一 横 线 :135.1 + 32.2 3 + 1.47 7 = 168.81 3 5 . 13 2 . 2 3+ 1 . 4 7 71 6 8 . 8 0 7运 算 结 果 中 0.8 已 经 是 可 疑 的 了 ,以 后 的 两 位 数 更 不 可 靠 , 按 四 舍 五 入 法 舍 去 , 在 计 算 结 果 中 只保 留 一 位 可 疑 数 字 (但 在 运 算 过 程 中 往 往 多 保 留 一 位 可 疑 数 字 , 最 后 在 计 算 结 果 中 再
38、四 舍 五 入 ).(2) 乘 除 法 运 算 可 靠 数 字 与 可 疑 数 字 相 乘 除 ,所 得 结 果 也 是 可 疑 数 字 . 所 以 ,诸 数 相 乘 除 时 , 积 或 商 的 有 效 数字 的 位 数 应 和 各 数 中 有 效 数 字 位 数 最 少 的 相 同 ,其 余 的 尾 数 四 舍 五 入 , 例 如 :2.017 5 2.1 = 4.22. 0 1 7 5 2. 12 0 1 7 54 0 3 5 04. 2 3 6 7 5在 运 算 结 果 中 ,可 疑 数 字 仍 只 保 留 一 位 , 所 以 上 例 中 的 结 果 应 为 4.2. 为 了 简 化 运
39、 算 ,在 运 算 前 可 以 把 位 数 较 多 的 有 效 数 字 简 化 , 按 四 舍 五 入 法 把 不 必 要 的 位 数 去掉 ,使 它 的 有 效 数 字 位 数 比 最 少 位 数 多 一 位 再 进 行 计 算 . 在 上 例 中 ,2.017 5 可 简 化 成 2.02,运 算结 果 仍 是 4.2.(3) 乘 方 、 开 方 运 算 有 效 数 字 乘 方 时 ,幂 底 数 有 几 位 有 效 数 字 , 计 算 结 果 中 就 可 保 留 几 位 有 效 数 字 . 有 效 数 字 开 方 时 ,被 开 方 数 有 几 位 有 效 数 字 , 计 算 结 果 中 就
40、 可 保 留 几 位 有 效 数 字 . 4 2应 该 注 意 的 是 ,准 确 的 整 数 ( 例 如 东 西 的 个 数 、 实 验 次 数 等 ) 的 有 效 位 数 任 意 多 .另 外 , 公 式 中 的 自 然 数 , 例 如 g = 4 2 L T/2 中 的 “ 4”, 切 不 可 看 作 一 位 有 效 数 字 , 它 可 以 形 成 任 意 多 的 有 效 位 数 .其 他 常 数 = 3.141 592 6 ,重 力 加 速 度 g = 9.806 65 m s/ 等 也 做 类 似 的 处 理 , 运 算 中 取 多 少 位 ,要 看 其 他 量 的 有 效 数 字 来
41、 定 . 5 第 1 部 分 实 验1.1 测 定 金 属 圆 柱 体 的 密 度一 、 实 验 目 的1. 学 会 使 用 物 理 天 平 和 游 标 卡 尺 ;2. 巩 因 有 效 数 字 的 运 算 ;3. 测 定 金 属 圆 柱 体 的 密 度 . 二 、 实 验 原 理 物 体 的 密 度 ,是 单 位 体 积 的 质 量 , 即 = m/ V式中 为 待 测 物 体 的 密 度 ; m 是 金 属 圆 柱 体 的 质 量 , 可 用 物 理 天 平 测 出 ; V 是 金 属 圆 柱 体 的 体积 .用 卡 尺 测 出 金 属 圆 柱 体 的 直 径 D 和 长 度 l, 依 据
42、公 式 ,便 可 以 算 出 : = m/ V = 4 m (/ 其 中 的 D 和 l,可 在 不 同 位 置 分 别 测 量 5 次 , 取 平 均 值 .三 、 实 验 仪 器 和 器 材 金 属 圆 柱 体 ,物 理 天 平 , 游 标 卡 尺 . 四 、 思 考 题D2 l)1. 用 物 理 天 平 称 物 体 的 质 量 时 ,为 什 么 物 体 放 在 左 盘 , 砝 码 放 在 右 盘 ?2. 怎 样 测 定 任 意 形 状 固 体 的 密 度 ?实 验 报 告实 验 名 称 : 实 验 目 的 :实 验 原 理 : 6 实 验 仪 器 和 器 材 :实 验 数 据 记 录 :
43、表 1.1.1 测 定 金 属 圆 柱 体的 密 度测 量 次 数 圆 柱 体 长 度 m/ m圆 柱 体 直 径 D m/ m圆 柱 体 质 量 m k/g圆 柱 体 密 度 (/kgm - 3 )12345平 均 值报 告 人 : , 报 告 时 间 : 仪 器 介 绍 物 理 天 平1. 构 造 : 物 理 天 平 是 测 量 物 体 质 量 的 仪 器 .它 是 根 据 等 臂 杠 杆 原 理 制 成 的 .它 主 要 有 三 部 分 ,分 别 是 横 梁 、 支 柱 和 托 盘 .横 梁 上 有 三 个 刀 口 ,其 中 两 侧 刀 口 各 悬 挂 一 个 秤 盘 ,左 面 是 物
44、盘 ,右 面 是 砝 码 盘 .横 梁 下 面 固 定 一 根 指 针 ,当 横 梁 摆 动 时 ,指 针 尖 端 就 左 右 摆 动 .横 梁 的 升 降 由 制 动 旋 钮 控 制 .横 梁 两 端 的 平 衡 螺 母 在 调 平 衡 时 使 用 . 横 梁 上 还 有 游 码 ,用 于 1 g 以 下 的 秤 衡 .2. 安 装 : 将 各 部 件 擦 净 后 ,参 照 图 1.1.1 安 装 . 横梁 、 吊 耳 、 吊 环 、 托 盘 上 均 有 “1”或 “2”的 数 字 标 记 ,应 按 “左 1 右 2”的 顺 序 安 装. 3. 调 节(1) 调 节 调 平 螺 丝 ,当 底
45、 座 上 气 泡 水 准 仪 中 的 气 泡 位 于 正 中 央 时 ,表 示 天 平 已 调 到 水 平 位 置 .(2) 用 镊 子 把 游 码 拨 到 左 边 零 位, 慢 慢 升 起 横 梁 ,以 刻 度 牌 中 央 刻 线 为 准 ,看 指 针 向 两 边 摆 动 幅 度 是 否 相等 ,如 不 相 等 ,则 应 降 下 横 梁 调 整 相 应 的 平 衡 砣 ,重 复 上 述 过 程 ,直 至 平 衡 .4. 称 量 : 将 被 称 物 放 入 左 盘 ,将 砝 码 用 镊 子 夹 到 右 盘 中 .升 起 横 梁 ,看 指 针 的 偏 转 情 况 ,再 降 下 横 梁 ,增 减
46、砝 码 .如 此 反 复 ,到 最 小 砝 码 也 不 能 使 天 平 平 衡 时 ,落 下 横 梁 ,拨 动 游 码 ,再 升 起 横 梁 观 察 .当 指 针 摆 动 幅 度 在 刻 度以 内 时 即 表 示 天 平 已 经 平 衡 .5. 注 意 事 项(1) 天 平 使 用 时 ,要 缓 慢 地 转 动 手轮 ,切 勿 突然 开 启 .当 天平 摆 动 时 ,不 要 用 手 或 镊 子 拨 动 砝 码 盘 或 加 、 减 砝 码 ,以 免 影 响 天 平 的 灵 敏 度 .(2) 被 称 物 体 与 砝 码 都 要 放 在 盘 中 间 .不 要 使 天 平 超 载 称 量 .(3) 使
47、 用 完 毕 后 必 须 旋 回 手 轮 使 刀 口 和 刀 承 分 离 ,然 后 取 下 物 体 和 砝 码 ,砝 码 不 得 用 手 拿 取 ,必 须 用 镊 子 夹 取 . 7 图 1.1.1 物 理 天 平(4) 各 天 平 之 间 不 得 互 换 零 件 .(5) 用 后 存 放 在 干 燥 清 洁 的 地 方 .仪 器 介 绍 游 标 卡 尺1. 结 构 及 原 理 : 游 标 卡 尺 是 一种 测 量 长 度 的 较 精 密 量 具 ,它 可 以 测 量物 体 的 内 直 径 、 外 直 径 、 宽度 、 厚 度 、 深 度 等 .结 构 如 图 1.1.2 所 示 ,它 由 主
48、 尺 和 游 标 尺 组 成 ,游 标 尺 可 在 主 尺 上 滑 动 .游 标 尺 和 主 尺 之 间 有 一 弹 簧 片 ,利 用 弹 簧 片 的 弹 力 使 游 标 尺 与 主 尺 靠 紧 .游 标 尺 上 有 一 个 制 紧 螺 丝 ,旋 紧 螺 丝 可 将 游 标 尺 固 定 在 主 尺 上 的 任 意 位置 .主 尺 和 游 标 尺 都 附 有 卡 脚 .图 中 A 、 B 是 内 卡 脚 , A 、 B 是 外 卡 脚 (有 些 游 标 卡 尺 在 其 主 尺 背 面 嵌 有 一 根 镶 条 C,它 和 游 标 尺 联 在一 起 ,随 着 游标 尺 从 主 尺 中 伸 出 、 拉 进 ,用 来 测 量 槽 或 孔 的 深 度) .主 尺 和 游 标 尺 上 都 有 刻 度 .以 游 标 卡 尺 精 度 为 0.02 m m 为 例 ,主 尺 上 的 最 小 刻 度 是 m m .游 标 尺 的 刻 度 是 把 主 尺 上 的 9 m m 分 成 10 格 ,每 格 长 度 是 0.9 m m.卡 尺 的 卡 脚 并 拢 时 ,主 尺 和 游 标 尺 零 刻 度 对 齐 .这 时 ,游 标 尺 第 一 格 (长 0.91 m m = 0.9 m m)与 主 尺 1 m m 刻 度 相 差 0.1 m m ;游 标 尺 第 二 格 (
