大学物理实验电子书(一)

绪论物理实验的地位和作用实验是人们认识自然规律、改造客观世界的基本手段。

借助于实验，人们可以突破感官的限制，扩展认识的境界，揭示事物的内在联系。

近代科学历史表明，自然科学领域内的所有研究成果都是理论和实验密切结合的结晶。

随着科学技术的发展，实验的运用日益广泛和复杂，实验的精确程度越来越高，实验环节在科学技术的重大突破中所起的作用也越来越大。

物理实验是科学实验的重要组成部分之一。

物理实验本质上是一门实验科学。

在物理学的发展中一直起着重要的作用。

物理概念的确立、物理规律的发展、物理理论的建立都有赖于物理实验，并受物理实验的检验。

物理学是一切自然科学的基础，人类文明史上的每次重大的技术革命都是以物理学的进步为先导的，物理实验在其中起着独特的作用。

如，法拉第等人进行电磁学的实验研究促使了电磁学的产生与发展，导致了电力技术与无线电技术的诞生，形成了电力与电子工业；放射性实验的研究和发展导致原子核科学的诞生与核能的运用，使人类进入了原子能时代；固体物理实验的研究和发展导致晶体管与集成电路的问世，进而形成了强大的微电子工业与计算机产业，使人类步入信息时代。

当今科学技术的发展以学科互相渗透、交叉与综合为特征。

物理实验作为有力的工具，其构思、方法和技术与其他学科的相互结合已经取得巨大的成果。

不容置疑，今后在探索和开拓新的科技领域中，物理实验仍然是有力的工具。

物理实验的任务和目的物理实验是对工科学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础课程，是学生进入大学后受到系统实验方法和实验技能训练的开端，是工科类专业对学生进行科学实验训练的重要基础。

本课程的具体任务是：（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）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，作好实验前的准备。

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，说明实验结果，撰写合格的实验报告。

⑤ 能够完成简单的设计性实验。

（3）培养与提高学生的科学实验素养。

要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学态度，严肃认真的工作作风，主动研究的探索精神和遵守纪律、爱护公共财产的优良品德。

物理实验课的基本程序物理实验多数是测量某一物理量的数值，也有研究某一物理量随另一物理量变化的规律性。

对同一物理量虽可用不同方法来测定，但是，无论实验内容如何，也不论采用哪一种实验方法，物理实验课的基本程序大都相同,一般分为如下三个阶段：实验课前的预习由于实验课时间有限，而熟悉仪器和测量数据的任务比较重，因此必须在实验课前认真预习实验课本，明确实验的目的和实验的基本原理，了解实验的内容和基本方法。

预习时，应以理解所述原理为主，其次是明确实验目的和要求。

对于实验过程的具体要求只作粗略了解，以便能抓住实验的关键。

为了使测量结果一目了然，防止漏测数据，预习时应根据实验要求在记录纸上画好数据表格（表格的画法请参见节列表法）。

在达到预习要求的基础上，要求写好预习报告（统一写在实验报告纸上），其内容包括：（1）实验名称。

（2）实验目的。

（3）实验原理（只要求写出原理摘要）。

（4）实验仪器的概述。

（5）实验内容（概要地写出主要内容和步骤）。

（6）注意事项（只写需要特别注意的事项）。

进行实验先对照课本了解仪器的结构原理和使用方法，再将仪器安装调试好，或开始接线，准备就绪后开始测量或观察。

测量时，应按有效数字规则读数和记录数据，其位数不能任意增减。

实验数据应经教师审阅认可，否则应重做或补做。

撰写报告在原预习报告的基础上充实以下几部分内容：（1）数据记录与处理（包括记录表格、误差估算及最后结果的表示等，运算步骤应完整，并注意有效数字）。

（2）误差分析和问题讨论等。

问题讨论中，包括回答实验思考题，分析实验中观察到的异常现象，以及对实验课的意见、建议等。

实验报告是实验工作的书面总结，也是今后书写科研论文的基础，应保持字迹端正、书写整洁、条理清楚、内容正确和完整。

如实验报告不符合要求，教师可要求学生重写。

上 篇1 物理实验的基础知识（上）测量、误差、不确定度测量与误差1）测量物理实验是将物质的运动形态按人们的意愿在一定的实验条件下再现，以找出各物理量间的关系，确定它们的数值大小，从中获取规律性认识的过程。

而要在实验中得到这种定量化的认识，测量是必不可少的。

测量从本质上讲是人们对自然界中的客体获取数量概念的一种认识过程。

这一过程，总是通过一定的实验者，运用一定的方法，使用一定的仪器实现的。

在测量过程中，为确定被测对象的测量值，首先要选定一个单位，然后将待测量与这个单位进行比较，得到比值（倍数）即为测量值的数值。

显然，数值的大小与所选的单位有关，因此表示一测量值数值时必须附以单位。

2）直接测量与间接测量所谓直接测量就是将待测量与预先选定好的仪器、量具比较，直接从仪器上读出测量量的大小。

例如，用米尺测长度，用天平测质量，用电流表测电流等。

应该指出的是，能直接测量的物理量并不多。

对大多数物理量来说，没有可供直接进行测量、读数用的仪器。

只能用间接的方法进行测量，即将待测量表示成另外几个可直接测量量的函数。

根据可直接测量的物理量的测量值通过一定的函数运算，最终计算出待测量。

这样的一类测量称为间接测量。

例如，直接测量出铜柱体的高h 和直径d ，便可间接测出其体积2/4V d h π=。

如再直接测出其质量m ，便又可间接测出其密度24m m V d hρπ==。

3）真值与误差一个待测的物理量，客观上在一定条件下都有一定的大小，我们称之为“真值”。

显然，我们测量的目的也正是为了寻求这一真值。

但具体的测量由于总要使用一定的仪器，通过一定的方法，在一定的环境条件下，由一定的观测者去完成，而仪器、方法、环境和测量者都不可能是尽善尽美，没有缺陷的。

因此，得到的测量值和真值之间总不可避免地存在着或多或少的差异．这种差异就是所谓的误差。

如果用A 表示待测量的真值，X 表示具体的测量值，则可将测量的误差∆X 表示为 X X A ∆=- （1）测量得到的一切值，都毫无例外地存在误差，误差存在于一切测量之中，而且贯穿于测量过程的始末。

在误差无法避免的情况下，我们所做的工作应该是：第一，尽量设法减小测量中的误差；第二，找到在同一测量条件下，最接近于真值的最佳近似值；第三，估计最佳值的可靠程度或者说明一个值域范围内包含真值的可能程度。

4）误差的分类根据误差形成的不同原因及表现出的不同特性通常将其分为系统误差、随机误差和过失误差三类。

（1）系统误差。

在一定的实验条件下，对同一物理量进行多次测量时，误差的绝对值和符号总保持不变或总按某一特定的规律变化，这一类误差称为系统误差。

系统误差的产生原因可归结为以下几个方面：① 仪器本身的缺陷。

如刻度不准确，零点未校准，仪器未按要求调到最佳测量状态等。

② 理论与方法上的不完善。

例如，用伏安法测电阻没有考虑电表内阻的影响，进行热学实验时有热量的散失等。

③ 外界环境因素的影响。

例如，金属尺的热胀冷缩，标准电池的电动势随温度的改变而发生变化。

④ 测量者的习惯和偏向。

例如，有的测量者习惯于侧坐斜视读数，有的在记录信号时总是偏快等。

系统误差的发现、减小或修正是一项重要的实验课题，对于广大学生来说，则是需要通过具体的实验训练逐步培养的一种重要的实验技能。

原则上讲，系统误差的分析处理可以根据具体情况在实验前、实验中或实验后进行。

例如，实验前选择合适的测量方法，对测量仪器进行校准；在实验中可采取一定的方法和手段使测量中的系统误差消除或减小；在实验测量后可对实验值进行理论修正等。

关于系统误差知识的较详细的介绍，请参阅本教材下篇“物理实验的基础知识（下）”。

（2）随机误差。

在相同的条件下，多次测量同一物理量时误差时大时小，时正时负，以一种不可预定的方式随机变化着，这类误差称为随机误差。

它是由一系列随机的、不确定的因素所形成的。

例如：① 人的感官判断力的随机性，在测量与读数时总难免存在时大时小的偏差。

② 外界因素的起伏不定，如温度的或高或低，电源电压的不稳定等。

③ 仪器内部存在的一些偶然因素，如零部件配合的不稳定等。

在实验过程中，上述因素往往混杂出现，难以预知，难以控制，所以，对待随机误差，不可能像对系统误差那样，找出原因，一一加以分析处理。

习惯上，随机误差又被称为“偶然误差”，但在理解这一概念时要注意，所谓随机误差（偶然误差）仅仅是指在某一次具体的测量中，其误差的大小与正负带有偶然性（随机性），而不能理解为在测量过程中，这类误差只是偶然出现的，也不能理解为“随机误差是完全偶然的，随机性的，没有什么规律可循”。

事实上，当测量次数充分多时，随机误差必然显示出其特有的规律性。

这一问题，我们将在下一节中讨论。

（3）过失误差。

过失误差又称为粗大误差。

它是由于不正确地使用仪器，粗心大意．观察错误或记错数据等不正常情况引起的误差。

只要实验者有严肃认真的科学态度，一丝不苟的工作作风，过失误差是可以避免的，即使不小心出现了，也应能在分析后立即予以剔除。

5）精密度、正确度和精确度为了能正确评价实验中测量结果的好坏，可引入精密度、正确度和精确度这三个概念。

（1）精密度——表示重复测量所得的各测量值相互接近的程度，它描述了测量结果的重复性的优劣，反映了测量中随机误差的大小，所谓测量精密度高，就是指测量数据的离散性小，即随机误差小（但系统误差的大小不明确）。

（2）正确度——表示测量结果与真值相接近的程度，它描述了测量结果的正确性的高低，反映了测量中系统误差的大小程度，所谓测量的正确度高就是指最后的测量结果与真值的偏差小，即系统误差小（但随机误差的大小不确定）。

（3）精确度——是对测量结果的精密性与正确性的综合评定，因而反映了总的误差情况，所谓测量的精确度高，就是指测量值集中于真值附近，即测量的随机误差与系统误差都较小。

图1－1所示子弹打靶时的着弹点的分布情况可形象地说明上述三个量的意义。

图1－1图（a）表明数据的精密度高，但正确度低，相当于随机误差小而系统误差大；图（b）则表示数据的正确度高而精密度低，即系统误差小而随机误差大；图（c）则代表精密度和正确度都较高，即精确度高，总误差小。

直接测量的结果及不确定度的分析在直接对一个物理量进行测量时，测量值中往往同时存在系统误差和随机误差。

在本节中，我们将首先讨论随机误差的分析方法，然后引入不确定度的概念并说明如何表示直接测量的结果。

1）随机误差的统计规律如前所述，就每一次测量而言，其随机误差的大小和符号都是不可预知的，具有“偶然性”或“随机性”。

但理论和实践都证明，如果对某一物理量在同一条件下进行多次测量，则当测量次数足够多时，这一组等精度测量数据（称为一个测量列）其随机误差一般服从如图1—2所示的统计规律，图中横坐标表示误差X∆，纵坐标表示一个与该误差出现的几率相关的几率密度函数()∆。