緒論
認(rèn)識(shí)源于實(shí)踐,又要得到實(shí)踐的檢驗(yàn).科學(xué)實(shí)驗(yàn)是實(shí)踐的重要形式之一,自然規(guī)律的認(rèn)識(shí)與應(yīng)用,無不與實(shí)驗(yàn)息息相關(guān),在科學(xué)研究和生產(chǎn)活動(dòng)中,有著十分重要的作用.隨著教學(xué)改革的深入,作為一門獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)課程,大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)不再僅僅是對(duì)物理理論的簡單應(yīng)用和機(jī)械重復(fù),而應(yīng)當(dāng)承擔(dān)起對(duì)學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)訓(xùn)練的功能.鑒于此,使學(xué)生掌握基本科學(xué)儀器的使用方法和常規(guī)物理量的測量方法,成為這種基礎(chǔ)訓(xùn)練的重中之重,這也是開設(shè)“物理量測量”課程的目的所在.通過本課程的學(xué)習(xí),為今后更高層次的科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究打下牢固的基礎(chǔ),以適應(yīng)21世紀(jì)“面向現(xiàn)代化,面向未來”的人才培養(yǎng)要求.
1.“物理量測量”課程目的
通過對(duì)物理現(xiàn)象的觀察和分析,閱讀教材和相關(guān)資料,概括出具體物理量測量的原理與方法,正確使用儀器,科學(xué)測量,同時(shí)記錄和處理數(shù)據(jù),分析測量結(jié)果并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告.對(duì)一些不太復(fù)雜的物理量,能夠自行設(shè)計(jì)測量方法并完成測量.同時(shí)注意培養(yǎng)實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng),以及遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作、愛護(hù)公物的優(yōu)良品質(zhì).
2.主要教學(xué)環(huán)節(jié)
為達(dá)到課程開設(shè)目的,基本程序大致有三個(gè)重要環(huán)節(jié).
1)課前預(yù)習(xí)
課前應(yīng)根據(jù)網(wǎng)上預(yù)約的課程項(xiàng)目,認(rèn)真閱讀教材,必要時(shí)應(yīng)查閱相關(guān)資料,明確本次課的測量目的,基本弄懂所用的原理方法,在此基礎(chǔ)之上,弄清楚要觀察哪些現(xiàn)象,測量哪些數(shù)據(jù),是直接測量還是間接測量.全面了解之后,寫出預(yù)習(xí)報(bào)告,內(nèi)容包括:基本原理的文字概述、畫出原理圖、列出理論公式、擬定數(shù)據(jù)記錄表格.
2)課堂測量
學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室之后,應(yīng)遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)則,在教師指導(dǎo)下,進(jìn)一步明確測量的目的、儀器的使用方法及注意事項(xiàng),認(rèn)真操作,仔細(xì)觀察,積極思考,細(xì)心記錄.實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí),將測量數(shù)據(jù)交教師審閱簽字后,方可離開實(shí)驗(yàn)室.
3)課后總結(jié)
課后及時(shí)對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,數(shù)據(jù)處理包括計(jì)算、作圖、誤差分析等方面.數(shù)據(jù)處理后給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果,撰寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告,要求字跡工整、文理通順、圖表合理、結(jié)論明確、格式規(guī)范.實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容包括：
(1)實(shí)驗(yàn)名稱(同時(shí)注明實(shí)驗(yàn)者姓名、實(shí)驗(yàn)日期).
(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
(3)實(shí)驗(yàn)原理.概述本次測量所依據(jù)理論,附帶必要的公式、原理圖.
(4)實(shí)驗(yàn)步驟.根據(jù)實(shí)際操作過程,條理分明地概括說明測量主要程序及注意事項(xiàng).
(5)數(shù)據(jù)處理.記錄測量數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)計(jì)算、曲線圖繪制、誤差分析.
3.物理實(shí)驗(yàn)課學(xué)生須知
(1)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課開課學(xué)期為每級(jí)學(xué)生的第二學(xué)期和第三學(xué)期上課.學(xué)生預(yù)約時(shí)要觀察網(wǎng)上的每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目規(guī)定的學(xué)時(shí)數(shù),在每學(xué)期的第一至二周內(nèi)一次性預(yù)約完本學(xué)期規(guī)定的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)數(shù)(實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)X學(xué)時(shí)數(shù)).學(xué)生根據(jù)預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目按時(shí)上課,可自己設(shè)計(jì)創(chuàng)新研究項(xiàng)目.
(2)“清明節(jié)”、“勞動(dòng)節(jié)”、“端午節(jié)”、“國慶節(jié)”、“中秋節(jié)”、“元旦”節(jié)日休息時(shí)間,請(qǐng)不要預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.
(3)學(xué)生要掌握本學(xué)期上理論課的時(shí)間,確定理論課與實(shí)驗(yàn)課時(shí)間不沖突的前提下預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目.選課路徑:教務(wù)處一實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)一大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心.初始密碼為123456:你第一次登陸后必須修改初始密碼,并記牢你修改的新密碼.要記錄下你預(yù)約的每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)室編號(hào)、時(shí)間代碼（例第09周、星期3、第56節(jié)上課,時(shí)間代碼為09356).
(4)實(shí)驗(yàn)前必須預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)講義,寫出預(yù)習(xí)報(bào)告,實(shí)驗(yàn)報(bào)告上的內(nèi)容要準(zhǔn)確填寫,到實(shí)驗(yàn)室上課簽名時(shí)再填寫實(shí)驗(yàn)序號(hào),沒有寫預(yù)習(xí)報(bào)告者一律不準(zhǔn)做實(shí)驗(yàn),請(qǐng)與老師商定另做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間.
(5)如果預(yù)約的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不能按時(shí)上課,請(qǐng)?jiān)诿恐芩囊郧霸诰W(wǎng)上撤銷該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目重新預(yù)約,或者提前持請(qǐng)假條向任課教師請(qǐng)假,另商定上課時(shí)間.
(6)學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課必須隨身攜帶有照片的有效證件,已方便老師對(duì)教學(xué)查詢及教學(xué)問題的處理.
(7)禁止讓他人網(wǎng)上替代預(yù)約實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,以防出錯(cuò).不準(zhǔn)學(xué)生替做實(shí)驗(yàn),替做和被替做的學(xué)生本學(xué)期成績?yōu)榱惴?出現(xiàn)的不良后果學(xué)生本人自負(fù).
(8)學(xué)生上實(shí)驗(yàn)課時(shí)不準(zhǔn)開通信工具,不準(zhǔn)隨便出入實(shí)驗(yàn)室,有事向老師請(qǐng)假!
(9)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后兩天內(nèi)將實(shí)驗(yàn)報(bào)告投到任課教師的實(shí)驗(yàn)報(bào)告箱內(nèi),交實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)請(qǐng)不要投錯(cuò)實(shí)驗(yàn)報(bào)告箱,以防實(shí)驗(yàn)報(bào)告丟失.
(10)第17周四至18周二為成績公示時(shí)間,學(xué)生可網(wǎng)上查詢本學(xué)期的實(shí)驗(yàn)成績,成績有誤者請(qǐng)本周及時(shí)找任課教師查詢.
(11)上大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課時(shí)!如遇到其他事宜,請(qǐng)直接到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心（15-445室）網(wǎng)絡(luò)管理中心處咨詢.
(12)物理實(shí)驗(yàn)室分布在15號(hào)教學(xué)樓北區(qū):三層實(shí)驗(yàn)室、四層實(shí)驗(yàn)室、五層實(shí)驗(yàn)室.
(13)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)址：http://210.44.176.104/wuli.
4.物理實(shí)驗(yàn)成績評(píng)分細(xì)則
為使學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績公平、公正、合理的原則,對(duì)學(xué)生的每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要有統(tǒng)一的綜合評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成績由三部分組成:實(shí)驗(yàn)課前預(yù)習(xí)分、課堂實(shí)驗(yàn)綜合考察分和實(shí)驗(yàn)測試報(bào)告分.為使所有實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)分盡量達(dá)到統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求,特制定如下評(píng)分細(xì)則：
1)實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)分（0分）
(1)實(shí)驗(yàn)報(bào)告上的內(nèi)容填寫要完整（實(shí)驗(yàn)名稱、姓名、時(shí)間代碼、實(shí)驗(yàn)序號(hào)、級(jí)班、儀器與用具等).
(2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
(3)實(shí)驗(yàn)原理及原圖.
(4)操作步驟.
(5)畫出數(shù)據(jù)記錄表格.
(6)書寫工整,表達(dá)完整.
2)實(shí)驗(yàn)課堂綜合考察分30分)
(1)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室要簽名,按實(shí)驗(yàn)序號(hào)對(duì)號(hào)入座.
(2)遲到超過八分鐘本次實(shí)驗(yàn)取消.
(3)入座后檢查儀器的器件數(shù)量是否缺少、開關(guān)、旋鈕是否正常.
(4)認(rèn)真聽老師講解,不明白的地方舉手提問.
(5)熟悉儀器各項(xiàng)功能,正確連接線路,掌握儀器的正確操作功能.
(6)按正確的實(shí)驗(yàn)步驟逐項(xiàng)進(jìn)行操作.
(7)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采取實(shí)事求是,數(shù)據(jù)用鋼筆、圓珠筆填入數(shù)據(jù)表格中,抄襲別組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為零分.
(8)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,將儀器、物品清點(diǎn)好,凳子放回原處.
(9)要保持室內(nèi)良好的環(huán)境衛(wèi)生.
3)實(shí)驗(yàn)報(bào)告分40分)
(1)實(shí)驗(yàn)原理能用創(chuàng)新的理論知識(shí)闡述,做到簡明扼要.
(2)實(shí)驗(yàn)過程能補(bǔ)充新的實(shí)驗(yàn)步驟和測量技巧.
(3)采取數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、能估讀到儀器最佳有效數(shù)字的位數(shù).
(4)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采取量要大(不少于五組).
(5)數(shù)據(jù)處理要計(jì)算全過程(只寫公式及結(jié)果零分).
(6)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)仔細(xì)作圖.
(7)對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)要采取正確的誤差處理方法(按教材及教師要求).
(8)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果要進(jìn)行分析(簡要用文字說明).
(9)回答課后思考題.
(10)按時(shí)交實(shí)驗(yàn)報(bào)告.
(1)不交實(shí)驗(yàn)報(bào)告者實(shí)驗(yàn)報(bào)告分記零分.
4)無故曠課補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)者滿分(60%分).曠課一周內(nèi)有任課教師按學(xué)生曠課原因解決,一周外由實(shí)驗(yàn)室正、副主任按學(xué)生曠課原因解決.
各位任課教師認(rèn)真掌握評(píng)分細(xì)則,在報(bào)告中打出批改標(biāo)記(對(duì)號(hào)"、錯(cuò)號(hào)X、扣掉分標(biāo)記）,批改日期.上述三項(xiàng)成績之和為每一個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總成績.
第一章測量的不確定度與數(shù)據(jù)處理
1.1測量、測量誤差與誤差處理
1.測量與測量誤差
自然科學(xué)的發(fā)展過程是通過對(duì)客觀世界的觀察研究,發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象,找出物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并作出正確解釋的過程.為了更準(zhǔn)確地分析事物,測量物理量的大小是必不可少的,因此要借助于實(shí)驗(yàn)的方法來測量數(shù)據(jù).物理量須有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單位來與之比較方能知道其大小.被測物理量與所選的標(biāo)準(zhǔn)單位進(jìn)行比較,得到的倍數(shù)即為測量值.例如長度選擇米（m)為標(biāo)準(zhǔn)單位（它是光在真空中1/299792458S傳播的距離).顯然,測量值的大小與所選用單位有關(guān).因此,表示一個(gè)物理量的測量值時(shí)必須包括數(shù)值和單位.
1)直接測量與間接測量
測量分為兩類,直接測量和間接測量.
直接測量是用能直接讀出被測值的儀器進(jìn)行測量的方法,相應(yīng)測量值稱為直接測量值.例如用米尺測物體的長度,用天平測物體的質(zhì)量,用電流表測量電路中的電流強(qiáng)度等都是直接測量.
實(shí)際測量中,很多物理量是沒有專門儀器來直接測量的.通常的方法是先用直接測量的方法測出幾個(gè)物理量,然后代入公式計(jì)算得到所需物理量,這種方法稱為間接測量.例如用單擺測量重力加速度時(shí),先測出擺長"和周期了,然后代入公式
,得到當(dāng)?shù)氐闹亓�加速�?實(shí)際接觸到的測量,大部分屬于間接測量.
2)等精度測量和不等精度測量
對(duì)某一物理量進(jìn)行多次測量時(shí),如果測量條件保持不變(同一的測量者、儀器、方法及相同的外部環(huán)境）,是無法判斷測量精度有何差異的,即無法判斷某一次測量比另一次測量是否更準(zhǔn)確,那么只能認(rèn)為每次測量的精度是同等級(jí)別的,這樣進(jìn)行的重復(fù)測量稱為等精度測量.如果測量條件中,一個(gè)或幾個(gè)發(fā)生了變化,這時(shí)所進(jìn)行的測量就稱為不等精度測量.實(shí)際測量中應(yīng)盡量保持為等精度測量.
3)測量誤差
在一定條件下,任何待測物理量都是客觀存在的,不依人的意志為轉(zhuǎn)移的確定量值,稱為真值.測量過程中,測量儀器不可能是盡善盡美的,測量所依據(jù)的理論公式所要求的條件也是無法絕對(duì)保證的,再加上測量技術(shù)、環(huán)境條件等各種因素的限制,測量不可能是無限精確的,測量結(jié)果與客觀存在的真值之間都有一定的差異,我們把測量結(jié)果與真值之間的差值叫做測量誤差.測量誤差反映了測量結(jié)果的準(zhǔn)確程度,可用絕對(duì)誤差表示,也可以用相對(duì)誤差(E)表示
絕對(duì)誤差=測量結(jié)果一被測量的真值
相對(duì)誤差=絕對(duì)誤差/被測量的真值×100%
式中,絕對(duì)誤差表示測量結(jié)果偏離真值的大小與方向,即表示某一次測量結(jié)果的優(yōu)劣;相對(duì)誤差則可以比較不同測量結(jié)果的優(yōu)劣度.
2.誤差分類
誤差按其性質(zhì)和產(chǎn)生原因可分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差.
1)系統(tǒng)誤差
系統(tǒng)誤差總是使測量結(jié)果向一個(gè)方向偏離,其數(shù)值是一定的或以可預(yù)知的方式變化的.它來源于儀器本身的缺陷(儀器誤差）,如儀器的零點(diǎn)不準(zhǔn),球面鏡各處的曲率不一樣;或來源于理論公式和測量方法的近似性(理論誤差或方法誤差）,如用伏安法測電阻時(shí)沒考慮電表內(nèi)阻,單擺測重力加速度時(shí)忽略了空氣阻力；或來源于測量者個(gè)人習(xí)慣性誤差(個(gè)人誤差）,如計(jì)時(shí)時(shí),有人反應(yīng)快、有人反應(yīng)慢等.
系統(tǒng)誤差有時(shí)是定值,如游標(biāo)卡尺的零點(diǎn)不準(zhǔn);有些是積累性的,如在較高溫度下用鋼制米尺進(jìn)行測量,其指標(biāo)值小于真值,誤差隨待測長度成正比增加；還有些是周期性變化的,如分光計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心軸與刻度中心不重合而造成的偏心差,在不同的位置有不同的數(shù)值,按一定規(guī)律變化,但在某一定位置,其誤差又是定值.
可見,系統(tǒng)誤差的出現(xiàn)是有規(guī)律的,或全部結(jié)果都大于真值,或全部結(jié)果都小于真值,增加測量次數(shù)并不能減小這種誤差的影響.消除和糾正系統(tǒng)誤差的方法是對(duì)儀器進(jìn)行校正,修正實(shí)驗(yàn)方法,或者在計(jì)算公式中引入修正項(xiàng),以消除某些因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.本課程只要求初步建立系統(tǒng)誤差的概念,并在某些實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)消除系統(tǒng)誤差的方法.
2)隨機(jī)誤差
測量時(shí),由于測量者的感官有一定限制,如估讀儀器讀數(shù)時(shí)最后一位不準(zhǔn);或由于周圍環(huán)境條件變化,如測量中氣流擾動(dòng)或溫度起伏;或由于測量對(duì)象本身有統(tǒng)計(jì)的漲落,如一定溫度下以一定速度運(yùn)動(dòng)的分子數(shù)目是個(gè)有漲落的統(tǒng)計(jì)量;或由于其他一些不可預(yù)測的隨機(jī)因素造成的干擾等,都會(huì)引起測量誤差.這些由于隨機(jī)的或不確定的因素所引起的每一次測量值無規(guī)律的漲落而造成的誤差,稱為隨機(jī)誤差,也叫偶然誤差.