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大学物理实验
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大学物理实验

作者：代锦辉，杨培林，田荣刚
出版社：科学出版社出版时间：2021-12-01
开本： 其他 页数： 212
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大学物理实验 版权信息

大学物理实验 内容简介

测量误差的基本知识（误差、不确定度、结果表示）、常用数据处理方法（列表法、作图法、逐差法、*小二乘法）、基本物理量的测量方法（长度、时间、温度、湿度、压强、电流、电压、电阻、磁感应强度、折射率、电子电荷、普朗克常量等）、常用物理实验方法（比较法、转换法、放大法、模拟法、补偿法、平衡法和干涉、衍射法等）、实验室常用仪器（长度测量仪器、计时仪器、测温仪器、变阻器、电表、交／直流电桥、通用示波器、低频信号发生器、分光仪、光谱仪、常用电源和光源等）、现代物理技术（激光技术、传感器技术、微弱信号检测技术、光电子技术等）、常用的实验操作技术（零位调整、水平／铅直调整、光路的共轴调整、消视差调整、逐次逼近调整等）、物理实验史料和物理实验在现代科学技术中的应用知识。

大学物理实验 目录

目录
前言
第1章绪论1
1.1大学物理实验课程的意义、地位和任务1
1.2大学物理实验课的基本教学程序1
1.3物理实验室规则2
1.4大学物理实验课的考核方式2
第2章测量不确定度、有效数字与数据处理3
2.1测量和误差3
2.2测量的不确定度7
2.3有效数字10
2.4测量结果的表示14
2.5实验数据的记录和处理方法15
第3章物理实验预备知识21
3.1力学实验预备知识21
3.2电磁学实验预备知识28
3.3光学实验预备知识36
3.4设计性实验预备知识40
第4章基础性实验44
实验4.1弹性模量的测定44
实验4.2刚体转动惯量的测量48
实验4.3液体黏度系数的测定51
实验4.4电表的改装与校准55
实验4.5导热系数的测定58
实验4.6电势差计62
实验4.7静电场的测绘72
实验4.8惠斯通电桥测电阻76
实验4.9双电桥测低电阻81
实验4.10示波器的原理和使用84
实验4.11分光计的调节与使用90
实验4.12光栅常数的测定94
实验4.13用分光计测三棱镜的折射率98
实验4.14牛顿环和劈尖干涉实验102
实验4.15双棱镜干涉实验107
第5章综合性实验和近代物理实验111
实验5.1声速的测量111
实验5.2温差电偶实验114
实验5.3空气比热容比的测定116
实验5.4光的偏振121
实验5.5压力传感器基本特性研究与电子秤的设计制作126
实验5.6长直螺线管内轴线上磁场的测量130
实验5.7密立根油滴实验137
实验5.8迈克耳孙干涉仪143
实验5.9光电效应实验148
实验5.10太阳能电池实验154
实验5.11弦振动实验161
实验5.12激光全息照相166
实验5.13光拍法测量光速169
实验5.14硅的霍尔效应及电导率的测量174
实验5.15音频信号光纤传输实验180
实验5.16微波实验技术189
第6章设计性实验和研究性实验193
实验6.1碰撞打靶193
实验6.2双棱镜干涉实验的研究194
实验6.3电阻测量的设计194
实验6.4电势差计的应用196
实验6.5双踪示波器的应用198
实验6.6测量不规则物体的密度198
实验6.7用冲击法测地磁场强度199
实验6.8微波与光的波动性研究200
主要参考文献202
附录物理学常用数表203
附录1常用物理量的法定计量单位203
附录2基本和重要的物理常数204
附录320℃时物质的密度205
附录4常温下材料的弹性模量205
附录520℃时液体的黏度系数205
附录6不同温度时甘油的黏度系数205
附录720℃时金属的电阻率及其温度系数205
附录8物质的折射率(对λD=589.3nm)205
附录9常用光源的谱线波长206
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大学物理实验 节选

第1章绪论 1.1大学物理实验课程的意义、地位和任务 科学实验，是人们为实现预定目的，通过人工干预和控制研究对象，让某种自然现象重复出现，使得人们可以反复观察、测量、分析、对比，*后获得结论的过程. 物理实验体现了大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面，是其他学科实验的基础. 因此，大学物理实验课是学生接受系统实验方法和实验技能培养与训练的开端，是高等学校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程. 大学物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础. 它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用. 大学物理实验课程的具体任务是： (1)掌握物理实验的基本知识. 学习误差理论和不确定度理论，学习物理量的测量，掌握常用的实验方法，学习数据处理和实验结果的规范表示. (2)培养自学与独立实验的能力. 能够通过阅读实验教材、参考书等有关资料，掌握实验原理及方法，正确使用实验仪器设备，独立完成实验内容，撰写出合格的实验报告. (3)培养分析与研究的能力. 能够运用相关理论知识对实验过程、实验现象和实验结果进行分析、判断、归纳和总结. (4)培养设计与创新的能力. 能够自主设计实验方案、确定测量方法、选择仪器设备和测量条件，完成符合规范要求的设计性或创新性实验. 1.2大学物理实验课的基本教学程序 不同的实验项目，虽然内容各不相同，但都包含了实验预习、实验进行和实验报告撰写三个程序，学生必须严格遵守. (1)实验预习. 学生应认真阅读实验教材及相关参考书，明确实验目的，掌握原理和方法，知道使用什么仪器，了解实验的操作步骤，并按要求写出预习报告、回答实验预习题. (2)实验进行. 进入实验室后，应阅读黑板上或实验桌上的通知和注意事项，听教师作启发性讲解，了解仪器的使用和保护方法，按要求调整仪器，观察实验现象，测量并记录数据，所有实验数据测完后，必须经教师认可签字，*后整理好仪器设备. (3)实验报告撰写. 实验报告是实验的总结，它在一定程度上体现了实验者的水平和实验成果的质量. 一份规范完整的实验报告包括以下8项不可缺少的内容(含评分标准)： a. 实验名称. (5分) b. 实验目的. (5分) c. 实验仪器.写出主要仪器设备及其主要参数. (5分) d. 实验原理.写出本实验主要物理量的测量方法和理论依据，主要测量公式及其适用条件，画出实验装置示意图、电路图或光路图. 需要注意的是，实验原理是在掌握并理解的基础上撰写的，切勿照抄教材. (20分) e. 实验内容与步骤.简述实验的主要内容和步骤即可，切勿照抄教材. (5分) f. 数据记录及处理.将原始数据重新整理誊写在报告上，数据必须准确完整，不允许修改，并尽可能列成表格；根据测量数据计算待测物理量及其测量的不确定度(应有较详细的计算过程)，按要求作实验曲线图. (35分) g. 实验结果表示. 写出实验的*后结果，应包含有效数表示的待测物理量的数值、不确定度和单位等三个信息. (5分) h. 分析与讨论. 内容不限，可以是实验现象的分析，实验结果的讨论，对问题的研究体会，实验的收获和建议. (20分) 1.3物理实验室规则 (1)学生进入实验室需带上教材和实验原始数据记录纸.每次实验，经教师讲解后，方可进行操作. (2)保持清洁安静的实验环境，遵守课堂纪律，不无故迟到、缺席、早退. 因特殊原因缺席的实验，应尽快与指导教师联系补做实验. (3)爱护实验仪器设备. 未经许可不能擅自搬动或调动他组仪器，实验中严格按要求操作，若因违反仪器操作规程或不听从教师指导而造成仪器损坏，需照章赔偿. (4)在实验过程中若仪器设备发生故障，应立即报告指导教师. (5)实验数据应如实、完整地记录在“实验原始数据记录纸”上，不可随意修改. (6)实验完毕后，整理好仪器设备，将实验桌面收拾整齐，经教师检查原始数据并签字后离开实验室. (7)认真完成实验报告，并附上有教师签字的原始数据，按要求及时交实验报告. 1.4大学物理实验课的考核方式 大学物理实验课程为考试课程. 与一般的理论课程不同，本课程的考核总成绩由平时成绩和考试成绩构成. 平时成绩占80%，包括实验报告、预习、实验操作及考核、回答问题、遵守实验室规则、考勤等；考试成绩占20%，包括期末考试或操作考试. 需要注意的是，按教学大纲的规定，缺席3次及以上实验项目，或者缺少3个及以上实验报告，总成绩都记为0分，需要重修本课程. 第2章测量不确定度、有效数字与数据处理 2.1测量和误差 2.1.1测量及其分类 大学物理实验除了定性地观察各种物理现象外，更多的是寻求、确定各物理量之间的内在联系，这就需要对各物理量进行测量. 测量就是将待测物理量与一个选作标准的同类物理量(量具或仪器设备)进行比较的过程，从而找出待测量是标准量的多少倍. 测量的结果应包含数值、单位和结果的可信程度(用不确定度表示). 测量可分为直接测量和间接测量. 在测量中，由于使用仪器、采用方法以及测量者的不同，测量又可分为等精度测量和不等精度测量. 1. 直接测量和间接测量 直接测量就是把待测量和标准量直接进行比较，从而得到所需结果，如用米尺测量书的长度、用停表测量时间、用电流表测量电流等. 间接测量就是先通过直接测量得到若干物理量的值，然后利用这些值并通过一定的函数关系(测量公式)求出所需结果. 例如，测量实验室的面积，可通过先直接测量出实验室的“长”和“宽”，再通过计算求出面积，面积这个结果就是通过间接测量得到的；又如，通过单摆测量重力加速度，就是先直接测出振动周期T和摆长l，然后利用函数关系求出重力加速度. 大学物理实验中，同学们在实验室所进行的测量大多数是直接测量，而每个实验*后所需要得到的结果几乎都是通过间接测量获得的. 2. 等精度测量和不等精度测量 等精度测量是在相同条件下对某一物理量进行的一系列测量. 例如，同一测量者使用同一仪器、采用同一种方法对同一物理量x进行连续多次测量，尽管各次测量值xi可能不相等，但可靠程度却相同. 不等精度测量是在不同的条件下对某一物理量进行的一系列测量. 例如，不同的测量者使用不同的仪器、采用不同的方法对物理量y进行若干次测量，则各次测量值yi的可靠程度不相同. 在不等精度测量中，由于各测量值的可靠程度不一样，因此在计算测量结果时，需要根据各测量值的“权重”进行“加权平均”. 但本书的绝大多数实验一般都采用等精度测量，所以后面所介绍的数据处理、误差或不确定度计算与分析都是针对等精度测量而言. 2.1.2测量误差 由于测量过程中各种因素的影响，任何测量都不可能绝对精确，即测量结果与被测量物理量的客观存在值之间总存在着偏差，这就是测量误差. 1. 真值与误差 真值是一个物理量在一定条件下的客观真实值. 由于实验方法、实验条件、实验仪器以及人的观察能力等因素的限制，真值是不可能得到的，它是一个理想的概念. 我们测量得到的结果仅是待测量的近似值. 误差即定义为测量值与真值之差. 设物理量的真值为，测量值为x，按定义误差则为 (2-1-1) 2. *佳值(算术平均值)与偏差 由于真值无法得到，在实际测量中常用约定真值来代替真值. 算术平均值、满足规定的准确度量值、计量器所复现的标准量值、公认值、理论值等都可以作为约定真值. 而在物理实验中，常用多次测量值的算术平均值作为测量的约定真值，也叫测量的*佳值. 设对某一物理量x进行n次等精度测量，得到一系列测量值，则测量结果的*佳值(算术平均值)为 (2-1-2) 而偏差则定义为测量值与算术平均值之差，即 (2-1-3) 可见，误差和偏差是有区别的，但可以证明，当测量次数很大时，偏差接近误差. 3. 绝对误差与相对误差 如上所述，我们定义了测量值的误差，有时也把叫做绝对误差. 评价一个测量结果的准确程度，不但要看绝对误差的大小，还要看相对误差的大小. 相对误差的定义为 (2-1-4) 由于无法得到，实际计算时常用偏差代替. 2.1.3误差及其分类 误差的产生有多方面的因素. 根据误差的性质和产生的原因，一般把误差分为三类：系统误差、偶然误差(也称为随机误差)、粗大误差. 1. 系统误差 系统误差是指在同一条件下多次测量同一物理量时，误差的大小和符号都保持不变，或当条件改变时，误差按某一确定的已知规律变化的误差. 系统误差产生的原因主要有以下几个方面： (1)仪器方面：由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用所带来的误差，如天平不等臂、螺旋有空程差. (2)理论方面：由于测量所依据的理论的近似性、测量方法和测量条件与理论要求有出入而带来的误差. 例如，伏安法测量电阻时，没有考虑电表内阻的影响；称质量轻而体积大的物体时，忽略了空气浮力的影响. (3)人员方面：由于测量者本人生理或心理特点所带来的误差. 例如，左右手习惯不同；远近、色彩视力差异；反应的迟缓. 可见，系统误差有其规律性，并且可以通过实验方案的优化、参数的设计、测量条件的控制、仪器精度的选择、测量结果的修正等方面来减小或消除它，但这对实验者的设计能力、实验能力、研究能力等都有较高的要求. 实验者应在实验中不断总结经验，提高实验素养，逐步尽可能地减小系统误差. 2. 偶然误差 偶然误差是指在同一条件下多次测量同一物理量时，即使系统误差已经全部消除，仍然存在误差，而且误差时大时小，时正时负，不可预知也无法控制，这种误差称为偶然误差. 偶然误差产生的原因主要有： (1)判断的起伏. 许多仪器需要对*小分度值以下作估计，而测量者的估计由于各种原因可能不断改变. (2)涨落的影响. 例如，实验时温度、湿度、压强、电源电动势等的微小变化. (3)外界干扰. 例如，测量时外界的振动、热、声、光的干扰. (4)被测量物体本身的不确定性. 例如，钢丝直径的不均匀性. 虽然对于每次测量来说，偶然误差的出现是没有规律的，也是不可预知的，但是如果测量次数足够多，就可以发现偶然误差服从一定的统计规律，即各种大小、符号的偶然误差的出现有确定的概率. 在大多数情况下，偶然误差服从正态(高斯)分布. 如图2-1-1所示，横坐标表示偶然误差，纵坐标表示对应的误差出现的概念密度. 根据误差理论，偶然误差的高斯分布函数为 (2-1-5) 或 (2-1-6) 其中 (2-1-7) (2-1-8) 其中，为测量值；为测量值的偶然误差；为与真值有关的数值，称为标准差，是表征测量分散性的一个重要参量. 和作为高斯分布的两个参数，决定了分布的位置和形态. 由高斯分布函数及其曲线可知，偶然误差服从以下的统计规律： (1)对称性. 绝对值相等的正负误差出现的概率相等； (2)单峰性. 绝对值小的误差出现的概率大，绝对值大的误差出现的概率小； (3)有限性. 在一定测

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