大學物理實驗教案教學課題教學時數(shù)教學對象教學地點實驗儀器緒論2學時理工科類、農學類各專業(yè)基礎實驗樓5-6樓課堂理論課1.培養(yǎng)學生的物理實驗知識，加深對物理學原理的理解2.培養(yǎng)與提高學生的科學實驗能力與科學素養(yǎng)3.理解測量的基本術語、誤差的分類與計算方法4.掌握在各種運算中有效數(shù)字位數(shù)的取舍原則5.掌握直接測量量與間接測量量不確定度的計算方法6.掌握列表法、作圖法、逐差法與最小二乘法來處理實驗數(shù)據7.指導學生能夠獨立完成預習、進行實驗和撰寫實驗報告1.為什么要上物理實驗課教學目的教學內容2.實驗數(shù)據處理的基礎理論3.怎樣上好物理實驗課1．測量的基本術語及其解釋2．有效數(shù)字的讀取與運算教學重點教學難點3.直接測量量的數(shù)據處理方法4.間接測量量的數(shù)據處理方法5.雙變量測量的數(shù)據處理方法1.有效數(shù)字的讀取與運算2．不確定度的傳遞與計算方法課堂教學環(huán)課程說明：（4分鐘）節(jié)與時間分1、課程考核配學生每次實驗成績從三個方面考察課堂教學環(huán)①實驗預習；（占10％）采用傳統(tǒng)“紙質預習”或“網上預習”節(jié)與時間分包括實驗名稱、實驗目的、實驗儀器、實驗原理、數(shù)據表格等配②實驗操作；（占20％）課堂教學環(huán)包括儀器使用、數(shù)據的測量和記錄、實驗結束后儀器的整理、學習態(tài)度和節(jié)與時間分獨立操作能力等，由指導教師根據課堂表現(xiàn)給出成績配③實驗報告；（占70％）課堂教學環(huán)單次成績=預習×10%+操作×20%+報告×70%節(jié)與時間分期末成績=各實驗成績總和÷實驗次數(shù)配2、處罰規(guī)定課堂教學環(huán)(1)上課遲到5分鐘以上及實驗預習不合格者，取消當次實驗資格；節(jié)與時間分(2)有以下情況之一期末實驗成績記為不及格配①一學期遲到3次或曠課2次以上的；課堂教學環(huán)②模仿指導教師對數(shù)據記錄、操作、報告簽字的；節(jié)與時間分③實驗報告中隨意拼湊、編造和抄襲數(shù)據的；配(3)不按規(guī)定要求操作儀器而造成儀器損壞者，須照價賠償并給予相應的處課堂教學環(huán)分；節(jié)與時間分注意：因病因事不能上課者，必須出具院系證明。事后主動聯(lián)系老師在期配末前跟班補做實驗。課堂教學環(huán)3、上課要求節(jié)與時間分①上課時必須帶上：配實驗教材、原始記錄紙、實驗報告紙、科學計算器、草稿紙、直尺、橡皮課堂教學環(huán)擦、筆等。節(jié)與時間分②實驗報告上交要求：配必須下周交上周的實驗報告，不得遲交否則成績記為零。上交實驗報告包課堂教學環(huán)含：實驗報告紙、原始記錄紙、作圖紙，用膠水把它們規(guī)范的粘在一起。節(jié)與時間分不能用訂書釘、回形針、透明膠等粘在一起，否則上交的不規(guī)范報告成績配減半。課堂教學環(huán)③補做實驗要求：節(jié)與時間分因病因事缺課的，自行抽出空余時間隨機隨堂跟班補做實驗，原始記錄紙配要有當次上課實驗教師的簽名。課堂教學環(huán)④轉專業(yè)、重修、留級學生實驗要求：節(jié)與時間分必須親自到學院教務辦，做好網上教務信息的登記備案工作。找到當次實配驗教師做好學號、姓名等的登記備案工作。課堂教學環(huán)4、預習方法節(jié)與時間分采用傳統(tǒng)“紙質預習”或“網上預習”配一.為什么要上物理實驗課(6分鐘)課堂教學環(huán)1、課程屬性節(jié)與時間分（1）國家教委規(guī)定的必修基礎課之一配（2）是獨立設課的一門動手實踐課程課堂教學環(huán)（3）是進行基本實驗方法與實驗技能的開端節(jié)與時間分（4）實際工作以及從事科學實驗的重要基礎配2、歷史作用課堂教學環(huán)物理學是一門實驗科學，其創(chuàng)建、完善、發(fā)展均依賴于大量的科學實驗，節(jié)與時間分其中物理實驗雄居要位。配（1）埃拉托色尼——測量地球圓周實驗（2）伽利略——自由落體實驗（3）伽利略——加速度實驗（4）牛頓——棱鏡分解太陽光實驗（5）卡文迪許——扭秤實驗（6）托馬斯楊——光的干涉實驗（7）傅科——鐘擺實驗（8）密立根——油滴實驗（9）盧瑟?！柗Ｗ由⑸鋵嶒灒?0）托馬斯楊的光的干涉實驗——應用于電子干涉實驗3、實驗課與理論課的關系（1）人之雙足，鳥之雙翼，缺一不可（2）物理實驗是物理理論的終審裁判：如夫蘭克赫茲實驗4、諾貝爾物理學獎（1）以諾貝爾物理學獎為例：80%以上的諾貝爾物理學獎——實驗物理學家；20%的獎——實驗和理論物理學家分享的。實驗成果——很快得獎、有的還可以連續(xù)幾次獲獎；理論成果——至少有兩個實驗的檢驗才能獲獎（2）據統(tǒng)計，自1901年以來：實驗物理學家得諾貝爾獎的人數(shù)是理論物理學家人數(shù)的兩倍，而最近30年表明前者的人數(shù)已超過后者的六倍以上。①1901首屆諾貝爾物理學獎得主，倫琴，1845—1923，德國人，獲獎原因：于1895年發(fā)現(xiàn)X射線。②1923諾貝爾物理學獎得主，密立根，1868—1953，美國人，獲獎原因：于1895年精確測量基本元電荷值與證明愛因斯坦光電效應方程。③楊振寧、李政道，楊振寧與李政道于1957年提出的“弱相互作用中宇稱不守恒”觀念被吳健雄的實驗證明，由此楊振寧與李政道共同獲得諾貝爾物理學獎。④丁肇中1936～，實驗物理學家，與美國物理學家里希特因發(fā)現(xiàn)J/ψ粒子，而獲得1976年諾貝爾物理學獎。⑤朱棣文，實驗物理學家，因“發(fā)展了用激光冷卻和捕獲原子的方法”而獲得1997年諾貝爾物理學獎。物理實驗課程不同于一般的探索性的科學實驗研究，每個實驗題目都經過精心設計安排，可使同學們獲得基本的實驗知識，在實驗方法和實驗技能等方面得到較為系統(tǒng)、嚴格的訓練，是大學里從事科學實驗的起步，同時在培養(yǎng)科學工作者的良好素質及科學世界觀方面，物理實驗課程也起著潛移默化的作用。希望同學們一定要重視這門課程的學習，經過半年或一年的時間，真正能學有所得。二.實驗數(shù)據處理理論基礎（76分鐘）1.測量基本術語及其解釋（20分鐘）(1)測量定義：為了獲得被測物理量的量值而實施的全部操作；或者說，測量是將待測量與選作標準的同類量進行比較，得出倍數(shù)值。該標準量為單位，倍數(shù)值為數(shù)值。測量的四要素：對象、方法、單位、不確定度測量的分類：◆按測量方法進行分類①直接測量：可以用測量儀器或儀表直接讀出測量值的測量。例如：長度、質量、溫度等的測量②間接測量：依據待測量和某幾個直接測量量的函數(shù)關系求出的測量。例如：體積、密度、粘度等的測量◆按測量條件進行分類①精度測量：在相同條件下進行的多次重復性測量。②非等精度測量：在特定的條件下，用不同的儀器、不同的測量方法、不同的測量次數(shù)、派不同的人進行的測量和研究。(2)誤差a.表示方法：①絕對誤差：（1-1）②相對誤差：（1-2）b.來源性質：①隨機誤差：（1-3）（隨機誤差特點參閱隨機誤差實驗）（1-4）②系統(tǒng)誤差：粗大誤差(讀錯、記錯)→剔除壞數(shù)據（無法計算）（1-5）(3)真值與約定真值(最佳值)：（1-6）(4)偏差：（1-7）(5)測量結果（單位），（1-8）(6)不確定度①含義：由于測量誤差存在而對被測量值不能確定的程度。它是一個量值區(qū)間，測量結果在這個區(qū)間出現(xiàn)。②分類：A類不確定度：（1-9）B類不確定度：（1-10）③不確定度的合成：（1-11）(7)標準偏差與平均值的標準偏差①標準偏差（貝塞爾公式）（1-12）上的概率≥68%上的概率≥95%上的概率≥99.7%表示意義：xi在xi在xi在②平均值的標準偏差（1-13）表示意義：被測量真值在上的概率≥68%上的概率≥95%被測量真值在(8)擴展不確定度U是確定測量結果區(qū)間的量。這個區(qū)間包含了合理賦予被測量值的大部分，比u所確定的區(qū)間有更大的置信概率來包含被測量之值。我們約定：測量真值在（1-14）上的概率≥90%(9)測量的準確度、精密度與精確度①準確度：表示測量中系統(tǒng)誤差大小的程度②精密度：表示測量中偶然誤差大小的程度③精確度(有時簡稱精度)：表示準確度與精密度的綜合指標，一般用相對誤差表示。注意：精度、精度等級概念的區(qū)別。2.有效數(shù)字的讀取與運算（22分鐘）（1）有效數(shù)字的概念正確而有效地表示測量和實驗結果的數(shù)字，稱為有效數(shù)字。或者說從左端第一個非零數(shù)字到右端最后一位的所有數(shù)字均為有效數(shù)字。它由可靠的若干位數(shù)字加上可疑的一位數(shù)字構成。①有效數(shù)字=可靠數(shù)字+可疑數(shù)字②有效數(shù)字——測量中得到的全部可靠數(shù)字和可疑數(shù)字。（2）有效數(shù)字的特點多一位則夸大測量條件；少一位則降低測量條件。①用以表示小數(shù)點位置的“0”不算有效數(shù)字（前不算）。如：59.6mm=5.96cm=0.0596m?？梢娪靡员硎拘?shù)點位置的“0”不是有效數(shù)字。②數(shù)字中間或后面的“0”算有效數(shù)字（中間算，后面算），因此數(shù)據最后的“0”不能隨便加上，也不能隨便減去。③有效數(shù)字反映儀器的精度，讀數(shù)時必須讀到估讀的一位，即最后一位是估讀的，是有誤差的。如：1.35cm，其中0.05cm為估讀位。米尺的最小分度值為0.1cm，因此估讀位為0.01cm。因而1.35cm很可能是用米尺測量的。而1.3500cm則一定不是用米尺測量的，而是用千分尺測量的。④有效數(shù)字的科學書寫方式（浮點書寫規(guī)則）如：31千克=31000克?是錯誤的應寫成：31千克=3.1×104克原則：有效數(shù)字的位數(shù)不改變?。?）有效數(shù)字的意義有效數(shù)字的末位是不確定度（即誤差）所在位，因此有效數(shù)字的截斷取決于不確定度。（4）有效數(shù)字的讀取進行直接測量時，由于儀器多種多樣，正確讀取有效數(shù)字的方法大致歸納如下：①一般讀數(shù)應讀到最小分度以下再估一位。例如，1/2，1/5，1/4，1/10等。②有時讀數(shù)的估計位，就取在最小分度位。如天平橫梁的最小分度值為0.05，則0.01-0.04，0.06-0.09都是估計的，不必再估讀到下一位。③游標類器具一般讀至游標最小分度的整數(shù)倍。如：游標卡尺、分光計度盤、大氣壓計等④數(shù)顯儀表或步進式標度盤的儀表一般應直接讀取儀表的示值。如：電阻箱、電橋、電位差計、數(shù)字電壓表等。（5）運算后的有效數(shù)字①總的原則：根據不確定度決定運算結果的誤差在那一位,最后結果一般只保留一位可疑數(shù)字。②運算規(guī)則：只要與可疑數(shù)字相運算，結果都為可疑數(shù)字，只有可靠數(shù)字與可靠數(shù)字運算，結果才為可靠數(shù)字。注意：去掉第二位可疑數(shù)字時要用“四舍六入五湊偶”法，即：尾數(shù)小于5則舍；大于5則入；等于5時，若5的前一位為奇數(shù)則入，5的前一位為偶數(shù)則舍，但5的下一位不是零時仍然要入，這樣可使舍入的機會相等。例：將下列數(shù)字保留4位有效數(shù)字2.14350→2.1442.14450→2.1442.14451→2.145例：251.3+24.45=275.75；記作275.8例:583.5-41.23=542.27；記作542.3例:562.31×12.1=6803.951；記作6.80×103加減法：看小數(shù)！取小數(shù)位數(shù)最少的。乘除法：看位數(shù)！取有效位數(shù)最少的。③有效數(shù)字運算規(guī)則總結1.加減法：取精度差的（即小數(shù)點位數(shù)最少的）。2.乘除法：取有效位數(shù)最少的。3.乘方、開方等：有效數(shù)字位數(shù)不變。4.對于公式中的某些常數(shù)是絕對準確數(shù)字，計算時不能拿它來考慮結果的位數(shù)。如：C=2πR中的25.對于常數(shù)π、e、等的有效數(shù)字位數(shù)可以認為是無限制的，在計算中其有效數(shù)字位數(shù)一般取比參與運算的各數(shù)中有效數(shù)字位數(shù)最少的還要多一位。不必死記硬背：只要在x的末位+1或-1，比較兩個運算結果最先出現(xiàn)差異的那一位，便是最后結果的末位。例如：sin30°=0.5000，sin31°=0.5150，所以sin30°=0.50（6）運算結果中有效數(shù)字的取位原則①不確定度的取位不確定度U一般只取一位有效數(shù)字，但當U的首數(shù)是1或2時，可取兩位有效數(shù)字，按四舍五入處理。②平均值的取位平均值的最末一位要與不確定度U的所在位對齊，如若平均值的最末一位達不到U的這一位，則應加零補齊。例如：在用某量具測量某物體的長度L時，用計算器算得：不確定度U(L)=0.026392984cm平均值L=29.21cm最后結果應表達為：L=29.210±0.026(cm)3.直接測量量的數(shù)據處理（6分鐘）（1-15）（1-16）（1-17）要求：每個同學應有一臺具備統(tǒng)計運算功能的科學計算器。例題：用△儀=0.02mm的游標卡尺測量某物體的長度L，測量數(shù)據見下表：試寫出測量結果的最后表達式？測量次數(shù)123456L(mm)29.1829.2429.2829.2629.2229.24解：①某物體的長度L的平均值為：②其A類不確定度分量為：③B類不確定度分量為：④合成不確定度為：⑤擴展不確定度為：⑥最后結果表達式為：或：注意：括號中相對不確定度的計算數(shù)據應為，而不是，以免因為數(shù)據的修約給測量結果帶來新的不確定度。4.間接測量量的數(shù)據處理(12分鐘)（1）不確定度的傳播定律(誤差傳遞公式)（1-18）（2）相對不確定度的傳播定律(相對誤差傳遞公式)（1-19）當時，（1-20）因此當函數(shù)y是乘除運算時，y的相對不確定度是各分量相對不確定度的方和根。例題：在20℃條件下，用一級千分尺△儀=0.004mm測量某金屬圓柱體的體積，測量數(shù)據如下表。其體積計算公式為πd2h/4，試寫出測量結果的最后表達式？測量次數(shù)d(cm)h(cm)1234561.00712.01051.00732.01101.00692.01081.00782.01121.00702.01041.00742.0100解：根據題意，d和h可用直接測量量的數(shù)據處理方法來計算其相應的不確定度量值。(1)、d的不確定度的計算通過計算器算得：(2)、h的不確定度的計算同理，通過計算器算得：(3)、V的不確定度的計算體積的最佳估計值為：法①由于V為間接測量的物理量，所以它的不確定度由誤差傳遞公式來計算。根據誤差傳遞公式：代入數(shù)據算得：擴展不確定度為：法②或者根據V的相對不確定度來進行合成則V的相對擴展不確定度為：(4)、最后結果表達式：或者表示為：5.雙變量測量的數(shù)據處理（16分鐘）(1)作圖法（圖解法）作圖法可形象、直觀地顯示出物理量之間的函數(shù)關系，也可用來求某些物理參數(shù)，因此它是一種重要的數(shù)據處理方法。作圖時要先整理出數(shù)據表格，并且要用坐標紙作圖。作圖步驟：先整理出數(shù)據表格例如：伏安法測電阻實驗數(shù)據記錄表U(V)0.74I(mA)2.001.524.012.336.223.088.203.664.495.245.986.767.509.7512.0013.9915.9218.0020.01①選擇合適的坐標分度值，確定坐標紙的大小坐標分度值的選取應能基本反映測量值的準確度或精密度：根據表格數(shù)據U軸可選1mm對應于0.10V，I軸可選1mm對應于0.20mA，并可定坐標紙的大小（略大于坐標范圍、數(shù)據范圍）約為130mm×130mm。②標明坐標軸：用粗實線畫坐標軸，用箭頭標軸方向，標坐標軸的名稱或符號、單位,再按順序標出坐標軸整分格上的量值。③標實驗點：實驗點可用“+”、“○”、“●”等符號標出（同一坐標系下不同曲線用不同的符號）。④連成圖線：用直尺、曲線板等把點連成直線、光滑曲線。一般不強求直線或曲線通過每個實驗點，應使圖線兩邊的實驗點與圖線最為接近且分布大體均勻。圖線正穿過實驗點時可以在點處斷開。⑤標出圖線特征：在圖上空白位置標明實驗條件或從圖上得出的某些參數(shù)。如利用所繪直線可給出被測電阻R大小：從所繪直線上讀取兩點A、B的坐標就可求出R值。⑥標出圖名：在圖線下方或空白位置寫出圖線的名稱及某些必要的說明。至此一張圖才算完成。(2)逐差法（分組求差法）由誤差理論可知：算術平均值最接近于真值，因此實驗中應進行多次測量。但是，在下例中多次測量并不能達到好的效果。例：測量彈簧的倔強系數(shù)砝碼質量(Kg)0.0001.0002.0003.0004.0005.0006.0007.000彈簧伸長位置(cm)x0x1x2x3x4x5x6