物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段1§1.1物理實驗的地位和作用驗是物理學(xué)中的重要研究方法。觀察就是對自然界中發(fā)生的某種現(xiàn)象，在驗、抽象、假說等研究方法，并通過實驗的檢驗而建立起來的。不僅在物理學(xué)的發(fā)展中占有重要的地位，而且在推動其它自然學(xué)科。工程是很大的啟迪。他說：“我是在舊中國長大的，因此想借此機(jī)會向發(fā)展中國家的青年強(qiáng)調(diào)的。驗課的任務(wù)是：解。物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段2確的使用方法?！?.2物理實驗課的基本程序?qū)嶒炃暗念A(yù)習(xí)需查閱有關(guān)參考資料實驗中涉及的儀器，不少是從未見過的，在預(yù)習(xí)時就需認(rèn)真閱讀物?；A(chǔ)上，寫好預(yù)習(xí)報告，其內(nèi)容包括實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炘砗蛿?shù)的繪圖工具、計算器等。操作初學(xué)者易犯的毛病，應(yīng)予糾正。實驗測量應(yīng)遵循“先定性、后定量”的原則。即先定性地觀察實驗全過程，確認(rèn)整個細(xì)物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段3。、原始數(shù)據(jù)及有關(guān)現(xiàn)象。工作。三、實驗報告的書寫1．必須有簡明扼要的語言文字?jǐn)⑹?。通常教材可能過于詳細(xì)，目的是便于學(xué)生閱物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段4(根據(jù)實驗時實際情況如實記錄，沒有用到的不寫，更不能照抄教材)；在科學(xué)實驗中往往還要記錄儀器的生產(chǎn)廠家、出廠日期和出廠編號，以便在干效注明實驗或測量條件。驗固體密度的測量據(jù)：(1)用游標(biāo)卡尺測量銅環(huán)內(nèi)、外徑，用螺旋測微計測量厚度。0.003(mm)n1234567.96.94.98.94.96.92.96厚h(2)用礦山天平測量銅環(huán)質(zhì)量W=53.97g讀數(shù)S1S2S3S4S5物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段5(1)對于需要進(jìn)行數(shù)值計算而得出實驗結(jié)果的，測量所得的原始數(shù)據(jù)必須如實代入(2)對結(jié)果需進(jìn)行不確定度分析(個別不確定度估算較為困難的實驗除外)；測量值、不確定度、單位及置信度，置信度為0.95時)，實驗結(jié)果的有效數(shù)字必須正確；物理量有標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)稱值，則應(yīng)與實驗結(jié)果比較，求相對誤差。(5)需要作圖時，需附在報告中。(1)首先應(yīng)對實驗結(jié)果作出合理判斷。正確的。如果被測物理量有標(biāo)準(zhǔn)值(理論值、標(biāo)稱值、公認(rèn)值或前人已有的測量結(jié)果)，應(yīng)與(2)分析實驗中出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象。物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段6離時，主要考慮實驗環(huán)境的突變、儀器接觸不良、操作者失誤等。何尺寸不均等)。中有所創(chuàng)新。但要切實做到“肯定有據(jù)、否定有理”。(3)對思考題作出回答?！?.3物理實驗的種類與方法一、物理實驗的種類的。光物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段7量子理論?；皞惽偕渚€(X光)通過晶體空間點(diǎn)陣時所引起的干涉現(xiàn)象。這種實驗對于倫琴射線的波動性。確是“有”或者“沒有”、“是”或物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段8驗項目都是定量實驗。二、物理實驗的基本測量方法個方面。研究的能力。儀器直接或間接地進(jìn)行比較，測出其量值。膨物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段9測放大等。50格，鼓輪每轉(zhuǎn)一圈，恰使測量尺面移動0.5mm，那么鼓輪轉(zhuǎn)動一小格，尺面移動了0.01mm。若鼓輪外徑為16mm，則周長約為50mm，鼓輪上每一格弧長相當(dāng)于1mm的放大了100倍，測量精度也就提高了100倍。所用機(jī)械秒表的儀器誤差為0.1s，某單擺周期約為2s，則測量單個周期時間間隔的相在有些測量裝置中則利用電子學(xué)原理來實現(xiàn)被測量的放大，如測量微弱電信號(電易換物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段10量E，是以應(yīng)變與應(yīng)力成線性變化的規(guī)律，將E的測量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)力F/S和應(yīng)變DL/L得到E=。 得到E=。DL/L(2)能量轉(zhuǎn)測法是利用物理學(xué)中的能量守恒定律以及能量形式上的相互轉(zhuǎn)換規(guī)律所在。的溫差電動勢的測量，它屬于熱電換測法。此外，實驗中還常用到壓電換測法(壓力和電勢間的變換，如話筒和揚(yáng)聲器)、光電換測法(光信號轉(zhuǎn)換為電信號，如光電管、光電倍增管、光電池、光敏二極管等器件)及磁電換測法(磁學(xué)量與電學(xué)量的轉(zhuǎn)換，如霍爾元抽。法分為物理模擬和數(shù)學(xué)模擬兩大類：(1)物理模擬人為制造的“模型”與實際“原型”有相似的物理過程和相似的幾何形行靠的實驗數(shù)據(jù)的目的。段11三、物理實驗中的基本調(diào)整與操作技術(shù)來源于實踐。位讀數(shù)”，以便在測量結(jié)果中加以修正。、鉛直調(diào)整狀態(tài)應(yīng)首先調(diào)它的底座螺釘至天平水平，又如福廷式氣壓計應(yīng)在鉛直狀態(tài)下讀數(shù)才正物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段12足上述條件，其測量結(jié)果才在誤差范圍內(nèi)。并可通過仔細(xì)調(diào)節(jié)目鏡(連同叉絲)因此存在視差。物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段13軸，可減小視覺判斷的誤差。圍直至最后調(diào)到平衡點(diǎn)。例如，調(diào)整電橋平衡時，若待測電阻Rx與其它橋臂上的已知度，而R0=3000W時，右偏3個分度，據(jù)此可知平衡值應(yīng)在2000~3000W之間。再調(diào)整R0為2500W時，左偏2個分度，R0=2600W時右偏1個分度，則R0的平衡值應(yīng)在2500~2600W之間。如此逐次逼近，可迅速找到平衡點(diǎn)。現(xiàn)問題或錯誤，不得不返工。然而，一個訓(xùn)練有素的實驗工作者，則是采用“先定性、后定量”的原則進(jìn)行實驗，即在定量測量前，先對實驗變化的全過程進(jìn)行定性觀察，對測幾個點(diǎn)，這樣作圖就比較合理?！?.4測量誤差及數(shù)據(jù)處理物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段14不做詳細(xì)的證明和探討。量與誤差量方法。變，測得一組數(shù)據(jù)x1,x2,x3…xn。盡管各次測量結(jié)果并不完全相格不量程精密度準(zhǔn)確度所以必須對儀器的量程、精密度、準(zhǔn)確度、讀數(shù)規(guī)物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段15度值越小，儀器的精密度越高。如螺旋測微計(千分尺)的最小分度值為0.01mm，即其mm的精密度為100刻度/mm。a用時，其示值x的最大絕對誤差為D=±量程×準(zhǔn)確度等級%DV=±3￥0.5%=±0.015V的等級較高的儀器。也可估讀1/5或1/2分度。若儀器的示數(shù)不是連續(xù)變化而是以一定的最小步長跳躍變化的物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段16的三個內(nèi)角之和等于180o等；同樣電流時為1.802A，則可將后者視為前者的相對真值。果的準(zhǔn)確程度。測量值x與真值x0之差稱為誤差，用Dx表示Dxxx(1-1-2)誤差Dx反映了測量值偏離真值的大小和方向(正負(fù))。測量誤差有時常用相對誤差E表示E(1-1-3)系統(tǒng)誤差是指在多次測量同一物理量的過程中,保持不變或以可預(yù)知方式變化的測的分量。系統(tǒng)誤差主要來源有以下幾方面：物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段17(2)實驗理論近似性或?qū)嶒灧椒ú煌晟?。如用伏安法測電阻沒有考慮電表內(nèi)阻的影響，用單擺測重力加速度時取sinqaq帶來的誤差等；(3)環(huán)境的影響或沒有按規(guī)定的條件使用儀器。例如標(biāo)準(zhǔn)電池是以20℃時的電動勢心理或生理特點(diǎn)造成的誤差。如計時的滯后，習(xí)慣于斜視讀數(shù)等。誤差共同影響使測量結(jié)果圍繞測量的平均值發(fā)生漲落變化，這一變化量就是二、測量不確定度及其估算物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段182.1不確定度的基本概念量結(jié)果應(yīng)給出被測量的量值X，同時還要標(biāo)出測量的總不確定度U，寫成x=X±U的形XUX+U)的范圍之外的可能性(或概率)很小。顯然，作為廣泛采用的約定概率，當(dāng)取P=0.95時，可不必注明。與誤差表示方法一樣，引入相對不確定度Ex，即不確定度的相對值Ex(1-2-1)2.2不確定度的簡化估算方法類分量UA；用其它非統(tǒng)計方法評定的B類分量UB?？偛淮_定度由A類分量和B類分合成，即UUU(1-2-2)而是服從稱之為t分布(又稱學(xué)生分布)的規(guī)律。在這種情況下，對測量誤差的估計，就只計算總不確定度U的A類分量UA，那么它等于測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sx乘以一因子物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段19UA=Sx(1-2-3)tPn量次數(shù)n、置信概率P有關(guān)的量，置信概率P及測量次數(shù)n確定后，tPnP時，tP(n-1)/的部分測量次數(shù)n2345678948UA=Sx(1-2-4)當(dāng)6￡n￡8時，取UA=Sx已足以保證被測量的真值落在x±Sx范圍內(nèi)的概率接近或Sx確定度的A類分量UA。當(dāng)作為基礎(chǔ)訓(xùn)練，在物理實驗中一般只考慮儀器誤差所帶來的總不確定度的B類分在正確使用儀器的條件下，測量結(jié)果與真值之間可能產(chǎn)生的最大誤差，用D儀表示。儀D不確定度中用非統(tǒng)計方法估計的B類分量UB，即UB=D儀(1-2-5)儀器名稱量程準(zhǔn)確度等級)儀器誤差尺0~300mmU物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段20U尺0~1000mm卡尺0~300mmm一級)0~100mm0.01mmTGA礦山天平計C顯微鏡0.01mm器的一個單位明了估算電表3．總不確定度的合成由式(1-2-2)、(1-2-3)和(1-2-5)知，總不確定度為U=Sx2+D當(dāng)取置信概率P=0.95，測量次數(shù)n=6~8時估算公式，希望大家能記住。SxDUA對實驗的最后結(jié)果影響甚小，或因條件限制而要用用物理學(xué)提供最多、最基本的科學(xué)研究手段21i1234567Hi(mm)求H的算術(shù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和不確定度，寫出測量結(jié)果。==0.0018(mm)U=SU=S2+D2=0.00182+0.0042=0.005mmm對于間接測量N=f(x,y,z…)，設(shè)各直接測量結(jié)果為x=x±Ux，y=y±Uy，zzUzNfxyzUN可套用標(biāo)準(zhǔn)誤差傳遞公式進(jìn)行估算，即UN=(1-2-8)如果我們先對間接測量量N=f(x,y,z…)函數(shù)式兩邊取自然對數(shù)，再求全微分可得到計算相對不確定度的公式如下=(1-2-9)現(xiàn)時，一般采用式(1-2-8)；而函數(shù)形式主要以積、商或乘方、開出現(xiàn)時，用式(1-2-9)會使計算過程較為簡便?！纠?】已知某銅環(huán)的外徑D=2.995±0.006cm，內(nèi)徑d=0.997±0.003cm，高度H=0.9516±0.0005cm，試求該銅環(huán)的體積及其不確定度，并寫出測量結(jié)果表達(dá)式?！窘狻縑=(D2-d2)