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华中科技大学华中科技大学物理实验中心物理实验中心2012年春年春1通过物理实验课程的训练n n 培养科学精神和科学态度n n 培养独立分析和处理问题的能力 n n 培养创新精神和创新能力 物理学是以实验为本的科学杨振宁自然科学理论不能离开实验的基础丁肇中2第一部分第一部分第二部分第二部分物理实验课须知物理实验课须知物理实验的数据物理实验的数据测量与处理测量与处理绪论课内容提要绪论课内容提要3物 理 实 验 课 须 知一、物理实验课程序一、物理实验课程序二、物理实验课预约二、物理实验课预约三、物理实验中心网站三、物理实验中心网站四、物理实验注意事项四、物理实验注意事项五、物理实验报告要求五、物理实验报告要求六、物理实验考核与重修六、物理实验考核与重修4 一、物理实验课程序一、物理实验课程序 1 1、预约实验、预约实验 2 2、预习并撰写预习报告、预习并撰写预习报告 3 3、独立完成实验如实记录数据独立完成实验如实记录数据 4 4、按要求处理数据并完成实验报告按要求处理数据并完成实验报告 5 5、按时将实验报告交到指定位置按时将实验报告交到指定位置 5 二、物理实验课预约二、物理实验课预约 IP：学生学号为不含字母的学生学号为不含字母的全部数字。全部数字。如如U200911089,U200911089,登录时用登录时用200911089 200911089 初始密码：初始密码：123456 123456建议第一次登录后立即建议第一次登录后立即修改密码，新密码不要修改密码，新密码不要含有字母含有字母,字数不要超过字数不要超过8 8位。位。科技楼北楼二楼大厅触科技楼北楼二楼大厅触摸屏摸屏2424小时可使用。小时可使用。6三三、物理实验中心网站物理实验中心网站IPIP：218.199.86.172 218.199.86.172 7 四、物理实验注意事项四、物理实验注意事项 1 1、物理实验课、物理实验课5656学时，分两个学期进行：学时，分两个学期进行：物理实验（物理实验（1 1）2828学时在春季学期开课，学时在春季学期开课，物理实验（物理实验（2 2）2828学时在秋季学期开课。学时在秋季学期开课。2 2、每个学期分两段上课，不允许跨段修课和考试。、每个学期分两段上课，不允许跨段修课和考试。3 3、要求每个学生在规定时间内选做规定个数的实验，、要求每个学生在规定时间内选做规定个数的实验，并提交实验报告。并提交实验报告。春季学期选做春季学期选做6 6个实验个实验+绪论作业，绪论作业，秋季学期选做秋季学期选做7 7个实验。个实验。4 4、物理实验采用先预约后实验方式上课，预约后要、物理实验采用先预约后实验方式上课，预约后要经常看预约网上的通知。有关物理实验的事项都将在经常看预约网上的通知。有关物理实验的事项都将在网上通知，不在对各个班单独通知。网上通知，不在对各个班单独通知。85 5、每次课、每次课4 4学时（学时（3 3小时），不允许迟到、旷课或早小时），不允许迟到、旷课或早退。退。迟到迟到3030分钟以内，一次从总成绩中扣分钟以内，一次从总成绩中扣0.50.5分。分。迟到迟到3030分钟以上，以旷课论处，一次从总成绩中扣分钟以上，以旷课论处，一次从总成绩中扣3 3分。分。6 6、课前应按要求写好实验预习报告，上实验课时不、课前应按要求写好实验预习报告，上实验课时不带实验预习报告，从操作成绩中扣除带实验预习报告，从操作成绩中扣除3030分。分。7 7、实验时刷卡签到，并确认信息是否正确，不刷卡、实验时刷卡签到，并确认信息是否正确，不刷卡者以迟到论处。者以迟到论处。8 8、若有事不能做实验，提前一天同学们自己可以若有事不能做实验，提前一天同学们自己可以在在网上撤销实验，当天有网上撤销实验，当天有急事急事不能做实验，可到教室不能做实验，可到教室找任课教师请假，请假扣找任课教师请假，请假扣1 1分。分。9 9、旷课或请假后，同学应尽快重新预约。、旷课或请假后，同学应尽快重新预约。物理实验物理实验的仪器套数是有限的，同学们要合理的安排自己的的仪器套数是有限的，同学们要合理的安排自己的实验，不要轻易请假和旷课。实验，不要轻易请假和旷课。91010、实验时按实验设备号坐定，不要乱动别组的仪、实验时按实验设备号坐定，不要乱动别组的仪器设备，严格按照操作规程操作仪器。器设备，严格按照操作规程操作仪器。1111、完成实验后，预习报告和记录草稿都应交指导、完成实验后，预习报告和记录草稿都应交指导教师检查并签字，。教师检查并签字，。1212、每个同学应独立完成实验，认真观察实验现象，、每个同学应独立完成实验，认真观察实验现象，实事求是记录数据（实事求是记录数据（不允许用铅笔不允许用铅笔），不允许抄袭、），不允许抄袭、造假、涂改原始数据。造假、涂改原始数据。1313、离开实验室前，关闭电源开关，并应整理好所、离开实验室前，关闭电源开关，并应整理好所用仪器，做好清洁卫生。用仪器，做好清洁卫生。1414、实验报告连同数据记录草稿纸应在完成实验的、实验报告连同数据记录草稿纸应在完成实验的下一周内交到有关实验室的报告柜内。下一周内交到有关实验室的报告柜内。1515、发现自己的信息不对或转发现自己的信息不对或转专业专业要更改信息，请要更改信息，请到科技楼北楼到科技楼北楼117室登记，进行信息更改。室登记，进行信息更改。10 五、物理实验报告要求五、物理实验报告要求 1 1、信息齐全、格式规范。、信息齐全、格式规范。2 2、字体工整、干净整洁。、字体工整、干净整洁。3 3、表述正确、层次清楚。、表述正确、层次清楚。4 4、图表合理、讨论认真。、图表合理、讨论认真。11指发报告柜号指发报告柜号每个班一个号每个班一个号填写预约时系统填写预约时系统所给的编号所给的编号实验课前需要完实验课前需要完成的部分成的部分实验课后需要完实验课后需要完成的部分成的部分1213 六、物理实验考核与重修六、物理实验考核与重修 1 1、成绩评定：平时、成绩评定：平时70%+70%+考试考试30%30%平时：课堂操作平时：课堂操作50%+50%+实验报告实验报告50%50%2 2、考试方式：闭卷笔试考试（、考试方式：闭卷笔试考试（120120分钟）分钟）3 3、考试范围：绪论与所选实验、考试范围：绪论与所选实验4 4、考试时间与地点：由学校教务处通知、考试时间与地点：由学校教务处通知5 5、物理实验不及格只有重修，没有补考、物理实验不及格只有重修，没有补考6 6、不及格者按学期跟下一年级从头重修、不及格者按学期跟下一年级从头重修 物理实验（物理实验（1 1）不及格者在春季重修）不及格者在春季重修 物理实验（物理实验（2 2）不及格者在秋季重修）不及格者在秋季重修14物理实验的数据处理物理实验的数据处理u给出待测量（其值或关系）给出待测量（其值或关系）u不确定度的计算不确定度的计算u结果表达结果表达15一、给出待测量（其值或关系）一、给出待测量（其值或关系）得出待测量的几种方法得出待测量的几种方法(一般用于直接测量量）一般用于直接测量量）1、列表法列表法2、图示法图示法3、用最小二乘法求经验公式用最小二乘法求经验公式4、逐差法逐差法（要求自变量是等间隔变化而函要求自变量是等间隔变化而函数关系为线性数关系为线性）1.1.对于间接测量量，一般通过一定的公式由对于间接测量量，一般通过一定的公式由直接测量量算出。直接测量量算出。2.2.2.2.任何计算，都任何计算，都要求有中间过程要求有中间过程，先写，先写计算式，再代入数据，最后结果应有单位计算式，再代入数据，最后结果应有单位。161 1、不确定度基本不确定度基本概念概念二、不确定度二、不确定度(uncertainty)(uncertainty)的计算的计算用标准偏差表示的测量不确定度用标准偏差表示的测量不确定度。与测量结果相关联的参数，表征合理地赋予与测量结果相关联的参数，表征合理地赋予被测量值的被测量值的分散性分散性。反映了由于测量误差的。反映了由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，是对被存在而对被测量值不能肯定的程度，是对被测量真值所处的量值范围的评定。测量真值所处的量值范围的评定。测量不确定度：测量不确定度：标准不确定度标准不确定度u ：17标准偏差标准偏差测量列测量列 x1，x2，x3，x4 ，xn置信概率置信概率（一般用（一般用P表示）表示）物理量的值位于物理量的值位于 区间区间 的概率为的概率为68.3%，当当时，时，位于位于 区间的概率为区间的概率为95.4%。最佳值，最佳值，期望值期望值离散离散程度程度统计统计意义意义：18Figure 1:Gaussian Distribution Curve 19测量测量I I（cm)cm)：168,170,165,175,170,169,177,167,170,172测量测量II(cm)II(cm)：170.3,170.5,170.1,170.8,170.5,170.6,171.0,170.9,170.5,169.8 标准偏差标准偏差现要测量某人的高度现要测量某人的高度L L，测量情况如下，测量情况如下比如比如20 标准不确定度分量，由观测列的统标准不确定度分量，由观测列的统计分析评定。又称为统计不确定度。计分析评定。又称为统计不确定度。当当时时，意义意义 ：当测量次数：当测量次数 时物理量落在区间时物理量落在区间 内的概率为内的概率为68.3%68.3%当当n为有限时为有限时t tp 大于大于1，与测量次数与测量次数 n 有关有关,也与也与 P P 有关。有关。tp 与与 n 及及 P 的关系的关系 34567890.954.303.182.782.572.452.372.311.96npA A 类标准不确定度分量类标准不确定度分量 ：2、直接测量量的标准不确定度直接测量量的标准不确定度21 标准不确定度标准不确定度分量，由不同于分量，由不同于A A类分量的其他方法确定。又称类分量的其他方法确定。又称非统计不确定度。非统计不确定度。通常也通常也可取可取B 类标准不确定度分量类标准不确定度分量 ：B类标准不确定度可表示为：类标准不确定度可表示为：22总的标准不确定度总的标准不确定度当当时时当当时时在单次测量中在单次测量中相对不确定度相对不确定度233、间接测量量标准不确定度间接测量量标准不确定度 ，各直接测各直接测量量的标准不确定度分别为：量量的标准不确定度分别为：已知已知y 的标准不确定度传递公式的标准不确定度传递公式：y 的相对标准不确定度传递公式的相对标准不确定度传递公式：和和被称为不确定度的被称为不确定度的传递系数传递系数 那么，那么，24间接测量量传递公式推导举例间接测量量传递公式推导举例和和差差形形式式函函数数可可直直接接求求标标准准不不确确定定度度25积积商商形形式式函函数数可可先先求求相相对对标标准准不不确确定定度度例例2:2:待测电流密度待测电流密度j j 26三、结果表达三、结果表达（单位单位）当待测物理量有公认当待测物理量有公认标准值或理论值标准值或理论值时，其测时，其测量不确定度可表示为量不确定度可表示为：此时结果表达为此时结果表达为:（单位单位）27L=4.2530.8510.851L=4.20.8结果表述中不确定度只能取结果表述中不确定度只能取1 1位有效数字，位有效数字，相对不确定度取相对不确定度取1 1到到2 2位有效数字，测量值有位有效数字，测量值有效数字尾数与不确定度尾数应对齐效数字尾数与不确定度尾数应对齐28有效数字及有关规定有效数字及有关规定有效数字有效数字 由测量（计算）结果中准确数字由测量（计算）结果中准确数字和最后一位可疑数字构成和最后一位可疑数字构成 有效数位有效数位 有效数字的位数（决定于仪器精有效数字的位数（决定于仪器精度及被测量量的大小）度及被测量量的大小）0.00340.0034（二位有效数字）（二位有效数字）0.003400.00340（三位有效数字）（三位有效数字）实验测量中记录的数据必须是有效数字，有实验测量中记录的数据必须是有效数字，有效数位直接反映测量的准确度，不能随意取效数位直接反映测量的准确度，不能随意取舍。舍。29 保留三位保留三位有效数字有效数字a=37.24 a=37.2 =37.250 =37.2 c=37.15 c=37.2 运算结果应符合有效数字运算法则运算结果应符合有效数字运算法则多余存疑数字按规定法则取舍多余存疑数字按规定法则取舍拟舍弃数字不等于拟舍弃数字不等于5 5时，大于时，大于5 5则进，小于则进，小于5 5则舍。则舍。拟舍弃数字等于拟舍弃数字等于5 5时，欲保留数字末位是奇数则进，时，欲保留数字末位是奇数则进，是偶数则舍是偶数则舍。有效数字与小数点的位置和单位无关，改有效数字与小数点的位置和单位无关，改变单位时有效数位不变变单位时有效数位不变30仪器：千分尺千分尺 仪器误差0.004mm 电流表电流表 量程15mA 精度0.5级D/mm0.508 0.510 0.507 0.509 0.509 0.511导体直径I=14.04 I=14.04 A A数数 据据 处处 理理 举举 例例列表给出列表给出列表给出列表给出测量数据测量数据测量数据测量数据31直接测量量不确定度直接测量量不确定度32结果表述：结果表述：END33 列表法列表法温度温度 t(C)20.025.030.035.040.045.0电电阻阻R R()21981869153012671034890T273.2+t(K)293.2298.2303.2308.2313.2318.2110-3/T(1/K)3.4113.3533.2983.2453.1933.1431nRT7.6957.5337.3337.1446.9416.790半导体热敏电阻的电阻与温度的关系半导体热敏电阻的电阻与温度的关系 表名表名物理量及单位物理量及单位测量数据（有效数字）测量数据（有效数字）线性线性回归回归34 作图法作图法作图规则作图规则1 1、选取坐标纸、选取坐标纸2 2、定坐标轴、定坐标轴 横轴横轴-自变量自变量 纵轴纵轴-因变量因变量 （用粗实线）（用粗实线）3 3、标注物理量名及、标注物理量名及单位单位4 4、坐标分度、坐标分度便于读数便于读数与测量仪器最与测量仪器最 小刻度对应小刻度对应 5 5、描点连线、描点连线6 6、标注图名、标注图名 物理量名物理量名单位单位光滑曲线光滑曲线测点均分曲线两侧测点均分曲线两侧图名图名正确分度正确分度0 0202030304040505060607070101035设设求求的最小值，其中的最小值，其中xi，yi 为为测量值。测量值。一元线性回归一元线性回归已知已知测量测量列列 x1，x2，x3，xn；y1，y2，y3，yn。确定确定 x、y 之间的关系式。之间的关系式。最小二乘法最小二乘法36相关系数相关系数37在声速测量的实验中，测得驻波波腹的位置分别在声速测量的实验中，测得驻波波腹的位置分别为为(单位为单位为mm)：13.82,21.66,29.56,37.28,45.02,52.86,60.70,68.46算术平均法得算术平均法得逐差法得逐差法得:逐差法逐差法38 课课 后后 任任 务务1 1、完成书面作业、完成书面作业练习题第练习题第4 4题题、和第和第7 7 题题 （要求写在实验报告纸上）。（要求写在实验报告纸上）。2 2、必须在第、必须在第1212周星期三、四、五以班为单位收齐周星期三、四、五以班为单位收齐后将作业交到后将作业交到科技楼北楼科技楼北楼315室尤小平老师处，室尤小平老师处，过期不收。过期不收。39通通 知知1 1、班长或学习委员带上班级同学名单（学号和姓名）、班长或学习委员带上班级同学名单（学号和姓名）（包括留学生），于上绪论课后的第二天，到科技楼北（包括留学生），于上绪论课后的第二天，到科技楼北楼楼117117室确认同学信息，领取实验卡。室确认同学信息，领取实验卡。2 2、在第、在第1212周星期五之前各班班长带周星期五之前各班班长带3030元押金到科技楼元押金到科技楼北楼北楼315315室尤小平老师处领取报告柜钥匙。室尤小平老师处领取报告柜钥匙。3 3、各班一定要在实验课结束一个星期内，将报告柜钥、各班一定要在实验课结束一个星期内，将报告柜钥匙及实验卡交回到科技楼北楼匙及实验卡交回到科技楼北楼315315室，过期交还者将不室，过期交还者将不退还押金。退还押金。4 4、科技楼北楼、科技楼北楼117117室有实验报告纸、数据记录纸和坐标室有实验报告纸、数据记录纸和坐标纸，以班级为单位前去购买。纸，以班级为单位前去购买。5 5、为方便同学们上课，科技楼物业办公室每周二晚上、为方便同学们上课，科技楼物业办公室每周二晚上6:006:00，每周六上午，每周六上午7:307:30、下午、下午1:301:30开放科技楼大厅西门。开放科技楼大厅西门。40实验名称实验名称实验讲义实验讲义实验室实验室实验房间实验房间1示波器的调节和使用示波器的调节和使用第一册第一册科技楼北楼111、1152多功能摆的设计与研究多功能摆的设计与研究一一科技楼北楼207、2083分光计的调整与折射率测定分光计的调整与折射率测定一一科技楼北楼203、2064密立根油滴实验密立根油滴实验第二册第二册科技楼北楼216、2205超声声速的测量超声声速的测量一一科技楼北楼116、1206电子元件伏安特性的测量电子元件伏安特性的测量一一科技楼北楼108、1127直流电桥及其应用直流电桥及其应用一一科技楼北楼104、1058霍尔效应与应用设计霍尔效应与应用设计一一东七楼408、414春季学期实验项目春季学期实验项目41由于设备更新，由于设备更新，5 5、6 6、7 7三个实验与书三个实验与书上有些差别，为了方便同学们写预习报告和上有些差别，为了方便同学们写预习报告和实验，在网上挂有电子版讲义。实验，在网上挂有电子版讲义。I I4243