大学物理实验（第2版物理实验教学示范中心系列教材）

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绪论
　　1.物理实验课的特点和目的
　　物理学是实验的科学。人们通过观察物理现象，定量测量或测定物理量，并根据测量结果分析这些物理量之间的关系，从而实现对物理规律的认识和证实。物理实验在物理学的建立发展过程中起着重要的和直接的推动作用，它是物理学的基础。
　　物理实验是用实验的方法去研究物理学的规律。物理实验课的一个显著特点是它的实践性。做实验的时候，要充分考虑到各种实际的情况，得出的结论要尽量符合实际。实践性的另外一层意思是动手能力的培养和锻炼，这在实验课中占有重要的地位。必须进行实际的操作，光说不练是不行的。有的同学认为只要把实验原理、仪器装置、实验方法都看明白了，不必动手测量和计算。他们对实际的操作和计算缺乏兴趣，认为这并不重要，这种看法是不对的。要知道如果不去仔细地调整实验装置，不去仔细地进行测量和计算，就不能了解实验的微妙之处，就不能学到实验的真诗。这些同学往往眼高手低，“一看就懂，一做就错”，这也反映了他们对实验课的特点还缺乏认识。物理实验是大学生接受科学实验能力培养和训练的先期课程，它涉及力、热、声、光、电、磁等各方面知识，对于培养学生的动手能力、观察分析能力、综合运用各方面知识的能力以及创新精神具有十分重要的意义。
　　在谈了物理实验的重要作用和物理实验课的特点之后，再来谈谈开设物理实验课的目的以及怎样才能学好这门课程。
　　首先，使学生学到物理实验的基本知识、基本方法和基本技能。包括学会使用各种测量仪器，了解各种物理量的测量方法，学会观察分析各种实验现象，还要了测量的理论识，学会正确地记录和处理数据，正确地表达实验结果，对实验结果进行正确地分析评价。并在扎实的基本训练基础上，让学生通过综合研究性的实验，培养学生独立进行实验观测和分析的能力，并总结出规律性的实验结果，提高实验技能，为以后的科学研究工作或其他科学技术工作打下良好的实验基础。
　　第二，逐步培养起严肃认真、实事求是的科学态度和工作作风，养成良好的实验习惯。良好的实验习惯是做好实验的重要条件，一旦形成不好的习惯，以后就很难改正。要在每次实验中有意识地锻炼自己。
　　第三，通过实际的观察和测量，加深对物理理论知识的理解和掌握。同时激发大家对学习物理科学的兴趣。培养和提高学生的科学实验素养，要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神和遵守纪律、爱护公物的优良品德。
　　2.物理实验课的三个教学环节及基本要求
　　（1）预习
　　实验课前要认真预习，弄明白这次实验的目的要求，依据什么原理和公式，有什么近似条件和要求；使用什么实验方法，特别是基本的测量方法；使用什么实验仪器以及要注意什么问题等。在此基础上，课前要认真写好实验预习报告中的实验目的、实验原理和内容（简要阐明实验的理论依据，以及要测量的是什么量，写出待测量计算公式的简要推导过程，画出有关的原理图、电路图、光路图等）、列出主要实验仪器的名称、型号、规格等，扼要地说明实验的关键步骤及主要注意事项，并在实验数据记录纸上画好实验数据记录表格。凡预习不合格者不允许做实验。
　　（2）实验
　　到实验室后要遵守有关的规章制度，爱护仪器设备，注意安全。动手之前要先了解仪器的性能、规格、使用方法和操作规则。
　　实验环节是物理实验的核心，其内容非常丰富，同时也是学生主动研究、积极探索的好时机。一堂课收获的大小，将取决于学生实验过程中思想状态是积极主动的，还是消极被动的。在实验中学生要做到四多（多观察、多动手、多分析、多判断）、三反对（反对侥幸心理、反对机械地操作、反对实验的盲目性）。
　　调整仪器装置时要仔细认真，一丝不苟。还要注意满足测量公式所要求的实验条件。在整个实验过程中，要脑手并用，头脑里要有清晰的物理图像，对实验原理有比较透彻的理解，对实验中出现的各种现象要仔细观测。一方面，要多动脑筋，在进行某些操作之前，先想想可能会出现什么结果，然后再看看是否和预期的相符合。如果不相符合，要仔细分析原因，找出改进措施。要有意识地去学着分析实验，对实验得到的结果要想一想是否合乎物理规律，有没有道理，绝不能拼凑数据。实验中不要只是机械地按讲义上或教师要求的实验步骤一步一步做完就算完事。动手能力还表现在能否及时发现并排除实验中可能遇到的某些故障。仪器装置的小毛病，可以在教师指导下自己动手解决。实验中还要养成记录好原始数据（就是在测量时直接从仪器上读出来的数据）的习惯，要一边测量，一边及时记录，记录要准确、清楚、有次序并且要特别注意所记数据的有效数字位数。做完实验，要将实验数据交给教师检查，得到认可签字后，将仪器归整复原好，方可离开实验室。
　　（3）实验报告
　　在实验预习报告的基础上，完成实验报告。实验中测得的数据要用表格形式写入实验报告中（并将原始记录附在报告中），正确表示有效数字位数和单位，按每个实验的数据处理与要求给出实验结果。结果分析包括对测量结果的总结评价，对难于定量计算的误差因素的定性分析。这就要求结合自己的实验数据做具体分析，指出主要误差产生的原因。此外，结果分析还包括对实验的看法、见解，以及需要与教师讨论的问题和完成实验书中的思考题。
　　（4）设计性和研究性实验要以研究论文的形式提交报告
　　根据选题查阅资料，根据实验要求查找相关资料，确定实验方案，包括理论依据、实验方法、具体参数设计、选用仪器和具体操作步骤等。以研究论文的形式提交报告，包括摘要，引言，实验原理与内容，实验方案，操作步骤，数据分析与处理，结论等内容。
　　3.课程设置
　　物理实验分两学期开设，其具体安排如下：
　　第一学期实验课以基础性实验为主，对于基础性实验，必须完成规定的实验内容。
　　第二学期实验课包括基础性实验、综合性、研究性和设计性研究性实验，共几十个实验题目，学生可根据自己的专业方向、学分要求及特长爱好，认真选择实验层次、实验题目。
　　设计性实验是针对那些对实验感兴趣且实验基础较好、愿意花较多时间学习有关内容或在某些方面有特长的学生而开出的。设计性实验的难度大于其他实验，一般安排学生用整个下午的时间来完成，并要求在实验完成后写出一份比较详细完整的实验报告。学生可根据自己的知识结构、兴趣及预习情况决定是否选择设计性实验，但要尽量做到不盲目选择，以避免选择后又难以完成的情况出现。实验报告要求对数据处理的结果做出分析，特别是写出实验过程中所用的操作方法和技巧，如何使得测量结果更符合实际，实验中有什么问题如何解决以及做实验的心得体会和收获等。
　　探索研究性实验是与科学研究紧密结合的实验，要求学生在掌握实验原理和仪器使用的基础上自己独立完成实验，教师不再对实验作普遍讲解，但可随时答疑解惑，以达到鼓励学生独立思考、提出问题、有所创新的目的。学生可根据自己的情况，在有限范围内选择合适的时间完成部分或全部实验内容，并以科研论文的形式提交实验报告。
　　第1章 测量与误差
　　1.1 测量及分类
　　测量是用实验方法获得量的量值的过程，就是将待测物理量与选作计量标准的同类物理量进行比较，并得出其倍数的过程。倍数值称为待测物理量的数值，选作的计量标准称为单位。因此，一个物理量的测量值应由数值和单位两部分组成，缺一不可。物理实验离不开对物理量的测量。
　　按测量对象和测量结果的关系来分类，测量可分为直接测量和间接测量。
　　直接测量：即用测量仪器仪表或量具直接读出测量值的测量例如用米尺测量长度、用温度计测量温度、用电压表测电压等都是直接测量，所得的物理量如长度、温度、电压等称为直接测量量。
　　有些物理量无法进行直接测量，需要依据待测物理量与若干个直接测量量的函数关系求出，这样的测量就称为间接测量。大多数的物理量都是间接测量量。如用单摆测重力加速度g时，T（周期）、L（摆长）是直接测量量，而g就是间接测量量。
　　在物理实验中，不仅要明确测量对象，选择恰当的测量方法，正确完成测量的各个步骤，还要学习误差理论和实验数据处理的基本概念，学会能够对多数测量表示出完整的测量结果，包括表示出确定水平的不确定度。
　　1.2 测量误差
　　每一个待测物理量在客观上有着确定的数值，称为真值。当我们进行测量时，由于理论的近似性、实验仪器分辨率或灵敏度的局限性、环境条件的不稳定性等因素的影响，测量结果总不可能绝对准确。待测物理量的真值同我们的测量值之间总会存在差异，这种差异就称为测量误差。
　　若某物理量的测量值为真值为兄，则测量误差办定义为
　　dy=y-Yt（1）
　　真值是理想的概念，只有定义严密时通过完善的测量才可能获得，它一般无从得知。因此一般不能计算误差，只有少数情况下用准确度高的实际值作约定真值时才能计算误差。
　　由测量得到的一切数据，无一例外都包含有测量误差。虽然由于不知道真值而不能计算误差，但是能分析误差产生的主要因素，减小或基本消除某些误差对测量结果的影响。对测量结果中未能消除的误差影响，要估计出它们的极限值或表征误差分布特征的参量，如标准偏差。误差的普遍性要求我们：必须重视对测量误差的分析，重视不确定度评定，尽可能完整地表示测量结果。
　　1.3 误差的分类
　　误差主要分为两类：随机误差和系统误差。它们的性质不同，应分别处理。
　　还有一类误差，由于外界干扰、操作或读数失误等原因而明显超出规定条件下的预期值，称为粗大误差。包含粗大误差的测得值称为异常值。测量要避免出现高度显著的异常值。已被谨慎确定为异常值的个别数据要剔除。
　　1.3.1 随机误差
　　随机误差是重复测量中以不可预知方式变化的测量误差分量。
　　电表轴承摩擦力矩的变动、螺旋测微计测头的压紧力在一定范围内变化、操作读数时在一定范围内随机变动的视差影响、数字仪表末位取整数时的随机舍入过程等，都会产生一定的随机误差分量。
　　随机误差是测量误差的一部分，其大小和正负虽然不知，但在相同条件下对同一稳定被测量的多次重复测量中，它们的分布常常满足一定的统计规律性。随机误差分布绝大多数是“有界性”的，即绝对值很大的误差出现的概率接近零；大多数有抵偿性，即随机误差的算术平均值随着测量次数的增加而减小，最后趋于零；相当多的有单峰性，即绝对值小的误差出现的概率大。
　　1.算术平均值
　　大多数随机误差有抵偿性，即测量次数足够多时，正、负误差之和的绝对值近似相等。因此，用多次测得的算术平均值作被测量的估值，能减小随机误差的影响。设对同一量重复测了n次，一般应使n≥6，测得值为x，算术平均值为
　　（2）
　　2.实验标准（偏）差
　　随机误差引起测得值^的分散性用实验标准偏差s表征，s由贝塞尔法算出