1、大学物理实验讲义南阳师范学院物理与电子工程学院1前 言大学物理实验是面向高等学校理工科学生的重要实践课程，对于培养学生的从事科学研究的基本素养、锻炼学生的动手能力、观测能力、数据处理与分析能力，培养学生的创新意识与科研开发能力，具有不可替代的重要作用。我们根据目前我国高等院校大学物理实验开设的情况，制定了我院的大学物理实验培养方案与目标，对照实验室的仪器设备配置，据此组织编写了这本实验进义，可供我学院所有理工科专业的学生使用。本讲义由张国芳主持编写，绪论、误差理论与数据处理，实验一、实验五由郑长波编写，实验二由杨兴强编写，实验三、实验四由肖绍武编写，实验六、实验八、实验十由张萍编写，实验九由侯
2、晨霞编写，实验七由刘克涛编写。本讲义在编写过程中,参考了许多其他高等师范院校的实验教材,得到了我院许多长期从事实验教学工作教师的大力支持，在此表示感谢！本教材难免有不妥之处,恳请读者批评指正。2目 录绪论 误差理论与数据处理.3实验一 密度的测量.61实验二 牛顿第二定律的验证（气垫导轨法）.69实验三 杨氏弹性模量的测定（拉伸法）. 78实验四 扭摆法测刚体的转动惯量. 87实验五 金属线胀系数的测定. 94实验六 二极管伏安特性的测定. 101实验七 电表改装与校准（设计性实验）.105实验八 示波器的使用.108实验九 霍耳效应. .118实验十 等厚干涉现象的研究.1343绪 论 误差
3、理论与数据处理物理学是一门实验科学，在物理学的建立和发展中，物理实验起到了直接的推动作用。从经典物理到近代、现代物理，物理实验在发现新事物、建立新规律、检验理论、测量物理量等诸多方面发挥着巨大作用。随着现代科学技术水平的高度发展，物理实验的思想、方法、技术与装置已广泛地渗透到了自然学科和工程技术的各个领域，解决了一大批生产和科研问题。大学物理实验是一门重要的基础课程，是学生进入大学后系统地接受科学实验方法和实验技能训练的开端。通过学习，可以提高学生用实验手段发现、分析和解决问题的能力，激发学生的创新意识和创造力，培养和增强独立开展科学研究的素质。一、大学物理实验课的主要任务1通过对实验现象的观
4、察分析和对物理量的测量，使学生掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能。运用物理学原理和物理实验方法研究物理规律，加深对物理学原理的理解。2培养与提高学生从事科学实验的能力。主要包括：（1）自学能力。能够自行阅读实验教材与参考资料，正确理解实验内容，做好实验前的准备工作。（2）动手能力。能借助教材与仪器说明书，正确调整和使用仪器，制作样品，发现和排除故障。（3）思维判断能力。运用物理学理论，对实验现象与结果进行分析和判断。（4）书面表达能力。能够正确记录和处理实验数据，绘制图表，分析实验结果，撰写规范、合格的实验报告或总结报告。（5）综合运用能力。能够将多种实验方法、实验仪器结合在一起，运用
5、经典与现代测量技术和手段，完成某项实验任务。（6）初步的实验设计能力。根据课题要求，能够确定实验方法和条件，合理4选择、搭配仪器，拟定具体的实施步骤。3培养学生从事科学实验的素质。包括理论联系实际、实事求是的科学作风；严肃认真的工作态度；不怕困难、勇于探索的创新精神；遵章守纪、爱护公物的优良品德；团结协作、共同进取的作风。二、大学物理实验课的基本程序1实验预约目前，大学物理实验课程大多采用开放式教学方式，即学生可在实验室提供的上课时间和开设的实验项目内，根据自己的专业特点、兴趣爱好及时间安排，自己选择实验项目和实验时间。因此，做好上课前的预约工作是至关重要的。实验预约主要通过计算机网络实现，学
6、生在预约时应仔细阅读实验室（或中心）关于开放实验的有关管理规定和预约指南，合理地安排好自己的实验课表，保证实验课的顺利进行。2实验前的预习预习是训练和提高自学能力的极好途径，为了在规定时间内高质量地完成实验内容，必须做好预习工作。预习时，通过阅读实验教材及参考资料，重点考虑三方面问题：做什么（最终目的） ；根据什么去做（实验原理和方法） ；怎样做（实验方案、条件、步骤和关键要领） 。在此基础上写好预习报告，报告主要内容是：实验名称，简单实验原理（如主要计算公式、线路图等） ，实验内容（需观察的现象或需测量的物理量，数据记录表格） ，遇到的问题及注意事项。每次实验前，教师将检查预习情况。3实验中
7、的观测实验操作与观测是动手能力、思维判断能力和综合运用能力训练的过程，也是培养学生科学实验素质的主要环节。在教师指导性讲解的基础上，主要做到以下几方面要求：（1）弄清实验内容的具体要求和注意事项。5（2）熟悉仪器，并进行调整测试，符合要求后，方可进行正式操作、测量。（3）科学地、实事求是地记录下实验中观察到的各种现象和测量数据，同时记录与实验结果有关的实验条件，如环境（温度、湿度、压力等） 、主要仪器（名称、型号、规格、准确度等） ，记录数据要注意有效数字和单位准确。（4）实验完毕，将实验结果记录情况交任课老师审阅签字，确认无误后方可整理仪器结束实验。4实验后的报告实验报告是实验工作的全面总结
8、和深入理解的一个环节。一份完整的实验报告，应是在完善预习报告的基础上，增加：（1）实验现象与数据，获得数据的条件（如仪器、环境等） 。（2）数据处理方法，结果表达。（3）实验现象及误差分析，结果讨论、结论，对实验的体会与建议等。（4）教师签字的原始数据。书写实验报告时，要简明扼要，文字通顺，字迹端正，图表规范；独立完成实验报告并及时上交。三、大学物理实验课的成绩评定平时每个实验项目的成绩主要采用“三段式能力考核”方式进行评定，即通过考核预习情况检验学生的自学能力，通过操作检验学生的动手能力与理论联系实际能力，通过实验报告考核学生综合分析、处理数据和书面表达能力。教师在每一堂实验课的教学过程中，
9、将根据实验项目评分标准对实验的每个环节严格评定， 充分掌握学生的学习情况。实验成绩为预习成绩、操作成绩、报告成绩三者之和。课程总成绩主要为各实验项目平均成绩与所做实验个数的加权平均值，必要时在学期末进行实验基本理论知识和实验基本技能考试。第一章 误差理论与数据处理基础知识在科学研究和实验过程中，往往离不开对某个物理量的测量。物理实验除了定性地观察物理现象外，也需要对物理量进行定量测量，并确定各物理量之间的关系。6由于测量设备、环境、人员、方法等方面诸多因素的影响，使得测量值与真实值并不完全一致，这种差异在数值上表现为误差。随着科学水平的提高和人们的经验、技巧、专门知识的丰富，误差虽然可以被控制
10、得越来越小，却始终不能把它消除。因此，对实验中测量获得的数据，要选择合适的方法进行处理，并对其可靠性做出评价，否则，测量结果是没有价值的。误差与数据处理理论已发展为一门学科，它涉及的内容丰富，且较为复杂。在此，将简单介绍大学物理实验中常用的一些初步和基本知识。11 几个基本概念111 测量（Measurement）一、定义所谓测量，就是借助于专门设备，通过一定的实验方法，以确定物理量值为目的所进行的操作。它是一个实验比较的过程，即把一个量（待测量）与另外一个量（标准量）相比较。测量由测量过程与测量结果组成。测量过程是执行测量所需的一系列操作。包括建立单位、设计工具、设计测量方法、研究分析测量结
11、果、寻找减小误差的途径等方面。测量结果表示由测量所获得的待测量的值，一般由数值、单位和精度评定三部分组成。二、分类从不同的角度考虑，测量有不同的分类法。按照测量结果获得方法的不同，测量分为直接测量和间接测量。用预先校对好的测量仪器或量具对被测量进行测量，直接读取被测量数值的大小，称为直接测量（Direct measurement） 。例如，用米尺测物体的长度，用秒表测时间，用天平与砝码测物体的质量，用电压表（或电流表）测电压（或电流）等7都属于直接测量，相应的被测物理量称为直接测量量。如果待测量的量值是由若干个直接测量量经过一定的函数运算获得的，这种测量称为间接测量（Indirect meas
12、urement） 。例如，体积、密度等物理量的测量往往采用间接测量，相应的被测物理量称为间接测量量。实际测量中多数为间接测量，但直接测量简单、直观，是一切间接测量的基础。按照测量条件的不同，测量可分为等精度测量和非等精度测量。在相同的测量条件下（同一测量水平的观测者，同一精度的仪器，同样的实验方法和环境等）对某一待测量所做的重复性测量，称为等精度测量。等精度测量获得的所有数据的可信赖程度是相同的，在数据处理过程中地位相同，应一视同仁。尽管实际测量中，很难保证所有条件不变，但由于等精度测量数据处理方法相对简单，因此只要测量条件变化不大，一般都可近似为等精度测量。大学物理实验学习阶段，主要考虑等精
13、度测量。在不同的测量条件下对某一待测量所做的重复性测量，称为非等精度测量。非等精度测量获得的所有数据的可信赖程度是不同的，在数据处理过程中应按精度高低，区别对待。按照被观测对象在测量过程中所处的状态，可分为静态测量和动态测量。如果待测量在测量过程中是固定不变的，这时所进行的测量为静态测量。静态测量不需要考虑时间因素对测量结果的影响，应把被测量或误差作为随机变量进行处理。如果待测量在测量过程中随时间不断变化，这时所进行的测量为动态测量。动态测量需考虑时间因素对测量结果的影响，应把被测量或误差作为随机过程来进行处理。112 误差（Error）一、定义8误差是指测量值与被测量的真值（True val
14、ue）之差。用式子表示为误差 =测量值 -真值 （1-1-1）x0其中，误差可正可负，反映了测量值偏离真值的程度；测量值是通过测量得到的被测量的值；真值是某一物理量在一定条件下所具有的客观的、不随测量方法改变的真实数值。一般情况下，真值是未知的，所以误差的概念只具有理论意义。只是在某些特殊情况下，真值可认为是已知的，主要包括：1理论真值：通过理论方法获得的真值。例如，三角形内角之和为 180；理想电容或电感构成的电路，电压与电流的相位差为 90等。2计量学的约定真值：国际计量机构内部约定而确定的真值。例如，7 个 SI基本单位量的确定，即长度单位米（m） 、时间单位秒（s） 、电流强度单位安培
15、（A） 、质量单位千克（kg） 、热力学单位开尔文（K） 、物质的量的单位摩尔（mol） 、发光强度单位坎德拉（cd） 。3标准器的相对真值：当高一级的标准器的误差小于低一级的标准器或普通计量仪器的误差一定程度后，高一级标准器的指示值可以作为级别低的仪器的相对真值。二、误差的分类根据误差的性质，可将误差分为系统误差、随机误差和疏失误差三类。1系统误差（Systematic error）在同一测量条件下，多次测量同一物理量时，大小和符号保持恒定或随条件的改变而按某一确定规律变化的误差，称为系统误差。一个完整的测量系统，通常由实验源、实验体、观测系统、实验环境 4 部分组成，因此系统误差来源可以归
16、纳为以下几个方面：（1）仪器设备、装置误差 标准器误差标准器是作为与被测量相比较时提供标准值的器具。例如，标准电池、标准量9块、标准电阻等。由于使用条件或制作不够完善等原因，标准器本身也会产生附加误差。 仪器误差测量仪器是指能将被测量转化为可直接观测的指示值或等效信息的计量器具。例如，天平、电桥等比较仪器；温度计、秒表、检流计等指示仪器。仪器设计制造不完善、调节使用不当、老化等原因都会造成测量误差。 附件误差为使测量方便进行而使用的各种辅助配件，均属测量附件。例如，开关、导线、电源等各种辅助配件也会引起误差。（2）环境误差由于各种环境因素，如温度、湿度、压力、震动、电磁场等，与要求的标准状态不
17、一致而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差。（3）方法误差由于测量方法或计算方法不完善、不合理等原因引起的误差。例如，瞬时测量时取样间隔不为零；用单摆测量重力加速度时，公式 的近似性；用2/4TLg伏安法测电阻时，忽略电表内阻的影响等。（4）人员误差由测量人员分辨力有限，感官的生理变化，反应速度及固有习惯等原因引起的误差。例如，测量滞后与超前、读数倾斜等。从不同角度，系统误差又可分为不同种类。按对误差掌握程度，系统误差可分为已定系统误差和未定系统误差。已定系统误差的大小和符号是可以确定的，如千分尺、电表的零位误差，伏安法测电阻电表内阻引起的误差等。这类误差可以修正。未定系统误差是大小和符号不能确定，只能估计出大小变化范围的系统误差，如仪器误差。按误差的变化规律，系统误差又可分为不变系统误差和变化系统误差。不变系
