物理学实验的目的和任务.docx
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物理学实验的目的和任务
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绪论
一、物理学实验的目的和任务
物理学是自然科学中最基本,同时也是最重要的学科之一。
它是研究物质运动最基本的和最普遍的规律,并将这些规律应用于生产实践的科学。
在高等医学院校里,物理学是一门基础课程。
通过这门课程的学习,使学生能获得今后在医学理论和实际工作中所必需的物理学知识,并且能运用这些知识去解决医学实践中的某些问题。
物理实验是物理学研究的基本方法,物理学规律的发现和理论的建立,都必须以严格的物理实验为基础。
通过实验和观察,使我们能够深入掌握物理现象的规律性,同时也检验理论的正确性,使这门科学变得更为完整、严密。
物理实验课的任务,不能简单地看做是重复某些物理现象和验证书本里某些物理定律,把实验课变成理论课的附属品。
因为实验课有许多教学方面的要求是理论课所不能代替的,我们必须正确认识实验课的地位和作用。
物理学实验的目的和任务:
(1)通过实验观察和分析物理现象,巩固和加深对物理现象及规律的认识,提高对理论学习的理解能力。
(2)学会正确使用常用物理仪器,熟悉仪器的性能;学会对基本物理量的测量,掌握物理实验的方法,提高实验技能。
(3)培养严肃认真、细致谨慎的实事求是的科学态度和遵守纪律的优良品德。
要做好每个实验,就必须按照预习、操作、报告这三个程序进行。
1.预习
这是能否顺利进行实验的关键,因此实验前必须做好预习。
要求做到:
①详细阅读有关实验内容,明确实验目的,弄懂实验原理,掌握实验方法;
②对实验仪器的性能和使用方法有初步认识,避免盲目操作,损坏仪器;
③根据实验要求,拟定实验方案和步骤,设计好记录数据的表格。
2.操作
通过实验操作,对物理现象进行观察和研究,掌握实际知识,加强对理论
的理解能力,提高实验技能。
要求做到:
①遵守实验室规则和秩序;
②操作前要检查和认识实验仪器,了解仪器的性能和使用方法,做到正确使用;
③按照实验步骤进行操作,要有条不紊;
④将测量数据认真地填写在预习时已准备好的记录表格上,计算出必要的结果;
⑤实验完毕,整理仪器,保持清洁。
3.报告
实验报告是进行实验的最终总结。
要认真细致地对实验数据做出整理和计
算,在对结果加以分析总结的基础上,写出清楚而简明的实验报告。
实验报
告要求有如下几方面的内容:
①实验题目;
②实验目的;
③实验器材;
④简明的实验原理;
⑤简要的步骤;
⑥测量数据及计算结果。
数据要填入表格内,记录实验时的环境条件,如室温、气压等,有的结果还要绘出曲线;
⑦结果的分析、讨论、总结、回答问题。
二、测量的误差及误差的计算
(一)测量的误差及产生误差的原因
物理实验不仅对物理变化过程要作定性的观察,而且还要对某些物理量进行定量的测量。
例如,长度、质量、时间、温度、电流等。
测量某一物理量,实际上就是用一个确定标准单位的物理量和待测的未知量进行比较,所得的倍数就是该未知量的测量值。
测量方法可分为直接测量和间接测量。
直接测量是将待测量与标准量作比较而直接导出结果的测量。
例如,用米尺测量长度,用秒表测量时间等,就是属于这一类,都是用基本测量仪器就可以直接测出结果的。
间接测量是依靠直接测量的结果,再经过物理公式的计算,才能得出最后的结果。
例如,要测量圆柱体的体积,首先要测量其直径和高度,然后再用公式计算才能得出体积的数值。
大多数测量都是属于这一类。
测量的目的就是力图得到真值。
所谓真值,就是反映物质自身各种各样特性的物理量所具有的客观真实数值。
严格来讲,由于仪器精密度、测量方法、测量程序、实验环境、实验者的观察力等,都不可能完美无缺,尽管对同一物理量经过多次测量,所得的结果也只能达到一定限度的准确程度,因此不能认为测得的结果就是它的真值。
真值是不可能准确测得的。
通常将在相同条件下进行多次重复测量的算术平均值称为测量的最佳值或近似值;当测量次数无限增加时,算术平均值将无限接近于真值,然而我们不能对同一物理量进行无限多次测量,因此常把有限次测量的算术平均值作为真值。
每个测量值与真值之间的差叫做误差。
由于测量值不可能与真值完全相同,所以误差总是存在的。
根据误差的性质及产生原因,可分为系统误差、偶然误差和过失误差。
1.系统误差
或称恒定误差,是指在测量中由未被发觉或未确认的因素所引起的误差,例如,仪器不准确、周围环境(温度、湿度、气压等)变化的影响、个人习惯与偏向(读数总是偏高或偏低等)、理论和测量方法本身不严密等原因所造成的误差。
由于这些因素影响,测得的数值总是朝一个方向偏离,或总是偏大,或总是偏小,其特征是偏离的确定性,增加测量次数也不能有所改善。
但如果根据其产生原因分别加以校正,例如对仪器修正,改进测量方法,对影响实验的有关因素加以周密考虑等,则系统误差是能尽量减小或消除的。
2.偶然误差
亦称随机误差,是由—些无法控制,纯属偶然的因素所引起的误差。
其特征是时而偏大,时而偏小,时正时负,方向不一定,其发生纯属偶然,受或然率支配。
减少偶然误差的方法是进行多次重复测量。
3.过失误差
这是人为的误差,如实验者粗心大意、实验方法不当、使用仪器不准确、读错数据等。
因此,实验者只要有严肃认真的态度,实事求是和一丝不苟的科学作风,过失误差是可以避免的。
(二)测量误差和结果的表示
1.直接测量误差和结果的表示
在实验中,常常由于某种原因而对一个物理量只进行一次直接的测量,这时测量值的误差可根据实际情况进行合理的具体的估算,通常可按仪器上标明的仪器误差作为单次测量的误差。
如果没有注明,也可取仪器最小刻度的一半作为单次测量的误差。
为了减小偶然误差,在可能的情况下,总是采用多次测量,将各次测量的算术平均作为此量真值来计算误差。
设某一物理量在相同条件下进行k次测量,各次测量结果分别为A1,A2,A3,….AK,则它们的算术平均值为
这个算术平均值认为是被测量值的真值。
测量值的误差常用下面几种方法表示:
(1)算术平均误差
各次测量值Ai与算术平均值的差,其值分别为:
,,…,它反映了各次测量的误差,我们把算术平均误差定义为:
因为它是以误差的绝对值表示测量值的误差,故又称为平均绝对误差,它表明被测物理量平均值的误差范围,也就是说,被测物理量的值在和之间,因而测量结果应表示为。
(2)标准误差
各次测量值Ai与算术平均值的差,再取其平方的平均值然后开方,这样得到的结果称为标准误差,即
标准误差在正式的误差分析和计算中,常作为偶然误差大小的量度。
被测物理量的结果可表示为。
(3)相对误差
绝对误差可用来估计测量的误差范围,但不能反映测量的准确程度,究竟这个误差是在多大的测量值内产生的呢?
因此我们将平均绝对误差与测量的算术平均值的比值
称为平均相对误差,用来定量表示测量精确度。
相对误差还可用百分数表示,称为百分误差,写
此外,我们常遇到一些已经有公认值或理论值的测量,这时,求百分误差可用公认值或理论值代替,而则是我们所得的测量值与公认值或理论值之差的绝对值。
2.间接测量误差和结果的表示
在物理实验中,大多数是间接测量,是由多个直接测量值通过一定公式计算得出最后结果的,因此,直接测量的误差必然对间接测量的误差有所影响,这可用相应的误差传递公式来进行计算。
设A,B为直接测量值,可表示为,,而设N为其间接测量值,表示为,是由A,B代入计算公式所求得的。
(1)和的误差
若N=A+B
则
于是的其算术平均值为
考虑到在最不利的情况下可能产生的最大误差,于是得到和的平均绝对误差为:
其相对误差为:
(2)差的误差
若N=A-B
则
于是的其算术平均值为
同前理由,得到差的平均绝对误差为:
其相对误差为:
由此可见,和差运算中的平均绝对误差,等于直接测量值的平均绝对误差之和。
(3)积的误差
若N=A·B
则
于是其算术平均值为
略去二级小量同前理由,得到差的平均绝对误差为:
其相对误差为:
由此平均绝对误差还可以表示为:
(4)商的误差
若
则
于是其算术平均值为
平均绝对误差为:
其相对误差为:
由此平均绝对误差还可以表示为:
由此可见,乘除运算中的相对误差,等于直接测量值的相对误差之和。
(5)方次与根
由乘除法的相对误差公式,容易证明:
若N=An,
则
若N=A1/n,
则
上述各种运算,可推广到任意个直接测量值的情况。
从以上结论可看到,当间接测量值的计算式中只含加减运算时,先计算绝对误差,后计算相对误差较为方便;当计算式中含有乘、除、乘方或开方运算时,先计算相对误差,后计算绝对误差较为方便。
其它函数的误差传递公式,我们不一一证明,下面仅列出一些常用公式,以备查阅。
三、有效数字及其运算法则
要对某—物理量,例如长度、时间、温度、压强、电流等进行测量,都必须使用各种仪器。
但每种仪器由于其结构及生产技术条件等各方面的因素的限制,都有确定的精密度,使用不同精密度的仪器测量结果的精确度也就各不相同。
所谓仪器的精密度,除有特殊标明的仪器外,一般定义为最小分格所代表的量为该仪器的精密度。
例如,米尺的最小分格是lmm,其精密度就是lmm,其它仪器依次类推。
有的仪器有特殊标记,例如某一天平的感量是0.01g,其精密度就是O.Olg了。
电子仪表的精密度是以级数标记的,例如,某电表是2.5级,表示测量的误差为2.5%,级数越小,精密度越高。
仪器的精密度限制了测量的精确度,例如,我们用米尺测量某一物体的长度,测得值是在3.2cm
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