大学物理实验.ppt

2
匀速圆周运动的实例分析
3
2024/1/29
13
圆周运动
2024/1/29
01
变速圆周运动
02
变速圆周运动的特点和性质
03
变速圆周运动的实例分析
14
相对运动
2024/1/29
01 02 03
参考系与坐标系 参考系的选择和建立 坐标系的种类和应用
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相对运动
2024/1/29
相对速度与牵连速度 相对速度的定义和计算
2024/1/29
简谐振动的动力学特征
分析简谐振动的动力学特征，包括回复力、加速度 、速度、位移等物理量的变化规律。
简谐振动的能量特征
讨论简谐振动的能量特征，包括动能、势能 、总能量等的变化规律，以及能量转换的过 程。
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振动的合成与分解
2024/1/29
同方向同频率简谐振动的合成
分析两个同方向同频率简谐振动的合成规律，介绍合振动振幅、合 振动相位等概念。
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大学物理的研究方法
03
观察和实验
建立理想模型
数学方法
物理学是一门以实验为基础的自然科学， 观察和实验是物理学的基本研究方法，通 过实验可以验证物理假说和理论，发现新 的物理现象和规律。
理想模型是物理学中经常采用的一种研究 方法，它忽略了次要因素，突出了主要因 素，使物理问题得到简化。
数学是物理学的重要工具，通过数学方法 可以精确地描述物理现象和规律，推导物 理公式和定理。
2024/1/29
适用范围
适用于一切自然现象，包括力学、热学、电磁学 、光学等各个领域。
应用举例
热力学第一定律、机械能守恒定律、爱因斯坦的 质能方程等。

解： 两边求全微分
dN dx dy
方和根合成
N mx ny
dN m dx ndy dN dx dy
为了更全面地评价测量结果的优劣，需考虑绝 对误差相对于测量值本身的大小产生的相对影响。
相对误差 X 100% A
百分误差
真值是不可能确知的，实用中常用约定真值代
替真值，称为百分误差。
E0
X X0 X0
100%
误差无处不在，无时不在
2019-9-13
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2.1.3 测量误差的分类
31
2.2.3 间接测量结果不确定度的合成
间接测量结果与误差的传递
一组直接测量量 x，y，z 微小变量分别为 dx，dy，dz 不确定度分别为 x，y， z 测量量以下标表示 间接测量结果为 N f (x, y, z,)
2019-9-13
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2.2.3 间接测量结果不确定度的合成
“不确定度限值”，统称为仪器误差限值。
2019-9-13
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2.2.2 直接测量结果的不确定度
仪器误差限值 仪
指在正确使用仪器的条件下，仪器示值与 被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。
一般包含系统误差和随机误差两种成分。
常见的仪器误差限值见后表。
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仪器种类
本书约定： t 1
A
n
(Xi X )2
i 1
n(n 1)
2019-9-13
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2.2.2 直接测量结果的不确定度
B类不确定度的估计
B 是用非统计方法评定的不确定度的分量，

物理学是一门实验科学，物理实验在物理学 的产生、发展和应用过程中起到重要的作用。 物理学重大发现深刻影响着我们的生活，X射 线、核磁共振、核能、激光、信息技术……
1901年诺贝尔物理学奖 ——X射线的发现 伦琴
1901年，首届诺贝尔物理学奖授予德国物理学 家伦琴（Willhelm Konrad Rotgen，1845— 1923）以表彰他在1895年发现的X射线。1895年，物理学已 经有了相当的发展，它的几个主要部门--牛顿力学、热 力 学和分子运动论、电磁学和光学，都已经建立了完整的理论， 在应用上也取得 了巨大成果。这时物理学家普遍认为，物理 学已经发展到顶了，以后的任务无非是在细节上作些补充和 修正而已，没有太多的事情好做了。 正是由于X射线的发现 唤醒了沉睡的物理学界。它像一声春雷，引发了一系列重大 的发现，把人们的注意力引向更深入、更广阔的天地，从而 揭开了现代物理学的序幕。
激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱 塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英 文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。 意思是"通过受激发射光扩大"。激光的英文全名 已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年 按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射” 改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打 标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、 激光测距、激光雷达、激光武器、激光唱片、激 光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激 光灭蚊器等等。
伟大的发现，巨大的应用！
仅与X射线研究有关的诺贝尔物理、化学、生物 医学就有15项，其中物理学奖就有7项。它们分 别是居里夫妇的放射性的发现（1903年），布拉 格父子的X射线分析晶体结构（1915年），巴拉 克的元素的标识伦琴辐射的发现（1917年），西 格班的X射线的光谱学研究（1924年），康普顿 的X射线散射（1927年）及戴维逊和汤姆逊的X射 线的电子衍射（1937年)。化学3项，它们分别利 用X射线获取化合物、晶体的结构数据和信息。 生物医学奖5项，它们分别是X射线人工诱变， DNA结构的发现和破译，重要用途药物的晶体结 构、X射线层析三维立体成像技术（CT）。

霍尔效应实验
黑龙江大学普通物理实验室
.
1
霍尔（ A.H.Hall ）
霍尔效应是美国物理学家 霍尔（A.H.Hall，1855—1938） 于1879年在美国霍普金斯大学 读研究生期间,研究关于载流导 体在磁场中的受力性质时发现 的一种现象。
A.H.Hall（1855～1938）
.
2
霍尔效应（Hall effect ）
A'
v B
IS
A
.
1返7 回
厄廷豪森效应
1887年厄廷豪森发现，由于载流子的速度不相等，它 们在磁场的作用下，速度大的受到的洛仑兹力大，绕大圆 轨道运动，速度小则绕小圆轨道运动，这样导致霍尔元件 的一端较另一端具有较多的能量而形成一个横向的温度梯 度决于。因Bv 和而产I S 的生方温向差。效可应判，断形出成V电E 和势V差H 始，终记同为向V E。，其方向取
在需要调节霍尔片位置时，必须谨慎，切勿随意改变Y轴方向的高度，以 免霍尔片与磁极面摩擦而受损。
决不允许将“IM输出”接到“IS输入”或“VH、Vσ输出”处，否则， 一旦通电，霍尔样品即遭损坏。
测量Vσ时， IS不宜过大，以免数字电压表超量程，通常IS取为0.2mA 左右。
.
12
.
13
最小二乘法（直线拟合y=A’+B’x）
如果在一块矩形半导
体薄片上沿x轴方向通以电
流 则，在Bv 在垂z直轴于方电向上流加和磁磁场场
， 的
方向（即y 轴方向）上产生
电势差，这一现象称为霍
尔效应,所产生的电压称为
霍尔电压。
VH
v B
y
z
x
IS
.
3
霍尔效应（Hall effect ）

实验四 电位差计
F U B
B 表示力敏传感器的灵敏度，单位为V /N 。
实验内容及步骤
• 测量力敏传感器的灵敏度 • 测量水的表面张力系数
测量力敏传感器的灵敏度 B
1. 开机预热 15 分钟 2. 吊蓝放在力敏传感器的挂钩上
3. 电压表调零 4. 7 个 0.5 g 片码依次放入吊盘中，记下U0→U7
5. 依次取走片码，记下U7 → U0
2
3
4
5
B 代入D1、D2
附：水的表面张力系数α的标准值
系数α N/m 水温 t°C
0.074 22 0.073 22
10
15
0.072 75 20
0.071 97 25
0.071 18 30
思考题
1.本实验操作中，误差来源可能在哪些方面，应 如何避免。 2.简述液体表面张力系数α的影响因素。
下周实验
测量液体表面张力系数α
测量吊环拉断液柱前一瞬间环受到拉力F1对应的电压值U1 测量水柱拉断脱离液面吊环受力为F2对应的电压值U2
f
(D1 D2 )
(U1 U 2 )
B (D1 D2 )
(N / m)
液体表面张力系数α测量
测量次数
1
U1（mv）
U2（mv）
内径:3.310cm ；外径:3.496cm
拉脱法测定液体表面张力系数
实验装置
调节架
升降台
表面张力系数
想象在液面上划一条直线，表面张力就表现为直线 两旁的液膜以一定的拉力相互作用。拉力 f 存在于表面 层，方向与直线垂直，大小与直线的长度 L 成正比， 即
式中α称为表面张力系 数，它等于沿液面作用在分 界线单位长度上的表面张力, 其单位为N·m-1。它的大小 与液体的成分、浓度以及温 度有关。

E
七、问题讨论与思考
2．实验后思考题
书后1、2、3
八、辅助实验与选做实验
辅助实验：牛顿环干涉测曲率半径
看书自学
选做实验：劈尖干涉测细丝直径
自行设计实验方案
谢谢！ 再见！
2d S '1
相对Ｇ： S S'，M1M'1
S '2

相对M2： S' S'2
相对M'1 ： S' S'1 即虚光源S'1、S'2 在空间处 处相干，故称非定域干涉。
E d L S S' R G
M '1 M2 M1
P
点光源非定域干涉
三、实验原理
4．单色点光源的非定域干涉条纹
干涉图样为空间旋转双曲面：
2．零点误差：粗动轮与微动轮零点不匹配
读数轮特点：“微”带“粗”动，“粗”动“ 微”不动 消除方法：先调“微”指零，再将“粗”对齐 刻线
3．空程误差：螺纹间隙误差
消除方法：始终沿一个方向旋转读数轮
七、问题讨论与思考
1．课堂讨论
（1）如何获得点光源和面光源？ 激光束由于发散角很小，可近似看作平 行光，经扩束镜扩束后即可视为由焦点处发 出的球面波——点光源。
x
y
2 2
L / 2

x z
2
2
2 2
d ( L / 2)
1
S1 z S2
y
屏垂直于S1和S2连线：圆形干涉条纹 屏平行于S1和S2连线：双曲线形干涉条纹 思考：当屏处于其它方位时，条纹为何形状？ 什么条件下能得到直条纹？
三、实验原理
5．点光源等倾干涉条纹
当屏垂直于S1和S2连线时，得等倾干涉 2dcos =kl k=0,1,2,… 主要特点： （1）d、l一定， 角相同的条纹属同级k， 故形成同心圆环 （2）d、l一定， ＝0 处的条纹级数k0最高 k0＝2d/l （3）k、l一定，d减小时 角减小，即干涉 圆环内缩；同理d增大时干涉圆环外扩 （4）d=０时，干涉场内无干涉条纹

h
2eVA 2 2 m m
8 VA2 m eB B 2e
h是B和VA2的函数，调节B和VA2，可以使电子束在磁场方向 上的任意位置聚焦。当螺距h刚好等于示波管的第二阳极到荧 光屏之间的距离d时，可以看到电子束在荧光屏上聚成一小亮 点(电子束已聚焦)，当B值增加到2~6倍时，会使h=1/2d、 h=1/3d、h=1/4d、h=1/5d或h=1/6d，相应地可在荧光屏上看到 第二次聚焦、第三次聚焦、第四次聚焦、第五次聚焦、第六次 聚焦。当h不等于这些值时, 只能看到圆圈的光斑，电子束不 会聚焦。可以得出： 2
mv 2 qvB R
mv 电子回旋半径为： R eB 2 R T 电子回旋周期为： eB
电子的回旋周期和磁感应强度大小、荷质比有关，和速度无关
电子离开磁场区域后不再受力的作用作直线运动。由图可知： l leB tan 2 R mv
s L tan

2
L
leB mv
设电子进入磁场前加速电压为VA2， 电子从加速极射出的速度：
水平偏转极板：X1和X2为处于示波管中一前一后的两块金属板， 在极板上施加适当电压后构成水平方向的横向电场。 垂直偏转极板：Y1和Y2为处于示波管中一上一下的两块金属板， 在极板上施加适当电压后构成垂直方向的横向电场。 示波管第二阳极（第二阳极圆筒的中点）到荧光屏的距离：典型 值为180mm
四、实验调节方法
e
m

8 VA 2 h B
2 2
L 8 VA 2 其中： B 0 n0 I 2 2 L2 D2 m h B
e
2
N nL
μ0：真空磁导率，n0：励磁线圈匝密度，N：励磁线圈总匝数，I 为励磁电流， D为励磁线圈平均直径，L为励磁线圈长度

力敏传感器所受拉力为F 时数字式电压表示数为U：
B
B 表示力敏传感器的灵敏度，单位为V /N 。
实验内容及步骤
• 测量力敏传感器的灵敏度
• 测量水的表面张力系数
测量力敏传感器的灵敏度 B
1. 开机预热 15 分钟 2. 吊蓝放在力敏传感器的挂钩上 3. 电压表调零 4. 7 个 0.5 g 片码依次放入吊盘中，记下U0→U7 5. 依次取走片码，记下U7 → U0 力敏传感器最大量程0.098N，不要用力过大
拉力f存在于表面层方向与直线垂直大小与直线的长度存在于表面度层方向与直线垂直大小与直线的长度l成正比即成正比即ffffll式中称为表面张力系数表面张力系数它等于沿液面作用在分界线单位长度上的表面张力它等于沿液面作用在分界线单位长度上的表面张力其单位为nm1
拉脱法测定液体表面张力系数
实验装置
调节架
升降台
2.简述液体表面张力系数α的影响因素。
下周实验
实பைடு நூலகம்四 电位差计
砝码与电压关系图 120 100 80 60 40 20 0 0 1 2 m(g) 3 4 y = 29.886x - 0.3286 R2 = 0.9999
U(mV)
系列1 线性 (系列1)
Bk
9.8
(V / N )
测量水的表面张力系数
1. 玻璃器皿中放水1/2到2/3之间
2. 吊环放在力敏传感器的挂钩上，保持竖直
f ＝αL
吊环拉脱法实验原理
F
硅压阻力敏传感器
f F1 F2 (U1 U 2 ) B
吊环拉断液柱前一瞬间环受到的拉力F1，对应电压值U1 水柱拉断时瞬间吊环受力为F2，对应电压值U2
f

52
4.偶然误差的估算 标准差
任何测量都不可能做无限次，
只能是有限次。如对 x 量测量 了n 次得一 测量列 {x1 . X2---xn},由测量列决定的标准差为：
sx
(x xi )2 n1
可作为偶然误差的估算。
h
53
当测量次数趋于无穷时有
( x)2
n
lim Sx
lim (x xi )2 (n 1)
近似值X：是对真值的近似描述，与测 量量所用的理论方法及仪器有关。
误差：
EX或 E X100%
是评价测量值准确与否的客观标准。
h
30
2. 误差的种类
系统误差 偶然误差 过失误差
h
31
仪器误差
天平不等臂所造成的
系统误差
h
32
aA
bB
O
a A
b
B
不偏心时，由于
a a ，b 所b 以
可用弧长反映角度的
大小。
由于偏心，使之用弧
长反映角度 时产
生的系统误差。如：
A A B 这B 是 由偏心
造成的。
h
33
理论 由于理论推导中的近似,产生的
系统误差
如： B n I 0 螺线管为无限长，管壁磁漏可
忽略。
h
34
公式 h 1（g忽t 2略了空气阻力等）
2
意大利科学 家伽利略在比 萨斜塔上做的
铁球落地实验 。两个不同重 量的铁球从高 处落下，同时 着地。说明理 论在一般情况 下都能较准确 地反映物体真 实的运动规律
测量中表现出确定的规律即统计规
律。可用来对偶然误差的影响程度
作出客观的评价。
h

⑤、⑥、⑦、⑧要详细写。 关于详细要求的说明，请参阅讲义。
第一章 概述
§3 本课程的教学程序及有关问题的说明
➢ 关于实验报告的收发 每次上实验课，交上一次实验的实验报 告，迟交要扣分 注意：必须将教师签过字的原始数据表 同时上交，否则不予认可二 3次不交实验报告学生不得参加期末考 试
第一章 概述
第一章 概述 第二章 误差与不确定度的基本概念
与处理方法 第三章 数据处理的基本知识与要求
第一章 概述
§1 大学物理实验课的地位与作用
一、实验是物理学的基础
实验是对自然的积极探索 其作用具体体现在： ➢ 通过发现新现象，推动物理理论的发展 ➢ 检验和修正物理理论
二、物理实验是推动科技发展的有力工具
第一章 概述
§2 大学物理实验课的教学目的与要求
三、提高科学素养
科学素养几个表现： ➢ 有强烈的求知欲。 ➢ 在科学思维的基础上独立观察思考，培养
创新意识。
➢ 培养严谨的科学作风和坚韧不拔的苦干精 神。
第一章 概述
§2 大学物理实验课的教学目的与要求
四、教学中的几点具体要求：
遵守实验规则，养成良好的实验习惯； 熟悉本课程的基本程序并按要求执行； 掌握物理实验基本测量方法； 能够正确合理地处理实验数据，能够撰写完整 规范的科学实验报告； 了解误差与不确定度、有效数字的基本知识和 处理方法，并能适当应用于数据处理过程。
如：用卡尺测长度
间接测量： 利用一定的函数关系由一个或几个直
每次最后做完实验的两个同学还要完成清扫实验
室的任务，经教师允许后方可离开。
第一章 概述
§3 本课程的教学程序及有关问题的说明
四、实验报告撰写规范
➢ 一份完整规范的实验报告通常包括以下部分：

n
lim
2 i i 1
n
i xi
1 f ( ) e 2
2 2 2
认识正态分布函数
( , )
测量值落在区间 ( , )
的概率P = 68.3%；
x
在区间 ( 2 , 2 ) 的概率P = 95.4%； 在区间 ( 3 , 3 ) 的概率P = 99.7%。
3 u ( xi )
a 3
3
6
a 3
a 6
2
a 2
在实验教学情况下，为简化起见，一般估计为矩 形（均匀）分布，B类不确定度的计算公式为：
uB 3
其中，Δ取仪器的误差限或实际测量估计的误差 极限值 。
例1.2.1 知道某游标卡尺的仪器最大仪器误差为 0.05mm，则按矩形分布计算标准不确定度：


误差可用来修正测量结果（如系统误差），不确定度 则不能。
1.2.1 不确定度的评定

规范依据
国家计量技术规范《测量不确定度评定与表示》JJF1059— 1999

不确定度的评定方法可归纳为A、B两类
用统计方法得出的归为A类
用非统计方法得出的归为B类
A、B两类不确定度只是评定方法的不同，不是不确定度性质 的不同。多数情况下要综合A、B两类评定的结果。
反映测量偶然误差的大小。
O
通常，概率P 称为“置信概率”， 对应的x范围称为“置信区间”。
随机误差和系统误差的形象表示
子弹着靶点分布图
（a）随机误差小，系统误差大 （b）随机误差大，系统误差小 （c）随机误差和系统误差都小
能看出图示测量中随机误差和系统误 差的相对大小吗？ （X0为真值）

测量牛顿环直径
转动读数鼓轮, 观察十字准线竖线从中央缓慢 向左（或向右）移至40环，然后反方向自40环 向右（或向左）移动，当十字准线竖线与35环外 侧相切时，记录读数显微镜上的位置读数x35然 后继续转动鼓轮，使竖线依次与30、25、20、 15、10、5环外侧相切，并记录读数。过了5环 后继续转动鼓轮，直到十字准线竖线回到牛顿环 中心，核对该中心是否是 k = 0。
平凸透镜
平板玻璃
读数显微镜
读数标尺
读数盘
目镜 上下移动旋钮 物镜 水平移动旋钮
钠灯
• 钠光灯是一种气体放电灯。在放电管内充 有金属钠和氩气。开启电源的瞬间，氩气 放电发出粉红色的光。氩气放电后金属钠 被蒸发并放电发出黄色光。
• 钠光在可见光范围内两条谱线的波长分别 为589.59nm和589.00nm。这两条谱线很 接近，所以可以把它视为单色光源，并取 其平均值589.30nm为波长。
牛顿环实验 大学物理实验
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
牛顿环
实验公式
在空气厚度为e的地方，
上下表面反射的光的光程
差 为 2e+λ/2 ， 其 中 后 一 项
是“半波损失”。
光程差为(2k+1) λ/2处
为干涉暗条纹，得到曲率
半径计算公式：
A
B
R(rm m 2 n r)n24D (m m 2 n D )n 2