下载文档原格式
第一章测量、误差与数据处理第1节测量和有效数字1.1.1 测量与物理实验的关系物理实验由物理现象的再现、物理量的测量与数据处理三部分组成。
测量是物理实验的核心，也是实验课的中心内容。
测量是指用一定的工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地与被测量所进行的比较。
由于测量对任何实验都很重要，所以发展成独立的一门学科——测量学。
测量所用的原理绝大多数是物理原理，所用方法是物理方法，测量的对象是物理量。
但测量学不是实验物理学，两者区别是：测量学最终目的是获得物理量的精确值，物理实验的最终目的是探索自然界物质的属性及运动规律。
两者的关系是，测量不能代替物理实验，而物理实验必包含测量。
1.1.2 测量的分类伽利略有句名言：“凡是可能测量的，都要进行测量，并且要把目前无法度量的东西，变成可以测量的。
”开尔文将测量概括为一门科学中最本质的部分。
“假如你能量度你所研究的事物，并能用数来表示它，你对它就有些了解了。
假如你不能量度、不能用数来表示它，即么这种了解是贫乏，且不能令人满意的。
也许仅仅是知识的入门，但这种知识至少没有提高到科学的程度。
”从基本粒子的微观世界，到庞大星系的广阔空间；从粒子碰撞、蜕变的瞬间，到宇宙演变的漫长过程，都属于测量的范围。
物理实验的测量可分为直接测量、间接测量，组合测量三类。
(1) 直接测量指可用仪器、仪表直接得到被测量数值的测量，如米尺测长度，秒表计时间，电表测电流、电压等。
(2) 间接测量指利用直接测出的数值x，通过一定函数关系运算，才能得出测量结果y，即y=f(x)。
如立方体体积v，是通过对长x，宽y，高z的测量由v=xyz得到；折射率n是通过对折射角θ测定，由折射定律求得。
(3) 组合测量为找出两个量x，y之间在某一区间的函数关系，而在该区间对这两个量进行的逐点测量。
如某元件的伏安特性，是通过在一定范围内，对在不同电压V下所产生的电流I的测定(V1,I1)、(V2,I2)、……而得出的。
吉林⼤学⼤学物理实验实验2.17偏振光的研究实验2.17偏振光的研究光的偏振性证明了光是横波，⼈们通过对光的偏振性质的研究，更深刻地认识了光的传播规律和光与物质的相互作⽤规律。
⽬前，偏振光的应⽤已遍及⼯农业、医学、国防等部门。
利⽤偏振光装置的各种精密仪器，已为科研、⼯程设计、⽣产技术的检验等，提供了极有价值的⽅法。
⼀、实验⽬的1、观察和理解光的偏振现象。
2、掌握产⽣和检验偏振光的⽅法。
3、验证马吕斯定律和布鲁斯特定律。
4、⽤1/4波⽚产⽣并检验椭圆偏振光和圆偏振光。
⼆、实验原理由于光波是横波，所以光⽮量总是与光的传播⽅向垂直。
在与传播⽅向垂直的平⾯内，光⽮量可能有各种不同的振动状态，我们称之为光的偏振态。
最常见的光的偏振态有：⾃然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。
1.马吕斯定律从⾃然光获得偏振光的过程叫起偏。
起偏的最简单⽅法是让⾃然光通过⼀块偏振⽚，其透过的光就成为线偏振光，这块偏振⽚叫起偏器。
使⽤另⼀块偏振⽚来检验偏振光，⽤来检验偏振光的装置称为检偏器。
如果检偏器的偏振化⽅向与起偏器的偏振化⽅向相同，则透过的光强最⼤。
如果把检偏器转过90o，则透射光强为零。
对于检偏器与起偏器的偏振化⽅向的夹⾓为任意⾓度，若⼊射到检偏器上的线偏振光强度为I 0，出射的光强为I ，由于光强与振幅平⽅成正⽐，透射光强为αα220200c o s )c o s (==A A I I 或者写成I = I 0cos 2α (2.17-1)上式为马吕斯定律。
2 布儒斯特定律⾃然光在两种各向同性介质的分界⾯上反射和折射时，反射光和折射光都成为部分偏振光，不过反射光中垂直于⼊射⾯的振动(简称垂直振动)较强；⽽折射光中平⾏于⼊射⾯的振动(简称平⾏振动)较强。
如图2.17-1所⽰。
当⼊射⾓等于某⼀特定值i 0时，反射光是光振动垂直于⼊射⾯的线偏振光，如图2.17-2所⽰。
这个特定的⼊射⾓i 0叫做布儒斯特⾓。
并且21120tan n n n i == (2.17-2) 式中, n 21=n 2/n 1为介质2对介质1的相对折射率。
第一章测量、误差与数据处理第1节测量和有效数字1.1.1 测量与物理实验的关系物理实验由物理现象的再现、物理量的测量与数据处理三部分组成。
测量是物理实验的核心，也是实验课的中心内容。
测量是指用一定的工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地与被测量所进行的比较。
由于测量对任何实验都很重要，所以发展成独立的一门学科——测量学。
测量所用的原理绝大多数是物理原理，所用方法是物理方法，测量的对象是物理量。
但测量学不是实验物理学，两者区别是：测量学最终目的是获得物理量的精确值，物理实验的最终目的是探索自然界物质的属性及运动规律。
两者的关系是，测量不能代替物理实验，而物理实验必包含测量。
1.1.2 测量的分类伽利略有句名言：“凡是可能测量的，都要进行测量，并且要把目前无法度量的东西，变成可以测量的。
”开尔文将测量概括为一门科学中最本质的部分。
“假如你能量度你所研究的事物，并能用数来表示它，你对它就有些了解了。
假如你不能量度、不能用数来表示它，即么这种了解是贫乏，且不能令人满意的。
也许仅仅是知识的入门，但这种知识至少没有提高到科学的程度。
”从基本粒子的微观世界，到庞大星系的广阔空间；从粒子碰撞、蜕变的瞬间，到宇宙演变的漫长过程，都属于测量的范围。
物理实验的测量可分为直接测量、间接测量，组合测量三类。
(1) 直接测量指可用仪器、仪表直接得到被测量数值的测量，如米尺测长度，秒表计时间，电表测电流、电压等。
(2) 间接测量指利用直接测出的数值x，通过一定函数关系运算，才能得出测量结果y，即y=f(x)。
如立方体体积v，是通过对长x，宽y，高z的测量由v=xyz得到；折射率n是通过对折射角θ测定，由折射定律求得。
(3) 组合测量为找出两个量x，y之间在某一区间的函数关系，而在该区间对这两个量进行的逐点测量。
如某元件的伏安特性，是通过在一定范围内，对在不同电压V下所产生的电流I的测定(V1,I1)、(V2,I2)、……而得出的。
《物理实验BII》教学大纲一、课程名称：物理实验BIIPhysics Experiments BII二、课程编号：1002804三、学分学时：1学分/20学时四、使用教材：《大学物理实验》，朱卫华、徐光衍主编，河海大学出版社2008年1月第一版五、课程属性：实践课程/ 必修六、教学对象：非物理类专业本科生七、开课单位：理学院物理实验中心八、先修课程：高等数学九、教学目标：物理实验是对理工科大学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础课程，是学生进入大学后接受系统的实验方法和实验技能训练的开端。
通过学习物理实验知识、方法和技能，使学生了解科学实验的主要过程与基本方法，激发学生的想象力、创造力，培养和提高学生独立开展科学研究工作的素质和能力。
十、教学内容：《物理实验B》课程教学的主要任务是指导学生通过涉及力学、热学、光学、电磁学等内容的实验项目的实践，学习物理实验知识，训练实验技能，培养和提高独立开展科学实验研究工作的素质和能力，物理实验课程教学的主要任务是：１. 指导学生通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识，加深对物理学原理的理解。
２. 培养与提高学生的科学实验能力，其中包括：⑴通过阅读实验教材或资料着手进行物理实验的能力。
⑵借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器的能力。
⑶运用物理理论定性、定量判断结果准确性和研究物理规律的能力。
⑷根据物理概念与科学研究的要求，建立物理模型的能力。
⑸完成简单设计性实验的能力。
３. 培养与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，主动探索的进取精神，遵守纪律、团结协作和爱护公共财物的优良品质。
十一、基本要求：（一）通过物理实验的基本训练，要求学生做到：⑴能够自行完成预习、进行实验和撰写实验报告等主要实验程序。
⑵能够调整常用实验装置，并基本掌握常用的操作技术。
例如：零位调整；水平、铅直调整；光路的共轴调整；逐次逼近调节；根据给定的电路图正确接线等。
实验3.7 密立根油滴法测定电子电量likan 花了七年功夫(1909-1917年)所做的测量微小油滴上所带电荷的工作，即著名的密立根油滴实验，是近代物理学发展中具有重要意义的实验。
其原因：(1)证明了电荷的不连续性(即电荷的量子性)，所有电荷都是基本电荷e 的整倍数；(2)测量并得到了基本电荷e ，即电子的电荷值。
一、实验目的1.测量电子的电量e ，验证电荷的量子性。
2.通过实验培养学生严谨的科学态度。
二、原理用喷雾器将油滴喷入两块相距为d ，水平放置的平行极板之间，如图 3.7-1，油滴在喷射时由于摩擦，一般都是带电的。
设油滴的质量为m ，所带的电量为q ，两极板的电压为V ，则油滴在平行极板间将同时受两个力的作用，一个是重力mg ，一个是电场力V qE qd=。
如果调节两极板间的电压V ，可使两力相互抵消而达到平衡，这时 V mg qd= (3.7.1) 为了测出油滴所带的电量q ，除了测量V 和d 之外，还需要测定油滴的质量m 。
由于m 很小，需要用如下的特殊方法来测定。
平行板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，但空气粘滞性对油滴所产生的阻力与速度成正比，油滴下降达到某一速度v 后，阻力与重力平衡(空气浮力忽略不计)，油滴将匀速下降，由斯托克斯定律知 6r f a v mg πη== (3.7.2)式中η是空气的粘滞系数，a 是油滴的半径(由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状)。
设油滴的密度为ρ，油滴的质量m 又可用下式表示343m a πρ= (3.7.3) 将式(3.7.3)代入(3.7.2)，得油滴半径a (3.7.4) 对于半径小到10-6米的小球，油滴半径接近于空气分子间孔隙的大小，空气介质不能再认为是均匀的，而斯氏定律只能对均匀介质才正确，因而斯托克斯定律应修正为61r aa v f P πη=+ 式中b 为一修正常数，b =4.629×10-9cm·Hg ，P 为大气压强，单位为Pa 。
得图3.7-1a = (3.7.5) 上式根号中还包含油滴的半径a ，但因它是处于修正项中，不需要十分精确，故它仍可用(3.7.4)式计算。
将(3.7.5)式代入(3.7.3)式，得3/2491321a v m bg P ηπρρ⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥+⎢⎥⎣⎦ (3.7.6)对于油滴匀速下降的速度v ，可以用下法测出。
当两极板间的电压V =0时，设油滴匀速下降的距离为l ，时间为t ，则l v t= (3.7.7) 将(3.7.7)式代入(3.7.6)式，(3.7.6)式代入(3.7.1)式，得3/21a l d q Vb t P η⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎛⎫+⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ (3.7.8) 实验发现，对于同一个油滴，如果改变它所带的电量，则能够使油滴达到平衡的电压必须为某些特定的值V a 。
研究这些电压变化规律，可以发现它们都满足下列方程nd q ne mg V == 式中n =±1，2，…，而e 则是一个不变的值。
对于不同的油滴，可以发现有同样的规律，而且e 是共同的常数，这就证明了电荷的不连续性，并存在着最小的电荷单位，即电子的电荷值e 。
3/21a l d ne Vb t P η⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎛⎫+⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ 上式就是本实验的理论公式。
三、实验仪器与用具仪器主要由油滴盒，CCD 电视显微镜，电路箱，监视器等组成。
油滴盒如图 3.7-2所示，由上下两块圆形的平行板组成，板边缘用绝缘的胶木圆环隔开，间距为d =6.00×10-3m ，上极板中心有直径为0.4mm 的小孔，油滴经此孔进入油滴盒上下极板间。
在油滴盒外套上有防风罩，罩上放置一个可取下的油雾杯，杯底中心有一个落油孔及一个挡片，用来开关落油孔。
在胶木圆环上开有显微观察孔、照明孔。
图 3.7-2在上电极板上方有一个可以左右拨动的压簧，只有将压簧拨向最边位置，方可取出上极板。
实验时压簧始终压在上极板上，以确保上极板带电。
电路箱体内装有产生高压、测量显示等电路。
底部装有三只调平手轮，而板结构如图3.7-3所示。
由测量显示电路产生的电子分划板刻度，与CCD摄像头的行扫描严格同步，相当于刻度线是做在CCD器件上的，所以，即使监视器本身有非线性失真，刻度值仍是固定不变的。
分划板是8×3结构，垂直线视场为2mm分8格，每格值为0.25mm。
在面板上有两只控制平行极板电压的三档开关，K1控制上极板电压的极性，K2控制极板上电压的大小。
当K2处于中间位置即“平衡”档时，可用电位器调节平衡电压，打向“提升”档时，图3.7-3自动在平衡电压的基础上增加200-300V的提升电压，打向“0V"档时，极板上电压为0V。
为了提高测量精度，K2的“平衡”、“0V"档与计时器的“计时／停”联动。
在K2由“平衡”打向“0V”时，油滴开始匀速下落的同时开始计时，油滴下落到预定距离时，迅速将K2由“0V”档打向“平衡”档，油滴停止下落的同时停止计时。
这样，在屏幕上显示的是油滴实际的运动距离及对应的时间。
由于空气阻力的存在，油滴是先经一变速运动然后进入匀速运动的。
但这变速运动时间非常短，小于0.01秒，与计时器精度相当。
所以可以看作当油滴自静止开始运动时，油滴是立即作匀速运动的，运动的油滴突然加上原平衡电压时，将立即静止下来。
计时器采用“计时／停”方式，即按一下开关，清0的同时立即开始记数，再按一下，停止计时，并保存数据。
四、实验内容与要求1.仪器调平①调节调平螺丝，使水准仪气泡到中央，这时平行极板处于水平位置，电场方向和重力平行。
②CCD显微镜镜筒前端和底座前端对齐，喷油后稍稍前后微调1mm左右看清油滴即可。
2.测量练习练习是顺利做好实验的重要一环，包括练习控制油滴运动，练习测量油滴运动时间和练习选择合适的油滴。
选择一颗合适的油滴十分重要。
大而亮的油滴必然质量大，所带电荷也多，而匀速下落时间则很短，增大了测量误差，通常选择平衡电压为200-300V，均速下落1.5mm的时间在8-20S左右的油滴较适宜。
喷油后，K2置“平衡”档，调W极板电压为200-300V，注意几颗缓慢运动较为清晰明亮的油滴。
试将K2置“0V”档，观察各颗油滴下落大概的速度，从中选一颗作为测量对象，目视油滴直径在0.5-1mm左右的较适宜。
过小的油滴观察困难，布朗运动明显，会引入较大的测量误差。
判断油滴是否平衡要有足够的耐性。
用K2将油滴移至某条刻度线上，仔细调节平衡电压，这样反复操作几次，经一段时间观察油滴确实不再移动才认为是平衡了。
测准油滴上升或下落某段距离所需的时间，一是要统一油滴到达刻度线什么位置才认为油滴已踏线，二是眼睛要平视刻度线，不要有夹角。
反复练习几次，使测出的各次时间的离散性较小。
3.正式测量将已调平衡的油滴用K 2控制移到“起跑”线上，按K 3 (计时／停)，让计时器停止计时，然后将K 2拨向“平衡”档，油滴开始匀速下降的同时计时器开始计时，到“终点”时迅速将K 2档拨向“平衡”档，油滴立即静止，计时也立即停止。
这时显示屏上显示的时间即为油滴匀速下落l 距离所需时间。
油滴运动距离一般取1.5mm ，由于有涨落现象，对同一油滴必须进行10次左右测量，同时还应对不同油滴进行反复的测量。
一般选择大约10颗油滴，这样才能验证不同油滴所带的电荷是否都是基本电荷，即电子电荷的整数倍。
在每次测量时都要检查和调整平衡电压，以减少偶然误差和因油滴挥发而使平衡电压发生变化。
4.数据处理(1)根据公式(3.7.9)3/21dVa l neb t P η⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎛⎫+⎥ ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦(3.7.9) 式中a =将a 代入上式并改写成下式()3/211nK ne V t K nt ='+⎡⎤⎣⎦(3.7.10) 式中)3/2K nl d =(3.7.11) K '=(3.7.12) 其中油的密度： ρ=981kg/m 3重力加速度： g =9.8m/s 2空气的粘滞系数： η=1.83×10-5kg/m·s油滴匀速下降的距离： l =1.5×10-3m常数： b =6.17×10-3m·Pa大气压强： P =76cm·Hg平行极板间距： d =6.00×10-3mt 为油滴下降l =1.5×10-3m 所需的时间。
将上数据代入(3.7.11)和(3.7.12)得1422121.4310/0.0196/K kg m S K S -=⨯⋅'=将K 和K '代入(3.7. 10)式得(143/21.1131011 2.16410nne V t --⨯=⎡⎤+⨯⎣⎦ 显然，由于油滴的密度ρ，气体的粘滞系数η，都是温度的函数，重力加速度g 和大气压强P 又随实验地点和条件的变化而变化。
因此，上式的计算是近似的，在一般条件下，由于它引起的误差仅1％左右，且可使运算方便得多，故可用于工科学生的物理实验。
(2)为了证明电荷不连续性和所有电荷都是基本电荷e 的整数倍，从而得到基本电荷e 值，即电子的电荷值。
我们要求出多个被测油滴带电量的最大公约数，但由于学生实验技能不熟练，测量误差可能大些，要求出这个最大公约数有时比较困难。
因此，可用“倒过来验证”的办法进行数据处理。
即用公认电子电荷值e =1.602×10-19C 去除实验测得的电荷值(q)，得到一个很接近于某一个整数的数值，然后去其小数，取其整数，这个整数就是油滴所带的电荷数n 。
再用这个n 去除实验测得的电荷值。
所得的结果即为电子的电荷值e 。
(3)不确定度的计算∵e U e ∴e U =最终结果表达式为 e e e U =±还可计算相对不确定度 100%e e e E e -=⨯公公e 公为电子电量的公认值。
【注意事项】1.喷雾器内的油不可装得太满，再次实验完毕应及时揩擦上极板及油雾室内积油。
2.喷油时喷雾器的喷头不要深入喷油孔内，防止大颗油滴堵塞落油孔。
3.喷雾器的气囊不耐油，实验后，将气囊与金属件分离保管好，可延长使用寿命。
实验3.10 光电效应一、目的了解光电效应基本规律，验证爱因斯坦光电方程，掌握测普朗克常数方法。
二、原理当光（可见光或紫外光）照射在金属表面时，会逸出电子，这一现象叫光电效应，逸出的电子称为光电子。
根据爱因斯坦理论，光能是以光量子（光子）的形式一份一份地向外传递，每个光子的能量为h v ε=⋅ （3.10-1）式中h =6.626×10-34焦耳·秒，称为普朗克常数，是近代量子理论中的重要常数，v 是光的频率。
在光电效应中，光子的能量hv 一次全部传给金属中的电子。
