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大學物理實驗教程(第五版) 版權信息
- ISBN：9787030727862
- 條形碼：9787030727862 ; 978-7-03-072786-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
大學物理實驗教程(第五版) 內容簡介
本書是“十二五”普通高等教育本科***規劃教材。全書共9章，包括測量誤差、數據處理、物理實驗基本測量方法、物理實驗基本器具使用、基本物性的測量、基本物理常量的測量、電磁學專題實驗、波動光學專題實驗和其他專題實驗等不同層次的內容。全書以物理測量量為主線，突出實驗設計思想，強調實驗物理學科的系統性和完整性，借鑒和采用相應的國內國際標準與規范，在數據處理方面體現嚴謹性與科學性。全書實驗內容豐富，為不同層次的教學需要提供了一個靈活的平臺。
大學物理實驗教程(第五版) 目錄
目錄
緒論 1
第1章 測量誤差 4
1.1 測量與誤差 4
1.1.1 測量及分類 4
1.1.2 誤差及分類 5
1.1.3 精密度、正確度和準確度 7
1.2 誤差處理 7
1.2.1 隨機誤差 7
1.2.2 儀器誤差 14
1.3 測量不確定度 16
1.3.1 測量不確定度的分類 17
1.3.2 合成不確定度 18
1.3.3 擴展不確定度 19
1.3.4 直接測量不確定度的估算 19
1.3.5 間接測量不確定度的估算 22
1.3.6 微小標準差可忽略準則 26
1.3.7 不確定度分析在實驗設計中的作用 26
1.4 實驗數據的數值修約 28
1.4.1 數值修約的概念 28
1.4.2 修約規則 28
1.4.3 原始數據的數值修約 29
1.4.4 運算過程中的數值修約 30
1.4.5 測量不確定度的數值修約 30
參考文獻 32
第2章 數據處理 35
2.1 常用的數據處理方法 35
2.1.1 列表法 35
2.1.2 作圖法 36
2.1.3 *小二乘法與線性擬合 39
2.1.4 逐差法 42
2.2 利用計算機處理實驗數據 43
2.2.1 Excel軟件處理實驗數據 43
2.2.2 Origin軟件處理實驗數據 46
實驗A1 時間測量中隨機誤差的統計分布 48
參考文獻 50
第3章 物理實驗基本測量方法 52
3.1 比較法 53
3.1.1 直接比較法 53
3.1.2 間接比較法 53
3.2 放大法 54
3.2.1 累積放大法 54
3.2.2 機械放大法 54
3.2.3 電學放大法 55
3.2.4 光學放大法 55
3.3 轉換法 55
3.3.1 不可測量的轉換 55
3.3.2 不易測準量的轉換 56
3.4 模擬法 56
3.4.1 物理模擬 56
3.4.2 類比模擬 56
3.5 平衡法 57
3.6 補償法 57
3.6.1 補償法測量 58
3.6.2 補償法校正系統誤差 58
3.7 干涉、衍射法 58
3.8 計算機仿真法 58
參考文獻 59
第4章 物理實驗基本器具使用 61
4.1 長度測量基本器具 62
實驗B1 測量物體的幾何尺寸 67
4.2 質量測量基本器具 69
實驗B2 固體與液體密度的測定 74
4.3 時間測量基本器具 77
實驗B3 剛體轉動慣量的測定 79
4.4 溫度測量基本器具 87
實驗B4 用熱敏電阻測量溫度 89
實驗B5 pn 結正向壓降的溫度特性 91
4.5 電學實驗常用器具 93
實驗B6 常用電子元件參數測量 99
實驗B7 電表的改裝和校準 103
4.6 光學基本實驗和器具 107
實驗B8 薄透鏡焦距的測定 109
實驗B9 分光計的調節和使用 114
4.7 示波器的使用 120
實驗B10 模擬示波器的使用 121
實驗B11 數字示波器的使用 126
參考文獻 133
第5章 基本物性的測量 135
實驗C1 固體比熱容的測量 135
實驗C2 液體比熱容的測量 138
實驗C3 氣體比熱容比cp/cV的測量 141
實驗C4 液體表面張力系數的測定 144
實驗C5 液體黏滯系數的測定 150
實驗C6 彈性模量的測量 155
實驗C7 金屬線脹系數的測定 162
實驗C8 玻爾共振實驗 164
第6章 基本物理常量的測量 171
實驗D1 重力加速度的測定 172
實驗D2 電子荷質比的測量 178
實驗D3 基本電荷量的測量 184
實驗D4 聲速的測量 189
實驗D5 光速的測量 195
實驗D6 玻爾茲曼常量的測量 198
實驗D7 普朗克常量的測量 201
參考文獻 205
第7章 電磁學專題實驗 208
實驗E1 電阻的測量 208
實驗E2 RL和RC電路的穩態過程 221
實驗E3 周期性電信號的傅里葉分解與合成 226
實驗E4 鐵磁材料磁滯回線的測量 231
實驗E5 鐵磁材料居里溫度的測量 235
實驗E6 巨磁電阻效應實驗 240
實驗E7 利用霍爾效應測磁場強度 244
第8章 波動光學專題實驗 253
實驗F1 邁克耳孫干涉儀的調節及應用 253
實驗F2 等厚干涉及應用 260
實驗F3 單縫衍射光強分布及縫寬的測量 266
實驗F4 光柵衍射與超聲光柵 271
實驗F5 光的偏振現象研究 275
實驗F6 用橢偏儀測量薄膜的厚度和折射率 280
參考文獻 283
第9章 其他專題實驗 286
實驗G1 光柵單色儀測量氫原子光譜 286
實驗G2 弗蘭克-赫茲實驗測量原子能級 290
實驗G3 金屬電子功函數的測定 293
實驗G4 光纖通信實驗 300
實驗G5 微波光學實驗 308
實驗G6 黑白照相 312
實驗G7 全息照相技術 317
實驗G8 全息存儲實驗 324
實驗G9 非線性電路混沌實驗 328
附表 335
緒論 1
第1章 測量誤差 4
1.1 測量與誤差 4
1.1.1 測量及分類 4
1.1.2 誤差及分類 5
1.1.3 精密度、正確度和準確度 7
1.2 誤差處理 7
1.2.1 隨機誤差 7
1.2.2 儀器誤差 14
1.3 測量不確定度 16
1.3.1 測量不確定度的分類 17
1.3.2 合成不確定度 18
1.3.3 擴展不確定度 19
1.3.4 直接測量不確定度的估算 19
1.3.5 間接測量不確定度的估算 22
1.3.6 微小標準差可忽略準則 26
1.3.7 不確定度分析在實驗設計中的作用 26
1.4 實驗數據的數值修約 28
1.4.1 數值修約的概念 28
1.4.2 修約規則 28
1.4.3 原始數據的數值修約 29
1.4.4 運算過程中的數值修約 30
1.4.5 測量不確定度的數值修約 30
參考文獻 32
第2章 數據處理 35
2.1 常用的數據處理方法 35
2.1.1 列表法 35
2.1.2 作圖法 36
2.1.3 *小二乘法與線性擬合 39
2.1.4 逐差法 42
2.2 利用計算機處理實驗數據 43
2.2.1 Excel軟件處理實驗數據 43
2.2.2 Origin軟件處理實驗數據 46
實驗A1 時間測量中隨機誤差的統計分布 48
參考文獻 50
第3章 物理實驗基本測量方法 52
3.1 比較法 53
3.1.1 直接比較法 53
3.1.2 間接比較法 53
3.2 放大法 54
3.2.1 累積放大法 54
3.2.2 機械放大法 54
3.2.3 電學放大法 55
3.2.4 光學放大法 55
3.3 轉換法 55
3.3.1 不可測量的轉換 55
3.3.2 不易測準量的轉換 56
3.4 模擬法 56
3.4.1 物理模擬 56
3.4.2 類比模擬 56
3.5 平衡法 57
3.6 補償法 57
3.6.1 補償法測量 58
3.6.2 補償法校正系統誤差 58
3.7 干涉、衍射法 58
3.8 計算機仿真法 58
參考文獻 59
第4章 物理實驗基本器具使用 61
4.1 長度測量基本器具 62
實驗B1 測量物體的幾何尺寸 67
4.2 質量測量基本器具 69
實驗B2 固體與液體密度的測定 74
4.3 時間測量基本器具 77
實驗B3 剛體轉動慣量的測定 79
4.4 溫度測量基本器具 87
實驗B4 用熱敏電阻測量溫度 89
實驗B5 pn 結正向壓降的溫度特性 91
4.5 電學實驗常用器具 93
實驗B6 常用電子元件參數測量 99
實驗B7 電表的改裝和校準 103
4.6 光學基本實驗和器具 107
實驗B8 薄透鏡焦距的測定 109
實驗B9 分光計的調節和使用 114
4.7 示波器的使用 120
實驗B10 模擬示波器的使用 121
實驗B11 數字示波器的使用 126
參考文獻 133
第5章 基本物性的測量 135
實驗C1 固體比熱容的測量 135
實驗C2 液體比熱容的測量 138
實驗C3 氣體比熱容比cp/cV的測量 141
實驗C4 液體表面張力系數的測定 144
實驗C5 液體黏滯系數的測定 150
實驗C6 彈性模量的測量 155
實驗C7 金屬線脹系數的測定 162
實驗C8 玻爾共振實驗 164
第6章 基本物理常量的測量 171
實驗D1 重力加速度的測定 172
實驗D2 電子荷質比的測量 178
實驗D3 基本電荷量的測量 184
實驗D4 聲速的測量 189
實驗D5 光速的測量 195
實驗D6 玻爾茲曼常量的測量 198
實驗D7 普朗克常量的測量 201
參考文獻 205
第7章 電磁學專題實驗 208
實驗E1 電阻的測量 208
實驗E2 RL和RC電路的穩態過程 221
實驗E3 周期性電信號的傅里葉分解與合成 226
實驗E4 鐵磁材料磁滯回線的測量 231
實驗E5 鐵磁材料居里溫度的測量 235
實驗E6 巨磁電阻效應實驗 240
實驗E7 利用霍爾效應測磁場強度 244
第8章 波動光學專題實驗 253
實驗F1 邁克耳孫干涉儀的調節及應用 253
實驗F2 等厚干涉及應用 260
實驗F3 單縫衍射光強分布及縫寬的測量 266
實驗F4 光柵衍射與超聲光柵 271
實驗F5 光的偏振現象研究 275
實驗F6 用橢偏儀測量薄膜的厚度和折射率 280
參考文獻 283
第9章 其他專題實驗 286
實驗G1 光柵單色儀測量氫原子光譜 286
實驗G2 弗蘭克-赫茲實驗測量原子能級 290
實驗G3 金屬電子功函數的測定 293
實驗G4 光纖通信實驗 300
實驗G5 微波光學實驗 308
實驗G6 黑白照相 312
實驗G7 全息照相技術 317
實驗G8 全息存儲實驗 324
實驗G9 非線性電路混沌實驗 328
附表 335
展開全部
大學物理實驗教程(第五版) 節選
緒論 科學實驗是自然科學研究的主要手段，以探索、預測或驗證自然科學新現象、新規律為目的。而以教學為目的的大學物理實驗具有豐富的實驗思想、方法、手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，體現了大多數科學實驗的共性，是科學實驗的基礎。為此，大多數高等學校將大學物理實驗課程設置為理工科大學生的必修基礎課程，用于培養學生系統的實驗方法和實驗技能。大學物理實驗課程內容的基本要求可概括為以下幾個方面。 （1）掌握測量誤差與不確定度的基本知識，學會用不確定度對測量結果進行評估。掌握處理實驗數據的一些常用方法，如列表法、作圖法和*小二乘法，以及用科學作圖軟件處理實驗數據的基本方法。 （2）掌握基本物理量的測量方法。例如，長度、質量、時間、熱量、壓強、壓力、電流、電壓、電阻、磁感應強度、光強度、折射率、電子電荷、普朗克常量等常用物理量及物性參數的測量。 （3）了解常用的物理實驗方法。例如，比較法、轉換法、放大法、模擬法、補償法、平衡法和干涉、衍射法，以及在近代科學研究和工程技術中廣泛應用的其他方法。 （4）能夠正確使用常用的物理實驗儀器。例如，長度測量儀器、計時儀器、測溫儀器、變阻器、電表、交/直流電橋、通用示波器、低頻信號發生器、分光計、光譜儀、常用電源和光源等常用儀器。 （5）掌握常用的實驗操作技術。例如，零位調整、水平/鉛直調整、光路的共軸調整、消視差調整、逐次逼近調整、根據給定的電路圖正確接線、簡單的電路故障檢查與排除，以及在近代科學研究與工程技術中廣泛應用的儀器的正確調節。 大學物理實驗是一門實踐性很強的課程，是培養和提高學生科學素質和能力的重要課程之一。通過為期一年對以上內容的訓練，學生應逐步實現以下能力的培養。 獨立實驗的能力：能夠通過閱讀實驗教材、查詢有關資料和思考問題，掌握實驗原理及方法，做好實驗前的準備，正確使用儀器及輔助設備，獨立完成實驗內容，撰寫合格的實驗報告。 分析與研究的能力：能夠融合實驗原理、設計思想、實驗方法及相關的理論知識，對實驗結果進行分析、判斷、歸納與綜合。 理論聯系實際的能力：能夠在實驗中發現問題、分析問題，并學習解決問題的科學方法。 創新能力：能夠完成符合規范要求的設計性、綜合性的實驗，進行初步的具有研究性或創意性的實驗。 要實現以上能力的培養，就需要主動認真地完成每一個實驗。一般來講，每個實驗均可分為實驗預習、實驗過程和撰寫實驗報告三個環節。也就是說，在以上三個環節中均需要保持主動、嚴謹和認真的態度。具體來講就是： 1.實驗預習 實驗預習的內容可概括為三個問題：做什么？怎么做？為什么？實驗預習過程包括以下三方面的內容。 （1）要清楚：本次實驗的目的和內容是什么？實驗原理是什么？用什么途徑去測量?為什么這樣做？還有無其他的測量途徑？ （2）要明確自己在本次實驗中存在哪些不清楚待解決的問題，了解本次實驗的注意事項。 （3）要事先擬定實驗步驟和數據表格（如果需要的話）。 2.實驗過程 實驗過程是整個實驗教學中*核心的環節。在這個過程中要獨立完成實驗儀器的安裝或調整，按正確步驟完成測量全過程，并完整記錄實驗數據。在這個過程中應注意以下幾點。 （1）不要急于記錄數據。在實驗過程中建議先觀察或練習后再進行測量，也可以先粗測再細測，否則可能在測量進行到一半或快結束時才發現，由于某個調節參數的初始值選擇不合理而超出量程或無法調節，從而導致無法完成整個實驗，只好再重新進行測量。 （2）要注意掌握實驗中所釆取的實驗方法，特別是一些基本的測量方法。因為它是復雜測量的基礎，在今后的學習與工作中可能會經常用到。我們在學習時不僅要掌握它的原理，而且要知道它的適用條件及優、缺點，這些只有通過親身實踐才能真正體會到。 （3）要有意識地培養良好的實驗習慣。例如，正確記錄原始數據和處理數據，注意記錄實驗的客觀條件，如溫度、氣壓、日期等。認真學習操作程序、培養良好的習慣，甚至包括操作姿勢。良好的實驗習慣是科學素質的具體表現，也是保證實驗安全、避免差錯的基礎。 （4）不要單純追求實驗數據的正確性。實驗能力的快速提高往往發生在實驗過程不順利時，要逐步學會分析、排除實驗中出現的某些故障。當實驗結果不理想時，要考慮實驗方法是否正確，儀器可能帶來多大誤差，實驗環境等因素對實驗有多大影響。 （5）要注意實驗室操作規程和安全規則。隨著實驗項目的進行，學生會逐步接觸到各種測量儀器，它們有不同的使用要求與工作環境，操作不當可能會造成對身體的傷害及損壞儀器。因此要求學生遵守實驗室的具體操作規程，養成良好的實驗習慣。 3。撰寫實驗報告 撰寫實驗報告的過程實際上是對學生的綜合思維能力和文字表達能力的訓練過程，是學生今后在工作中撰寫標書、項目申請書、研究報告、學術論文的基礎訓練。撰寫一份合格的實驗報告應注意以下幾方面。 （1）注意實驗報告的完整性。一份完整的實驗報告應包括：實驗名稱、實驗目的、簡要的實驗原理、實驗設備及型號、實驗步驟、實驗數據、數據處理與誤差分析、實驗結果、分析與討論等九個方面。 （2）實事求是是撰寫實驗報告的基本要求。在撰寫實驗報告中不得隨意對實驗數據及其有效數字進行增刪。 （3）對實驗數據的處理及對實驗結果的分析與討論是撰寫實驗報告的重點，也是學生歸納與分析問題能力的具體體現。 大學物理實驗課程上所涉及的實驗項目，絕大多數在物理學發展史上具有重要的地位，這些實驗經過多年的改進與調整，已非常適合鍛煉學生對某一實驗技術或某一重要的物理實驗概念的掌握。從統計學的角度來看，學生在進行物理實驗的過程中，利用現有實驗設備而發現新的物理現象或規律的概率是非常小的。但是，具有批判與懷疑精神是科學工作者的一個基本素質。我們期望每個學生都能以研究者的姿態去探討*佳實驗方案、組裝實驗裝置、分析操作步驟、注意實驗條件，幾乎所有的物理實驗項目都可以按照設計性、研究性實驗來完成，而主動分析與獨立解決問題的能力是大學物理實驗課程追求的*主要目標。 第1章測量誤差 本章包含四節內容。在1.1節“測量與誤差”中，介紹了諸如測量、誤差、精密度、正確度和準確度等常用概念，并對測量和誤差分別進行了分類。在1.2節“誤差處理”中，分別就隨機誤差計算和儀器誤差的判斷進行了講解。對于隨機誤差，特別引入了有限測量次數下的分布概念，因為物理實驗中所有的實驗都是有限次測量；同時引入狄克遜檢驗法和格拉布斯準則兩種方法來判斷是否可對個別測量數據進行取舍；對于儀器誤差，重點強調了儀器誤差與置信概率的關系，而不同的儀器會有不同的誤差分布函數。在1.3節“測量不確定度”中，詳細說明了A類和B類不確定度的評估與表示，并講解了如何在直接測量和間接測量兩種不同的測量條件下對測量不確定度進行估算；同時給出了微小誤差的可忽略準則，以及簡單介紹了不確定度分析在實驗設計中的作用。在1.4節“實驗數據的數值修約”中，按照實驗過程，分別介紹了在原始數據記錄、數據運算和結果表示時如何進行實驗數據修約。 1.1測量與誤差 1.1.1測量及分類 測量就是通過一定的實驗方法、借助一定的實驗器具將待測量與選作標準的同類量進行比較的實驗過程。測量結果應包括數值、單位及結果可信賴的程度（不確定度）三部分。 按照測量方法來劃分，測量分為直接測量和間接測量。 直接測量是指可以用測量儀器或儀表直接讀出測量值的測量。如用米尺測長度，用溫度計測溫度，用電表測電流、電壓等都是直接測量。 間接測量是指通過一個或幾個直接測得量，利用已知函數關系計算出的物理量。如用單擺法測量重力加速度g時，g=4n2Z/T^，周期T、擺長L是直接測量值，而g是間接測量值。 隨著實驗技術的進步，很多原來只能間接測量的物理量，現在也可以直接測量，如電功率、速度等量的測量。 按照測量條件來劃分，測量又可分為等精度測量和不等精度測量。 等精度測量是指在相同的測量條件下對同一物理量進行多次測量。例如，同一個人用同樣的方法、使用同樣的儀器對同一待測量進行多次重復測量。盡管每次的測量值可能不相等，但每次測量的可靠性都是一樣的，沒有理由認為哪一次（或幾次）的測量值更可靠或更不可靠。 不等精度測量是指在不同的測量條件（如使用儀器的不同、測量方法的改變或者測試人員的變更）下對同一物理量進行多次測量。不等精度測量的每次測量結果的可靠性都不同。 實際上，一切物質都在運動中，沒有絕對不變的人和事物，只要其變化對實驗的影響很小乃至可以忽略，就可以認為是等精度測量。以后說到對一個量的多次測量，如無特別說明，都是指等精度測量。 1.1.2誤差及分類 物理實驗就是對一些物理量進行測量的過程。任何待測的物理量在一定客觀條件下總存在著一個真實的值，稱之為該物理量的真值（true value）。但是，由于實驗 理論的近似性、實驗儀器靈敏度和分辨能力的局限性、環境的不穩定性等因素的影響，待測量的真值實際上是不可能通過測量準確復現的，我們永遠無法準確得知。測量結果和真值之間總有一定的差異，這種差異定義為測量誤差。測量誤差可以用絕對誤差表示，也可以用相對誤差表示。設測量值x的真值為a，則 （1.1.1） （1.1.2） 由于真值是不能確知的，所以測量值的誤差也不能確切測量出來，因此測量的任務就是給出被測真值的*佳估計值，并估算出被測量值*佳估計值的可靠程度。被測量值*佳估計值的可靠程度通過測量誤差來體現。 測量誤差的來源主要有三個方面：測量儀器的精度，觀測者的技術水平，外界條件的影響。這三個條件相同的觀測稱為等精度觀測。 根據誤差的性質和產生原因將誤差分為系統誤差、隨機誤差和異常值三種。 1.系統誤差 系統誤差（systematic error）是指在等精度的重復測量中誤差保持恒定，或以可預知的方式變化的誤差。 系統誤差的來源主要有以下幾方面： （1）由于儀器本身的缺陷或沒有按規定的條件使用儀器而造成的誤差。例如，儀器的零點不準造成的誤差；等臂天平兩臂不等長造成的誤差；在20°C的條件下標定的標準電阻在30C的條件下使用造成的誤差等。 （2）由于測量所依據的理論公式本身的近似性，或實驗條件不能達到理論公式所規定的要求，或測量方法所帶來的誤差。例如，利用單擺測量重力加速度g，所依據的公式為g=4n2L/T2，此公式成立的條件是單擺的擺角趨于零，而在測量周期時又必須要求有一定的擺角，這就決定了測量結果中必然含有系統誤差。 （3）由于測量者本人的生理或心理特點所造成的誤差。例如，測量時間時，測量者可能有計時超前或落后的偏好；在對準標記時，可能存在總是偏左或偏右的習慣。 系統誤差通常是實驗誤差的主要分量。在測量條件不變時，系統誤差基本上具有確定的大小和方向。當測量條件改變時，系統誤差通常會按照一定的規律變化。增加測量次數并不能減小系統誤差。 在測量過程中，根據具體實驗條件及系統誤差的特點，我們可以找出產生系統誤差的原因，釆取適當的措施降低甚至消除它的影響。例如，天平只有在兩臂嚴格等長時，砝碼的質量才等于被測物體的質量，而事實上不可能做到天平兩臂嚴格等長。為了消除這種系統誤差，可以釆用所謂復稱法稱衡，從而抵消天平兩臂不等長引起的系統誤差。 2.隨機誤差 隨機誤差（random error）是指在相同的測量條件下，多次測量同一物理量時，誤差時大時小、時正時負，以不可預定的方式變化著的誤差。它是由于人的感官靈敏度和儀器精度的限制、周圍環境的干擾及一些偶然因素的影響而產生的，其典型的特征是隨機性。例如，用毫米刻
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