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大學物理實驗(上冊) 版權信息
- ISBN：9787030746566
- 條形碼：9787030746566 ; 978-7-03-074656-6
- 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(上冊) 內容簡介
本教材解決了少數民族、山區學生物理實驗基礎參差不齊，部分學生從未做過物理實驗，物理實驗教學整體進度難于統一，教學質量難于保證，教學目標難于實現等問題；結合邊疆貧困山區實驗教學，拓展物理實驗教學內容，針對邊疆地區物理實驗器材欠缺的問題，培養了學生自主設計、開發物理實驗教具和儀器的能力，對教學質量的提高取得了明顯的效果。自己研制有大量多媒體課件并經常使用。
大學物理實驗(上冊) 目錄
目錄
序
前言
第1章測量誤差與數據處理1
1.1測量誤差與不確定度1
1.2有效數字及其運算9
1.3用作圖法處理數據11
1.4用一元線性回歸法處理數據13
1.5用多元線性回歸法處理數據29
第2章基礎性實驗38
2.1長度測量38
2.2單擺測重力加速度44
2.3固體和液體密度的測定47
2.4慣性秤52
2.5牛頓第二定律的驗證55
2.6用伸長法測定金屬絲的楊氏模量58
2.7用落球法測定液體的黏滯系數62
2.8用三線擺測定轉動慣量66
2.9用扭擺測定切變模量和驗證平行軸定理69
2.10可倒擺測量重力加速度72
2.11用音叉法研究弦的振動75
2.12用混合法測固體的比熱77
2.13用拉脫法測量液體表面張力系數82
2.14非線性元件伏安特性測量84
2.15電表的擴程與校準88
2.16萬用電表的使用92
2.17模擬法研究靜電場95
2.18用單臂電橋測量電阻99
2.19霍爾效應測量磁場105
2.20感應法測繪圓線圈的磁場109
2.21用示波器觀測磁滯回線116
2.22交流電橋120
2.23RLC串聯電路的暫態特性126
2.24RLC電路的穩態特性133
2.25RLC串聯電路的諧振現象140
2.26薄透鏡焦距測定144
2.27分光計調節147
2.28測定玻璃三棱鏡的折射率152
2.29用讀數顯微鏡測定折射率159
2.30用分光儀測量透明介質折射率166
2.31望遠鏡、顯微鏡放大率測定169
2.32雙棱鏡測光波長173
2.33用邁克耳孫干涉儀測波長176
2.34用分光計測定透射光柵常數182
2.35旋光現象與旋光儀186
2.36偏振光分析研究190
2.37菲涅耳反射公式195
2.38單色儀198
2.39法布里-珀羅干涉儀203
2.40小型棱鏡攝譜儀207
第3章提高性實驗212
3.1用光電計時法測定重力加速度212
3.2用分析天平測量空氣密度214
3.3在氣墊導軌上測定速度和加速度220
3.4用氣墊導軌驗證動量守恒定律222
3.5氣墊導軌上簡諧振動的研究227
3.6氣墊導軌上阻尼振動的研究229
3.7剛體轉動實驗233
3.8用共鳴管測空氣中的聲速237
3.9用冷卻法測固體的比熱242
3.10焦耳實驗244
3.11金屬線脹系數的測定247
3.12冰的比熔化熱的測定250
3.13氣體溫度計253
3.14氣體體脹系數的測定259
3.15用碰撞儀驗證動量守恒定律261
3.16用超聲波測空氣中的聲速265
3.17用泊肅葉公式測定液體的黏滯系數269
3.18復擺273
3.19用電磁法研究弦的振動276
3.20用電熱法測定水的汽化熱278
3.21用毛細管法測量液體表面張力系數280
3.22用干涉法測量液體表面張力系數282
3.23氣體黏滯系數的測定285
3.24用雙臂電橋測量低電阻287
3.25用補償法測電動勢293
3.26用箱式電勢差計校準電表296
3.27用電阻箱自組電勢差計測電池的電動勢和內阻299
3.28用電流補償法測定電壓源的電動勢、內阻及短路電流301
3.29測定靈敏電流計常數和內阻303
3.30沖擊電流計特性研究311
3.31螺線管磁場的測定319
3.32磁化曲線和磁滯回線的測定323
3.33用沖擊電流計測電容329
3.34用沖擊電流計測高電阻331
3.35用交流電壓表、電流表和功率表測量電感和電容334
3.36單透鏡像差觀測338
3.37透鏡組基點測定343
3.38發光強度測定347
3.39菲涅耳雙棱鏡折射率和銳角的測量350
3.40用分光儀和雙棱鏡測定光波長354
3.41用邁克耳孫干涉儀測量空氣的折射率360
3.42測量鈉光D雙線波長差及白光相干長度368
3.43單縫和雙縫衍射的光強分布371
3.44用偏振光測定液體的折射率376
3.45全息照相380
3.46光電效應391
3.47阿貝成像原理和空間濾波396
序
前言
第1章測量誤差與數據處理1
1.1測量誤差與不確定度1
1.2有效數字及其運算9
1.3用作圖法處理數據11
1.4用一元線性回歸法處理數據13
1.5用多元線性回歸法處理數據29
第2章基礎性實驗38
2.1長度測量38
2.2單擺測重力加速度44
2.3固體和液體密度的測定47
2.4慣性秤52
2.5牛頓第二定律的驗證55
2.6用伸長法測定金屬絲的楊氏模量58
2.7用落球法測定液體的黏滯系數62
2.8用三線擺測定轉動慣量66
2.9用扭擺測定切變模量和驗證平行軸定理69
2.10可倒擺測量重力加速度72
2.11用音叉法研究弦的振動75
2.12用混合法測固體的比熱77
2.13用拉脫法測量液體表面張力系數82
2.14非線性元件伏安特性測量84
2.15電表的擴程與校準88
2.16萬用電表的使用92
2.17模擬法研究靜電場95
2.18用單臂電橋測量電阻99
2.19霍爾效應測量磁場105
2.20感應法測繪圓線圈的磁場109
2.21用示波器觀測磁滯回線116
2.22交流電橋120
2.23RLC串聯電路的暫態特性126
2.24RLC電路的穩態特性133
2.25RLC串聯電路的諧振現象140
2.26薄透鏡焦距測定144
2.27分光計調節147
2.28測定玻璃三棱鏡的折射率152
2.29用讀數顯微鏡測定折射率159
2.30用分光儀測量透明介質折射率166
2.31望遠鏡、顯微鏡放大率測定169
2.32雙棱鏡測光波長173
2.33用邁克耳孫干涉儀測波長176
2.34用分光計測定透射光柵常數182
2.35旋光現象與旋光儀186
2.36偏振光分析研究190
2.37菲涅耳反射公式195
2.38單色儀198
2.39法布里-珀羅干涉儀203
2.40小型棱鏡攝譜儀207
第3章提高性實驗212
3.1用光電計時法測定重力加速度212
3.2用分析天平測量空氣密度214
3.3在氣墊導軌上測定速度和加速度220
3.4用氣墊導軌驗證動量守恒定律222
3.5氣墊導軌上簡諧振動的研究227
3.6氣墊導軌上阻尼振動的研究229
3.7剛體轉動實驗233
3.8用共鳴管測空氣中的聲速237
3.9用冷卻法測固體的比熱242
3.10焦耳實驗244
3.11金屬線脹系數的測定247
3.12冰的比熔化熱的測定250
3.13氣體溫度計253
3.14氣體體脹系數的測定259
3.15用碰撞儀驗證動量守恒定律261
3.16用超聲波測空氣中的聲速265
3.17用泊肅葉公式測定液體的黏滯系數269
3.18復擺273
3.19用電磁法研究弦的振動276
3.20用電熱法測定水的汽化熱278
3.21用毛細管法測量液體表面張力系數280
3.22用干涉法測量液體表面張力系數282
3.23氣體黏滯系數的測定285
3.24用雙臂電橋測量低電阻287
3.25用補償法測電動勢293
3.26用箱式電勢差計校準電表296
3.27用電阻箱自組電勢差計測電池的電動勢和內阻299
3.28用電流補償法測定電壓源的電動勢、內阻及短路電流301
3.29測定靈敏電流計常數和內阻303
3.30沖擊電流計特性研究311
3.31螺線管磁場的測定319
3.32磁化曲線和磁滯回線的測定323
3.33用沖擊電流計測電容329
3.34用沖擊電流計測高電阻331
3.35用交流電壓表、電流表和功率表測量電感和電容334
3.36單透鏡像差觀測338
3.37透鏡組基點測定343
3.38發光強度測定347
3.39菲涅耳雙棱鏡折射率和銳角的測量350
3.40用分光儀和雙棱鏡測定光波長354
3.41用邁克耳孫干涉儀測量空氣的折射率360
3.42測量鈉光D雙線波長差及白光相干長度368
3.43單縫和雙縫衍射的光強分布371
3.44用偏振光測定液體的折射率376
3.45全息照相380
3.46光電效應391
3.47阿貝成像原理和空間濾波396
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大學物理實驗(上冊) 節選
第1章測量誤差與數據處理 1.1測量誤差與不確定度 1.1.1測量和實驗誤差 測量在科學實驗中，一切物理量都是通過測量得到的.所謂測量，就是將待測物理量與規定作為標準單位的同類物理量（或稱為標準量）通過一定的方法進行比較.測量中的比較倍數即為待測物理量的測量值.測量可分為兩類：一類是用已知的同類物理量與待測物理量直接進行比較，或者從已用標準量校準的儀器儀表上直接讀出測量值（例如，用米尺量得物體的長度為0.7300ｍ，用停表測得單擺周期為1.05s，用毫安表讀出電流值為12.0mA等），這類測量稱為直接測量；另一類測量不能直接把待測量的大小測出來，而是依據待測量由一個或幾個直接測得量的函數關系求出該待測量（例如，測量銅圓柱體的密度時，首先用游標卡尺或螺旋測微器（千分尺）測出它的高h和直徑d，用天平稱出它的質量m，然后通過函數關系式.=4m/（.d2h）計算出銅的密度.），這類測量稱為間接測量（或稱復合測量）. 一般來說，大多數測量都是間接測量.但隨著科學的發展，很多原來只能以間接測量方式來獲得的物理量，現在也可以直接測量了.例如，電功率現在可用功率表直接測量；又如速度也可用速率表來直接測量等. 測得的數據（即測量值）不同于數學中的數值，它是由數字和單位兩部分組成的.一個數值有了單位，便有了特定的物理意義，這時它才可以稱為一個物理量.因此，在實驗中經測量所得的量（數據）應包括數值和單位，二者缺一不可. 實驗誤差任何物質都有其自身的特性.反映這些特性的物理量所具有的客觀真實數值稱為物理量的真值.測量的目的就是要力求得到真值.但測量總是依據一定的理論和方法，使用一定的儀器，在一定的環境中由一定的人進行的.在測量過程中，由于受到測量儀器、測量方法、測量條件和測量人員的水平以及種種因素限制，測量結果與客觀存在的真值不可能完全相同，所測得的只能是該物理量的近似值.也就是說，任何一種測量結果與客觀存在的真值之間總會或多或少地存在一定的差值，這種差值稱為測量誤差（又稱測量的絕對誤差），簡稱“誤差”，即 誤差存在于一切測量之中，而且貫穿測量過程的始終.每次測量都會引起誤差.測量所根據的方法和理論越多，所用儀器經歷的時間越長，則引進誤差的機會就越多.因此，實驗應根據測量量來制訂或選擇合理的方案和儀器.要避免測量中某個環節盲目不實際的高指標，因為這樣既不符合現代信息論的基本思想，又加大了測量誤差.一個優秀的實驗工作者，應該是在一定的要求下，以昀低的代價來獲得昀好的結果.要做到既保證必要的實驗精度，又合理地節省人力與物力. 1.1.2誤差分類 1.隨機誤差（王云才，2014） 定義：在實際測量中，多次測量同一量時，誤差的絕對值和符號的變化，時大時小，時正時負，以不可預定的方式變化著的誤差稱為隨機誤差. 如對準標志（刻線）的不一致，讀數偏大與偏小引起的誤差，光電流變動、實驗條件的波動等都會產生隨機誤差.隨機誤差在各項測量中的單個無規律性，導致了眾多隨機誤差之和有正負相消的機會，隨著測量次數的增加，隨機誤差的個數也增加，而隨機誤差平均值愈來愈小并以零為極限，因此，多次測量的平均值的隨機誤差比單個測量值的隨機誤差小，這種性質通常稱為抵償性，抵償性只發生在本次實驗產生的許多隨機誤差中，也稱為本次隨機誤差. 通常，可以用統計的方法估計出隨機誤差的界限，則.稱為隨機誤差限或極限誤差，而或簡寫為，稱之為隨機誤差的置信區間，它與概率有關. 由于隨機誤差的變化不能預先確定，因此，這類誤差也不能修正，而僅僅只能估計.隨機誤差是具有統計（或概率）規律的誤差，其顯著的統計特征如下所述. （1）測量列的算術平均值，在深入討論隨機誤差問題時，可假定系統誤差已經被消除或減小到可以忽略的地步. 在相同條件（即等精度）下對于某一物理量進行k次測量，其測量值為，的算術平均值為x，則 根據統計誤差理論，在一組k次測量的數據中，當測量次數時.算術平均值昀接近于真值，所以稱為測量的“昀佳值”. 測量次數的增加對于提高算術平均值的可靠性是有利的，但不是測量次數越多越好.因為增加測量次數必定延長測量時間，這樣會給保持穩定的測量條件增加困難，還會引進大的觀測誤差.另外，增加測量次數對系統誤差的減小并不起作用，所以實驗次數不必過多.一般在科學研究中，取10～20次，而在物理實驗中，通常取6～10次. （2）測量列的標準誤差，如前所述，隨機誤差的大小和方向都不能預知，但是在等精度條件下，對物理量進行足夠多次測量，就會發現測量的隨機誤差是按一定的統計規律分布的，而典型的分布就是正態分布（高斯分布）. 典型的正態分布如圖1-1-1所示.圖中.為絕對隨機誤差（絕對誤差），f（.）為概率分布函數.為標準誤差.由概率知識可以證明 （1-1-2） 其中.被定義為測量列的標準誤差 可表示為 （1-1-3） （3）的統計意義，由（1-1-2）式表示的正態分布和概率論知識有（1-1-3）式表明：當時，任何一次測量值與真值之差落在區間的概率為1（滿足歸一化條件），而落于區間的概率為0.683，即置信概率P=0.683，落于區間的概率為0.954，置信概率P=0.954.落于區間的概率為0.997，置信概率P=0.997，由此可看到.是一個統計特征值，它表明了在一定條件下等精度測量列隨機誤差的概率分布情況.當測量次數無限多時，測量誤差的絕對值大于3.的概率僅為0.3%，對于有限次測量，這種可能性是極微小的，于是可認為此時的測量是失誤，該測量值不可信，應予剔除.這就是著名的3.準則，在分析多次測量的數據時很有用.由此可知，標準誤差.是隨機誤差散布情況的量度. （4）標準偏差的昀佳估計值，在實際測量中，測量次數k總是有限的，況且真值X也不知道，因此標準誤差只具有理論價值，對它的實際處理只能進行估算.設x為多次測量值xi的算術平均值，定義測量列的標準偏差為 （1-1-4） 當測量次數足夠多時，測量列中任一測量值與平均值的偏離落在.的概率為68.3%.（1-1-4）式亦稱為貝塞爾公式. 2.系統誤差 在同一實驗條件下（儀器、環境和觀測人都不變）多次測量時，誤差的絕對值和正負號保持不變，或按一定規律變化的誤差，稱系統誤差，系統誤差的特征是它的可確定性.它主要來自以下幾個方面. 1）儀器誤差 儀器是指為確定被測量值所必需的計量器具和輔助設備的總體，其誤差來源于以下幾個方面. （1）標準器誤差.標準器是提供標準量值的器具，如激光管、標準量塊、標準電池、標準電阻和銫原子鐘等，使用時它們的真值和它們自身體現出來的客觀量值之間有差異，或者，在沒有滿足約定真值所需要的條件下復現出某個與約定真值有差異的值. （2）儀器誤差.將被測的量轉換成可直接觀測的指示值或等效信息的計量器具，有時可分為轉換系統、傳輸通道和指示系統等.例如，零位指示器、阿貝比長儀等比較儀器，溫度計、秒表、檢流計等指示儀器都會引起誤差. （3）附件誤差.為測量創造一些必要條件，或使測量方便地進行的各種輔助附件均屬測量附件，例如，電測中的轉換開關及移動接觸點，電源、熱源和連接導線等都會引起誤差. 誤差的具體表現形式如下. 線紋尺分劃質量不好，光學計量裝置的雜散光，量塊的不平行性及不平面度，螺紋測微器有空行程，望遠鏡光學性能不好，由零件聯結間隙產生的隙動等，這些誤差大部分是由制造工藝和長期使用磨損引起的，屬于結構性的誤差. 儀器在使用時沒有調整到水平、垂直、平行等理想狀態，應當對中的未能對中，方向不準等屬于使用中的調整性誤差. 此外，還有變化性的誤差.如提供標準量值本身的準確性及其隨時間的不穩定性和隨空間位置變化的不均勻性，激光波長的長期穩定性，尺長的時效，電阻、電池的老化，晶體振蕩器頻率的長期漂移和短時波動，硬度塊上的硬度值各處不同等，又如伴隨有源儀器信號輸出時的各種噪聲，這些噪聲使得信號產生失真或畸變. 2）環境誤差 由各種環境因素與要求的標準狀態不一致及其在空間上的梯度與隨時間的變化引起的測量本身的變化，機構失靈、相互位置改變等引起的誤差，這些因素和溫度、濕度、氣壓（引起空氣各部分的擾動）、震動（大地微震、沖擊、碰動等）、照明（引起視差）、加速度、電磁場、野外工作時的風效應、陽光照射、透明度、空氣含塵量有關. 儀器儀表在出廠規定的正常工作條件下使用時產生的示值誤差稱為基本誤差，所謂正常工作條件是指檢定規程中所規定的工作條件，如（20±2）℃等，超出此正常工作條件使用時所增加的誤差稱為附加誤差或變動量.計量儀器儀表使用與檢定時，環境因素的差異引起的誤差，常常成為新的重要的誤差源.科學實驗中，靜態分析和檢定與動態使用時的差異是值得特別注意的誤差源，例如，當地面上已檢定的儀器，在空中運動著的飛行器上使用等. 3）人員誤差 測量者生理上的昀小分辨力，感覺器官的生理變化，反應速度和固有習慣引起的誤差.如記錄某一信號時，測量者滯后和超前的趨向，對準標態讀數時，始終偏左或偏右，偏上或偏下，常表現為視差、觀測誤差、估讀誤差和讀數誤差等.這類誤差常簡稱為人差. 4）方法誤差 需要瞬時取樣測量，而實際上取樣間隔不為零；經驗公式函數類型選擇的近似性以及公式中各系數確定的近似性.由測量方法或計算方法不完善所引起的誤差均屬于方法誤差. 在推導測量結果表達式中沒有得到反映，而在測量過程中實際起作用的一些因素引起的誤差也屬于方法誤差，如電測量中由方法不妥引起的裝置絕緣漏電、熱電勢、引線電阻上的壓降，平衡電路中的靈敏閾值等. 由知識的不足或研究不充分引起的方法誤差，如對已檢驗方法進行了不小心的簡化，操作和實驗不合理等都容易引起方法誤差. 在一些計量工作中，測量對象本身的規律變化正是我們要研究的，但有時也作為誤差因素考慮.有一些誤差不是測量設備所有，也不是被測對象所有，當設備與對象連接后就將誤差帶給了測量結果.例如，用高準確度電壓表測量電壓源的電壓時，由于輸入與輸出阻抗的失配，而將誤差帶給了測量結果.不同的電壓源有著不同的誤差. 必須注意：以上各種誤差來源，有時是聯合起作用的.誤差分析時，幾個誤差來源聯合起作用時，可以作為一個獨立誤差因素考慮，這樣就可能使得它與其他各個因素獨立或無關，能使誤差合成時得到簡化. 綜上所述，系統誤差和隨機誤差性質不同，來源不同，處理方法也不相同，但在實驗中系統誤差和隨機誤差往往是并存的，共同影響著實驗測量結果. 3.精密度、準確度、精確度 通常人們用“精度”這類詞來形容測量結果的誤差大小，但精度是一個籠統的概念.我們有必要從誤差角度對此作一定的說明（汪濤，2012）. 精密度——指重復測量所得結果相互接近的程度.精密度反映了隨機誤差大小的程度. 準確度——指測量值或實驗所得結果與真值符合的程度.它是描述測量值接近真值程度的尺度，反映了系統誤差大小的程度. 精確度——精密度與準確度的綜合，既描述了測量數據間的接近程度，又表示了與真值的接近程度.總之，精確度反映了綜合誤差大小的程度. 圖1-1-2可以幫助讀者形象地理解以上三個名詞. 圖1-1-2（a）中子彈擊中靶子的點比較集中，但都偏離靶心，表示精密度較高而準確度較差；圖1-1-2（b）雖然著彈點較分散，但平均值較接近靶心，表示準確度較高而精密度較差；圖1-1-2（c）則表明了精密度和準確度均較好，即精確度較高. 4.誤差的相互轉化 必須注意誤差的性質是可以在一定的條件下相互轉化的.例如，尺子的分度誤差對于制造尺子來說是隨機誤差，但將它作為基準尺檢
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