1、欢迎各位同学进入物理教学实验中心学习大学物理实验!中国科学技术大学物理教学实验中心大学物理一级实验绪论物理教学实验中心张增明 物理实验课程体系 如何学习大学物理实验(第一章) 实验课程的安排、实验注意事项 物理实验课的基本程序和要求 测量的不确定度和数据处理 (第二章) 时间测量中随机误差的分布规律P62(下周) 单摆的设计和研究P125(下周)物理系天文学系物理实验教学中心天体物理近代物理系光学凝聚态物理理论物理原子分子物理物理电子学粒子物理与核物理等离子体物理国家级重点学科省级重点学科光学与光学工程系实验课程数：15实验项目数：280年实验学生数：6500面向专业数：37年实验人学时数：3
2、5万教学简况16级面上实验1、2级开放实验 一二年级三四年级知识和能力并重的实验教学体系开放实验自主设计创新性实验论文竞赛教学实验物理学从根本上来说是一门实验科学 理论在物理学中占据了非常重要的地位，许多诺奖获得者都是因为在理论方面的突破性贡献。（近30年的诺奖中：理论占30%，实验70%，理论家占28%，实验家占72%） 但物理学的理论只有在实验上得到验证的才能真正成为真理. 历史上许多理论消声匿迹了，因为得不到实验的证明或违背实验。（如以太假论）From Prof. X. Wang丁肇中在中山大学谈实验与理论 实验在物理研究中具有突出地位，但理论也非常重要。一个实验物理学家对理论一定要有深
3、刻的了解，他做每一个实验都要寻求理论依据。 但是理论又依赖于实验，再好的理论没有实验证明都是无效的。 理论永远推翻不了实验，但实验可以推翻理论。当实验把理论推翻了之后，可以寻找新的理论。 理论是认识事物的依据，实验是事实。 Stephen Hawkin时间简史 任何物理理论总是临时性的：你永远不可能证明它。 不管多少回实验的结果和某一理论相一致，你永远不可能断定下一次结果不会和它矛盾。另一方面，哪怕你只要找到一个和理论预言不一致的观测事实，即可证伪之。 每回观察到与这预言相符的新的实验，则这理论就幸存，并且增加了我们对它的可信度；然而若有一个新的观测与之不符，则我们只得抛弃或修正这理论。Haw
4、kin关于黑洞的理论 上个世纪70年代初，Hawkin提出了一个理论，即黑洞能够发出放射物。这一理论在当时引起极大的争议，多数科学家认为黑洞拥有非常强大的引力场以致没有东西能够逃离它们。其后，Hawkin的假说赢得了广泛认同，但未能证实。 而诺贝尔物理学奖只有实验证明一种新现象的前提下才会授予。 CERN的大型强子对撞机（LHC）可能会证实Hawkin的预言。剑桥大学的Ben Allanach博士说：“如果LHC证实了霍金辐射的存在，获得诺贝尔奖就不是什么难事了。”高能物理实验（加速环）高能物理实验（加速环） CERN欧洲核子中心27 km2900 employees (- 2008)6000
5、 visitors20 Member states+ US, Canada, Japan, Russia, China, India, .Accelerators (LHC, 2009)Detectors (ATLAS, CMS, LHCb, ALICE)Large Hadron Collider大型强子对撞机 Overall View of the LHC Experiments4.5 km LHC Key Components2 8RF cavities Magnets: 9300Dipole: 1232B(max): 8.33 TLength: 46 m Radius : 12 m We
6、ight : 7000 tonsChannels: 108 Lcable: 3000 kmATLASAverage deformation since release (Sept) = 24.3 mm (expected 27 mm, still 20% of muon spectrometer weight to go)1913 Heike Kamerlingh Onnes超导被发现部分原因是一个小男孩思想开小差 荷兰莱顿大学的Heike Kamerlingh Onnes在实现了He的液化而获得了极低温度后，想测量液He温度下Hg的电阻，看它是否像 Lord Kelvin所预言电子在绝对零度
7、时停止运动，电阻为无限大。 但他诧异地发现Hg的电阻在LHe温度下变为零。他认为一定是样品在哪处短路了，就想法修复，没有成功。 一次，他们发现Hg的电阻很奇怪地自己恢复正常了。一查，发现看管温度的男孩在值班时打瞌睡，温度上升超过了4.2 K的Hg的转变温度。短路不可能和温度有关，应该排除，Hg电阻的剧降应该是一种固有特性。Onnes把这一现象称为超导。1957 Chen Ning Yang(杨振宁) and Tsung Dao Lee(李政道) for their penetrating investigation of the so-called parity laws which has
8、led to important discoveries regarding the elementary particles 吴健雄用实验证实宇称不守恒，但没有得诺奖 1956年，李政道和杨振宁提出弱作用中宇称可能不守恒。他们还提出了几个可以用来验证宇称不守恒的实验建议。 但是，并不是马上就有人响应去做实验。一方面，大多数人不相信。Pauli曾说：“上帝不是弱的左撇子”。Feynman与人打赌，赔率为50:1。 另一方面，宇称不守恒的实验很难做。许多人认为即使去做，最后结果一定是证明宇称守恒。 吴健雄认为宇称守恒即使不被推翻，也应被测试。她和美国国家标准局的学者合作，经过约半年的努力，195
9、7年1月9日凌晨2点吴健雄在美国NBS与其合作者举行了小组内庆祝。1月10日夜，吴健雄赶回哥伦比亚大学。1月15日下午，哥伦比亚大学物理系召开紧急会议，向公众宣告宇称守恒定律被推翻。 吴健雄的这一工作为什么没有得到诺贝尔奖？ 众说纷纭。当时曾有一种说法，说是因为有许多实验几乎同时都证明宇称不守恒，诺贝尔奖不可能给许多人。比如与吴健雄的文章发表在同一期刊物上，仅差一页，就有另一篇加尔文、勒德曼和温利希的验证宇称不守恒的文章。 其实，加尔文等的工作是受吴健雄等的启发的，他们意识到，在介子、子等的衰变链中也应有大的不对称性。于是，他们立刻去做这个衰变链的实验。 这个实验比吴健雄的Co-60实验要简单
10、得多，几乎24小时就可出结果。果然，他们的实验很快也显示出大的不对称性。 在加尔文等人的文章中明确写明，他们是在得知吴健雄等实验的初步结果后才决定做实验的。 所以，吴健雄是第一个用实验来验证宇称不守恒的人，她的首创性没有任何疑问。 吴健雄未获诺贝尔奖，引起科学界的不平。诺贝尔奖得主Rabi，杨政宁，李政道，Steinberger，Ramsey，Seaborg，Rainwater等，都认为吴健雄是毫无疑问应获得诺贝尔奖的。Steinberger认为，不给吴健雄奖是瑞典诺贝尔委员会的最大败笔。 以色列人专为那些应得但未得诺贝尔奖者而设立了Wolf奖，1978年第一个Wolf奖金就颁给了吴健雄。 世
11、界上一流的物理学家都公认，吴健雄是唯一的从来没有做过错误试验的物理学家。人们相信，如果这个实验是吴健雄做的，那就一定是对的。 1907年密立根在芝加哥大学开始做这个实验。他一开始用的是水滴。但是水滴很很容易挥发，只能对它们的运动情况做几秒种的观察。 这时研究生哈维弗雷彻加入了实验室。为了防止水滴蒸发，弗雷彻建议改用油滴做实验。在一天内，弗雷彻制作了油滴实验的设备，并在当天就进行了实验，获得了一个比较靠谱的数据。 那一天密立根不在实验室，他第二天回到实验室后，看到了弗雷彻的实验设备，非常兴奋。此后两个人一起工作，对实验设备进行了改进。6周后，公布了实验结果。 密立根油滴实验 显然，这个实验的论文
12、应该由两人联合发表。但密立根提醒弗雷彻，根据学校要求，研究生的博士论文必须单独署名，不能有合作者。密立根建议，弗雷彻可以在以后的某篇论文单独署名做为其博士论文，作为交换条件，这篇论文必须只署密立根一人的名字。弗雷彻虽然感到失望，但没有办法，同意了这一安排。于是在1910年密立根作为唯一作者发表了第一篇油滴实验的论文，并最终获得诺奖。1923年：关于基本电荷的研究以及验证光电效应 1982年，弗雷彻死后发表的文章中才披露了这个秘密。 虽然密立根在第一论文中也提到实验是由他和弗雷彻一起做的，但是不管怎么样，剥夺研究生在参与设计和实验的论文的署名权，仍然是一种不正当的行为。 这样，密立根通过有选择性
13、地删除数据，获得了漂亮的实验结果，并且在论文中误导读者。像这样对实验数据进行修饰，不论是删除不利数据还是增添有利数据，都是一种严重的学术不端行为。 密立根的问题还不限于此。1981年，阿兰富兰克林研究了密立根的实验记录本，发现密立根在1913年做了140次观察，然而他把其中49次观察的数据舍弃不用，只根据91次他认为较好的数据进行计算。但在论文中，他却声称该论文“代表了所有的油滴实验”。如果把所有的数据都包括进去，结果的误差会加大。 现在看来，密立根当时获得的电荷e数值偏低，因为他在计算空气阻力时使用了不准确的空气粘滞系数。 1974年，Feynman在Caltech毕业典礼发表的演说中提到一
14、个有趣的现象： 在密立根之后物理学家测定的e数值随着时间的推移在不断增大，每次只增大一点点。费曼认为这是由于后来的物理学家在测定e时，如果获得的数值比密立根的数值高得多，就会想当然地认为自己测错了，回头去找原因，舍去这些“高得离谱”的数据，只保留那些比较接近密立根数值的数据。 看来干修饰数据勾当的物理学家还不在少数呢。 1. 学习Onnes在“科学找到考虑这些事实的新思路。”学习丁肇中的科学精神：“要对自己有信心，做你认为正确的事，不要惧怕困难，不要因为大多数人的反对而改变。”1. 不要犯Millikan那样的错误，要谨慎对待成果的合作者，要有怀疑精神，不要修饰数据。2. 学习吴健雄，做一个人
15、人信得过的实验物理学家。3. 持之以恒，不放弃，不抛弃，要折腾。4. 养成良好的实验习惯，认真分析实验数据，实验环境。5. 在实验中培养自己的创新能力。6. 遵守实验室操作规程和安全规则。Top 10 Most Beautiful Experiments in PhysicsA poll of the Robert P Crease reported, Sept 20021 Youngs 双缝实验用于单个电子的干涉(开放) 2 Galileos 自由落体实验 (1600s) (随时随地)3 Millikans 油滴实验 (1910s) (一级)4 Newtons 三棱镜分解阳光 (1665-1
16、666)(二级) 5 Youngs 光干涉实验 (1801) (一级)6 Cavendishs 扭摆实验 (1798) (开放)7 Eratosthenes 测量地球周长 (3rd century BC) 8 Galileos 斜面上滚动球实验 (1600s) (开放)9 Rutherfords 背散射 (1911) (三级)10 Foucaults 摆 (1851)(开放) 1. Youngs double-slit experiment applied to the interference of single electrons 2. Galileos experiment on fal
17、ling bodies (1600s) 3. Newtons decomposition of sunlight with a prism (1665-1666)4. Millikans oil-drop experiment Robert A Millikan(1910s) 5. Youngs double slit light-interference experimentThomas Young (1801)6 Cavendishs torsion-bar experiment (1798) Henry Cavendish7 Eratosthenes measurement of the
18、 Earths circumference (3rd century BC) 8 Galileos experiments with rolling balls down inclined planes (1600s) 9 Rutherfords discovery of the nucleus (1911) Ernest Rutherford 埃拉托色尼地理学之父 第一个提出设想在夏至日那天，分别在两地同时观察太阳的位置，并根据地物阴影的长度之差异，加以研究分析，从而总结出计算地球圆周的科学方法。 10. Foucault pendulum Jean Bernard Leon Foucaul
19、t to demonstrate the spin of earthThe first Foucault pendulum exhibited to the public was in 1851, suspended a 28 Kg bob by a 67 metre wire from the dome of the Pantheon (先哲祠)in Paris万向节演示出地球的自转现象 地球转动缓慢，需要一个比较长的摆线才能显示出轨迹的差异因为空气阻力，这个系统必须拥有足够的机械能悬挂摆线的地方必须允许摆线在任意方向运动物理学理论物理实验物理理论指导实验从实验中创建理论1956：李杨定律1
20、957：吴健雄宇称实验光电效应1924：德布罗意波1927：戴维逊革末电子衍射实验低温超导大学物理实验课独立课程与理论课相互辅助学过的理论可以指导实验做过的实验加深理论的理解知识更新 一级物理实验:科学实验的入门课 实验思想方法和技能训练的开端 后续实验课程的基础 一级物理实验的内容: 基本量的测量 基本实验仪器的使用 基本实验技能的训练 基本测量方法 数据处理、误差分析 知识点：力、热、电、光、近代物理物理实验课的基本程序和要求预习:预习报告包括实验名称、实验目的、实验原理、不超过一页纸，手写 不写预习报告不允许做实验！实验：原始数据需要老师签字。 不能抄数据、凑数据，按零分计算 ！ 实验完
21、成必须整理仪器！实验报告：实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理、数据处理、思考题。计算要有过程。 一级物理实验成绩评定 预习 15% 操作 45% 报告 40%上课时间：下午：2:005:00晚上：7:0010:00 迟到扣分标准：超过15分钟，不允许做实验！2分/5分钟； 5分/10分钟； 10分/15分钟 实验报告：手写报告阅后发还, 分数及时上传到教学平台上，核查是否有误。 电子报告，当周内学生可以重新修改上传；老师在第二周方可批阅。老师阅后学生就无法再次修改。电子版报告需写学号和姓名。 学生要按时交报告，老师要按时发报告,欢迎就实验中的科学问题与老师交流。 手写和电子版报告都需要写预
22、习报告,预习报告和老师签字的原始数据在交正式报告的时候要交上来。如果是手写报告，预习报告可以作为正式报告的一部分。 一级物理实验课表室1310 142214241413132214211409132714231417教黄浦其荣黄双安梁燕霞琳霍青陶小平王蒲蒋作宏室老虹胡勇郭强宏昌 尔强甄素汪启昕郭菊虹胡勇郭强名称1分光的和使用(1)2分光的和使用(2)1切模量的量 1.固体比容的量1用示波器量2交流及整流波路1光效法普朗克常数2密立根油滴子荷1直运中速度的量1.碰撞程中守恒定律的研究1半体温度的与制作2用敏阻量温度1用天平量量2氏模量的量1干涉法微小量2透参数的量1量螺管的磁2直流表和直流量路1
23、落球法定液体的粘度2表面力系数的定一下1少年班20人曹宏睿2少年班20人吴以治3少年班20人刘玲4少年班19人梁燕5少年班18人霞6少年班18人芮先宏7少年班18人郭玉8少年班18人敏杰9少年班18人袁泉10少年班18人冀田二下21管理学院20人翠22管理学院20人吴以治23管理学院20人建博24管理学院19人唐学峰25管理学院9人五系9人浦其荣26五系18人琳27五系18人28五系18人刘虹宏29五系18人蔡俊30五系16人理2班2人峰名 单名 单第一个实验第一个实验第二个实验第二个实验预习 每个实验室做两周实验 两周实验后循环到下一个实验室对号入座物理实验教学信息平台http:/ 本人学号
24、123学生属性注意事项 迟到15分钟以上不得做实验 学生不得擅自调课 病假要有医院证明，事假要有系教学主任和教务处处长签字的假条。以后可另行补做，否则按旷课处理。补做实验需插空补。 遇法定节假日和全校活动，跳过一次课，系级活动不得影响教学。 保持实验室卫生、不吃零食、避免大声喧哗 报告抄袭按零分处理实验安全电学安全实验完成要整理!光学安全仪器使用安全实验报告姓名 班级 年 月 日 实验名称实验目的实验仪器实验原理 (简要，以自己的语言)测量记录数据处理误差分析、思考讨论原始数据到那个实验室做实验就在该实验室交实验报告 实验答疑:1.信息平台2. 热线：3606943 周三下午 3:30 5:0
25、0房间号：1419 (第五周开始)3、课程负责：浦其荣 电话：3601856 办公室：1306Email：第二章测量的不确定度和数据处理误差 测量 直接测量：长度，质量，时间等 间接测量：重力加速度，速度等 等精度测量：同人、同法、同仪器、同条件对同物进行多次测量 真值：物理量的真实值(一般不知道) 测量的正确度、精密度、精确度 结果比较接近客观实际的测量：正确度高，表示系统误差的大小 结果彼此相近的测量：精密度高，随机性的大小(弥散程度) 既正确又精密的测量：精确度高(系统误差和随机误差的大小) 测量误差=测量值-真值误差类别l系统误差公式近似仪器结构不完善环境条件：环境误差生理、心理因素特
26、点：恒定，经验积累减小误差l 偶然误差:随机性系统误差公式近似：理论误差单摆：绝热系统：补偿法伏安法测电阻内接法外接法lAVRxAVRx减小电表内阻引起的误差系统误差仪器误差：结构不完善螺旋测微计零点不准确(校准) 天平不等臂(交换)系统误差个人误差：生理、心理因；按钮超前、滞后，斜视 偶然误差特点：随机性，服从正态分布(单峰、对称、有界、抵偿性) 抵偿性：多次测量，增加测量次数 减小偶然误差但不能消除测量不确定度A类标准不确定度：由观测列统计分析评定也称统计不确定度(多次等精度测量) B类标准不确定度：不用统计分析评定，也称非统计不确定度(单次测量、仪器误差、估计误差) 测量误差=测量值-真
27、值一般不知道!如何描述？不确定度测量误差物理量Y待测量测量值：单次，多次平均，间接测量值不确定度不确定度：代表测量值N不确定的程度，也是对测量误差的可能值的测度，对待测真值可能存在的范围的估计。测量结果范围：置信概率：100%，x：极限不确定度，e完整表达物理量：数值，单位，不确定度相对不确定度：置信区间大，置信概率大校准差：大小标志测量列的离散程度，100%不确定度的估计平均值定义(贝塞尔公式)：测量列的标准差平均值的标准差直接测量结果的不确定度：待测物理量处在上的概率为68.3%3称极限误差.测量次数无限多时,测量误差的绝对值大于3的概率仅为0.3%,对于有限次测量,这种可能性是微乎其微,
28、因此可以认为是测量失误,应予以剔除.测量次数很少时，不确定度修正 扩大置信区间获得相同的概率 tp与测量次数有关 见：P30 n/t/p 34567891080.68 1.32 1.20 1.14 1.11 1.09 1.08 1.07 1.06 10.90 2.92 2.35 2.13 2.02 1.94 1.86 1.83 1.76 1.650.95 4.30 3.18 2.78 2.57 2.46 2.37 2.31 2.26 1.960.99 9.93 5.84 4.60 4.03 3.71 3.50 3.36 3.25 2.58单次测量的误差估计只能取仪器误差作为单次测量结果的误差，
29、或者根据测量条件、仪器误差以及测量者的技术对单次测量结果的误差作出恰当的符合实际的估计。 估计误差 通常小于仪器的最大允差 。 置信概率：100%正态分布，B类标准不确定度：C：置信系数，与仪器测量误差的分布概率有关正态分布：均匀分布：三角分布：正态分布下，概率为P的测量值B类不确定度：置信因子，P32与仪器有关，P32正态分布均匀分布均匀分布三解分布正态分布 对于刻度式仪表,估算误差估常常取最小分度值的二分之一；对于数字式仪表，则取其稳定显示最末位数的一个最小单位。合成标准不确定度展伸不确定度展伸不确定度忽略不同分布的差别，仪器允差、估计误差都当成均匀分布对待合成时,各测量值具有相同的置信概
30、率,这样合成后,最终结果的不确定度才有共同的置信概率.测量结果的表示: 仪=量程级别%（模拟式）例: 量程为100伏的1级电压表，测量一个电池的电动势为1.5V。仪表的不确定度为1.0V。 若量程为10伏，则降低到0.1V。 仪=读数级别的百分数+最末位几个单位（数字式）例: 如某精度为1.0级的三位半电表，用100.0伏量程测量电池电动势，读数为1.5V.按其说明书,读数乘级别的1%,再加上末位的(譬如)5个单位。则测量结果的不确定度为(0.015+0.5)V=0.52V。 改用10.00V量程，则为（ 0.015+0.05）=0.065V。仪器的精确度等级 指针电表级别：5.0,2.0,1
31、.5,1.0,0.5,0.2,0.1 最大允差：量程X级别% 数字电表：读数XC%+最未位几个单位 钢卷尺：1m/1mm/+-0.8mm,2m/1mm/+-1.2mm 游标卡尺：125mm/0.02mm/+-0.02mm300mm/0.02mm/+-0.05mm 螺旋测微器：25mm/0.01mm/+-0.004mmP26方和根合成算术合成函数形式间接测量，不确定度的传递标准方法简单方法弃用！误差传递的基本公式：间接测量量: 是彼此独立的直接测量量.利用全微分公式: (1)先取对数,再求全微分, (2)两边取平方根据高斯误差定律，测量次数足够，正误差和负误差出现概率相等，对上式求和，则： 不确
32、定度的合成最大不确定度（仅用于设计，不用于数据处理！）在很多情况下,往往只需粗略估计不确定的大小,可采用较为保守的线性(算术)合成法则标准不确定度：L=2.350+-0.012(cm)最大不确定度：L=2.350+-0.051(cm)两边取对数得：求全微分得：将微分号变为不确定度符号： 合并同类项：不确定度分析的意义 不确定度表征测量结果的可靠程度，反映测量的精确度。更重要的是人们在接受一项测量任务时，要根据对测量不确定度的要求设计实验方案，选择仪器和实验环境。在实验过程和实验后，通过对不确定度大小及其成因的分析，找到影响实验精确度的原因并加以校正。小球直径：12.3450.006cm12.3
33、39, 12.351 P = 0.68最大偏差：0.018 cm; P = 1不确定度均分原理 在间接测量中，每个独立测量量的不确定度都会对最终结果的不确定度有贡献。如果已知各测量量之间的函数关系，可写出不确定度传递公式，并按均分原理，将测量结果的总不确定度均匀分配到各个分量中，由此分析各物理量的测量方法和使用的仪器，指导实验。一般而言，这样做比较经济合理，对测量结果影响较大的物理量，应采用精确度较高的仪器，而对测量结果影响不大的物理量，就不必追求高精度仪器。A类不确定度上的概率为68.3%B类不确定度置信概率：100%正态分布，B类标准不确定度：C：置信系数，与仪器测量误差的分布概率有关正态
34、分布：均匀分布：三角分布：合成标准不确定度概率为68.3%展伸不确定度下周先大课，再回实验室做实验预习：1、单摆的设计和研究实验P125,请参考 40页例52、时间测量中随机误差的分布规律P62最大不确定度游标卡尺： 125mm/0.02mm/0.02mm 300mm/0.02mm/0.05mm螺旋测微器：25mm/0.01mm/0.004mmH:游标卡尺D:螺旋测微器实验仪器单摆光电计时器单摆秒表实验原理线的质量小球的质量球的直径线的长度忽略：空气阻力、浮力、 线的伸长近似：小摆角作简谐振动无质量细线系一质点周期摆长OA有效数字测量只写到开始有误差的那一位，该位数后：四舍五入有效数字最后一位
35、是不确定度有效数字的位数与小数点无关：1.23 同123 0.0123, 0.01230, 1.35 和1.3500已知不确定度有效数字：测量结果中可靠的几位数 加上有误差的一位数有效数字一位取齐不确定度未知直接 ：仪器最小分度间接 ：位数+运算方式2.3+0.1234=2.4加减运算：最大不 确定度分量决定：432.3+0.1263-2=430例：测量合金密度，标准不确定度 m=14.00 g 允差0.04 g乘除运算：最少有效数字分量决定：48X3.2345/1.732=52运算结果第一位是1, 2, 3时，多保留一位：6.3X4.3=27.7D/cm1.05021.04881.05161.04801.04951.0470H/cm2.0002.0021.9982.0002.0002.002常数多取一位3.1415D/cm1.05021.04881.05161.04801.04951.0470H/cm2.0002.0021.9982.0002.0002.002谢 谢 !
