大學物理實驗

《大學物理實驗》：面向21世紀普通高等教育規劃教材

緒論

0.1 物理實驗的地位和作用

0.2 物理實驗課的目的和基本程序

0.3 物理實驗中應注意的安全事項

1 測量的不確定度與數據處理

1.1 測量與誤差

1.1.1 測量及其分類

1.1.2 誤差與偏差

1.1.3 相對誤差

1.1.4 誤差的分類及來源

1.1.5 測量的精密度、準確度和精確度

1.1.6 隨機誤差的估算

1.1.7 算術平均值的標準偏差

1.1.8 標準偏差σχ

1.1.9 粗大誤差的剔除

1.2 測量結果的評定和不確定度

1.2.1 不確定度的概念

1.2.2 直接測量的不確定度

1.2.3 間接測量結果的合成不確定度

1.3 有效數字及其運算法則

1.3.1 有效數字的概念

1.3.2 直接測量的有效數字記錄及修約規則

1.3.3 有效數字的運算法則

1.4 實驗數據處理的常用方法

1.4.1 列表法

1.4.2 作圖法

1.4.3 圖解法

1.4.4 逐差法

1.4.5 用最小二乘法求經驗方程

1.4.6 用函數計算器處理實驗數據

1.5 實驗數據的計算機處理

1.5.1 Excel的主要功能及特點

1.5.2 Excel處理物理實驗數據舉例

2 力學實驗

2.1 長度測量

2.2 單擺法測量重力加速度

2.3 天平的使用及密度的測量

2.4 楊氏彈性模量的測量(伸長法)

2.5 自由落體法測定重力加速度

2.6 剛體轉動慣量的測定

2.7 三線擺

2.8 慣性秤

2.9 振動的研究

2.10 聲速測量

2.11 焦利氏秤在力學實驗中的應用

2.11.1 焦利氏秤簡介

2.11.2 簡諧振動的研究

2.11.3 表面張力係數的研究

2.12 氣墊導軌上滑塊運動的研究

2.12.1 氣墊導軌簡介

2.12.2 重力加速度的測定

2.12.3 牛頓第二定律的驗證

2.12.4 守恆定律的研究

3 熱學實驗

3.1 金屬比熱容的測定

3.2 固體的比熱容測定

3.3 導熱係數的測量

3.4 熱功當量的測定(用電熱法)

3.5 PID在熱學實驗中的應用研究

3.5.1 PID調節

3.5.2 落球法測定液體在不同温度的黏度

3.5.3 固體線膨脹係數的測定

4 電磁學實驗

4.1 電磁學實驗預備知識

4.1.1 電磁學實驗的目的和要求

4.1.2 電磁測量的方法

4.1.3 電磁學實驗中常用儀器簡單介紹

4.1.4 電磁學實驗操作規程

4.2 學習使用萬用電表

4.3 用惠斯登電橋測電阻

4.4 電錶改裝與校準

4.5 靜電場的描繪

4.6 電子在電磁場中運動規律的研究

4.7 電阻元件伏安特性的測定

4.8 用電磁感應法測交變磁場

4.9 示波器的使用

4.10 霍爾效應

4.11 電位差計的使用

4.11.1 電位差計的原理與使用

4.11.2 用電位差計測量微小電壓

4.11.3 用電位差計校正電錶

4.11.4 用十一線電位差計測量乾電池的電動勢和內阻

4.12 RLC電路研究

4.12.1 RLC電路穩態特性的研究

4.12.2 RLC電路暫態特性的研究

5 光學實驗

5.1 光學實驗預備知識

5.1.1 光學實驗的特點

5.1.2 常用光源

5.2 牛頓環實驗

5.3 分光計的調整與使用

5.3.1 分光計的結構

5.3.2 稜鏡玻璃折射率的測定

5.3.3 用透射光柵測量光波波長及角色散率

5.4 光具座及相關實驗

5.4.1 光具座簡介

5.4.2 薄透鏡焦距的測定

5.4.3 光具組基點的測定

5.5 邁克耳孫干涉儀的調節和使用

5.5.1 邁克耳孫干涉儀介紹

5.5.2 激光波長的測定

5.5.3 鈉光的雙線波長差的測定

5.6 CCD單縫衍射相對光強分佈的測量

6 近代物理實驗

6.1 密立根油滴實驗

6.2 夫蘭克一赫茲實驗

6.3 全息照相技術

6.4 塞曼效應

參考文獻

插圖：

1 測量的不確定度與數據處理

物理實驗離不開測量，對物理現象、狀態或過程的各種量的準確測量，是實驗物理的關鍵工作，而對事物定量地描述又離不開數學方法和進行實驗數據的處理，因此，誤差分析和數據處理是物理實驗課的基礎，本章將從測量及誤差的定義開始，逐步介紹有關誤差和實驗數據處理的方法和基本知識，誤差理論及數據處理是一切實驗結果中不可缺少的內容，是不可分割的兩部分，誤差理論是一門獨立的學科，隨着科學技術的發展，近年來，誤差理論基本的概念和處理方法也有了很大發展，誤差理論是以數理統計和概率論為其數學基礎，研究誤差性質、規律及如何消除誤差，實驗中的誤差分析，其目的是對實驗結果做出評定，最大限度地減小實驗誤差，或指出減小實驗誤差的方向，提高測量質量，提高測量結果的可信程度，由於這部分內容尚未形成很嚴密的公理化體系，並且較為複雜，本章僅限於介紹誤差分析的初步知識，着重點放在幾個重要概念及最簡單情況下的誤差處理方法，不進行嚴密的數學論證，通過本章的學習和今後各個實驗中的運用，要求達到以下幾點：

（1）建立誤差與不確定度的概念，正確估算不確定度，懂得如何正確、完整地表示實驗測量結果。

（2）掌握有效數字的概念及運算規則，瞭解有效數字與不確定度的關係。

（3）瞭解系統誤差對測量結果的影響，學習發現某些系統誤差、減小系統誤差及削弱其影響的方法。

（4）掌握列表法、作圖法、逐差法和線性擬合迴歸法等常用的數據處理方法。

（5）學習利用計算機軟件處理實驗數據。

1.1測量與誤差

1.1.1 測量及其分類

測量是用實驗方法獲得量的量值的過程，量值一般是由一個數乘以計量單位所表示的特定量的大小，可測量的量是“現象、物體或物質的可以定性區別和定量確定的屬性”，在大學物理實驗中，對物理量的測量，就是在一定的條件下，藉助於儀器，通過實驗的方法，把測量和作為計量單位的標準相比較的過程，例如，物體的質量可通過與規定用kg作為標準單位的標準砝碼進行比較而得出測量結果；物體運動速度的測定則必須通過與兩個不同的物理量，即長度和時間的標準單位進行比較而獲得，比較的結果記錄下來就叫做實驗數據，測量得到的實驗數據應包含測量值的大小和單位，二者是缺一不可的。

國際上規定了七個物理量的單位為基本單位，七個基本量分別是長度、質量、時間、電流、熱力學温度、物質的量和發光強度，其他物理量的單位則是由以上基本單位按一定的計算關係式導出的，因此，除基本單位之外的其餘單位均稱為導出單位，如以上提到的速度以及經常遇到的力、電壓、電阻等物理量的單位都是導出單位。

本書是按照國家教委原頒發的《非物理類理工科大學物理實驗課程教學基本要求》，吸收了各高校物理實驗的成果和經驗，結合我校物理實驗室儀器設備的實際情況，在我校原有《大學物理實驗講義》的基礎上編寫而成。

全書共有38個實驗.緒論部分主要介紹物理實驗的特點、地位和作用；物理實驗課的目的和任務；物理實驗的基本程序和要求以及物理實驗中應注意的安全事項，第一章比較系統地介紹了物理實驗中測量的不確定度的評定與數據處理，第二章至第六章分別從力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等方面選編了一些相關的典型實驗。

本書在編寫過程中力求做到：實驗目的具體、突出，實驗要求明確，實驗原理敍述清楚，實驗內容和步驟詳盡，方便學生學習和教師授課。

本書各章的編寫由高潭華（緒論、第1章、第5章），劉雪梅（第4章），鄭福昌（第3章），黨麗琴（第2章）和邱昌東（第6章）等完成，全書由高潭華、盧道明組織統稿，另外，吳禎雲老師、許丹老師也為本書的編寫提供了有關的資料。

實驗教學是一項集體的事業，無論是實驗儀器的安裝調試和使用維護，還是教材的編寫，都是實驗室全體工作人員智慧和勞動的成果.本書編入的實驗選題，匯聚了我物理實驗中心全體工作人員多年的教學經驗和體會.同時也廣泛參閲了兄弟院校的有關資料，從中吸收了富有啓發性的觀點和優秀的內容，在此表示衷心的感謝。

隨着新技術、新方法不斷引入大學物理教學以及實驗教學改革的逐步深入，書中難免存在不完善和不妥當之處，真誠地希望各位同行和使用本教材的教師和學生提出寶貴意見和建議。