大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

前言

本書是以《理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求（2008年版）》為指導(dǎo)，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，在華北電力大學(xué)北京校部使用多年的校內(nèi)教材基礎(chǔ)上編寫而成。全書共分7章。第1章在介紹大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程的目的和任務(wù)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述了對(duì)于實(shí)驗(yàn)各個(gè)環(huán)節(jié)的要求以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫，這些是做好物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。第2章是在最新版的《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJFl059-1999）、《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》（JJF1094-2002）以及《有關(guān)量、單位和符號(hào)的一般原則》（GB3101-1993）等計(jì)量文獻(xiàn)規(guī)定的一般原則的基礎(chǔ)上，考慮到物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)際，力求條理清晰，通俗易懂而又不失嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范地闡述測(cè)量誤差及不確定度的有關(guān)內(nèi)容，這些是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。第3章一艘f生地介紹了物理實(shí)驗(yàn)中常用的實(shí)驗(yàn)方法、測(cè)量方法及基本實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)。第4章介紹了長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間及溫度等幾個(gè)基本物理量的測(cè)量及常用基本儀器的使用，同時(shí)也介紹了電流、電壓及電阻等幾個(gè)電學(xué)量的測(cè)量方法以及相關(guān)的測(cè)量?jī)x器，這些內(nèi)容以及第5章前兩節(jié)的電學(xué)與光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)是學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，原則上要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前仔細(xì)閱讀有關(guān)的內(nèi)容。第5章安排的主要是力學(xué)、電學(xué)及光學(xué)部分的十二個(gè)基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)通常是必做的。綜合性與近代物理實(shí)驗(yàn)置于第6章，這些實(shí)驗(yàn)涉及物理學(xué)多個(gè)方面的內(nèi)容，并注意結(jié)合當(dāng)今科技發(fā)展實(shí)際。第7章屬于設(shè)計(jì)性與研究性實(shí)驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體情況予以適當(dāng)選取。實(shí)驗(yàn)教材的編寫是與實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)密切相關(guān)的。隨著實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與發(fā)展，教材也必會(huì)吐故納新，努力體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的成果。不同高校實(shí)驗(yàn)室的歷史淵源以及學(xué)科側(cè)重點(diǎn)均有所不同，因此實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容以及一些實(shí)驗(yàn)的具體要求必然存在著不同程度的差別，這些都會(huì)在教材上有所反映。本教材的編寫在結(jié)合自身實(shí)際的基礎(chǔ)上也參考與借鑒了兄弟院校的教材，在此謹(jǐn)表謝意。李克強(qiáng)、李社強(qiáng)、胡冰、馬續(xù)波等老師直接參與了此版教材中的一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的編寫。陳雷老師以及其他很多老師在教材的編寫過程中提出了許多寶貴的具體意見，對(duì)于他們的貢獻(xiàn)，表示誠摯的感謝。實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展、教材的不斷更新與完善，離不開過去工作在實(shí)驗(yàn)室的所有教師的工作傳承，在此對(duì)他們表示敬意。同時(shí)感謝數(shù)理系及學(xué)校相關(guān)部門對(duì)于此次教材的出版所給予的幫助和支持。由于時(shí)間倉促，編者水平有限，考慮問題的角度各有不同，因此教材中在所難免地會(huì)存在著一些問題。懇請(qǐng)老師和同學(xué)們?cè)谑褂弥胁涣咧刚?，以期有一版更好的教材奉獻(xiàn)給大家。

內(nèi)容概要

本書為普通高等教育“十一五”規(guī)劃教材。本書是以《理工科類大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)基本要求(2008年版)》為指導(dǎo)，結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)室建設(shè)以及實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)際，在華北電力大學(xué)北京校部使用多年的校內(nèi)教材的基礎(chǔ)上編寫而成的。全書共分為7章，主要內(nèi)容為緒論、測(cè)量誤差與不確定度評(píng)定、物理實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)、基本物理量的測(cè)量及常用儀器的使用、基本實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)與近代物理實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性與研究性實(shí)驗(yàn)。    本書可作為高等院校工科專業(yè)和理科非物理專業(yè)的物理實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)用書，也可作為科研及工程技術(shù)、實(shí)驗(yàn)人員的參考用書。

書籍目錄

前言第1章  緒論  §1.1  大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的目的和任務(wù)  §1.2  怎樣做好物理實(shí)驗(yàn)  §1.3  實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫第2章  測(cè)量誤差與不確定度評(píng)定  §2.1  誤差與不確定度  §2.2  隨機(jī)誤差的統(tǒng)計(jì)處理與不確定度的A類分量  §2.3  儀器誤差限與不確定度的B類分量  §2.4  不確定度的計(jì)算與測(cè)量結(jié)果的表述  §2.5  有效數(shù)字及其運(yùn)算規(guī)則  §2.6  系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)和消除  §2.7  實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的基本方法  §2.8  小結(jié)  習(xí)題第3章  物理實(shí)驗(yàn)方法和技術(shù)  §3.1  物理實(shí)驗(yàn)中的基本實(shí)驗(yàn)方法  §3.2  物理實(shí)驗(yàn)中的基本測(cè)量方法  §3.3  物理實(shí)驗(yàn)中基本操作技術(shù)第4章  基本物理量的測(cè)量及常用儀器的使用  §4.1  長(zhǎng)度的測(cè)量  §4.2  質(zhì)量的測(cè)量  §4.3  時(shí)間的測(cè)量  §4.4  溫度的測(cè)量  §4.5  電流的測(cè)量  §4.6  電壓的測(cè)量  §4.7  電阻的測(cè)量  習(xí)題第5章  基本實(shí)驗(yàn)  §5.1  電學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)  §5.2  光學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)    實(shí)驗(yàn)一  長(zhǎng)度密度測(cè)量    實(shí)驗(yàn)二  液體表面張力系數(shù)的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)三  測(cè)量金屬絲的楊氏彈性模量    實(shí)驗(yàn)四  液體粘滯系數(shù)的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)五  惠斯通電橋測(cè)電阻    實(shí)驗(yàn)六  用電位差計(jì)測(cè)量電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻    實(shí)驗(yàn)七  示波器的使用    實(shí)驗(yàn)八  用模擬法測(cè)繪靜電場(chǎng)    實(shí)驗(yàn)九  分光計(jì)的調(diào)整與光的衍射    實(shí)驗(yàn)十  分光計(jì)的應(yīng)用與棱鏡折射率的測(cè)量    實(shí)驗(yàn)十一  光的等厚干涉    實(shí)驗(yàn)十二  光的偏振第6章  綜合性實(shí)驗(yàn)與近代物理實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)十三  轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的測(cè)量    實(shí)驗(yàn)十四  超聲干涉法和相位比較法測(cè)空氣聲速與絕熱系數(shù)    實(shí)驗(yàn)十五  示波器測(cè)鐵磁材料的磁化曲線和磁滯回線    實(shí)驗(yàn)十六  準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)法測(cè)導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容    實(shí)驗(yàn)十七  霍耳元件測(cè)量磁場(chǎng)    實(shí)驗(yàn)十八  普朗克常數(shù)的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)十九  夫蘭克-赫茲實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)二十  電子荷質(zhì)比的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)二十一  小型棱鏡攝譜儀測(cè)定光波的波長(zhǎng)    實(shí)驗(yàn)二十二  邁克耳遜干涉實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)二十三  全息照相    實(shí)驗(yàn)二十四  基本光敏元件特性的測(cè)量及應(yīng)用    實(shí)驗(yàn)二十五  密立根油滴實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)二十六  太陽能電池基本特性測(cè)量    實(shí)驗(yàn)二十七  液晶電光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)二十八  光柵傳感器特性測(cè)定實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)二十九  光纖特性及傳輸實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)三十  波爾共振實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)三十一  燃料電池綜合實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)三十二  巨磁電阻效應(yīng)及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)第7章  設(shè)計(jì)性與研究性實(shí)驗(yàn)  §7.1  設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的設(shè)置與實(shí)施    實(shí)驗(yàn)三十三  重力加速度的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)三十四  聲波在物質(zhì)中的衰減系數(shù)的測(cè)量    實(shí)驗(yàn)三十五  空氣物理參數(shù)的測(cè)量    實(shí)驗(yàn)三十六  電表的改裝與校準(zhǔn)    實(shí)驗(yàn)三十七  用電位差計(jì)校準(zhǔn)電壓表    實(shí)驗(yàn)三十八  簡(jiǎn)易萬用電表的設(shè)計(jì)與制作    實(shí)驗(yàn)三十九  光柵常數(shù)與半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)四十  薄透鏡焦距的測(cè)定    實(shí)驗(yàn)四十一  望遠(yuǎn)鏡與顯微鏡的組裝    實(shí)驗(yàn)四十二  激光定位實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)四十三  光纖位移傳感器實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)四十四  鎖相放大器的使用    實(shí)驗(yàn)四十五  反?；魻栃?yīng)實(shí)驗(yàn)    實(shí)驗(yàn)四十六  低溫的獲得與測(cè)量    實(shí)驗(yàn)四十七  真空鍍膜    實(shí)驗(yàn)四十八  氧化鋅納米材料的制備    實(shí)驗(yàn)四十九  真空的獲得與測(cè)量附錄  物理常數(shù)表參考文獻(xiàn)＝

章節(jié)摘錄

插圖：（3）個(gè)人誤差。它是由于測(cè)量者的生理或心理特點(diǎn)所引起的誤差。如一些同學(xué)讀取電學(xué)儀表的示值時(shí)，總是習(xí)慣于眼睛偏左或偏右，結(jié)果使得測(cè)量值偏大或偏小。（4）環(huán)境誤差。它是由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境如溫度、氣壓、濕度、光照等因素與實(shí)驗(yàn)規(guī)定要求不一致而引起的誤差。其引起誤差的機(jī)理在不同的實(shí)驗(yàn)中可能表現(xiàn)不同，比如它可作用于實(shí)驗(yàn)理論，使實(shí)驗(yàn)理論表現(xiàn)為近似性；也可作用于實(shí)驗(yàn)儀器，使儀器的性能和精度產(chǎn)生變化；還可作用于實(shí)驗(yàn)者，使實(shí)驗(yàn)者受到生理或心理性的影響。系統(tǒng)誤差是測(cè)量誤差的重要組成部分。發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的存在，弄清產(chǎn)生的原因，進(jìn)而科學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，合理選擇數(shù)據(jù)處理方法以消除或減小系統(tǒng)誤差是實(shí)驗(yàn)者始終必須考慮的重要問題。2.隨機(jī)誤差在相同條件下多次測(cè)量同一物理量時(shí)，即使消除了系統(tǒng)誤差，測(cè)量值也總是有稍許差異而且變化不定，這類絕對(duì)值和符號(hào)不斷變化的誤差就稱為隨機(jī)誤差。隨機(jī)誤差產(chǎn)生的原因，是由于測(cè)量過程中存在一些隨機(jī)的、未能控制的可變因素或不確定因素。一方面，人的感官靈敏度及儀器精密度總是受到一定限制，因而使一些儀表的平衡點(diǎn)不能精密確定（如檢流計(jì)）、目標(biāo)物對(duì)得不清（如讀數(shù)顯微鏡）等導(dǎo)致測(cè)量值的估讀位產(chǎn)生變化；另一方面，環(huán)境因素的隨機(jī)性干擾，比如待測(cè)樣品受周圍氣流影響所產(chǎn)生的溫度、濕度、氣壓等的微小起伏致使其物理性能表現(xiàn)出不確定性的變化；還有就是對(duì)于大批量樣品的測(cè)量，被測(cè)量本身也會(huì)表現(xiàn)為隨機(jī)性的分布。隨機(jī)誤差的影響一般是微小的，并且是混雜出現(xiàn)的，因此難以確定某個(gè)因素產(chǎn)生的具體影響。對(duì)待隨機(jī)誤差不能像對(duì)待系統(tǒng)誤差那樣，找出原因而加以消除，只能根據(jù)它出現(xiàn)的特點(diǎn)，采用統(tǒng)計(jì)方法估算其大小。隨機(jī)誤差出現(xiàn)的特點(diǎn)是單個(gè)具有隨機(jī)性，而總體上服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。當(dāng)隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布時(shí)，它有以下四個(gè)特性：（1）有界性。在一定的測(cè)量條件下，誤差的絕對(duì)值不超過一定的限度。（2）單峰性。絕對(duì)值小的誤差比絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)大。（3）對(duì)稱性。絕對(duì)值相等的正負(fù)誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)相等。（4）抵償性。當(dāng)測(cè)量次數(shù)趨于無窮大時(shí)，隨機(jī)誤差的算術(shù)平均值趨于零。依據(jù)隨機(jī)誤差出現(xiàn)的統(tǒng)計(jì)特性，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量中，可以通過增加測(cè)量次數(shù)來減小隨機(jī)誤差。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)測(cè)量次數(shù)趨于無窮大時(shí)，各次測(cè)量值的算術(shù)平均值的隨機(jī)誤差將趨于零，因此可取算術(shù)平均值作為直接測(cè)量的最佳值。具體實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量次數(shù)總是有限的，因而必須依據(jù)統(tǒng)計(jì)理論，科學(xué)評(píng)定一個(gè)測(cè)量值因?yàn)殡S機(jī)誤差表現(xiàn)出的不可靠程度。系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差是兩種不同性質(zhì)的誤差，但它們又有著內(nèi)在的聯(lián)系。在一定實(shí)驗(yàn)條件下，它們有自己的內(nèi)涵和界限，但當(dāng)條件改變時(shí)，彼此又可能相互轉(zhuǎn)化。例如考慮環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量值的影響時(shí)，由于短時(shí)間內(nèi)溫度保持恒定或極緩慢變化，其作用產(chǎn)生的誤差可視為是系統(tǒng)誤差。

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