内容简介
《大学物理实验.基础篇》是根据《理工科类大学物理实验课程教学基本要求》及国家质量监督检验检局、国家标准化管理委员会发布的各类国家标准，结合目前物理实验教学仪器的发展状况，在多年来的实验教学教改和教学经验的基础上编写而成的。《大学物理实验.基础篇》主括四个部分，部分是绪论，简要介绍了物理实验课程的地位、任务、基本要求及大学物理实验课的主要环节；部分是物理实验基础知识，系统介绍了误差及不确定度理论、有效数字、数据处理基本方法、物理实验中的基本测量方法、仪器调节方法等；第三部分是基础物理实验，选取了涵盖力、热、光、电、磁代物理共30个实验项目；第四部分是附录，给出了单位、物理基本常数及实验中可能用到的其他常数。
目录
目录
绪论 1
第1章 物理实验基础知识 5
1.1 测量及分类 5
1.1.1 测量 5
1.1.2 测量分类 6
1.2 测量误差分类及估算 7
1.2.1 测量误差 7
1.2.2 测量误差的分类 9
1.2.3 误差的估算 10
1.2.4 系统误差的估算 12
1.2.5 精密度、正确度和度 17
1.3 测量结果的不确定度评定 18
1.3.1 不确定度的概念及分类 18
1.3.2 直接测量结果的不确定度评定 19
1.3.3 间接测量结果的不确定度评定 29
1.4 有效数字 33
1.4.1 有效数字概念 33
1.4.2 数值修约规则 34
1.4.3 有效数字的运算规则 35
1.5 实验数据处理基本方法 36
1.5.1 列表法 36
1.5.2 图示法 38
1.5.3 图解法 39
1.5.4 逐差法 41
1.5.5 *小二乘法 41
1.6 物理实验中的基本测量方法 43
1.6.1 比较法 44
1.6.2 换测法 45
1.6.3 放大法 46
1.6.4衡法 47
1.6.5 对称测量法 47
1.6.6 补偿法 48
1.6.7 模拟法 48
1.6.8 干涉法 49
1.6.9 控制变量法 50
1.7 物理实验仪器基本调节方法 50
1.7.1 仪器初态和位置调整 50
1.7.2 零位(零点)调节 51
1.7.3 实验装置的、铅直调整 51
1.7.4 光路共轴调整 52
1.7.5 消视差调节 53
1.7.6 调焦 53
1.7.7 避免空程误差 54
1.7.8 回路接线法 54
1.7.9 逐次法 54
1.7.10 先定、后定量原则 54
54
第2章 基础物理实验 56
2.1 长度测量 56
2.2 物体密度的测量 65
2.3 验证牛顿运动定律 71
2.4 碰撞实验研究 74
2.5 刚体转动惯量的测量 77
2.5.1 扭摆法测刚体的转动惯量 78
2.5.2 用三线摆测刚体的转动惯量 82
2.6 杨氏模量的测量 86
2.7 弦振动的研究 91
2.8 超声探伤 95
2.9 多普勒效应及声速测定 101
2.10 不良导体导热率的测量 107
2.11 热机效率研究 111
2.12 牛顿环实验 119
2.13 分光计的调节和使用 124
2.14 光栅衍射测波长 132
2.15 迈克耳孙干涉仪的调节和使用 136
2.16 电表的改装与校正 141
2.17 示波器的使用 147
2.18 惠斯通电桥测电阻 155
2.19 模拟法测绘静电场 160
2.20 灵敏检流计特研究 164
2.21 介电常量测量 170
2.22 直流电势差计的工作原理及应用 175
2.22.1 温差电动势的测量 176
2.22.2 干电池电动势及内阻的测量 182
2.23 霍尔效应及其应用 186
2.23.1 螺线管轴向磁感应强度分布研究 186
2.23.2 半导体特研究 193
2.24 pn结正向压降与温度关系研究 196
2.25 电子束的偏转及应用 202
2.26 密立根油滴实验 211
2.27 光电效应及普朗克常量的测量 218
参考文献 226
附录 227
摘要与插图
绪论
物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式、相互作用及转化规律的学科.它的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是自然科学和工程技术的基础.
在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石，在人才的科学素质培养中占有重要的地位.
物理学本质上是一门实验科学.物理实验是科学实验的先驱，体现了大多数科学实验的共，在实验思想、实验方法及实验手段等方面是各学科科学实验的基础.
一、物理实验课程的地位、作用与任务
物理实验课程是高等理工科院校对学行科学实验基本训练的基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端.
物理实验课程覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础.这在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适用科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践课程不可替代的作用.
(1)培养学生的基本科学实验技能，提高学生的科学实验基本素质，使学生初步掌握科学的思想和方法.
(2)培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力.
(3)提高学生的科学素质，培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪律、团结协作、爱护公共财产的优良品德.
二、物理实验课程的基本要求
对于物理实验课程教学的能力培养、教学内容的基本要求，高等学校物理学与天文学教学指导委员会物理基础课程教学指导分委员会编制的《理工科大学物理实验课程教学基本要求》中有详细规定.
1．物理实验课程能力培养基本要求
(1)独立实验的能力.能够通过阅读实验教材、查询有关资料和思考问题，掌握实验原理及方法、做好实验前的准备；正确使用仪器及辅助设备、独立完成实验内容、撰写合格的实验报告；通过以上实验训练，逐步形成自主实验的基本能力.
(2)分析与研究的能力.能够融合实验原理、设计思想、实验方法及相关的理论知识对实验结行分析、判断、归纳与综合.掌握利用实验研究物理现象和物理规律的基本方法，具有初步的分析研究能力.
(3)理论联系实际的能力.能够在实验中发现问题、分析问题并解决问题，逐步提高学生综合运用所学知识和技能解决实际问题的能力.
(4)创新能力.能够完成符合规范要求的设计、综合内容的实验行初步的具有研究或创意内容的实验.激发学生的学，逐步培养学生的创新能力.
2．物理实验课程内容的基本要求
大学物理实验括普通物理实验(力学、热学、电磁学、光学实验)代物理实验，具体的教学内容基本要求如下：
(1)掌握测量误差的基本知识，具有正确处理实验数据的能力.
①掌握测量误差与不确定度的基本概念，逐步学会用不确定度对直接测量和间接测量的结行评估.
②掌握一些常用的实验数据法括列表法、作图法和昀小二乘法等.随着计算机及其应用技术的普及，括用计算机通用软件处理实验数据的基本方法.
(2)掌握基本物理量的测量方法.例如，长度、质量、时间、热量、温度、湿度、压、电流、电压、电阻、磁感应强度、光强度、折射率、电子电荷、普朗克常量、里德伯常量等常用物理量及物参数的测量，注意加强数字化测量技术和计算技术在物理实验教学中的应用.
(3)了解常用的物理实验方法，并逐步学会使用.例如，比较法、换测法、放大法、模拟法、补偿法衡法和干涉法等，以及代科学研究和工程技术中广泛应用的其他方法.
(4)掌握实验室常用仪器的能，并能够正确使用.例如，长度测量仪器、计时仪器、测温仪器、变阻器、电表、交/直流电桥、通用示波器、低频信号发生器、分光仪、光谱仪、常用电源和光源等仪器.
根据条件，在物理实验课中逐步在当代科学研究与工程技术中广泛应用的现代物理技术，如激光技术、传感器技术、微弱信号检测技术、光电子技术、结构分析波谱技术等.
(5)掌握常用的实验操作技术.例如，零位调节、/铅直调整、光路共轴调整、消视差调节、逐次调整、根据给定的电路图正确接线、简单的电路故障检查与排除，以及代科学研究与工程技术中广泛应用的仪器的正确调节.
(6)在教学中要适当介绍一些物理实验史料和物理实验在工程技术及现代科学技术中的应用知识，对学行辩证唯物主义世界观和方法论教育，并培养学生创新意识、创新思维和创新能力.
三、大学物理实验课的主要环节
1．课前预r style="color: rgb(102, 102, 102); font-family: tahoma, arial, "Microsoft YaHei", "Hiragino Sans GB", u5b8bu4f53, sans-serif; font-size: 14px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);"/> 实验预求是在课前认真阅读要做的实验，写出实验预.预含以下几个方面.
(1)实验目的：明确实验要达到的要求.
(2)实验原理：简要叙述实验原理，写出测量公式，画出原理图、电路图等.
(3)实验仪器：列出实验所需要的主要仪器.
(4)内容与步骤：简要写出实验步骤.
(5)画出实验数据表格：根据实验内容要求设计出数据记录表.
(6)完成预题.
2．课内r style="color: rgb(102, 102, 102); font-family: tahoma, arial, "Microsoft YaHei", "Hiragino Sans GB", u5b8bu4f53, sans-serif; font-size: 14px; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255);"/> 操作是学实验知识、培养实验技能、完成实验任务的主要环节.括以.
(1)对照实物熟悉测量仪器行合理布局一步掌握所用仪器的能、测量方法及实验注意事项等.
(2)对量具、仪行调整，或按电路、光路行连接，复杂连接须经教师检查后方行实验.
(3)按实验步行正确操作，若出现异常现象，应终止实验，分析原因，并与指导教师讨论解决.
(4)正确读取、记录实验数据.记录的数据应满足有效数字的要求.所记录的原始数据不可随意更改，要做到如实、及时地记录实验数据及观察到的现象.
(5)操作完成后，经教师在原始数据上签字以后，再止动仪器、切断电源或光源，并整理好仪器.
3．课后撰写实验报告
实验报告是完成实验后的书结，是把感认识深化为理认识的过程，它具有科研报告和科学论文的质.因此，认真书写实验报告，不仅可以提高自己写作报告和科研论文的，而且可以提高组织材料、语言表达、文字修饰的诸多能力.物理实验报告一括以下几项内容.
(1)实验名称：所做实验的名称.
(2)实验时间：做实验的具体时间.
(3)实验人、指导教师：做实验者本人姓名、指导教师姓名.
(4)实验目的：完成本实验要达到的基本要求.
(5)实验原理：简要叙述实验的物理思想和理论定律，简单推导测量用公式，电学和光学实验必须画出相应的电路图或光路图.
(6)实验仪器：所用仪器的名称和型号.
(7)实验内容和步骤：根据实际实验过程，写出实验内容和步骤.
(8)数据记录与处理：设计出合理的数据表格，将原始数据填入表中；按要求写出主要计算过程及误差处理过程，完整表达实验结果；若用作图法处理实验数据，必须严格按要求作图，画出符合规定的图线，实验曲线必须画在坐标纸上.
(9)小结：讨论实验中遇到的问题，写出自己的见解、体会和收获，提出对实验的意见等.实验报告字体要工整，文句要简明；原始数据要附在实验报告中一并交给教师审阅，没有原始数据的实验报告是无效的.学生在实验时，必须遵守实验室各项规章制度，并在实验后搞好实验室卫生.
第1章 物理实验基础知识
大学物理实验作为一门独立的基础实验课，要求学生在测量的基础上，合理处理数据行不确定度估算，同时还要掌握一些基本的仪器调节方法.本章主要介绍测量的定义及分类、测量误差、测量不确定度的估算、有效数字及应用、物理实验中的数据处理基本方法及常用仪器调节方法等.
1.1 测量及分类
1.1.1 测量
1．测量的定义
所谓测量，一般指按照某种规律，用数据来描述观察到的现象，即对事物作出量化描述.测量是对非量化实物的量化过程.在工程实践中，测量是将待测物理量与被选作计量标准的同类物理量在数值行比较，从而确定二者比值(倍数)的实验认识过程.比值称为待测物理量的数值，选用的计量标准称为单位.测量结果必含测量数值和单位，如选定质量的单位为千克，长度的单位为米等.
2．测量要素
一个完整的测量过程一含四个要素，即测量客体、计量单位、测量方法及测量度.
(1)测量客体是指测量对象，即待测物理量.由于物理量种类繁多，质各异，所以要对待测物理量的定义、质等加以研究和熟悉，以行测量.
(2)计量单位指测量中选择的计量标准，即单位.显然测量数值与计量单位的选择有关.我国的法定计量单位是单位(SI).单位制中七个基本物理量的单位：长度单位是米(m)、质量单位是千克(kg)、时间单位是秒(s)、温度单位是开尔文(K)、电流单位是安培(A)、发光强度单位是坎德拉(cd)、物质的量单位是摩尔(mol).在实际测量中，还有一些常用计量单位，如长度测量中常用分米(dm)、厘米(cm)、毫米(mm)等.
(3)测量方法指行测量时所用的按类叙述的一组操作逻辑次序.具体来说，是根据被测物理量的特点，分析研究该参数与其他参数的关系，昀后确定对该物理行测量的操作方法.
(4)测量度指测量结果与真值的一致程度.由于任何测量过不可避免地会出现测量误差，误差大说明测量结果离真值远，度低.因此，度和误差是两个相对的概念.由于存在测量误差，任何测量结果都是以似值来表示的.
3．测量条件
测是在条件行，科学实验中实验条件又分为重复测量条件、复现测量条件及期间精密度测量条件.
(1)重复测量条件：简称重复条件，指相同测量程序、相同操作者、相同测量系统、相同操作条件和相同地点，并在短时间内对同一或类似的被测对象重复测量的一组测量条件.
(2)复现测量条件：简称复现条件，指不同地点、不同操作者、不同测量系统对同一或类似被测对象重复测量的一组测量条件.
(3)期间精密度测量条件：简称期间精密度条件，指除了相同测量程序、相同地点，以及在一个较长时间内对同一或相类似的被测对象重复测量的一组测量条件外，括涉及改变的其他条件.改变括新的校准、测量标准器、操作者和测量系统.
1.1.2 测量分类
按照不同分类方法，测量可分为不同的类型，将对常用分行介绍.
1．直接测量、间接测量及组合测量
(1)直接测量：可以用测量仪器或仪表直接读出测量值的测量叫直接测量，相应的物理量叫直接测量量.例如，用螺旋测微器测量长度，用测量质量，用停表测量时间等.
(2)间接测量：不直接对被测物理行测量，而是直接测量那些与被测量有确切函数关系的物理量，然后通过函数计算而得到被测量的过程叫做间接测量，相应的物理量叫间接测量量.例如，测量某长方体的体积 V，已知体积 V与长方体的长 a、宽 b、高 c的函数关系为 V=a b c，则先直接测量 a、b、c各量，这些量是直接测量量，然后通过计算得到体积 V，V是间接测量量.
由于直接测量简单、快捷，人是想方设法利用间接测量量与直接测量量的函数关系设计制造出可以直接测量的仪器设备，把间接测量转化为直接测量，如欧姆表、密度计、压强计等是这类仪器.
(3)组合测量：又称“联立测量”，即被测物理量必须经过联立方程组才能导出