大学物理实验报告.docx
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大学物理实验报告
大学物理实验指导书
云南大学软件学院
目录
1.课程基本信息1
2.课程简介1
3.教学目的与基本要求1
4.考核方式和成绩评定办法2
5.参考文献3
6.实验指导4
6.1测量及误差分析4
6.2质点运动学9
6.3质点动力学11
6.4静电场13
6.5磁场18
6.6电量测量20
6.7波的叠加21
6.8示波器22
6.9传感器23
6.10光的干涉与衍射24
1.
课程基本信息
名称：
大学物理实验/CollegePhysicsLab
课程性质：
学科基础
总学时/学分：
32/1
2.课程简介
本实验课程根据教育部《非物理类理工学科大学物理实验课程教学基本要求》并结合软件学院人才培养目标开展教学。
本实验课程内容包括：
∙测量误差的基础知识、用计算机处理实验数据的基本方法，以及基本物理量的测量方法，并加强数字化测量技术的应用。
∙结合软件学院的专业特点，通过计算机模拟和实际操作掌握误差分析方法、质点运动学、质点动力学、振动与波、电场、磁场、光的干涉与衍射等基本原理。
∙学习常用物理实验方法，实验室常用仪器的性能，常用实验操作技术及仪器正确调节，学习简单的计算机模拟。
3.教学目的与基本要求
本实验课培养学生初步掌握实验科学的思想和方法，提高其分析能力和创新能力；培养理论联系实际的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，团结协作的职业素养。
使之加深对物理学基本概念、基本理论的理解，掌握运用物理学基本原理分析和解决问题的科学方法。
能力培养基本要求
∙独立实验能力——掌握实验原理及方法、正确使用仪器设备、独立完成实验内容、撰写合格的实验报告；
∙分析与研究能力——融合实验原理、实验方法及相关理论知识对实验结果进行分析、判断、归纳与综合；
∙理论联系实际能力——在实验中发现问题、分析问题并学习解决问题的科学方法；
∙创新能力——进行初步的具有创意性内容的实验,激发学习主动性，逐步培养创新能力。
本实验课程要求学生
∙掌握测量误差的基本知识、掌握用计算机处理实验数据的基本方法；
∙掌握基本物理量的测量方法、了解数字化测量技术的应用；
∙了解常用物理实验方法，掌握实验室常用仪器的性能，掌握常用实验操作技术及仪器正确调节；
∙掌握简单计算机模拟的基本方法。
4.考核方式和成绩评定办法
单次实验成绩=10%出勤＋
40%实验结果＋20%实验报告撰写质量＋20%数据分析＋10%程序运行或仪器操作
实验综合成绩中各单次实验成绩比例
项目
比例（％）
1
误差分析
12
2
质点运动学
15
3
质点动力学
10
4
静电场
8
5
磁场
6
6
电量测量
15
7
波的叠加
8
8
示波器
12
9
传感器
8
10
光的干涉与衍射
6
合计
5.参考文献
（1）D.M.Bourg，游戏开发物理学，O’Reilly/电子工业出版社,2004．
（2）上海交通大学物理实验中心，上海交通大学物理实验精品课程网：
（3）同济大学物理实验中心，物理实验教学大纲：
（4）复旦大学物理系，物理实验大纲，
（5）北京大学基础物理实验教学中心：
http:
//162.105.21.182:
8082/pechome/index.jsp
6.
实验指导
6.1测量及误差分析
目的：
测量数据的误差分析及其处理
6.1.1测量与测量结果
测量就是为确定被测对象的量值而进行的一系列操作，由测量所获得的结果称为测量结果。
在一定的测量条件下，测量结果应该具有可重复性和一致性。
测量可分为直接测量和间接测量。
直接测量的结果可以通过某种仪器或设备直接读出；而间接测量的结果则要通过测量值与要求值之间的函数关系进行推算。
6.1.2误差和不确定度
无论采用何种方式测量，测量结果都会与实际值有一定的误差。
造成误差的原因可能是测量仪器固有的限制、测量方法的局限性、实验条件的变化、实验人员的操作能力及判断能力等等。
因此，定义误差为测量结果与实际值，即真值之差：
即：
其中M为测量误差，M测量值，A为真值。
当误差在允许的范围之内时，测量值即被看作是真值，或者约定真值。
测量误差可视为绝对误差，而测量误差与真值之比即为相对误差。
由于真值在多数情况下不可知，故绝对误差与相对误差的值及其计算是有条件的。
误差一般可分为系统误差、随机误差和过失误差。
系统误差——在同一被测量的多次测量过程中，基本保持恒定或以可预知的方式出现的误差。
特点是其确定的规律性。
随机误差——在实际测量条件下，多次测量同一量时，以不可预知方式处现的误差。
特点是单个误差具有随机性、总体误差服从统计规律。
过失误差——测量条件或操作方法偏离规定造成的误差。
具有这种误差的数据应该从测量结果中剔出。
一般而言，误差的结果可以用“精度”来描述。
根据误差的性质有如下表述：
精密度——表示测量结果随机误差大小的程度。
正确度——表示测量结果系统误差大小的程度。
准确度——表示测量结果与被测量的真值或约定真值之间的一致性程度。
因此准确度又称为精确度，反映随机误差和系统误差的综合效果。
因为测量误差普遍存在，虽然误差可以在一定条件下被减小，但是不可能完全消除。
故测量结果的表述应当包括对误差的定量估计，即：
不确定度。
不确定度是测量结果的一个参数，用于表征被测量的分散性。
因为随机误差满足正态分布规律，即误差值或正或负分布于真值两侧，并具有如下特性：
单峰性——绝对值小的误差比绝对值大的误差出现的概率大；
对称性——大小相等而符号相反的误差出现的概率相同；
抵偿性——误差的算术平均值岁测量次数的增加而趋于零。
在多数情况下，如果对直接观测量X做了有限次等精密度独立测量，得到测量值为x1,x2,…xn。
如果不考虑系统误差，则算术平均值
可视为真值。
测量值通常表示为：
MM。
对误差的统计分析将留在概率与统计课程中作详细讨论。
仪器的测量误差或允许误差一般在仪器手册中给出。
6.1.3有效数字及其运算法则
在测量过程中，直接读出的数值为可靠值，或可靠数字；而估计的数值为可疑值，即可疑数字。
测量结果的有效数字由可靠数字和可疑数字组成。
如一般的直尺可以直读到毫米，则测量值15.5毫米中15.5是3位有效数字，其中小数点前的15是可靠数字，0.5毫米则是估计值，即可疑值。
此外，在测量结果中第一位，或最高位非零数字前的“0”不属于有效数字，但非零数字后的“0”都是有效数字。
如15.5mm可以转换为0.0155m，但有效数字仍为3位。
15.5mm表示测量准确度为1/10mm；而15.50mm则表示测量准确度达到1/100mm
在进行测量数值或一般数值运算时要根据有效数字决定计算的准确度，即保留多少位小数。
如有4个数值：
a=1234.5，b=0.12345，c=1.2345，d=12345。
做简单加减法运算时
X=a+b-c+d=1234.5+0.12345-1.2345+12345=13578.38895
X的值应该是13578而不是其它。
因为d的值为12345。
多种有效数字的乘除法运算规定以有效数字最少的输入量为准，如a=0.0012，b=123.456，则乘除法运算结果的有效数字为两位，因为a的有效位只有两位。
6.1.4常用实验数据处理基本方法
列表法
列表法就是将所获得的数据按照一定的规律以简洁、准确地方式记录在表格中。
表格的设计应该能完整准确地记录原始数据。
在绝大多数情况下，表格仅记录原始数据，不作任何计算、转换等。
数据的处理留待实验/试验结束后进行。
表格必须准确表明实验/试验的条件、数据的单位，正确记录数据的有效数字。
表X某物理量的测量
主要仪器：
型号：
量程：
精度：
实/试验条件：
其它参数：
物理量名称（量纲）
测量值
1
2
3
…
…
必须明确，原始数据应该真实反映实验过程中的所获得的信息，不得加入任何人工影响因素。
后期的数据处理应该另行设计表格。
以这种方式工作至少可以在检验结果时获得每一个步骤的正确信息，而数据的真实性直接影响最后结果的正确性，同时也是对实验/试验人员职业素质和职业技能的考验。
作图法
作图法所包括的内容可能是原始数据、分析处理后的数据等。
原始数据图可以直观地反映数据中的函数关系，为数据的分析、处理、总结规律提供给本条件。
作图应遵循的基本规则是：
数据完整——数据完整要求将所有获得的基础或原始数据标示清楚，不得遗漏或人为添加数据；
标度准确——图的标度或标尺应该与实验数据的有效数字对应，范围应包括所有必须的实验点，同时避免在作图过程中引入误差；
符号清晰——图中各实验点的表示可以按照数据分组使用不同的符号、线形、色彩。
经过分析、计算等处理的数据应尽可能地用带有误差分析结果的符号表示相应的数据。
最小二乘法和数据拟合
原始数据一般需要进行分析和处理以便形成经验公式并由此总结规律。
实验或试验数据一般是离散的数据点，任何实验或者试验都不可能覆盖所有可能的数据点。
因此必须采用科学合理的方法对原始数据进行分析和处理。
在多数情况下，当数据呈现线形特征时，用最小二乘法进行直线拟合是最好的选择。
当然，在某些特定的条件下，有一些数据点可能在特定的区域内呈现出非线性特征，此时直线拟合的方法就不适用。
有关数据拟合的讨论可以参见相关的资料。
本指导书讨论的内容限于直线拟合。
直线可以表示为
，如果实验测得的数据点分别是（x1,y1）,（x2,y2）,…（xn,yn）。
其中假设xn的测量可以不计，则，y的回归值应该是axn+b。
由此可以用最小二乘法推出a、b的值，并规定测量值yn与回归值axn+b之差的平方和为最小。
即：
其中
为最小的必要条件是：
解此方程组可以得到回归系数：
回归系数的标准偏差为：
当然，回归系数的计算可以借助软件如Excel来完成，也可以自己设计软件完成相应的计算过程。
6.1.5实验内容
通过选取不同的抛射角、测量抛射距离计算抛射初速度
在抛体运动中，如果仅考虑抛射点与落点处于同一水平面上，则质点的初速度、抛射角、水平抛射距离（射程）之间遵循如下规律：
于是，在不同的抛射角下测定射程即可推算出抛射初速度。
实验任务：
1．推导出满足上述测量要求的表达式，即
的表达式；
2．确定一个速度后，从[10，80]的角度范围内选定十个不同的发射角，测量对应的射程，记入下表中
实验
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
发射角（度）
射程（米）
3．根据上表计算出对应于某一字母代表的发射初速。
如字母A对应发射初速。
4．注意数据结果的误差表示。
5．至少选择两个速度完成上述实验。
6．将根据实验结果推算的初速度结果填入下表：
初速度代表字母
A
B
C
D
E
实验初速度（m/s）
实验程序界面如下所示
操作方法：
运行程序shooting.exe后，选取初速度后再选定不同的抛射角，点击“发射”即可模拟抛体运动。
拖动位于10米处的光标即可测量落点距离，即射程。
实验完成后点击“停止实验”即可推出程序。
注意：
本实验中，重力加速度为9.8m/s2。
6.2
质点运动学
相对运动：
通过选取适当的发射角拦截目标物体，并使水平误差最小。
本程序已经预设了演示模式。
启动程序后将自动发射拦截目标，如下图所示。
拦截完成后界面如下图所示
图中显示目标飞行高度（默认值）为1000m,速度为500m/s。
拦截弹头在高度1000m处拦截目标的水平误差为0.9m。
完成一次拦截后须点击“程序运行按钮”重新启动程序才可以进行下次拦截。
界面中其它参数的含义如下图所示。
其中：
H——目标飞行高度（m）
vt——目标飞行速度（m/s）
——发现目标时的观察角（degree）
v——拦截弹头飞行速度（m/s）
——拦截弹头发射角（degree）
vt——拦截弹头飞行距离
vtt——目标在发射拦截弹头后的飞行距离
验证在已知目标飞行速度vt、拦截弹头飞行速度v时，观察角与发射角之间的关系为
当v=vt时有=2。
本实验就是在上述条件下完成，即发射角为2倍观察角，且不考虑重力加速度的影响。
实验任务：
1．设定并记录发现目标距离、目标飞行高度、目标飞行速度；
2．根据程序显示的观察角，选定10个不同的拦截发射角、使拦截弹头与目标的水平误差最小（最好在50m以内）；
3．记录拦截完成后的实际观察角和拦截发射角、拦截水平误差记入下表中
实验
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
观察角
（度）
发射角
（度）
水平误差
（米）
4．根据上表讨论减少拦截水平误差的可能措施。
6.3
质点动力学
非弹性碰撞问题：
计算机模拟水平飞行的弹头击中位于一定高度的木块，根据木块飞行距离验证动量守恒定律。
实验设置
实验任务：
1．根据上图、动量量守恒定律、运动学方程及相关参数，证明各参数之间满足公式：
2．验证运动轨迹方程为：
3．根据实验程序，设置不同的弹头质量（m）、弹头速度（v）、木块质量（M）、台面高度（h）等参数，验证动量守恒定律。
注意：
a.本次实验中子弹射入木块后与木块一起飞离高度为h的台面；
b.弹头射入木块前的速度为v；弹头与木块飞离高度为h的台面的初始速度为v0；
c.弹头与木块落地时的距离为d,且不考虑木块的几何尺度；
d.弹头/木块的飞行距离即为实验程序中的“落点测量距离”。
提示：
点击“停止实验”即可退出实验程序。
实验方法与过程：
1．参见实验程序界面图。
重力加速度已预置为9.8m/s2，且不可改变。
实验中选择不同的弹头质量（m）、弹头速度（v）、木块质量（M）、以及台面高度（h），设定上述参数后点击“击发”键、测量落点d.将上述各参数记录入下表中：
试验次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
弹头质量
（m,kg）
弹头速度
（v，m/s）
木块质量
（M,kg）
台面高度
（h,m）
落点距离
（d,m）
2．根据上述数据计算弹头击中木块前、后整个系统的动量并记录入下表：
试验次数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
弹头/木块
离开台面
初速度
（v0，m/s）
弹头击中木块前
全系统
动量
弹头击中木块后
全系统
动量
3．对实验结果进行简要讨论。
6.4
静电场
实验内容
图示静电场的基本性质:
同心球壳电场及电势分布图。
实验设置
有两个均匀带电的金属同心球壳配置如图。
内球壳（厚度不计）半径为R1=5.0cm，带电荷q1=0.610-8C；外球壳半径R2=7.5cm，外半径R3=9.0cm，所带总电荷q2=-2.010-8C。
实验任务
画出该同心球壳的电场及电势分布。
实验步骤及方法
基本原理：
根据高斯定理推导出电场及电势的分布公式；利用数据分析软件，如MicrosoftExcel绘制电场及电势的分布图。
在如图所示的带电体中，因内球壳带电q1，由于静电感应，外球壳的内表面上将均匀地分布电荷-q1；根据电荷平衡原理，外球壳的外表面上所带电荷除了原来的q2外，还因为内表面感应了-q1而生成+q1,所以外球壳的外表面上将均匀分布电荷q1+q2。
在推导电场和电势分布公式时，须根据r的变化范围分别讨论rR3几种情况。
场强分布：
当r当R1当R2当r>R3时，
电势分布：
根据电势的定义，可以求得电势的分布。
当r当R1当R2当r>R3时，
至此，可以用MSExcel来绘制电场及电势分布图。
方法如下：
打开Excel后会有一个默认的表格出现（如下图）
在A1、A2、A3单元格内分别输入“R1=”、“R2=”、“R3=”；在B1、B2、B3单元格内分别输入R1、R2、R3的数值。
注意在输入文字符号时可以直接输入到单元格，但是输入数值或者公式时应先键入等号=，即键入“=0.05”、“=0.075”、“=0.09”；在适当的位置输入“q1=”、“q2=”，以及对应的数值。
此外，常数（1/40）也可以预先输入到适当的单元格以方便计算。
以R1输入计算公式时输入法应为英文方式）。
一、r值计算
将R1至R2间分作十个步长（如下图中“步长”单元列所示），在“r”标志的单元列下第一个单元格内输入“=$B$1+（$B$2-$B$1）/10*A18”，步骤为：
1、键入=；
2、用鼠标点击0.05（B1）单元格；
3、键入+（；
4、点击0.075所在单元格；
5、键入-；
6、点击0.05所在单元格；
7、键入）/10*；
8、点击步长值为“1”所在单元格；
9、按Enter完成输入。
在刚完成输入的单元格内，实际的数值是各对应的单元格的相对地址。
为了保证计算的正确性，常数所在单元格地址应为绝对地址，如应将相对地址B1转换成绝对地址$B$1,即分别在列地址“B”和行地址“1”前加上符号“$”。
可以用鼠标双击刚完成输入的单元格，然后在相应位置键入绝对地址符号“$”。
完成修改后复制本单元格，粘贴到该单元格以下对应不同步长的单元格内，即完成r值的输入
二、电场强度计算
在与r列相邻的列输入电场强度公式：
在R1和R2期间，电场强度为
，其中常数
已预先输入到某个指定的单元格。
因此，计算电场强度的输入应为“=$G$1*$D$1/B18^2”。
输入步骤为：
（在与r值相邻且对应于同一步长的单元格内输入）
1、键入=；
2、点击常数
所在单元格，键入*；
3、点击q1数值所在单元格；
4、键入/；
5、点击对应r值所在单元格；
6、键入^2；
7、将常数单元格地址转换位单元格地址；
8、复制刚完成的单元格，粘贴到对应于不同步长的单元格内；
9、完成。
完成其余单元格的输入，如下图所示。
注意：
不得在单元格内直接输入本例中的数值！
三、绘图
用鼠标键盘选取r、E两列作为绘图基础数据。
在菜单栏点击插入/图表…，选取xy散点图下的“无数据点平滑线散点图”，然后根据屏幕提示完成作图过程。
用同样的方法完成电势分布图的作图。
根据需要修改图形的布局、题目、坐标轴标号、数据点颜色等等。
得到如下图所示电场强度、电势分布图。
完成本次实验。
6.5
磁场
稳恒磁场和静电场性质计算机模拟：
速度选择器
实验原理
如下图：
当带电粒子以速度v沿x轴正向穿过由稳恒磁场和静电场构成的区域时，将会受到磁场和电场的作用，只有符合一定速度条件的带电粒子可以穿过隔板。
在此速度选择器的构成中，磁感应强度值为B，方向垂直向内；电场强度值为E，方向为y轴负向。
带电粒子在复合场中运动时，所受合力为：
据牛顿定律可导出带电粒子在场中速度偏转的加速度值为：
方向沿y轴。
由B和E的共同作用决定该粒子向y轴正向或y轴负向偏转。
调整磁感应强度和磁场强度的值可使得偏转加速度为零，此时有数值关系：
或者：
实验任务：
通过模拟实验验证上述v-E-B数值关系。
实验方法：
在本实验中预设带电粒子所带电荷q与质量m之比绝对值为1。
实验程序界面如下图：
任意选定10个速度，调整磁感应强度值与电场强度值，使带电粒子的运动轨迹为水平直线。
如果磁感应强度和电场强度的数值不正确，带电粒子的运动方向将发生偏转（如下图所示）
将运动轨迹为直线所对应的速度、磁感应强度、及电场强度数值填入下表中。
序号
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
速度值（m/s）
电场强度值（V/m）
磁感应强度值（T）
速度计算值（m/s）
问题：
1、该带电粒子带正电荷还是负电荷？
为什么？
2、简要讨论速度值的大小对磁感应强度和电场强度的要求。
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