目 录
物理实验基础知识 ...................................... 1 1.1 物理实验 ......................................... 1 1.2 测量 ............................................. 2 1.3 测量误差 ......................................... 4 1.4 测量结果的不确定度 ............................... 13 1.5 测量结果不确定度估算及表示 ....................... 15 1.6 有效数字 ........................................ 18 1.7 列表和作图 ...................................... 21 1.8 逐差法 .......................................... 24 1.9 最小二乘法 ...................................... 26 实验报告要求 ......................................... 30 实验1 金属材料弹性研究 .............................. 32 实验2 空气比热容比测定 .............................. 37 实验3 浮力与体积密度的测定 .......................... 44 实验4 薄透镜焦距的测定 .............................. 47 实验5 用牛顿环法测透镜的曲率半径 .................... 53 实验6 偏振的观测与分析（1、2） ...................... 61 实验7 一阶RC电路频率特性的研究 ..................... 64 实验8 电子示波器的使用 ............................ 70 实验9 用电流场摸拟静电场 ............................ 83
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第一章 物理实验基础知识
1.1 物理实验
一、科学实验
科学实验是人们根据一定的研究目的，运用一定的科学仪器，创设有利条件，人为地控制研究对象及其运动过程，以便暴露它们在自然发生的条件下无法暴露的特性，通过观察、测量等手段研究其本质规律的科学实践活动。
二、 科学实验系统结构
一般来讲，实验系统结构如图1-1所示。
操纵实验者实验现象实验仪器变革控制实验对象自然现象
图 1-1 实验系统结构图
三、 科学实验的基本特性
1. 对研究对象和实验过程的人为可控制性 2. 实验结果的可重复性
四、 物理实验在物理学发展中的作用 1. 发现新事物和探索新规律 2. 验证理论 3. 测定物理常数 4. 开拓应用研究 五、 物理教学实验 1. 基本特点
(1) 一般是典型的科学发展中的重要实验 (2) 有比较完备的实验器材与参考资料 2. 基本功能
(1) 培养学生的科学实验能力 (2) 提供理论联系实际的学习环境 (3) 培养实事求是的科学素质
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3. 基本实验类型 (1) 测定性实验 (2) 验证性实验 (3) 探究性实验 4. 物理教学实验程序 (1) 预习 (2) 实验操作 (3) 书写实验报告
1.2 测量
一、直接测量与间接测量（按测量过程分类）
测量：用一定的工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地与被测对象进行比较，求出比值的过程。测量所得的值(数据)应包括数值(大小)和单位。两者缺一不可!
直接测量 把待测的物理量直接地与标准单位的同类物理量进行比较。例如：用米尺测长度，用天平称衡质量，用秒表测时间，用电表测电压、电流，用温度计测温度等。(L，m，t，v，I,T )相应的物理量称为直接测得量。
间接测量 是计算由一个或几个直接测量量组成的函数的数值。例如：当用单摆测定重力加速度g时，用米尺测量单摆的摆长度l，用停表测定单摆的摆动周期T，然后通过函数式：g?4?l/T的计算得到。这里g是间接测量量，l,T是直接测量量。大量的物理量是通过间接测量得到的。
二、等精度测量与不等精度测量(按测量条件分类)
对某一物理量进行多次测量，而且每次测量的条件相同(如同一观察者，同一组仪器，同一测量方法和同样的环境条件下测试等等)，测得的数据为X1,X2,…，Xn,称为等精度测量。在所有的测量条件中，只要有一个发生变化，这时所进行的测量就是不等精度测量。
严格地说，在实验过程中保持测量条件完全相同的多次测量是极其困难的，但当某一条件的变化对结果的影响不大，甚至可以忽略时，仍可将此种测量视为等精度测量。一般情况下除了特别指明外，都作为等精度测量来讨论。物理实验中大多采用等精度测量。
三、测量仪器的量程、精密度和准确度
测量是通过一定的仪器或量具来完成的，每一种类的仪器都有一定的使用条件、范围和方法。因此，熟悉仪器的性能，掌握仪器的使用方法和准确的读数是完成实验的必要条件。为此，在测量前必须对仪器有足够的了解。
(1)量程：仪器的测量范围称为仪器的量程，如：天平的最大称量为1000g,则其量程
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为1000g；电位差计的测量范围是0→170mV，则其量程为170mV等等。不容许在超量程下使用仪器，否则会损坏仪器。
(2)精密度：仪器的精密度是指仪器所能分辨物理量的最小值。如测量长度时米尺(最小分度值为1mm)，游标卡尺(分度值为1／50mm)，螺旋千分尺(分度值0.01mm)的精密度是不同的。仪器的精密度与仪器的最小分度值一致，此值愈小，仪器的精密度愈高。
(3)准确度：用仪器的准确度级别来标志。例如：某电压表的表面上标有0.5字样的就是该电压表的准确度级别是0.5级。一般仪器(测量用具)分度值取为准确度数值的1／2～2倍，有的仪器则完全相等，如游标卡尺，分度值为0.02mm时，其准确度数值也为0.02mm。
四、测量值的确定
1．直接测量值的确定——算术平均值
如果对一物理量进行多次测量。例如对物理量X等精度测量，得到一系列X1,X2,…，
Xn数值，在测量没有错误及符合统计规律的情况下，可以用算术平均值X表示测量的最佳
值，即
1nX??xi (1.1)
ni?1可以证明，当测量次数无限多时，算术平均值将无限接近真值。
对于有限次测量，平均值会随着测量次数的不同而有所改变，也会因不同范围的测量数据而稍有差别。
2.间接测量值的确定
对于间接测量值w=f(x,y, …)，它由直接测量值（x,y, …）所确定。当多次测量时，有两种可能的情况。
（1）对于各直接测量值（xi,yi, …）相互独立地进行测量，且测量条件变化幅度很小。首先分别求出各自的算术平均值（x,y,?），然后将其带入函数关系式w=f(x,y, …)中求得w的测量值。
w?f(x,y,?) (1.2)
（2）同一条件下，对各量测量一遍，得一组（xi,yi,…），相应的有wi=（xi,yi, …）而每次间接测量之间又是相互独立的，用测量算术平均值w作为测量值。
w??wi/k??f(xi,yi,?)/k (1.3)
i?1i?1kk .3.
通常，当测量条件没有大幅度变化时，两种计算方法所得到的结果是极其相近的。所以，除了测量条件变化幅度过大时必须采用式（1.3）外，一般都可以采用较简单的式（1.2）来计算。
1.3 测量误差
物理实验一般都离不开物理测量。由于测量仪器，环境条件，实验方法(测量手段与计算方法等)的限制和测量者的观察能力的局限，实验测量得到的物理量的数值与它的真实值并不一致，这种情况在数值上的表现即为误差。随着科学技术水平的提高和人们的经验、技巧、专门知识的丰富，误差可以控制得愈来愈小，但不能使误差降低为零。因此，实验结果都具有误差，误差始终存在于一切科学实验过程之中。
一、误差的定义 1．绝对误差
若实际测得值X与该物理量的客观真值A之间的差值为δA，称δ误差。
如果X是指针式仪器的示值，则δδ
A称为标称误差等。
A称为示值误差，如
A为测量值的绝对
X为某一元器件的标准值，则
真值有3种类型：
(1)理论值或定义值：如三角形的内角和等于180°。 (2)计量学约定真值：国际计量大会决议的7种标淮。
(3)标准器相对真值：高一级标准器的误差与低一级标准器或普通计量仪器的误差相比，为其l／5(或者说1／3～1／20)时，则可以认为前者是后者的相对真值。如0.5级电压表测得某电阻的电压值为1．03V，而用1.0级电压表测得的电压值为1.05V，则可认为1.0级电压表测得的电压值的误差为+0.02V。
2．相对误差
绝对误差表示往往不能反映测量的精确程度。例如，测量两个不同物体的长度，用最小分度值为l mm的米尺测量一个物体长度为L1＝51.4mm，绝对误差δ=0.02mm，用最小分度为0.01mm的螺旋测微计测量另一物体的长度为L2＝0.235mm，绝对误差δ=0.005mm，初看起来，绝对误差0.2mm远大于0.005mm，但我们不能说后者的测量精度比前者高，而恰恰相反。这是因为L1的测量误差对51.4mm而言仅为0.4％，而L2相应的测量误差对0.235mm却为2％，因此，为了弥补绝对误差的不足，我们引进相对误差Er。根据所取的相对参考值的不同,可分为：
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