物理试验的基本知识.DOC

第一部分 物理实验的基本理论 教学目的： 1.了解科学实验的重要性，明确物理实验课程的 地位、作用和任务。 2.了解测量的基本知识，掌握不确定度的计算。 3.理解实验数据的基本处理方法，明确进行实 验的基本程序及要求。 内容提要： 本部分主要讨论进行物理实验所需要具备的有关 知识，包括物理实验的目的和任务，测量和误差的基本概念，误差的分类和计算，有效数字及运算，测量结果的评价与表示，数据处理的基本方法，进行物理实验的程序及注意事项。其中，重点是直测量的不确定度的确定，难点是间测量的不确定度的计算。 物理实验课的目的和任务 一、理论与实践的关系 科学的发展历史已经证明：科学的理论来源于科学的实践，并指导我们的实践，而且要受到实践的检验，在实践中不断地修正、补充和完善。对于科学研究来讲，科学实验是最重要、最基本的实践活动。而且，随着社会的发展和研究的深入，科学实验的这种重要性和基本性越来越突出。 科学实验是根据一定的研究目的，通过积极的构思，利用科学仪器设备等物质手段，人为地控制和模拟自然现象，使自然过程或生产过程以比较纯粹的或典型的形式表现出来，从而在有利条件下，探索自然规律的一种研究方法。 科学实验的主要任务，是研究人类尚未认识或尚未充分认识的自然过程，发现未知的自然规律，创立新学说，新理论，研制发明新材料、新方法、新工艺，为生产实践提供科学的理论依据，促进生产技术的进步和革命，提高人们改造自然的能力。 物理理论也是通过由物理实践到物理理论，再由物理理论到实践这样的辩证过程建立和发展起来的。通过对物理学历史地、全面地考察可以发现，物理学本质上是一门实验科学。首先，物理概念的建立、物理规律的发现依赖于物理实验，是以实验为基础的；其次，已有的物理定律、物理假说、物理理论还必须接受实验的检验，如果正确就予以确定，如果不正确就予以否定，如果不完全正确就予以修正。例如，普朗克在黑体辐射实验的基础上提出了能量子概念，爱因斯坦通过分析光电效应现象提出了光量子；伽利略用新发明的望远镜观察的木星有四个卫星后，否定了地心说；杨氏双缝干涉实验证实了光的波动假说的正确性。可以说，物理学的每一次进步都离不开实验。 二、物理实践的基本类型 在进行物理实践的过程中，由于所涉及的研究对象、实践的目的、采用的研究方法、获得的结论的层次等方面特征的不同，我们通常将物理学的实践活动分为观察和实验两种基本类型。下面就简述其概念和特征。 （一）观察 所谓观察就是对自然界中发生的某种现象，在不改变其自然条件的情况下，按照原来的样子加以研究的过程。比如，我们对天空观察后发现，睛朗无云的天空是蓝色的；通过对气候的观察发现，一年可以分为春、夏、秋、冬四季。观察的特征是：(1)现象是在自然状态下发生的，通常没有人为限制。因此，一般地讲，观察这种实践活动是简便易行的，是一种可以经常进行的实践活动，也是对现象进行深入研究的基础。在科学实践中，养成观察的习惯，掌握观察的方法，对一个科学研究者来说是极其重要的素质之一。(2)一般来讲，影响自然现象的因素是多而复杂的，通过观察只需对现象作定性研究，即了解影响现象的主要因素及大致关系。其研究是不够准确、深刻的。 （二）实验 所谓实验则是在人工控制的条件下，抑制次要因素，突出主要因素，使现象能够向着更加直接、更加单纯的方向进行，并能反复重演，从而借助仪器设备对影响现象的因素进行测量的研究过程。实验的特征是： 1．可以按照研究的需要和目的人为地简化和控制现象发生和进行的条件。 其目的是为了突出主要因素，排除或减少次要因素的干扰和影响，使过程的进行更直接、更纯粹，以获得明确的结果。可见，实验也是物理学中一种重要的研究方法，实验对物理学的发展起着十分重要的作用，过去是这样，现在是这样，将来也一定是这样。比如，伽利略用落体实验驳倒了亚里士多德的“重的物体落得快，轻的物体落得慢”的说法；他在斜面实验的基础上指出：力不是维持运动的原因，物体的运动不需要力来维持。我们知道是伽利略开创了物理学的实验方法，也正是因为实验方法的引入才使物理学真正成为一门科学。牛顿“最伟大的宇宙定律”的正确性，是因为它能计算出哈雷慧星的运行周期(约76年)，解释了潮汐现象，指出了(当时)太阳系中还应有所谓冥王星、海王星的存在。伟大的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦于1864年将电和磁“合”在了一起，把描述电学规律和磁学规律的关系式总结为优美的麦克斯韦方程组，他由此预言了电磁场和电磁波，指出光是一种电磁波。而这一结论的正确性是在经过了24年——也是麦克斯韦逝世(1879年)