电子测量教材-通信-刘－

绪 论 TOC \o "1-3" \h \z \u 绪 论 1 测量误差及数据处理 1 测量结果的评定和不确定度 4 有效数字及其运算法则 8 数据处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 9 习 题 10 附录 常用物理数据 11 电磁学实验基本知识 14 一、分压器、限流器的使用与伏安法测电阻 24 二、用非平衡电桥研究热敏电阻的温度特性 27 三、示波器实验 29 四、RLC串联电路幅频特性的研究 33 五、 傅立叶分解合成 35 六、交流电桥 39 七、等厚干涉 45 八、光电效应—普朗克常数的测定 47 绪 论 大学物理实验课是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。物理实验课和物理理论课具有同等重要的地位。 1、物理实验的三个环节 1）课前预习，写出实验预习报告。 2）课堂实验，要求亲自动手，认真操作，详细 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。 3）课后进行数据处理，完成实验报告。 2、预习报告要求： 1）写实验目的、主要原理、公式（包括式中各量意义）、线路图或光路图及关键步骤。 2）画好原始数据 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 ，单独用一张纸 3、实验报告规格 1)实验题目、实验目的； 2)实验原理，主要公式和必要光路、电路或示意图； 3)实验步骤，要求简明扼要； 4)原始数据记录，包括主要仪器名称、规格、编号； 5)数据处理、作图、误差分析。要保留计算过程，以便检查； 6)结论。要写清楚，不要淹没在处理数据的过程中； 7)思考题、讨论、分析或 心得 信息技术培训心得 下载关于七一讲话心得体会关于国企改革心得体会关于使用希沃白板的心得体会国培计划培训心得体会 体会。 测量误差及数据处理 误差分析和数据处理是物理实验课的基础，是一切实验结果中不可缺少的内容，是不可分割的两部分。实验中的误差分析，其目的是对实验结果做出评定，最大限度的减小实验误差，或指出减小实验误差的方向，提高测量结果的可信赖程度。对低年级大学生，重点放在几个重要概念及最简单情况下的误差处理方法，不进行严密的数学论证。 一、测量与误差 1、​ 测量：把待测量与作为标准的量（仪器）进行比较，确定出待测量是标准量的多少 倍的过程就叫做测量。 例如，物体的质量可通过与规定用千克作为标准单位的标准砝码进行比较而得出测量结果。测量得到的实验数据应包含测量值的大小和单位，二者是缺一不可的。 一个被测物理量，除了用数值和单位来表征它外，还有一个很重要的表征它的参数，这便是对测量结果可靠性的定量估计。对测量结果可靠性的定量估计与其数值和单位至少具有同等的重要意义，三者是缺一不可的。 2、测量的分类 测量可以分为两类。按照测量结果获得的方法来分，可将测量分为直接测量和间接测量两类，而从测量条件是否相同来分，又有所谓等精度测量和不等精度测量。 直接测量就是把待测量与标准量直接比较得出结果。如用米尺测量物体的长度，用电流表测量电流等，都是直接测量。 间接测量借助函数关系由直接测量的结果计算出所谓的物理量。例如已知了路程和时间，根据速度、时间和路程之间的关系求出的速度就是间接测量。 一个物理量能否直接测量不是绝对的。随着科学技术的发展，测量仪器的改进，很多原来只能间接测量的量，现在可以直接测量了。 根据测量条件来分，有等精度测量和非等精度测量。等精度测量是指在同一（相同）条件下进行的多次测量，如同一个人，用同一台仪器，每次测量时周围环境条件相同，等精度测量每次测量的可靠程度相同。反之，若每次测量时的条件不同，或测量仪器改变，或测量方法、条件改变。这样所进行的一系列测量叫做非等精度测量。物理实验中大多采用等精度测量。应该指出：重复测量必须是重复进行测量的整个操作过程，而不是仅仅为重复读数。 3、仪器性能基本概念。 熟悉仪器性能，掌握仪器的使用方法及正确进行读数，是每个测量者必备的基础知识。如下简单介绍仪器精密度、准确度和量程等基本概念。 仪器精密度：是指仪器的最小分度相当的物理量。仪器最小的分度越小，所测量物理量的位数就越多，仪器精密度就越高。对测量读数最小一位的取值，一般在仪器最小分度范围内再进行估计读出一位数字。如具有毫米分度的米尺，其精密度为1毫米，应估读出到毫米的十分位；螺旋测微器的精密度为0.01毫米，应估读出到毫米的千分位。 仪器准确度：是指仪器测量读数的可靠程度。一般标在仪器上或写在仪器说明书上。如电学仪表所标示的级别就是该仪器的准确度。对于没有标明准确度的仪器，可粗略地取仪器最小的分度数值或最小分度数值的一半，一般对连续读数的仪器取最小分度数值的一半，对非连续读数的仪器取最小的分度数值。在制造仪器时，其最小的分度数值是受仪器准确度约束的，对不同的仪器准确度是不一样的，对测量长度的常用仪器米尺、游标卡尺和螺旋测微器它们的仪器准确度依次提高。 量程：是指仪器所能测量的物理量最大值和最小值之差，即仪器的测量范围（有时也将所能测量的最大值称量程）。测量过程中，超过仪器量程使用仪器是不允许的，轻则仪器准确度降低，使用寿命缩短，重则损坏仪器。 4、误差与偏差 测量的目的就是为了得到被测物理量所具有的客观真实数据，但由于受测量方法、测量仪器、测量条件以及观测者水平等多种因素的限制，只能获得该物理量的近似值，即测量值x与真值a之间总是存在着这种差值，这种差值称为测量误差，即 ε＝x－a 显然误差ε有正负之分，常称为绝对误差。注意，绝对误差不是误差的绝对值！ 设某个物理量真值为a ，进行n 次等精度测量，测量值分别为x1，x2，… xn，（不考虑系统误差）。每次测量值的偶然误差:εi＝xi－a。 可证明算术平均值为最佳估计值： （1） 当测量次数n→∞时， ， 即 为测量值的近似真实值。为了估计误差，定义测量值与近似真实值的差值为偏差。即 。偏差又叫做“残差”。实验中真值得不到，因此误差也无法知道，而测量的偏差可以准确知道，实验误差分析中用偏差来描述测量结果的精确程度。 5、系统误差与随机误差 根据误差的性质和产生的原因，可分为系统误差和随机误差。 1）系统误差 是指在一定条件下多次测量的结果总是向一个方向偏离，其数值一定或按一定规律变化。系统误差的特征是具有一定的规律性。系统误差的来源具有以下几个方面：（1）仪器误差。它是由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的误差；（2）理论误差。它是由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求等所带来的误差；（3）观测误差。它是由于观测者本人生理或心理特点造成的误差。例如，用停表测量运动物体通过某一段路程所需要的时间，若停表走时太快，即使测量多次，测量的时间t总是偏大为一个固定的数值，这是仪器不准确造成的误差；在测量过程中，若环境温度升高或降低，使测量值按一定规律变化，是由于环境因素变化引起的误差。 2）随机误差 在实际测量条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值符号的变化，时大时小、时正时负，以不可预定方式变化着的误差叫做随机误差，也叫偶然误差。当测量次数很多时，随机误差就显示出明显的规律性。实践和理论都已证明，随机误差服从一定的统计规律（正态分布，如图1），其特点是：绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大（单峰性）；绝对值相等的正负误差出现的概率相同（对称性）；绝对值很大的误差出现的概率趋于零（有界性）；误差的算术平均值随着测量次数的增加而趋于零（抵偿性）。因此，增加测量次数可以减小随机误差，但不能完全消除。 引起随机误差的原因也很多。仪器精密度和观察者感官灵敏度有关。如仪器显示数值的估计读数位偏大和偏小；测量环境扰动变化以及其他不能预测不能控制的因素，如空间电磁场的干扰等。 由于测量者过失，如实验方法不合理，用错仪器，操作不当，读错数值或记错数据等引起的误差，是一种人为的过失误差，不属于测量误差，过失误差是可以避免的。 6、随机误差的估算 设在一组测量值中，n 次测量的值分别为： 误差理论证明，测量列中某次测量值的标准偏差（贝塞尔公式） （2） 其意义表示某次测量值的随机误差在 之间的概率为68.3％。 7、算术平均值的标准偏差 当测量次数n有限，其算术平均值的标准偏差为 （3） 其意义是测量平均值的随机误差在 之间的概率为68.3%。或者说，待测量的真值在 范围内的概率为68.3％。因此 反映了平均值接近真值的程度。 测量结果的评定和不确定度 一、不确定度的含义 因此误差也无法知道，而测量的偏差可以准确知道，实验误差分析中用偏差来描述测量结果的精确程度。 在物理实验中，因真值得不到，测量误差也就不能肯定，所以用不确定度的概念对测量数据做出评定比较合理，更准确地表述了测量结果的可靠程度。对一个物理实验的具体数据来说，不确定度是指测量值（近真值）附近的一个范围，测量值与真值之差（误差）可能落于其中，不确定度小，测量结果可信赖程度高；不确定度大，测量结果可信赖程度低。 二、测量结果的表示和不确定度 在做物理实验时，要求表示出测量的最终结果。在这个结果中既要包含待测量的近似真实值 ，又要包含测量结果的不确定度σ，还要反映出物理量的单位。即 （单位） （4） 式中x为待测量； 是测量的近似真实值,σ是总的不确定度，简单起见，不确定度一般保留一位有效数字，多余的位数一律进位。 这种表达形式反应了三个基本要素：测量值、不确定度和单位，缺一不可，否则就不能全面表达测量结果。 的末尾数应该与不确定度的所在位数对齐，近似真实值 与不确定度σ的数量级、单位要相同。 在物理实验中，直接测量时若不需要对被测量进行系统误差的修正，一般就取多次测量的算术平均值 作为近似真实值；若在实验中有时只需测一次或只能测一次，该次测量值就为被测量的近似真实值。如果要求对被测量进行一定系统误差的修正，通常是将一定系统误差（即绝对值和符号都确定的可估计出的误差分量）从算术平均值 或一次测量值中减去，从而求得被修正后的直接测量结果的近似真实值。例如，用螺旋测微器来测量长度时，从被测量结果中减去螺旋测微器的零误差。在间接测量中, 即为被测量的计算值。 在测量结果的标准表达式中，给出了一个范围 ，它表示待测量的真值在 范围之间的概率为68.3％, 不要误认为真值一定就会落在 之间。认为误差在 之间是错误的。 三、不确定度的两类分量 在不确定度的合成问题中，主要是从系统误差和随机误差等方面进行综合考虑的，将各种来源的误差按计算方法分为两类：统计不确定度（A类）和非统计不确定度（B类），总的不确定度σ是由两类分量（A类和B类）求“方和根”计算而得。为使问题简化，此处只讨论简单情况下（即A类、B类分量保持各自独立变化，互不相关）的不确定度的合成。 A类不确定度（统计不确定度）是指可以采用统计方法（即具有随机误差性质）计算的不确定度，如测量读数具有分散性，测量时温度波动影响等等。通常认为它是服从正态分布规律，可以用（2）式计算，用 表示。 B类不确定度（非统计不确定度）是指用非统计方法求出或评定的不确定度，如实验室中的测量仪器不准确，量具磨损老化等等，用 表示。 本书对B类不确定度的估计作简化处理，只考虑仪器误差。所以因仪器不准确对应的B类不确定度为 为仪器误差或仪器的基本误差，或允许误差，或显示数值误差。一般的仪器说明书中都以某种方式注明仪器误差，由制造厂或计量检定部门给定。物理实验教学中，由实验室提供。 对于单次测量的随机误差一般是以最大误差进行估计，以下分两种情况处理。 已知仪器准确度时，这时以其准确度作为误差大小。如一个量程150mA，准确度0.2级的电流表，测某一次电流，读数为131.2mA。为估计其误差，则按准确度0.2级可算出最大绝对误差为0.3mA，因而该次测量的结果可写成I＝131.2±0.3mA。 未知仪器准确度时，根据所用仪器的精密度、仪器灵敏度、测试者感觉器官的分辨能力以及观测时的环境条件等因素具体考虑，以使估计误差的大小尽可能符合实际情况。一般说，最大读数误差对连续读数的仪器可取仪器最小刻度值的1/10、1/5、1/2或最小刻度，而无法进行估计的非连续读数的仪器，如数字式仪表，则取其最末位数的一个最小单位。 总的不确定度为 A类不确定度和B类不确定度的合成 （5） 四、直接测量的不确定度 直接测量的不确定度的合成，用（2）式计算A类不确定度。对B类不确定度，主要讨论仪器不准确对应的不确定度，将测量结果写成标准形式。 增加重复测量次数对于减小平均值的标准误差，提高测量的精密度有利。但是注意到当次数增大时，平均值的标准差减小渐为缓慢，当次数大于10时平均值的标准差减小便不明显了（如图2所示）。通常取测量次数为5至10为宜。 例1．用感量为0.1g的物理天平称量某物体的质量，其读数值为35.41g ,求物体质量的测量结果。 [解]：用物理天平称物体的质量，重复测量读数值往往相同，故一般只须进行单次测量即可。单次测量的读数即为近似真实值，m＝35.41g。 物理天平的“示值误差”通常取感量的1/2，并且作为仪器误差，即 ＝0.05（g）＝ 测量结果为 m＝35.41±0.05（g） 因为是单次测量（n＝1）, 总的不确定度 中的 ＝0 ,所以 。但是这个结论并不表明单次测量的σ就小，因为 n ＝1时, 发散。 例2．用螺旋测微器测量小钢球的直径，五次的测量值分别为 d（mm）＝11.922, 11.923, 11.922, 11.922, 11.922 螺旋测微器的最小分度数值为0.01mm 试写出测量结果的标准式。 [解]：（1）求直径 d 的算术平均值 ＝11.922（mm） （2）计算B类不确定度 螺旋测微器的仪器误差（取最小刻度值的1/2）为 ＝0.005（mm） ＝0.005（mm） （3）计算A类不确定度 （4）总的不确定度 式中，由于0.0005＜ ×0.005 , 故可略去 ,于是： ＝0.005（mm） （5）测量结果为： 注意：不确定度一般应保留一位有效数字，多余的位数一律进位。 的末尾数应该 与不确定度的所在位数对齐， 五、相对不确定度和百分偏差 相对不确定度定义为 （6） 有时候还需要将测量结果与公认值或理论值进行比较，称为百分误差： （7） x理可能是公认值，或高一级精密仪器的测量值。 E和百分偏差的结果一般应取2位有效数字。 测量不确定度表达涉及到深广的知识领域和误差理论问题，大大超出了本课程的教学范围。因此，以期在保证科学性的前提下，在教学中尽量把方法简化，为初学者易于接受。以后在工作需要时，可以参考有关文献继续深入学习。 六、间接测量结果的不确定度 间接测量的近似真实值和不确定度是由直接测量结果通过函数式计算出来的，既然直接测量有误差，那么间接测量也必有误差，这就是误差的传递。由直接测量值及其误差来计算间接测量值的误差之间的关系式称为误差的传递公式。设间接测量的函数式为 N＝F（x , y , z , …） N为间接测量的量，它有K个直接测量的物理量x , y , z , … ，各直接观测量的测量结果分别为 ， ， ， 。 （1）若将各个直接测量量的近似真实值 代入函数表达式中，即可得到间接测量的近似真实值。 （2）求间接测量的不确定度，由于不确定度均为微小量，相似于数学中的微小增量，对函数式N＝F（x , y , z , …）求全微分，即得 式中dN , dx , dy , dz , … 均为微小量，dN 的变化由各自变量的变化决定, 为函数对自变量的偏导数, 将上面全微分式中的微分符号d改写为不确定度符号σ，并将微分式中的各项求“方和根”，即为间接测量的合成不确定度 （8） K为直接测量量的个数，A代表 x , y , z , … 各个自变量（直接观测量）。 当间接测量的函数表达式为积和商（或含和差的积商形式）的形式时，为了使运算简便起见，可以先将函数式两边同时取自然对数，然后再求全微分。即 同样改写微分符号为不确定度符号，再求其“方和根”，即为间接测量的相对不确定度 ，即 （9） 已知 、 ，由（9）式可以求出不确定度 （10） 附表：常用函数的误差传递公式 函数关系式 标准偏差传递公式 今后在计算间接测量的不确定度时，对函数表达式仅为“和差”形式，可以直接利用（8）式，求出间接测量的不确定度 ，若函数表达式为积和商（或积商和差混合）等较为复杂的形式，可直接采用（9）式，先求出相对不确定度，再求出不确定度 。附表列出了常用函数的误差传递公式，可直接应用。 例1．已知电阻 ＝50.2±0.5（Ω）, ＝149.8±0.5（Ω）, 求它们串联的电阻R和不确定度 。 [解]：串联电阻的阻值为 R＝ ＋ ＝50.2＋149.8＝200.0（Ω） 不确定度 相对不确定度 测量结果为 R＝200.0±0.7（Ω） 此处， 即为表中的第一行公式。 注意：不确定度计算结果一般保留一位有效数字，相对不确定度一般应保留2 位有效数字。 例2．测量金属环的内径 ＝2.880±0.004（cm），外径 ＝3.600±0.004（cm）, 厚度 h＝2.575±0.004（cm）。试求环的体积V和测量结果。 [解]： （1）环体积的近似真实值为 （2）首先将环体积公式两边同时取自然对数后，再求全微分 则相对不确定度为 （3）总的不确定度为 （4）环体积的测量结果为 V＝9.44 0.09 注意：不确定度一般应保留一位有效数字，多余的位数一律进位。 的末尾数应该 与不确定度的所在位数对齐，后面的位数简单的四舍五入。 有效数字及其运算法则 一、有效数字的概念 若用最小分度值为1mm的米尺测量物体的长度，读数值为5.63cm。其中5和6这两个数字是从米尺的刻度上准确读出的，可以认为是准确的，叫做可靠数字。末尾数字3是在米尺最小分度值的下一位上估计出来的，是不准确的，叫做欠准数（或称可疑数字）。显然有一位可疑数字，就使测量值更接近真实值，更能反映客观实际。因此，测量值应当保留到这一位是合理的，即使估计数是0，也不能舍去。故测量数据的有效数字定义为几位可靠数字加上一位可疑数字称为有效数字，有效数字数字的个数叫做有效数字的位数，如上述的5.63cm称为三位有效数字。 例：把测量结果写成54.2817±0.05（cm）是错误的，由不确定度0.05（cm）可以得知，数据的第二位小数0.08 已不可靠，把它后面的数字也写出来没有多大意义，正确的写法应当是：54.28±0.05（cm）。 有效数字的位数与十进制单位的变换无关，即与小数点的位置无关。因此，用以表示小数点位置的0不是有效数字。当0不是用作表示小数点位置时，0和其它数字具有同等地位，都是有效数字，即有效数字中间与末尾的0，均应算作有效位数。如0.0135 m和1.35cm及13.5mm都是三位有效数字；1.030m是四位有效数字。从有效数字的另一面也可以看出测量用具的最小刻度值，如0.0135m是用最小刻度为毫米的尺子测量的，而1.030m是用最小刻度为厘米的尺子测量的。 二、直接测量的有效数字记录 物理实验中通常仪器上显示的数字均为有效数字（包括最后一位估计读数）都应读出，并记录下来。仪器上显示的最后一位数字是0时，此0也要读出并记录。对于有分度式的仪表，读数要根据人眼的分辨能力读到最小分度的十分之几。 根据有效数字的规定，测量值的最末一位一定是可疑数字，这一位应与仪器误差的位数对齐，仪器误差在哪一位发生，测量数据的可疑位就记录到哪一位，即使估计数字是0，也必须写上。例如，测出物体长为52.4 mm 与52.40 mm 是不同的两个测量值，也是属于不同仪器测量的两个值。 在记录直接测量的有效数字时，常用科学表达式。如0.0451 m 或45.1 mm，表示为4.51×102m，4.51×104cm等。 三、有效数字的运算法则 测量结果的有效数字，只能允许保留一位可疑数字。根据这一原则，为了简化有效数字的运算，约定下列规则： 1．加法或减法运算 若干个数进行加法或减法运算，其和或者差的结果的可疑数字的位置与参与运算各个量中的可疑数字的位置最高者相同。因此，几个数进行加法或减法运算时，可先将多余数修约（四舍五入），将应保留的可疑数字的位数多保留一位进行运算，最后结果按保留一位可疑数字进行取舍。 2．乘法和除法运算 有效数字进行乘法或除法运算时，乘积或商的结果的有效数字的位数，一般与参与运算的各个量中有效数字的位数最少者相同，或多取一位，最后由不确定度决定。 如：7.65+8.268=15.92 3.841×4.42=9.295 式中有下划线的表示可疑数字。 4、三角函数：结果有效数字由度数的有效位数决定 例：sin30o07′(4位)＝ sin30.12o=0.5018 (注意：不能写成sin30o7′（3位）) 5．自然数 1,2,3,4,…不是测量而得，因此，可以视为无穷多位有效数字的位数，书写也不必写出后面的0，如D＝2R，D的位数仅由直测量R的位数决定。 6．无理常数π, 的位数也可以看成很多位有效数字。例如L＝2πR ，若测量值 时，π应取为3.142，比参加运算的最少位数多取一位。即 数据处理方法 物理实验中测量得到的许多数据需要处理后才能表示测量的最终结果。数据处理是指从获得数据起到得出结果为止的加工过程。数据处理包括记录、整理、计算、分析、拟合等多种处理方法，常用有列表法、作图法、图解法、最小二乘法等。 一、列表法 列表法是记录数据的基本方法。是记录的最好方法。设计记录表格要求： 1．列表要简单明了，利于记录、运算处理数据和检查处理结果，便于一目了然地看出有关量之间的关系。 2．表中各栏中的物理量都要用符号标明，并写出数据所代表物理量的单位及量值的数量级要交代清楚。单位写在符号标题栏，不要重复记在各个数值上。 3．记录的数据，应正确反映测量结果的有效数字。一般记录表格还有序号和名称。 例如：要求测量圆柱体的体积，圆柱体高H和直径D的记录如下： 测柱体高H和直径D记录表 1 35.32 －0.006 8.135 0.0003 2 35.30 －0.026 8.137 0.0023 3 35.32 －0.006 8.136 0.0013 4 35.34 0.014 8.133 －0.0017 5 35.30 －0.026 8.132 －0.0027 平 均 35.326 8.1347 说明：测Hi 是用精度为0.02mm的游标卡尺，仪器误差为ΔI＝0.02mm ；测Di 是用精度为0.01mm的螺旋测微器，其仪器误差ΔI＝0.005mm。 由表中所列数据，可计算出高、直径和圆柱体体积测量结果： 　　　　　　　　　　　H＝35.33±0.02（mm） 　　　　　　　　　　　D＝8.135±0.005（mm） 　　　　　　　　　　　V＝（1.836±0.003）×103（mm3） 二、作图法 用作图法处理实验数据是数据处理的常用方法之一，它能直观地显示物理量之间的对应关系，揭示物理量之间的联系。作图法是在现有的坐标纸上用图形描述各物理量之间的关系，将实验数据用几何图形表示出来，叫做作图法。在作图法要注意以下几点： 1．作图一定要用坐标纸。当决定了作图的参量以后，根据函数关系选用直角坐标纸，单对数坐标纸，双对数坐标纸，极坐标纸等，本书主要采用直角坐标纸。 2．坐标纸的大小及坐标轴的比例。应当根据所测得的有效数字和结果的需要来确定，原则上数据中的可靠数字在图中应当标出。数据中的准确位在图中应是整数格，坐标轴比例的选取一般间隔1,2,5,10等。这便于读数或计算，除特殊需要外，数值的起点一般不必从零开始，X轴和Y轴的比例可以采用不同的比例，使作出的图形大体上能充满整个坐标纸，图形布局美观、合理。 3．标明坐标轴。对直角坐标系，一般是自变量为横轴，因变量为纵轴，采用粗实线描出坐标轴，并用箭头表示出方向，注明所示物理量的名称，单位。坐标轴上表明所用测量仪器的最小分度值，并要注意有效位数。 4．描点。根据测量数据，用直尺和笔尖使其函数对应的实验点准确地落在相应的位置，一张图纸上画上几条实验曲线时。每条图线应用不同的标记如“×”“O”“Δ”等符号标出，以免混淆。 5．连线。根据不同函数关系对应的实验数据点分布，把点连成直线或光滑的曲线或折线，连线必须用直尺或曲线板，如校准曲线中的数据点必须连成折线。由于每个实验数据都有一定的误差，所以将实验数据点连成直线或光滑曲线时，绘制的图线不一定通过所有的点，而是使数据点均匀分布在图线的两侧，尽可能使直线两侧所有点到直线的距离之和最小并且接近相等，有个别偏离很大的点应当应用异常数据的剔除中介绍的方法进行分析后决定是否舍去，原始数据点应保留在图中。 6．写图名。作完图后，在图纸下方或空白的明显位置处，写上图的名称、作者和作图日期，有时还要附上简单的说明，如实验条件等，使读者一目了然。作图时，一般将纵轴代表的物理量写在前面，横轴代表的物理量写在后面，中间用“～”联接。 7．最后将图纸贴在实验报告的适当位置，便于教师批阅实验报告。 习 题 1．指出下列各量是几位有效数字，测量所选用的仪器精度是多少？ （1） 63.74 cm; （2） 0.302 cm; （3） 0.0100 cm ; （4）12.6 s ; 2．试用有效数字运算法则计算出下列结果 （1）107.50 －2.5；（2）273.5÷0.1；（3）1.50×0.500；（4） ； 3. 一圆柱体，已知高h＝4.120±0.001（cm），直径d＝2.040±0.001（cm）, m＝149.18±0.05（g）。求V 和密度ρ的测量结果。 4．改正下列错误，写出正确答案 （1）L＝0.01040（km）的有效数字是五位； （2）d＝12.435±0.02（cm ）； （3）h＝27.3×10 4±2000（km）； （4）R＝6371 km＝6371000m＝637100000（cm）； （5）t=8.50±0.452s （6）θ＝60 ±2’。 5．单位变换 （1）将 L＝4.25±0.05（cm）的单位变换成μm , mm , m , km 。 （2）将 m＝1.750±0.001（kg）的单位变换成 g , mg , t 。 6．利用单摆测重力加速度g，当摆角θ＜5°时，T＝2π , 式中摆长L＝97.69±0.02 （cm），周期T＝1.9842±0.0002（s）。求g和σg ，并写出结果的标准式。 7．误差按形式可分为 和 ,按其性质可分为 和 。 8．准确度等级为0.5级,量程为10mA的电流表,使用时可能产生的示值误差为 mA,若要求测量的相对误差不超过1%,则被测电流应不小于 mA。 9．现有两只伏特表甲和乙,分别为0.5级0～300V和1.0级0～100V,欲测100V左右的电压,宜选用 表。 10．下列说法中正确的有( )。 A.可用仪器最小分度或最小分度的一半作为该仪器的一次测量的误差; B.可以用仪器的示值误差作为该仪器一次测量的误差; C.可以用仪器精度等级估算该仪器一次测量的误差; D.只要知道仪器的最小分度值,就可以大致确定仪器误差的数量级。 E. 当n为偶数时,算术平均误差为零。 11．对待测量x进行n次等精度测量,测量到为 为真值。在下列叙述中正确的有( )。 A.测量列的标准误差为 ; B.测量列的标准偏差为 ; C.在物理实验中用标准偏差来估计标准误差,在名称上也不加区别,统称为标准误差; D.测量列的算术平均值的标准误差为 。 12．用精密天平称一物体的质量m,共称五次,结果分别为3.6127克、3.6122克、3.6120 克、3.6121克、3.6125克。试求这些数据的算术平均值,绝对误差和相对误差。 13. 用米尺测得正方形某一边长为 。 求正方形面积和周长的平均值、绝对误差和相对误差。 14.已知 。 15. 用作图法处理数据时,横轴一般表示 量,纵轴表示 量。 附录 常用物理数据 1 基本物理常量 名 称 符号、数值和单位 真空中的光速 电子的电荷 普朗克常量 阿伏伽德罗常量 原子质量单位 电子的静止质量 电子的荷质比 法拉第常量 氢原子的里德伯常量 摩尔气体常量 玻尔兹曼常量 洛施密特常量 万有引力常量 标准大气压 冰点的绝对温度 声音在空气中的速度（标准状态下） 干燥空气的密度（标准状态下） 水银的密度（标准状态下） 理想气体的摩尔体积（标准状态下） 真空中介电常量（电容率） 真空中磁导率 钠光谱中黄线的波长 镉光谱中红线的波长（15℃，101325Pa） c＝2.99792458×108m/s e＝1.6021892×10－19C h＝6.626176×10－34J·s N0＝6.022045×1023mol－1 u＝1.6605655×10－27kg me＝9.109534×10－31kg e/me＝1.7588047×1011C/kg F＝9.648456×104C/mol RH＝1.096776×107m－1 R＝8.31441J/(mol·k) k＝1.380622×10－23J/K n＝2.68719×1025m－3 G＝6.6720×10－11N·m2/kg2 P0＝101325Pa T0＝273.15K v＝331.46m/s ρ空气＝1.293kg/m3 ρ水银＝13595.04kg/m3 Vm＝22.41383×10－3m3/mol ε0＝8.854188×10－12F/m μ0＝12.566371×10－7H/m D＝589.3×10－9m λc d＝643.84696×10－9m 2 在20℃时固体和液体的密度 物质 密度 (kg/m3) 物质 密度 (kg/m3) 铝 铜 铁 银 金 钨 铂 铅 锡 水银 钢 2698.9 8960 7874 10500 19320 19300 21450 11350 7298 13546.2 7600～7900 石英 水晶玻璃 冰(0℃) 乙醇 乙醚 汽车用汽油 弗利昂—12 （氟氯烷—12） 变压器油 甘油 2500～2800 2900～3000 880～920 789.4 714 710～720 1329 840～890 1260 3 在标准大气压下不同温度时水的密度 温度t（℃） 密度 (kg/m3) 温度t（℃） 密度 (kg/m3) 温度t（℃） 密度 (kg/m3) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 999.841 999.900 999.941 999.965 999.973 999.965 999.941 999.902 999.849 999.781 999.700 999.605 999.498 999.377 999.244 999.099 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 998.943 998.774 998.595 998.405 998.203 997.992 997.770 997.538 997.296 997.044 996.783 996.512 996.232 995.944 995.646 995.340 32 33 34 35 36 37 38 39 40 50 60 70 80 90 100 995.025 994.702 994.371 994.031 993.68 993.33 992.96 992.59 992.21 988.04 983.21 977.78 971.80 965.31 958.35 4 某些液体的粘滞系数 液体 温度（℃） （μPa·s） 液体 温度（℃） （μPa·s） 汽油 甲醇 乙醇 乙醚 变压器 篦麻油 葵花子油 0 18 0 20 －20 0 20 0 20 20 10 20 1788 530 817 584 2780 1780 1190 296 243 19800 242×104 50000 甘油 蜂蜜 鱼肝油 水银 －20 0 20 100 20 80 20 80 －20 0 20 100 134×106 121×105 1499×103 12945 650×104 100×103 45600 4600 1855 1685 1554 1224 5 常用光源的谱线波长表 （单位：nm） 一、H（氢） 656.28红 486.13绿蓝 434.05蓝 410.17蓝紫 397.01蓝紫 二、He（氦） 706.52红 667.82红 587.56（D3）黄 501.57绿 492.19绿蓝 471.31蓝 447.15蓝 402.62蓝紫 388.87蓝紫 三、Ne（氖） 650.65红 640.23橙 638.30橙 626.25橙 621.73橙 614.31橙 588.19黄 585.25黄 四、Na（钠） 589.592（D1）黄 588.995（D2）黄 五、Hg（汞） 623.44橙 579.07黄 576.96黄 546.07绿 491.60绿蓝 435.83蓝 407.78蓝紫 404.66蓝紫 六、He—Ne激光 632.8橙 6 汞的发射光谱 单位：×10－10m 波长 颜色 相对强度 波长 颜色 相对强度 波长 颜色 相对强度 6907.2 深红 弱 5789.7 黄 强* 4358.4 蓝紫 很强* 6716.2 深红 弱 5769.6 黄 强* 4347.5 蓝紫 中 6234.4 红 中 5675.9 黄绿 弱 4339.2 蓝紫 弱 6123.3 红 弱 5460.7 绿 很强* 4180.1 紫 弱 5890.2 黄 弱 5354.0 绿 弱 4077.8 紫 中 5859.4 黄 弱 4960.3 蓝绿 中 4046.6 紫 强 5790.7 黄 弱 4916.0 蓝绿 中 注：带“*”的为容易观察到的谱线 电磁学实验基本知识 电磁学是现代科学技术的主要基础之一，在此基础上发展起来的电工技术和电子技术不仅广泛应用于农业、工业、通讯、交通、国防以及科学技术的各个领域，并且已经深入到家用设备，对国计民生有十分重要的意义。掌握电磁学实验研究的基本方法已成为各学科领域的基本要求。 电磁学从其建立之初就是一门实验科学。很早以前，人们就发现了毛皮擦过的琥珀能吸引轻微物体。后来，随着著名的库仑定律、安培定律等实验定律的提出，电磁学逐渐形成了日益完整的理论体系。现代的电磁学实验尽管所用仪器设备已经很复杂、精密，但仍然是人们观察研究电磁现象，学习理论知识的重要途径。并通过这些实验掌握各种电磁测量的基本技能。 电磁学实验包括，基本电磁量的测量方法及主要电磁测量仪器仪表的工作原理和使用方法两部分。但是不同性质的电磁量的测量有很大差异，所用仪器也千差万别。下面简单介绍电磁测量的方法、电磁学实验中常用的一些仪器及电磁学实验中一般应遵循的操作规则。 一、电磁测量的方法 1．电磁测量的作用、特点和内容 （1）电磁测量的作用 物理实验是物理学的基础，是物理教学的一个重要环节。电磁学实验是物理实验的一个重要组成部分，它可以使学生在实验室中对电磁学的基本规律、基本现象进行观察、分析和测量。 电磁测量在测量技术中占有重要的地位。电磁测量的方法是测量技术中的基本方法，电磁测量仪器、仪表是基本的测量器具，在测量技术领域中，都不同程度地使用电磁测量仪器、仪表。 电磁测量的范围很广泛，尤其是近年来随着科学技术的发展，电磁测量技术突飞猛进，测量仪器的制造工艺不断改进，使电磁学实验内容更加丰富。电磁测量，可以实现各种电磁量和电路元件特性的测量，还可以通过各种传感器，将各种非电量转换为电量进行测量。 电磁测量在物理学和其他科学领域中获得了极其广泛的应用，已经成为科学研究及工农业生产的强有力的手段。 （2）电磁测量特点 电磁测量之所以成为科研与现代生产技术的重要基础，是因为它具有以下特点： 1）测量精度高。特别是从1990年起，使电学计量体系的基准从实物基准过渡到量子基准，从而可以利用这些量子标准来校准电子测量仪器，使电子仪器与测量技术的精确度达到接近理论值的水平。例如数字式电压表的分辨率可达10－9伏。 2）反应迅速。电子仪器与电子测量速度是很快的，也就是说响应时间很短。 3）测量范围大。电子仪器的测量数值范围和工作的量程是很宽的。如数字电压表的量程可达1011伏以上，数字欧姆表可测范围为10－5欧至1017欧。 4）可进行遥控，实现远距离测量。 5）可实现自动化测量。 6）非电量可以通过传感器转换为相应的电磁量进行测量。 （3）电磁测量的内容 电磁测量的内容非常广泛，包括以下几个方面： 1）电磁量的测量。例如电压、电流、电功率、电场强度、介电常数、磁感应强度、磁导率等的测量。 2）信号特性的测量。例如信号频率、周期、相位、波形、逻辑状态等的测量。 3）电路网络特性的测量。例如幅频特性、相移特性、传输系数等的测量。 4）电路元器件参数的测量。例如电阻、电容、电感、耗损因数、Q值、晶体管参数等的测量。 5）电子仪器性能的测量。例如仪器仪表的灵敏度、准确度，输入、输出特性等的测量。 6）各种非电量（例如温度、位移、压力、速度、重量等）通过传感器转化为电学量的测量。 2．电磁测量的方法 电磁测量的内容很丰富，测量的方法也很多，一个物理量，常可以通过不同的方法来测量。 （1）测量方法的分类 电磁测量的方法很多，分类方式也各不相同，除了可分为大家所熟悉的“直接测量法”和“间接测量法”以外，还常将电磁测量方法分为“直读测量法”和“比较测量法”两大类。 1）直读测量法 直读测量法是根据一个或几个测量仪器的读数来判定被测物理量的值，而这些测量仪器是事先按被测之量的单位或与被测之量有关的其它量的单位而分度的。 直读测量法又可以分为两种。一是直接测量法（或称直接计值法）。例如用安培表测量电流，用伏特表测量电压，用欧姆表测量电阻。测量仪器安培表、伏特表和欧姆表的刻度尺是分别按安培、伏特和欧姆事先分度的。这种情况，被测量的大小直接从仪器的刻度尺上读出，它既是直读法又是直接测量法。二是间接测量法（或称间接计值法）。例如利用部分电路欧姆定律R＝V／I，用安培表直接测量流过待测电阻的电流I，用伏特表直接测量电阻两端的电压V，然后间接计算出电阻值R。这种方法使用的仍然是直读式仪器，而被测的量R是由函数关系R＝V／I计算得到的。 直读测量法由于方法简单，被普遍采用，但是由于其准确度比较低（相对于比较法），因此适用于对测量结果不要求十分准确的各种场合。 2）比较测量法 比较测量法是将被测的量与该量的标准量作比较而决定被测的量值的方法。这种方法的特点，是在测量过程中要有标准量参加工作。例如用电桥测量电阻，用电位差计测量电压的方法都是比较法。 比较测量法也有直接测量和间接测量两种，被测的量直接与它的同种类的标准器相比较就是直接比较法。例如某一电阻与标准电阻相比较就是直接比较法。间接比较法是利用某一定律所代表的函数关系，用比较法测量出有关量，再由函数关系计算出被测量的值，例如，用比较法测出流经标准电阻RS上的电压V，再利用欧姆定律I＝V／RS算出电流强度I的大小，就是间接比较法。 比较测量法又分为三类： ①零值测量法 它是被测的量对仪器的作用被同一种类的已知量的作用相抵消到零的方法。由于比较时电路处于平衡状态，所以这种方法又称为平衡法。例如用电位差计测量电池的电动势时，就是用一已知的标准电压降和被测电动势相抵消，从已知标准电压降的电压值来得知被测电动势的值。零值法的误差取决于标准量的误差及测量的误差。 ②差值测量法 它也是被测的量与标准量作比较，不过被测的量未完全平衡，其值由这些量所产生的效应的差值来判断。差值法的测量误差取决于标准量的误差及测量差值的误差。差值越小，则测量差值的误差对测量误差的影响越小。差值测量法所用的仪器有非平衡电桥、非完全补偿的补偿器等。 ③替代测量法 将被测的量与标准量先后代替接入与一测量装置中，在保持测量装置工作状态不变的情况下，用标准量值来确定被测的量的方法称为替代法。当标准量为可调时，用可调标准量的方法保持测量装置工作状态不变，则称为完全替代法。如果标准量是不可调的，允许测量装置的状态有微小的变动，这种方法称为不完全替代法。在替代法测量中，由于测量装置的工作状态不变，或者只有微小变动，测量装置自身的特性及各种外界因素对测量产生的影响是完全或绝大部分相同的，在替代时可以互相抵消，测量准确度就取决于标准量的误差。 （2）选择测量方法的原则 一个物理量，可以通过直接测量得到，也可以通过间接测量得到，可以用直读测量法，也可以用比较测量法进行测量。那么如何选择合适的测量方法呢？选择测量方法的原则是： 1）所选择的测量方法必须能够达到测量要求（包括测量的精确度）。 2）在保证测量要求的前提下，选用简便的测量方法。 3）所选用的测量方法不能损坏被测元器件。 4）所选用的测量方法不能损坏测量仪器。 下面我们举例说明如何根据具体情况选择合适的测量方法： 1）根据被测物理量的特性选择测量方法 例如，测量线性电阻（如金属膜电阻），由于其阻值不随流经它的电流的大小而变化，可选用电桥（比较式仪器）直接测量，这种方法简便，精确度高。 测量非线性电阻（如二极管、灯丝电阻等），由于这类电阻的阻值随流经它的电流的大小而变化，宜选用伏安法间接测量，并作I～V曲线和R～I曲线，然后由曲线求得对应于不同电流值的电阻。 同理，测量线性电感时，可选用交流电桥直接测量，测量非线性电感时，可选用伏安法间接测量。 2）根据测量所要求的精度，选择测量方法 从测量的精度考虑，测量可分为精密测量和工程测量。精密测量是指在计量室或实验室进行的需要深入研究测量误差问题的测量。工程测量是指对测量误差的研究不很严格的一般性测量，往往是一次测量获得结果。例如，测量市电220伏电压，可用指针式电压表（或万用表）直接测量，它直观、方便。而在测量电源的电动势时，不能用指针式电压表（或万用表）直接测量，这是由于指针式电压表的内阻不很大，接入后电压表指示的电压是电源的端电压，而不是电动势。在测量标准电池的电动势时，更不能用电压表或万用表，其原因，一是电压表或万用表的内阻都不是很大，接入后，标准电池通过电压表或万用表的电流会远远超过标准电池所允许的额定值。标准电池只允许在短时间内通过几微安的电流。二是标准电池的电动势的有效数字要求较多，一般有6位，指针式电压表达不到要求。因此，测量标准电池电动势应该选用电位差计用平衡法进行测量，平衡时，标准电池不供电。 3）根据测量环境及所具备的测量仪器的技术情况选择测量方法 例如用万用表欧姆档测量晶体管PN结电阻时，应选用R×100或R×1K档，而不能选用R×1档或高阻档。这是因为，若用R×1档测量时，万用表内部电池提供的流经晶体管的电流较大，可能烧坏晶体管，而高阻档内部配有高电动势（9伏、12伏或15伏）的电池，高电压可能使晶体管击穿。 总之，进行某一测量时，必须事先综合考虑以上情况选择正确的测量方法和测量仪器，否则，得出的数据可能是错误的，或产生不容许的测量误差，也可能损坏被测的元器件，损坏测量仪器、仪表。 3．电磁测量仪器 一般地讲，凡是利用电子技术对各种信息进行测量的设备，统称为电子测量仪器，其中包括各种指示仪器（如电表），比较式仪器，记录式仪器，以及各种传感器。从电磁测量角度说，利用各种电子技术对电磁学领域中的各种电磁量进行测量的设备及配件称为电磁测量仪器。电磁测量仪器的种类很多，而且随着新材料、新器件、新技术的不断发展，仪器的门类愈来愈多，而且趋向多功能、集成化、数字化、自动化、智能化发展。 电磁测量仪器有多种分类方法。 （1）按仪器的测量方法分 1）直读式仪器：指预先用标准量器作比较而分度的能够指示被测量值的大小和单位的仪器，如各类指针式仪表。 2）比较式仪器：是一种被测之量与标准器相比较而确定被测之量的大小和单位的仪器，如各类电桥和电位差计。 （2）按仪器的工作原理分 1）模拟式电子仪器：指具有连续特性并与同类模拟量相比较的仪器。 2）数字式电子仪器：指通过模拟数字转换，把具有连续性的被测的量变成离散的数字量，再显示其结果的仪器。 （3）按仪器的功能分 这是人们习惯使用的分类方法。例如显示波形的有各类示波器、逻辑分析仪等；指示电平的有指示电压电平的各类电表（包括模拟式和数字式）、指示功率电平的功率计和数字电平表等；分析信号的有电子计数式频率计、失真度仪、频谱分析仪等；网络分析的有扫频仪、网络分析仪等；参数 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 的有各类电桥、Q表、晶体管图示仪、集成电路测试仪等；提供信号的有低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器、脉冲信号发生器等。 二、电磁学实验中常用仪器简单介绍 1．电源 实验室常用的电源有直流电源和交流电源。 常用的直流电源有直流稳压电源、干电池和蓄电池。直流稳压电源的内阻小，输出功率较大，电压稳定性好，而且输出电压连续可调，使用十分方便，它的主要指标是最大输出电压和最大输出电流，如实验室常用的直流稳压电源最大输出电压为30V，最大输出电流为3A。干电池的电动势约为1.5V左右，使用时间长了，电动势下降得很快，而且内阻也要增大。铅蓄电池的电动势约为2V左右，输出电压比较稳定，储藏的电能也比较大，但需经常充电，比较麻烦。 交流电源一般使用50Hz的单相或三相交流电。市电每相220V，如需用高于或低于220V的单相交流电压，可使用变压器将电压升高或降低。 不论使用哪种电源，都要注意安全，千万不要接错，而且切忌电源两端短接。使用时注意不得超过电源的额定输出功率，对直流电源要注意极性的正负，常用“红”端表示正极，“黑”端表示负极，对交流电源要注意区分相线、零线和地线。 2．电表 电表的种类很多，在电学实验中，以磁电式电表应用最广，实验室常用的是便携式电表。磁电式电表具有灵敏度高，刻度均匀，便于读数等优点，适合于直流电路的测量，其结构可以简单地用图图1－1表示，永久磁铁的两个极上连着带圆孔的极掌，极掌之间装有圆柱形软铁制的铁芯，极掌和铁芯之间的空隙磁场很强，磁力线以圆柱的轴线为中心呈均匀辐射状。在圆柱形铁芯和极掌间空隙处放有长方形线圈，两端固定了转轴和指针，当线圈中有电流通过时，它将因为受电磁力矩而偏转，同时固定在转轴上的游丝产生反方向的扭力矩。当两者达到平衡时，线圈停在某一位置，偏转角的大小与通入线圈的电流成正比，电流方向不同，线圈的偏转方向也不同。下面具体介绍几种磁电式电表（电表面板符号如下）。 （1）灵敏电流计 灵敏电流计的特征是指针零点在刻度中央，便于检测不同方向的直流电。灵敏电流计常用在电桥和电位差计的电路中作平衡指示器，即检测电路中有无电流，故又称检流计。 检流计的主要规格是： 1）电流计常数：即偏转一小格代表的电流值。AC—5/2型的指针检流计一般约为10－6安／小格。 2）内阻：AC—5/2型检流计内阻一般不大于50欧姆。 AC—5/2型检流计的面板如图图1－2所示，使用方法如下： 表针锁扣打向红点（左边）时，由于机械作用锁住表针，打向白点（右边）时指针可以偏转。检流计使用完毕后，锁扣应打向红点。零位调节旋钮应在检流计使用前调节使表针在零线上。锁扣打向红点时，不能调节零位调节旋钮，以免损坏表头，把接线柱接入检流电路，按下电计按钮并旋转此按钮（相当于检流计的开关），检流电路接通。短路按钮实际上是一个阻尼开关，使用过程中，可待表针摆到零位附近按下此按钮，尔后松开，这样可以减少表针来回摆动的时间。 （2）直流电压表 直流电压表是用来测量直流电路中两点之间电压的。根据电压大小的不同，可分为毫伏表（mV）和伏特表（V）等。电压表是将表头串联一个适当大的降压电阻而构成的，如图图1－3所示，它的主要规格是： 1）量程：即指针偏转满度时的电压值。例如伏特表量程为0—7.5V—15V—30V，表示该表有三个量程，第一个量程在加上7.5伏电压时偏转满度，第二、三个量程在加上15伏、30伏电压时偏转满度。 2）内阻：即电表两端的电阻，同一伏特表不同量程内阻不同。例如0—7.5V—15V—30V伏特表，它的三个量程内阻分别为1500Ω，3000Ω，6000Ω，但因为各量程的每伏欧姆数都是200Ω／V，所以伏特表内阻一般用Ω／V统一表示，可用下式计算某量程的内阻。 内阻＝量程×每伏欧姆数 （3）直流电流表 直流电流表是用来测量直流电路中的电流的。根据电流大小的不同，可分为安培表（A）、毫安表（mA）和微安表（μA），电流表是在表头的两端并联一个适当的分流电阻而构成的，如图图1－4所示。它的主要规格是： 1）量程：即指针偏转满度时的电流值，安培表和毫安表一般都是多量程的。 2）内阻：一般安培表的内阻在0.1Ω以下。