中學(xué)奧林匹克競賽物理實驗培訓(xùn)教案

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1、中學(xué)奧林匹克競賽物理實驗培訓(xùn)教案四川師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院潘學(xué)軍第一講基本實驗素養(yǎng)學(xué)生的物理實驗素養(yǎng)，主要體現(xiàn)在靈活運用物理知識、物理實驗方法和實驗儀器解決問題的能力，以及對實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理和分析的能力?；緦嶒炈仞B(yǎng)平常指的是對誤差分析、數(shù)據(jù)處理、基本實驗技能和基本實驗方法的理解、掌握與運用能力，在國內(nèi)和國際物理競賽中受到普遍重視。為此，先給大家簡要介紹誤差與數(shù)據(jù)處理、有效數(shù)字、作圖等有關(guān)知識。對于這些知識，重要的不是懂得，而是在實驗中自覺運用，所謂“習(xí)慣成自然”。1.1測量及其誤差1.1.1量、測量和單位任何現(xiàn)象和實體都能以量的大小來

2、表征，而且量具有對現(xiàn)象和實體作定性區(qū)別或定量區(qū)別的屬性。測量是人類對自然界中的現(xiàn)象和實體取得數(shù)量概念的一種認(rèn)識過程。為確定被測對象的量值，首先要選定一個單位，用它與被測對象進(jìn)行比較，求出被測對象與它的比值——倍數(shù)，這個倍數(shù)即為數(shù)值。顯然數(shù)值的大小與所選用的單位有關(guān)，對同一對象測量時，選用單位越大，數(shù)值越小，反之亦然。因此，在表述被測對象的測量值時就必須包含數(shù)值和單位兩個部分。目前，物理學(xué)上各物理量的單位都采用中華人民共和國法定計量單位，根據(jù)《中華人民共和國計量法》，國家計量局于1987年2月1日發(fā)布了國家法定計量單位名稱、符號和非國家法定計量

3、單位的廢除辦法，規(guī)定以國際單位制（SI制）為國家法定計量單位，即以米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、開爾文（K）、摩爾（mol）、坎德拉（cd）(發(fā)光強度)作為基本單位，其它單位都由以上七個基本單位導(dǎo)出，稱為國際單位制的導(dǎo)出單位。并規(guī)定1991年起實行國家法定計量單位，中華人民共和國法定計量單位.1.1.2測量及誤差物理實驗離不開對物理量進(jìn)行測量，不論是研究物理現(xiàn)象、驗證物理原理，還是研究物質(zhì)特性等，都要進(jìn)行測量。所謂測量，就是用一定的量具或儀器，通過一定的方法，直接地或間接地與被測對象進(jìn)行比較。測量可分為直接測量和間接測量；如果

4、直接從儀器或量具上讀出待測量的大小為直接測量；如果待測量是由若干個直接測量經(jīng)過一定的函數(shù)關(guān)系運算后獲得的為間接測量。例如，用米尺測量物體的長度，用秒表計時等為直接測量；測量物體的密度，需先測出物體的體積和質(zhì)量，再用公式計算出密度為間接測量。35在一定的條件下，任何物理量的大小都有一個客觀存在的真值。進(jìn)行測量，就是要想辦法知道每個物理量的真值。然而，每個具體測量都是依據(jù)一定的理論或方法，在一定的環(huán)境中使用一定的儀器，由一定的人進(jìn)行的，而由于理論的局限性或近似性，環(huán)境的不穩(wěn)定性，實驗儀器靈敏度和精度的局限性，人的實驗技能和判斷能力的影響等，使測量

5、值與客觀存在的真值之間總是或多或少地存在偏差，這種偏差就稱為測量值的誤差。假設(shè)被測量的真值為A，測量值為x，誤差為d，則d=x-A（1-1-1）上式定義的誤差反映了測量值偏離真值的大小和方向，稱為絕對誤差。某些情況下真值的大小是可知的，在多數(shù)情況下被測量的真值是未知的。在實際測量中，一般根據(jù)測量數(shù)據(jù)，只能確定出測量的最佳值。為了全面評價測量的優(yōu)劣，往往還需要考慮被測量本身的大小，例如測量兩個物體的質(zhì)量得出一個是1.00克，另一個是100.00克，如果絕對誤差都是0.01克，那么，從絕對誤差看，對二者的評價是相同的。但前者的誤差占測量值的l％，

6、而后者僅占0.01％，顯然測量誤差的嚴(yán)重程度比前者要小得多。為了區(qū)分或評價測量的優(yōu)劣，常用相對誤差表示。相對誤差定義為絕對誤差與測量最佳值之比，常用百分?jǐn)?shù)表示，即：(1-1-2)有時被測量有公認(rèn)值或理論值,則用百分誤差來表示。百分誤差定義為（1-1-3）不論是在實驗設(shè)計、測量操作，還是在實驗數(shù)據(jù)處理中，都存可能存在著誤差問題。在誤差存在的情況下，測量的任務(wù)就是要在一定的條件下設(shè)法將測量值的誤差盡量減小，得到一個最近真值，并估計出最近真值偏離真值的程度。產(chǎn)生誤差的原因是多方面的，從誤差的性質(zhì)上可以分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和過失誤差三大類。它們對測

7、量結(jié)果的影響不同，處理方法也不同。（一）系統(tǒng)誤差:在同樣條件下，對某一物理量進(jìn)行多次測量，其誤差的絕對值和符號保持不變，或隨著測量條件的變化而按確定的規(guī)律變化，這類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的特征是：在同一條件下（指方法、儀器、環(huán)境、人員），對同一物理量進(jìn)行多次測量時，誤差的絕對值和符號（正、負(fù)）保持不變，當(dāng)測量條件改變時，誤差的絕對值和方向按一定的規(guī)律變化。它的來源有以下幾個方面：1．儀器誤差：由于測量儀器的不完善、儀器不夠精密或安裝調(diào)整不妥所引起的誤差。例如儀器的刻度不準(zhǔn)、零點沒有校準(zhǔn)、砝碼未被校準(zhǔn)、天平臂長不相等、儀器水平或鉛直未調(diào)整等

8、。352．方法誤差：由于實驗方法的不完善或這種方法所依據(jù)的理論公式本身具有近似性，或?qū)嶒灄l件不能達(dá)到理論公式所規(guī)定的要求等而引起的誤差。如在空氣中稱質(zhì)量時沒有考慮空