【现货速发】近代物理实验
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作者张立辉
出版社科学出版社
ISBN9787030546678
出版时间2017-12
装帧平装
开本16开
定价79元
货号25186596
上书时间2024-12-15
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导语摘要
《近代物理实验》选编了近代物理发展过程中起过重大作用的著名实验，以及近代物理实验技术中有广泛应用的典型实验。《近代物理实验》共21个实验，分上篇和下篇。上篇由误差分析与数据处理、弗兰克-赫兹实验、黑体辐射、密立根油滴实验、钠原子光谱、塞曼效应、脉冲核磁共振、气体放电中等离子体的研究、光拍频法测光速、声光效应与超声光栅测声速、X射线实验、激光拉曼光谱11个实验组成。下篇由巨磁电阻效应、LED光电特性、光电传感器件的光谱特性、太阳能光伏电池实验、液晶电光效应、真空镀膜及膜厚测量、磁控溅射镀膜、化学气相沉积技术制备纳米材料、材料光学性能测试分析、接触角测量实验10个实验及两个附录组成，编排与上篇基本相同。上篇偏重于一些著名实验，下篇偏重于光和材料应用实验，以及开放性物理虚拟仿真实验教学系统介绍和综合创新实验范例说明。《近代物理实验》重点在于阐述实验的物理思想和方法，注重培养学生实验能力和良好的实验素质，并在实验技能和创新方面获得必要的训练。
目录
目录
上篇
误差分析与数据处理 3
一、测量误差与不确定度 3
二、随机变量的概率分布 7
三、数据分析与处理 15
四、测量结果的不确定度评定 21
五、*小二乘法和曲线拟合 24
实验一 弗兰克-赫兹实验 31
实验二 黑体辐射 42
实验三 密立根油滴实验 67
实验四 钠原子光谱 77
实验五 塞曼效应 99
实验六 脉冲核磁共振 113
实验七 气体放电中等离子体的研究 136
实验八 光拍频法测光速 159
实验九 声光效应与超声光栅测声速 170
实验十 X射线实验 184
实验十一 激光拉曼光谱 210
下篇
实验十二 巨磁电阻效应 229
实验十三 LED光电特性 249
实验十四 光电传感器件的光谱特性 275
实验十五 太阳能光伏电池实验 292
实验十六 液晶电光效应 313
实验十七 真空镀膜及膜厚测量 326
实验十八 磁控溅射镀膜 345
实验十九 化学气相沉积技术制备纳米材料 361
实验二十 材料光学性能测试分析 372
实验二十一 接触角测量实验 387
参考文献 401
附录A 综合创新实验项目范例 403
一、综合性光学实验测微小长度 403
二、基于硫化铋光敏器件的设计 409
三、铁氧体温度测量仪的设计 416
四、利用双霍尔探头测螺线管中低频交变磁场 425
五、护目镜设计 429
附录B 开放性物理虚拟仿真实验教学系统简介 437
一、开放性物理虚拟仿真实验教学内容和课程体系构建说明 437
二、物理实验开放式教学管理系统及数据库介绍 439
附表A 常用物理常数表 466
附表B 标准正态分布函数N(x;0，1)数值表 467
附表C χ2分布的*数值表 469
内容摘要
《近代物理实验》选编了近代物理发展过程中起过重大作用的著名实验，以及近代物理实验技术中有广泛应用的典型实验。《近代物理实验》共21个实验，分上篇和下篇。上篇由误差分析与数据处理、弗兰克-赫兹实验、黑体辐射、密立根油滴实验、钠原子光谱、塞曼效应、脉冲核磁共振、气体放电中等离子体的研究、光拍频法测光速、声光效应与超声光栅测声速、X射线实验、激光拉曼光谱11个实验组成。下篇由巨磁电阻效应、LED光电特性、光电传感器件的光谱特性、太阳能光伏电池实验、液晶电光效应、真空镀膜及膜厚测量、磁控溅射镀膜、化学气相沉积技术制备纳米材料、材料光学性能测试分析、接触角测量实验10个实验及两个附录组成，编排与上篇基本相同。上篇偏重于一些著名实验，下篇偏重于光和材料应用实验，以及开放性物理虚拟仿真实验教学系统介绍和综合创新实验范例说明。《近代物理实验》重点在于阐述实验的物理思想和方法，注重培养学生实验能力和良好的实验素质，并在实验技能和创新方面获得必要的训练。
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物理学,实验
精彩内容
上篇
误差分析与数据处理物理实验离不开对各种物理量的测量，测量的结果总是或多或少地偏离真值，而且都毫无例外地包含一定数量的测量误差，没有误差的测量结果是不存在的。测量误差存在于一切测量中，贯穿于测量的全过程。无论在实验的设计阶段（确定实验方法、选择测量仪器和测量条件），还是在实验的操作、控制及实验后对测量数据进行分析处理的过程，均需要运用误差的知识，以**限度地减少误差，使实验结果更接近于被测量量的真值，做到能正确地表达实验结果，并做出科学的结论。
在近代物理实验中，通常要用到较为综合的实验技术，以及较为复杂的实验设备，其测量值有些比较精确，有些具有明显的统计涨落，其测量过程有些需要严格控制条件，有些只能获取微弱的信息 。因此，只有提高误差理论水平，才能理解好实验设计，从而有效地进行实验测量和数据处理，对实验结果做出正确评价和分析。
不确定度是测量结果的测度，没有不确定度说明，测量结果将无从比较。1993年，国际计量局（BIPM）等7个国际组织发表了《测量不确定度表示指南》。这一权威性文献，对计量和科学实验工作极其重要。下面我们从误差和不确定度的基本概念开始，着重介绍常用的误差理论分析和数据处理知识，阐述误差分析的概率统计理论基础。希望帮助读者提高实验误差分析和数据处理能力，学会用不确定度表示实验测量结果。
一、测量误差与不确定度
当我们对某一物理量进行测量时，总会受到测量环境、方法、仪器及测量者等诸多因素的影响，使得测量值偏离真值，即相对于真值存在着测量误差。
测量误差=测量值-真值
何谓真值？真值就是在特定条件下一个物理量客观存在的量值，与测量所用的理论方法及仪器无关。当被测量的过程完全确定，且所有测量的不完善性完全排除时，测量值就等于真值。这就是说，真值是一个理想的概念，只有通过完善的测量才能获得。然而，严格完善的测量难以做到，故真值很难确定。
在实践中，有些物理量的真值或从相对意义上来说的真值是可以知道的，这有如下几种：
（1）理论真值：理论公式表达值或理论设计值等。
（2）计量单位制中的约定真值：国际单位制所定义的7个基本单位，根据国际计量大会的共同约定，凡满足上述定义条件而复现出的有关量值。
（3）标（基）器相对真值：凡高一级标准器的误差是低级或变通测量仪器误差的时，可认为前者是后者的相对真值。
在科学实验中，真值是在无系统误差的情况下，观测次数无限多时所求得的平均值。但实际测量总是有限的，故用有限次测量所求得的平均值作为近似真值，又称**估计值、约定值或参考值。
1. 误差（error）
1）误差的定义：量值与真值之间的差异
（1）**误差（absoluteerror）。某物理量的测量值与其真值之差称为**误差（ε），简称误差，它是测量值偏离真值大小的反映。设被测物理量的真值为x0，则通过直接测量或间接测量得到的物理量的测量值x的**误差为
（0-1）
（2）相对误差（relativeerror）。**误差与真值的比值所表示的误差大小称为相对误差。真值不能确定时用**估计值，即多次测量的算术平均值x。相对误差为
（0-2）
当**误差很小，即时，由此可见，相对误差是评价测量值准确与否的客观标准。
相对误差还有一种简便实用的形式——引用误差。它在多挡或连续刻度的仪表中应用广泛。引用误差定义为
其中，**误差为仪表量程范围内可能出现的****误差。
在热工、电工仪表中，正确度等级一般都是用引用误差来表示的，通常分成0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5和5七级，这些数值表示该仪表**引用误差的大小，但并不能认为该仪表在各个刻度上的测量都具有如此大的误差。如某仪表的正确度等级为S级，即表明该仪表的**引用误差不超过S%，其满量程的刻度值为X，实际测量值为x（x≤X），则
故x越接近X，其准确度越高；x越远离X，其准确度越低。因此，用这类仪表测量时，应选合适的量程挡，尽可能使测量点处在2/3量程以上。
2）误差的分类
误差可分为两大类：系统误差、随机误差（或称偶然误差）。
（1）系统误差：是指在相同条件下用相同的方法，多次测量同一物理量，保持恒定或以预知方式变化的测量误差称为系统误差。它包含两类：一是固定值的系统误差，其值（包括正负号）恒定；二是随条件变化的系统误差，其值以确定的、已知的规律随某些测量条件变化，而且这种误差不能用重复多次测量的方法来限制或消除，只能从方法、理论、仪器等方面的改进与修正来实现，表现出恒偏大、恒偏小或周期性的特点。
系统误差来源于测量装置（标准器、仪器、附件和电源等的误差），环境（温度、湿度、气压、振动和电磁辐射等影响），方法（理论公式的近似限制或测量方法的不完善），以及实验者自身（如感官不完善、具有某种习惯和偏向等）等方面。其产生原因往往可知或能掌握，一经查明就应设法消除其影响，对于未能消除的系统误差，若它的符号和大小是确定的，则可以对测量值加以修正；若它的符号和大小都不确定的，可设法减小其影响并估计出误差范围。
（2）随机误差：在一定条件下多次重复测量同一物理量时，每次的观测值仍可能不相同，也就是存在着误差，这种误差的**值和符号以随机的方式变化着，这类误差称为随机误差。这类误差来自于大量的微小的干扰。其影响程度表现为随机特性，增加测量次数可减小其影响。如果在相同的宏观条件下，对某一物理量进行多次测量，当测量次数足够多时，便可发现这些测量值呈现出一定的规律性——统计规律性，即它们服从某种概率分布。
随机误差来源于许多不可控因素的影响，如仪器性能的微小波动，观察者感官分辨力的统计涨落，周围环境（如温度、湿度、气压、气流和微振等）的无规起伏，测量对象本身的不确定性等。
随机误差的特点：①随机误差的有界性，在某确定条件下，误差的**值不会超过一定的限度；②随机误差的单峰性，**值小的误差出现的概率比**值大的误差出现的概率大，*小误差出现的概率**；③随机误差的对称性，**值相等的正负误差出现的概率相等；④随机误差的抵偿性，在多次重复测量中，由于**值相等的正负误差再现的次数相等，所以全部误差的算术平均值随着测量次数的增加趋于零，即随机误差具有抵偿性。抵偿性是随机误差*本质的统计特性，凡是具有相互抵偿特性的误差，原则上可按随机误差来处理。
3）误差的表示方法
（1）算术平均误差。
在一组测量中，用全部测量值的随机误差值的算术平均值来表示，即
（0-3）
式中，xi为各测量值，i=1，2，？？？，n为测量次数；x为该测量组测量的算术平均值。
这种表示方法已经考虑到了观测次数对随机误差的影响，但是各次数观测中相互符合的程度不能予以反映。因为一组测量中，偏差彼此接近的情况与另一组测量中偏差有大、中、小的情况，两者的算术平均误差很可能相等。
（2）标准误差（又称均方根误差）。
它是观测值与真值偏差的平方和与观测次数的比值的平方根，即
（0-4）
在实际测量中，观测次数总是有限的，真值只能用**估计值来替代，此时的标准差用实验标准（偏）差——贝塞尔法计算，即
（0-5）
有限次测量的算术平均值亦为随机变量，其实验标准差可用平均值的实验标准差表示，即
（0-6）
平均值的实验标准差s（x）比任何一次测量的实验标准差s（x）都小，增加测量次数可以减少平均值的实验标准差，提高测量的准确度。但是，当n>10以后，n再增加时，s（x）减小缓慢，因此，在物理实验教学中一般取n为6～10次。
4）几个重要概念
（1）精密度，简称精度（precision）：表示测量结果中随机误差大小的程度，即在一定条件下，进行多次、重复测量时，所得测量结果彼此之间符合的程度，通常用随机的不确定度来表示（图0-1（a））。
（2）正确度（correctness）：表示测量结果中系统误差大小的程度，即在规定条件下，测量中所有系统误差的综合（图0-1（b））。
（3）准确度，又称精确度（accuracy）：是测量结果中系统误差与随机误差的综合，它表示测量结果与其真值的一致程度。从误差的观点看，准确度反映了测量的各类误差的综合。如果所有已定系统误差已经修正，那么准确度可用不确定度来表示（图0-1（c））。
图0-1 精密度（a）、正确度（b）以及准确度（c）示意图
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