09610PHYS & 09610PHYS101016 -普通物理實驗(一) (09/13/2007)

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1 E-mail: g9622515@oz.nthu.edu.tw, Tel: 0921-591-296
09610PHYS & 09610PHYS101016 -普通物理實驗(一) (09/13/2007) 教 師: 戴明鳳(物理館416 研究室 or 114實驗室) Tel. # : / 助 教: 物理(01): 王文忠 Tel: 物理(02): 莊卓穎 Tel: 技術員:董俊良、彭德欽、邱信展先生(校內分機：42553/42562) 講解及實驗時間: 星期四 下午 1:10-5:00 (4小時) 講解室: 綜三館130室 實驗室: 綜三館普物實驗室(助教負責) 實驗課本: 清華大學[普通物理實驗課本] + 講解講義

2 [實驗室規則] 一、實驗前 1. 簽到 2. 繳交本次實驗預習報告(<2-3頁/實驗準備)及上次實驗總報告
3. 檢查儀器(有問題立即通知助教或技術員) 二、實驗中 1. 注意人身安全 2. 保護儀器設備 3. 遵照助教及課本規定進行實驗 三、實驗後 1.實驗數據助教簽名 2.整理儀器和器材零件、清理實驗桌面和周圍空間 四、成績計算：不完全定案 1. 出席(含預習報告): 10-30% (未請假缺席一次扣5%) 2. 實驗報告: 30-60% (實驗報告撰寫原則請見課本) 3. 期末測驗: 10-20% (含實驗操作測驗) 4. 其他:10-30%，含戶外教學參觀報告、口頭報告、DIY實驗等等

3 實驗進度(1)-配合全校實驗安排 09/13 講解課程注意事項、實驗規則、需知 (綜三130室) 講解實驗1: 基本度量(課本內所列實驗1)
09/13 講解課程注意事項、實驗規則、需知 (綜三130室) 講解實驗1: 基本度量(課本內所列實驗1) 講解實驗2: 牛頓第二運動定律(課本實驗2) 09/20 實驗1(物09班/綜三123室)/實驗2(物16班/綜三202室) 09/27 實驗2(物09班/綜三202室)/實驗1(物16班/綜三123室) 10/04 綜三130室 講解實驗3: 轉動(課本實驗6) 講解實驗4: 光的折射、偏振、干涉和繞射(課本實驗22/23) 10/11 實驗3(物09班/綜三201室)/實驗4(物16班/綜三128室) 10/18 講解: 相關演示實驗、補充資料 10/25 實驗4(物09班/綜三128室)/實驗3(物16班/綜三201室)

4 實驗進度(2)-配合全校實驗安排 11/01 綜三130室 11/08 講解實驗5: 原子分子光譜與蒲郎克常數(課本實驗24)
11/01 綜三130室 11/08 講解實驗5: 原子分子光譜與蒲郎克常數(課本實驗24) 講解實驗6: 比熱測定(課本實驗13) 11/15 實驗5 (物09班/綜三128室)/實驗6 (物16班/綜三201室) 11/22 講解: 相關演示實驗、補充資料 11/29 實驗6 (物09班/綜三201室)/實驗5 (物16班/綜三128室) 12/06 講解實驗7: 簡諧運動(課本實驗9) 講解實驗8: 弦振盪/空氣γ 值的測定(課本實驗10/12) 12/13 實驗7 (物09班/綜三202室)/實驗8 (物16班/綜三123室) 12/20 講解: 相關演示實驗、補充資料 12/27 實驗8 (物09班/綜三123室)/實驗7 (物16班/綜三202室) 01/03 ＆ 01/10 期末考(綜三130室) /操作考(待定)

5 實驗1: 基本量度 (課本實驗1) 目的: 學習多種基本量測儀器使用及實驗數據分析方法 實驗: 1. 密度測量 r = M/V
体積 V (長度 L, 半徑 r): 利用直尺, 游標尺(calipers), 測微器(micrometer) (附錄A操作手冊) 質量 M: 利用粗天平,精密分析天平 (附錄B) [保護儀器] 2. 球面曲率半徑測量 r = h/2 + s2/6h 曲度 h: 利用球徑計(spherometer) (附錄C) 足距 s: 利用游標尺 3. 輻射量測量 x = n/Dt (單位時間輻射粒子數/a, b, g射線) 輻射源: 低劑量, 長半衰期 [注意: 輻射安全] 輻射量 x: 利用蓋革計數器(Geiger counter) [注意安全: 高壓電源] (1-1) 實驗1: 基本量度 (課本實驗1)

6 第一次量: L1 = 22.1 mm [三位有效數字, 最後一位估計]
實驗數據分析: A: 實驗物理量數據(data)記錄 (例)用簡單直尺測量長度 L 第一次量: L1 = 22.1 mm [三位有效數字, 最後一位估計] [單位]: 使用國際公制(SI: Systeme Internationale) 長度: m (米/公尺/meter), 1 mm = 1 x 10-3 m (毫米/millimeter) 質量: kg (千克/公斤/kilogram), l kg = 1 x 103 g 時間: s (秒/second) [儀器精確度(precision)]: 決定有效數位(significant figures) 直 尺: mm = 100 mm [最小精確刻度為 1 mm, 下一位為估計值] 游標尺: mm = 10 mm 測微器: mm = 1 mm (micrometer) [G: 109, M: 106, k: 103, c: 10-2, m: 10-3, m = 10-6, n = 10-9] (1-2)

7 B: 實驗誤差(experimental errors) 1. 系統誤差(systematic error)
--儀器: 需校正儀器、不同的儀器、不同的方法 --環境: 需控制環境(溫度, 濕度, 壓力, 電磁場….) --人為: 確實瞭解原理及步驟 2. 統計/隨機誤差(statistical/random error) --多次測量、測量不同的位置、並用統計方法處理數據 C. 實驗數據統計分析 1. 誤差 物理量n次測量: x1, x2, ……, xn (例) 直尺量16次(Li: i = 1-16): 21.7 mm x 1, 21.8 mm x 4, 21.9 mm x 5, 22.0 mm x 3, 22.1 mm x 2, 22.3 mm x 1. [平均值](mean, average value)(算術平均) x = (x1 + x2 + …… + xn)/n = Sixi /n (例) L = mm [16次多次測量, 實驗準確度(accuracy)可到 0.01mm, 估計到小數點二位] (1-3)

8 [偏差](deviation): di = xi - x
[標準差](standard deviation): s = (Sidi2 /n)1/2 但次數n不大時, 誤差較大, 修正為 s = [Sidi2 /(n - 1)]1/2 (不準度uncertainty/相對於準確度accuracy) x = x  s or x = x  s/x (%) (例) L = L  s =  0.16 mm = mm  0.73% [平均標準差](standard deviation of the mean) 如果作 N 組 n 個測量, 有 N 個平均值, 總平均值之標準差(平均標準差) 但如 N = 1, 平均標準差為 s(x) = s/n = {Sidi2 /[n(n-1)]}1/2 x = x  s(x) = x  s(x)/x (% or ppm/part per million) (例) 如 N = 1, n = 16 L = L  s(L) =  0.04 mm = mm  0.18 % (例) 電子質量 me = x kg (uncertainty 0.59 ppm) (例) 光速 c = x 108 m/s (exact by definition)(1983) [計算時通常只取三位 3.00 x 108 m/s ] (1-4)

9 畫圖: 圖析(histogram) 出現次數對長度: n(Ln)方塊圖 L = L  s = 21.93  0.16 mm
如測量次數增加, 則或然率分佈會成常態分佈(normal distribution) 或叫高斯分佈(Gaussian distribution) PG(x)  exp [-(x - x)2/2s] x = x 時最大值, x = x  s 時佔68%數據, x = x  2s 時佔95.5%數據. (1-5)

10 2. 誤差傳播(error propagation)
實驗值加減乘除後之誤差 [加減] 平均值: x  y = x  y 誤差: s(x  y)2 = s(x)2 + s(y)2 (不論加減, 誤差永遠增加) [乘除] 平均值: xy = x.y ; x/y = x /y 誤差: [s(xy)/xy]2 = [s(x)/x]2 + [s(y)/y]2 [s(x/y)/x/y]2 = [s(x)/x]2 + [s(y)/y]2 (用相對分數或百分比表示, 不論乘除, 誤差永遠增加) (例) 如 V = L3, L = mm  0.18% = cm  0.18% (用標準差或平均標準差表示, 此地用平均標準差) V = mm3  0.33% = cm3  0.33% (取五位有效數字, 誤差 = 3 x 0.18%) (1-6)

11 1.不用時, 輻射源裝於鉛(Pb)盒 [吸收粒子] 2.使用時, 用鉛箔(Pb foil)屏障 [吸收粒子]
[注意安全]: 輻射 1.不用時, 輻射源裝於鉛(Pb)盒 [吸收粒子] 2.使用時, 用鉛箔(Pb foil)屏障 [吸收粒子] 3.輻射源需標示清楚 [名稱, 活性, 半衰期, 吸收劑量當量] 輻射源: 1. Po210 (a粒子/氦原子核) 活性(activity): 0.1 mCi [1 Ci (Curie/居禮) = 3.7 x 1010 分裂/s] 半衰期: 128天 吸收劑量當量: <0.5 mrem/h [rem = Roentgem Equivalent in Man] [~照一次X光] [每年最多允許值: 0.5 rem/year = 500 mrem/y] [1 rem = 1 rad (radiation absorbed dose) x RBE (Roentgem Bio-Equilivant) = 10 mJ/kg x RBE(~1, except neutrons)] 2. Sr90 (b粒子/電子): 0.1 mCi, 29年, <0.5 mrem/h 3. Co60 (g射線/高能光子): 1 mCi, 5年, <0.5 mrem/h (1-7)