大学物理实验绪论.ppt

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1、大学物理实验绪论,绪论课的主要内容,物理实验的地位、作用和任务 物理实验课的程序 物理实验课程的考核 物理实验的基础知识,物理实验的地位和作用,大学物理实验课是高等理工科院校的一门必修基础课程，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。 诺贝尔物理学奖获得者、著名物理学家杨振宁教授曾经说过，“物理学是以实验为本的科学”，这充分说明了物理实验的作用和重要性。,80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。 20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。,物理实验课的任务,通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知

2、识，加深对物理学原理的理解 培养和提高学生的科学实验能力 培养和提高学生的科学实验素养 ,希 望,物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，可使同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能等诸方面得到较为系统、严格的训练，是大学里从事科学实验的起步，同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。 希望同学们能重视这门课程的学习，经过一学年的时间，真正能学有所得。,物理实验课的程序,课前预习课堂操作撰写报告,（一）课前预习 认真阅读实验讲义，明确实验目的和原理，初步了解实验方法和关键步骤。 在统一的实验报告纸上认真书写预习

3、报告（名称、目的、原理、仪器、内容和步骤、注意事项）。要求简明扼要。 准备好实验原始数据记录纸，列出待测物理量，画好数据记录表格。,（二）课堂实验操作,实验者应准时来到实验室，首先签到。 对照讲义检查实验仪器。禁止盲目动手操作。 听老师的讲解。 根据资料和老师在实验课上的简要介绍，按照仪器操作规程调整实验仪器，观察实验现象，实事求是地记录测量数据。 实验数据需经教师检查签字后，方可整理实验仪器，离开实验室。,（三）课后撰写实验报告,完整的实验报告应包含以下几个内容： 实验名称 实验目的 实验原理 实验仪器 实验内容和步骤 数据记录与处理 回答问题或讨论 签字的原始实验数据记录纸,实验报告书写应

4、字迹工整、措词简练、步骤完整、数据真实、图表齐全、书写规范。,物理实验课程的考核,在完成规定数目的实验并交齐实验报告后方可参加期末考核。 实验成绩是平时成绩和期末考试成绩的综合评价。 平时成绩占总分的60%，期末考试成绩占总分的40%。平时成绩是每次实验得分的平均(含绪论)，总分低于36分者重修；期末考试为笔试，统一试卷，统一及格分数线。,每次实验评分标准,预习报告 1 分 实验操作 4 分 数据记录 1 分 完成报告 4 分,每次实验包括预习、实验、完成报告，以完成报告为最后程序，总分为10分。,期末考试成绩,期末考试满分为40分，考试形式为笔试。 大学物理实验A(多学时)两个学期期末均有笔

5、试；大学物理实验B(少学时和京江学院)本学期期末有笔试，第二学期直接以平时成绩评分。,物理实验的基础知识,测量、误差与不确定度 有效数字与测量结果的表述 数据处理方法 物理实验基本测量方法 系统误差的分析与处理 设计性实验的基础知识,1 测量、误差与不确定度,1.1 测量与误差 1.2 直接测量的结果及不确定度的分析 1.3 间接测量的结果及不确定度的合成,1.1 测量与误差,1.1.1 测量 测量是把待测量与选作计量单位的同类标准量比较，并确定其倍数的过程。,比较与赋值过程,一般：物理量=数值+单位,1.1.2 直接测量与间接测量,直接测量 可直接从测量仪器（或量具）上读出待测量的值。,间接

6、测量,由直接测量量获得相关数据，再用已知的函数关系经过运算才能得到待测量的量值。,圆柱体的体积,1.1.2 直接测量与间接测量,1.1.3 真值与误差,真值 待测物理量客观存在的大小,测量误差 测量结果 与待测量的真值(或约定真值) 的差值,误差无处不在，无时不在,1.1.4 误差的分类,系统误差 特点： 相同条件下，同一物理量多次测量时， 大小和符号不变或按一定规律变化。,来源： 仪器缺陷、理论与方法的不完善 环境因素影响、测量者习惯和偏向,减小或消除方法： 具体情况具体分析，对症下药,多次测量无法减小或消除系统误差,随机误差(偶然误差) 特点： 一定条件下，同一物理量多次测量时， 时大时小

7、，时正时负,来源： 人感官判断的随机性、外界因素的起伏 仪器内部的偶然因素,减小方法： 多次测量具有统计规律，可以减小随机 误差的影响，但不能消除。,1.1.4 误差的分类,过失误差(粗大误差) 特点： 与其它数据有明显差异,来源： 仪器使用不正确、观察错误 数据记录错误等,处理方法： 分析后剔除,1.1.4 误差的分类,精密度：重复测量结果相互接近的程度,描述测量结果重复性的优劣，反映了随机误差的大小,描述测量结果正确性的高低，反映了系统误差的大小,反映了总的误差情况,1.1.5 精密度、正确度和精确度,正确度：测量结果与真值接近的程度,精确度：对测量结果的精密性与正确性的综 合评价,随机误

8、差和系统误差的形象表示,子弹着靶点分布图,（a）随机误差小，系统误差大,1.1.5 精密度、正确度和精确度,（b）随机误差大，系统误差小,（c）随机误差和系统误差都小,能看出图示测量中随机误差和系统误差的相对大小吗？(X0为真值),1.1.5 精密度、正确度和精确度,1.2 直接测量结果与不确定度分析,1.2.1 随机误差的统计规律,正态分布图,单峰性 对称性 有界性 抵偿性,1.2.2 测量结果的最佳表示,直接测量：算术平均值 间接测量：由直接测量的最佳值算出,n次等精度重复测量结果,每次测量的随机误差为,算术平均值比任一测量值更有可能接近真值A,1.2.2 测量结果的最佳表示,1.2.3

9、多次测量的随机误差估计,通用方法：用标准误差来表示随机误差,测量列的标准误差,测量列任一测量值的随机误差落在区间 的概率P = 68.3%。,1.2.3 多次测量的随机误差估计,由于测量误差的存在，每一个独立测量值不一定相同，它与平均值之间存在着残差,测量列的标准误差(偏差)修正为,实际测量中，真值 无法确知，就用 取代,表示 在区间 的概率为P = 68.3%。,1.2.3 多次测量的随机误差估计,各测量值的算术平均值的 随机误差为,从 表达式可知，n越大， 越小。 一般取值 。,1.2.4 单次测量的误差估计,粗略估计时常取仪器的最大误差作为单次测量的误差估计值。,仪器最大误差 ：正确使用

10、仪器的条件下，测量值的最大误差。一般包含系统误差和随机误差两种成分。,1.2.4 单次测量的随机误差估计,仪器最大误差 的取法,一般根据仪器的准确度等级推算出仪器最大误差 。,对非连续刻度仪器，,对服从均匀分布的仪器最大误差对应的标准误差为 。如机械秒表。,对连续刻度仪器，,不确定度的分类： A类不确定度 ：多次测量后用统计方法算出的分量。 B类不确定度 ：不能采用统计方法算出的分量。,1.2.5 直接测量量的不确定度的合成,不确定度：对测量值不确定的程度，是对测量误差大小取值的测度，或者说是对待测量的真值的可能范围的估计。可以用数值表达。,两类不确定度的方和根合成：,测量量以下标表示,多次测

11、量的不确定度计算,1.2.5 直接测量量的不确定度的合成,单次测量的不确定度计算,标准误差与仪器误差等都是以误差的绝对值的大小来反映误差情况，不能正确地评价测量结果的优劣。,1.2.6 相对误差与相对不确定度,为了更全面地评价测量结果的优劣，需考虑绝对误差相对于测量值本身的大小产生的相对影响。,相对误差,百分误差,相对不确定度,1.2.6 相对误差与相对不确定度,1.3 间接测量结果与不确定度合成,1.3.1 间接测量结果与误差的传递,一组直接测量量,绝对误差分别为,不确定度分别为,间接测量结果为,测量量以下标表示,1.3.1 间接测量结果与误差的传递,两边求全微分,间接测量的误差为,误差传递

12、公式,间接测量的相对误差为,方法一：,1.3.1 间接测量结果与误差的传递,两边再求全微分,间接测量的相对误差为,相对误差传递公式,间接测量的误差为,方法二：,先取自然对数,对数微分法,1.3.2 间接测量值的不确定度合成,不确定度的绝对值合成法,间接测量的不确定度为,间接测量的相对不确定度为,，各项取绝对值,相对不确定度传递公式,不确定度传递公式,1.3.2 间接测量值的不确定度合成,不确定度的方和根合成法,间接测量的不确定度为,间接测量的相对不确定度为,，各项方和根合成,不确定度传递公式,相对不确定度传递公式,1.3.2 间接测量值的不确定度合成,例1.1,解：,两边求全微分,方和根合成,

13、例1.2,1.3.2 间接测量值的不确定度合成,例1.3,解：,两边求全微分,方和根合成,例1.4,1.3.2 间接测量值的不确定度合成,例1.5,解：,两边求全微分,方和根合成,再求全微分,两边取自然对数,对数微分法,方和根合成,1.3.2 间接测量值的不确定度合成,例1.6,再求全微分,两边取自然对数,对数微分法,合并微分同类项,方和根合成,2 有效数字与测量结果的表述,1.1 有效数字及其运算 1.2 测量结果的完整表述,2.1 有效数字及其运算,2.1.1 有效数字的定义和构成,构成：所有的准确位+1位欠准位。,定义：正确和有效地表示测量结果的数字。,如：0.08040kg,2.1.2

14、 有效数字的意义,意义：有效数字既反映了测量结果的大小，又反映了测量结果的不确定度。 有效数字中欠准位所在位置反映了不确定度的大小，有效数字的位数反映了相对不确定度的大小。,2.1.3 有效数字的运算,间接测量的结果总是通过一定的运算得到的。 进行运算的总原则为： 由不确定度决定有效数字(即有效数字的位数及欠准位位置)。 进位视为准确数，运算结果的有效数字中只有一位欠准位。,2.1.3 有效数字的运算,不作不确定度运算，直接进行有效数字运算的规则：,26.65-23.208=3.442 3.44,123+10.45=133.45 133,123+10.55=133.55 134,123+10.

15、5=133.5 134 122+10.5=132.5 132,加减运算可能会改变测量结果的有效数字位数,加减运算：以最靠前的欠准位为准。 尾数四舍五入凑偶法,122+10.5001=132.5001 ,133,2.1.3 有效数字的运算,乘除运算：以参与运算的最少的有效数字为准,乘方、开方运算：与底数的有效数字位数相同,对数运算：小数部分的位数与真数的位数相同,科学计数法,12310.45 =1285.351.29103,2.1.3 有效数字的运算,三角函数运算：由不确定度决定有效数字位数,角度化为弧度,2.1.4 关于有效数字的几点说明,由左边第一位不是“0”的数字开始到第一位欠准位所有的数

16、字都是有效数字。 数字中间及末尾的“0”都是有效数字。 单位换算不能改变有效数字位数。 常数的有效数字无限多。 中间计算结果可以多保留一位有效数字，但最后结果只保留一位欠准位。,2.2 有效数字及其运算,例2.1,简化处理,混合运算，按运算的优先等级计算，按各自的规则决定有效数字位数。,2.2 测量结果的完整表述,2.2.1 测量结果的文字表述,2.2.1 测量结果的文字表述,单次直接测量,多次直接测量,间接测量,2.2.1 测量结果的有效数字表述,表示测量结果的有效数字的末位数永远与不确定度的末位数具有相同的数量级（即尾数对齐）。 (绝对)不确定度取一位有效数字，相对不确定度可以取二位有效数

17、字(首位为1，2或3时)。,2.2 测量结果的完整表述,例2.2,解,先求N的测量值,再计算N相对不确定度、不确定度,最后写出N的结果表达式,3 数据处理的基本方法,3.1 列表法 3.2 作图法 3.3 最小二乘法和直线拟合 3.4 逐差法,3.1 列表法,特点：数据表达清晰醒目，富于条理，有助于反映数据对应关系。,遵循原则： 各栏目标明名称和单位(单位写在标题栏中) 表中主要为原始测量数据(重要中间结果可列入) 栏目顺序应简明、齐全、有条理 表中数据正确反映结果的有效数字,3.2 作图法,特点：可直观地表示出数据间的关系及变化情况。,遵循原则： 作图需用坐标纸。 坐标轴的选择和坐标轴单位的

18、标定要根据实验数据的有效数字来确定。 适当选择坐标轴的起点和比例。 标点要分明，连线要光滑。,可分为图示法和图解法。,两量有依赖关系的图线,两量无依赖关系的图线,3.3 最小二乘法和直线拟合,特点：对同一组数据拟合可得到相同的完全客观的结果。,一元线性拟合,经验公式：,可控制的物理量：,应变的物理量：,对每一个 ，测量值 和在最佳直线上的对应值 之间存在一偏差：,判据：,最小二乘,作业,复习P1-21 自学P24-35 完成习题P21-22 第2题、第3题 (1) (3) (4) (6) (8) 第4题(3) (4) (6)、第5题(2) (4) 第6题(1) (2) (5),科学实验能力,自

19、学能力阅读资料做好实验前的准备 动手能力正确实验、准确测量 分析能力对实验现象进行初步分析 表达能力撰写简明、完整的实验报告 设计能力能够完成简单的实验设计,返回,科学实验素养,理论联系实际和实事求是的科学态度 培养应用知识的能力，反对弄虚作假 严肃认真的工作态度 主动进取的探索精神 爱护实验仪器，保持良好实验环境的优良品德 环境育人，潜移默化 团结协作，共同探索的协同心理,返回,实验原理,简要叙述相关的物理学内容，画出原理图、装置示意图或电路图、光路图，写出主要计算公式及公式中各量的物理含义和公式限定的条件等。,返回,数据记录和处理,数据记录和处理表格应包括物理量名称、单位和简单的公式。 数据处理要有完整的计算、作图和不确定度的估算，而且计算要有简洁的计算式子；代入的数据要有根有据，作图要美观、规范。最后要给出实验结果，得出实验结论。,返回,