大学物理实验绪论.PPT

《大学物理实验绪论.PPT》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学物理实验绪论.PPT（57页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。

1、大学大学物理实验绪论物理实验绪论1.1.1.1.物理实验的地位和作用物理实验的地位和作用物理实验的地位和作用物理实验的地位和作用 2.2.2.2.测量误差和不确定度测量误差和不确定度测量误差和不确定度测量误差和不确定度3.3.3.3.实验数据的列表与作图实验数据的列表与作图实验数据的列表与作图实验数据的列表与作图4.4.4.4.怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课 1.物理实验的地位和作用物理实验的地位和作用物理学是一门实验科学物理学是一门实验科学学习物理，理论课和实验课同样重要学习物理，理论课和实验课同样重要大学物理实验教学的目的和任大学物理实验教学的目的

2、和任务务1.实验方法和实验技能的基本训练。2.独立工作能力的初步培养。3.科学态度和工作作风培养。2.测量误差和不确定度测量误差和不确定度2-1 2-1 测量的误差和不确定度基础知识测量的误差和不确定度基础知识测量的误差和不确定度基础知识测量的误差和不确定度基础知识2-2 2-2 实验数据的有效位数实验数据的有效位数实验数据的有效位数实验数据的有效位数2-1测量的误差和不确定度基础知识测量的误差和不确定度基础知识测量测量测量结果应测量结果应包括数值、单位和对测量结果精确程度的评价包括数值、单位和对测量结果精确程度的评价 以电阻测量为例以电阻测量为例 测量对象测量对象 数值数值 不确定度不确定度

3、 单位单位含义：含义：R 的真值有相当大（例如的真值有相当大（例如95%）的可能（概率）位于区间）的可能（概率）位于区间 （909.9，910.7）之内。之内。不必写成不必写成R=(910.30.4)R=910.30.4 R=910.30.4()测量分为测量分为直接测量直接测量和和间接测量间接测量直接测量：直接测量：被测量直接与标准量相比较而被测量直接与标准量相比较而 得出测量结果得出测量结果 间接测量：间接测量：利用被测量与可以直接测量的利用被测量与可以直接测量的 量的函数关系，通过计算而得量的函数关系，通过计算而得 出测量结果出测量结果 例：例：测量铜柱的密度时，我们可以用米尺量出它的测量

4、铜柱的密度时，我们可以用米尺量出它的高高h和直径和直径d，算出体积，算出体积 然后用天平然后用天平称出它的质量称出它的质量M，算出密度，算出密度 这里，我们说这里，我们说 铜柱的高铜柱的高 h、直径、直径 d 和质量和质量 M是是直接测得量直接测得量，体积体积V和密度和密度是是间接测得量间接测得量。误差的定义、分类和性质误差的定义、分类和性质误差公理误差公理：测量总是存在误差的：测量总是存在误差的误差误差定义定义：。:测量值；测量值；:真值真值 推论：推论：(1).真值不可真值不可确确知知(2).误差不可误差不可确确知知 误误差差虽虽然然不不可可确确知知，但但我我们们可可以以分分析析误误差差的

5、的主主要要来来源源，尽尽可可能能消消除除或或减减小小某某些些误误差差分分量量对对测测量量的的影影响响，把把它它控控制制在在允允许许范范围围之之内内。对对于于最最终终不不能能消消除除的的误误差差分分量量，我我们们还还可可以以估估计计出出它它的的限限值值或或分分布布范范围围，对对测测量量结结果果的的精精确确程程度度作出合理的评价作出合理的评价误差分类误差分类 系统误差系统误差：由于确定的原因，以确定的方式引起。：由于确定的原因，以确定的方式引起。具有具有确定性确定性，服从，服从因果律因果律 随机误差随机误差：由大量、微小、不可预知的因素引起。：由大量、微小、不可预知的因素引起。具有具有随机性，随机

6、性，服从服从统计律统计律产生原因：产生原因：系统误差系统误差：如仪器误差，方法误差，人员误差如仪器误差，方法误差，人员误差 随机误差随机误差：如实验条件和环境因素的起伏，估读数的如实验条件和环境因素的起伏，估读数的 偏差，测量对象的不稳定偏差，测量对象的不稳定系统误差的处理系统误差的处理已定系统误差：设法消除，或修正已定系统误差：设法消除，或修正 测量结果测量结果=测得值测得值(或其平均值或其平均值)-已定系统误差已定系统误差 （如电表、螺旋测微计的零位误差；伏安法测电阻时电表内阻（如电表、螺旋测微计的零位误差；伏安法测电阻时电表内阻 引起的引起的 误差）误差）未定系统误差：估计其未定系统误差

7、：估计其限值限值，归入归入B类不确定度类不确定度参与参与 对测量结果的评价对测量结果的评价（如仪器误差）如仪器误差）随机误差的处理随机误差的处理随机误差的特点：随机误差的特点：小误差出现的概率大；大误差出现的概率小小误差出现的概率大；大误差出现的概率小 正、负误差对称分布，具有抵偿性正、负误差对称分布，具有抵偿性处理方法：处理方法：取多次测量的取多次测量的平均值平均值为测量结果的为测量结果的最佳估计值最佳估计值 研究其研究其分布分布，找出其，找出其特征值特征值，归入，归入A类不确定度类不确定度 参与对测量结果的评价参与对测量结果的评价随机误差的分布随机误差的分布正态分布正态分布：随机误差一般服

8、从正态分布随机误差一般服从正态分布特点：特点：(1).分布的平均值是分布的平均值是 x0 ，即真值，即真值(2).是方差是方差 称为标准差，反映测量值的离散程度称为标准差，反映测量值的离散程度 (3).置信区间置信区间 与置信概率（置信水平）的关与置信概率（置信水平）的关系：系：参数的估算参数的估算 假定系统误差已消除，对同一个物理量进行了假定系统误差已消除，对同一个物理量进行了n次测量，次测量，测得的值为测得的值为xi(i=1,2，n)(1)用多次测量的用多次测量的算术平均值算术平均值作为作为x0的的估计值：估计值：(2)用标准偏差用标准偏差 作为作为 的的估计值估计值 按贝塞耳公式求出按贝

9、塞耳公式求出：不确定度不确定度 是是概率概率意义上对测量结果意义上对测量结果精确程度精确程度的评价。的评价。在计算出不确定度后，测量结果写成在计算出不确定度后，测量结果写成 表明表明 x 的真值的真值 以以 的置信水平落在置信区间的置信水平落在置信区间 内内，（误误差差 则则落落在在区区间间 内内）给给得得越越大大置置信信水平水平 越高，越高，（关键是找出关键是找出 与置信概率的关系与置信概率的关系）必要时还可以同时写出相对不确定度（用百分数表示）必要时还可以同时写出相对不确定度（用百分数表示）不确定度不确定度例：测得两个物体的长度为：例：测得两个物体的长度为：其相对其相对不确定度不确定度分别

10、为：分别为：两者两者不确定度不确定度相等，但相等，但相对相对不确定度后不确定度后者者大大1个数量级个数量级。注：不确定度取注：不确定度取1位有效数字，相对不确定度位有效数字，相对不确定度 一般取一般取12位有效数字。位有效数字。不确定度分类不确定度分类不确定度分为两类：不确定度分为两类：A 类类分量分量 (多次重复测量时多次重复测量时)可用可用统计学方法统计学方法计算的计算的 分量；分量；B 类类分量分量 用其他方法（用其他方法（非统计学方法非统计学方法）估算的分量。）估算的分量。总不确定度是这两类分量的总不确定度是这两类分量的方和根方和根合成：合成：（公式（公式 中，中，是总不确定度，置信概

11、率取为是总不确定度，置信概率取为95%）A类不确定度类不确定度 A的计算的计算 计算标准偏差计算标准偏差 取置信水平取置信水平 时时，（参看附表参看附表1，若，若5 n 10 ，可粗略地取，可粗略地取 ）因子因子 ：考虑到随机误差的抵偿性而引进：考虑到随机误差的抵偿性而引进 因子因子 t：考虑到公式：考虑到公式 与与 的差异而引进的差异而引进在大学物理实验中，简单取在大学物理实验中，简单取 B为为仪器标定的最大允差仪器标定的最大允差 仪仪B类不确定度的估算类不确定度的估算仪器名称量程最小分度值最大允差钢板尺150mm500mm1000mm1mm1mm1mm0.10mm0.15mm0.20mm游

12、标卡尺125mm0.02mm0.05mm0.02mm0.05mm螺旋测微器（千分尺）025mm0.01mm0.004mm七级天平（物理天平）500g0.05g0.08g（接近满量程）0.06g（1/2量程附近）0.04g（1/3量程附近）普通温度计精密温度计（水银）0100010010.110.2电表级别%量程数字万用电表若还存在其他必须考虑的误差因素，还可以把 估计得更大一些。电流表电流表（量程（量程30mA,0.5级）级）仪器误差仪器误差 举例：举例：单次测量的几种情况：单次测量的几种情况：(1).仪器精度较低；仪器精度较低；(2).对测量的准确程度要求不高对测量的准确程度要求不高(3).

13、受测量条件限制受测量条件限制单单次次测测量量只只能能取取 =B，但但 B不不能能仅仅考考虑虑 仪仪，还要根据实际情况把还要根据实际情况把 B 估计得更大一些。估计得更大一些。单次测量的单次测量的不确定度不确定度直接测量的数据处理程序直接测量的数据处理程序 求测量数据的平均值求测量数据的平均值 修正已定系统误差修正已定系统误差(例如初读数例如初读数x0），得），得 用贝塞耳公式求标准偏差用贝塞耳公式求标准偏差 标准偏差标准偏差 乘以乘以 得得 DA=当当 5n10，置信概率为置信概率为95%时，可简化认为时，可简化认为 根据所用仪器得根据所用仪器得 DB=D仪 由由 A、B合成总不确定度合成总不

14、确定度u:给出直接测量的最后结果：给出直接测量的最后结果：例：例：用一级螺旋测微计测某一圆柱体的直径用一级螺旋测微计测某一圆柱体的直径d共共6次，测量值如下表：次，测量值如下表：螺旋测微计的初读数为：螺旋测微计的初读数为：-0.003mm，螺旋测微计的仪器误差为螺旋测微计的仪器误差为仪仪=0.004mm，求测量结果。，求测量结果。解解:(1)求直径求直径 d 的算术平均值、对已定系统误差进行修正的算术平均值、对已定系统误差进行修正 (2)计算计算A类不确定度类不确定度 查表得查表得 i123456Di/mm8.3458.3488.3448.3438.3478.344(3)计算计算B类不确定度类

15、不确定度(4)合成不确定度合成不确定度(5)测量结果为测量结果为 间接测量的数据处理间接测量的数据处理设被测量y可写成m个直接测量量的函数通过直接测量已得则或适用条件(1).各直接测量量互相独立；(2).各直接测量量的已定系统误差已被消除或修正。常用函数的不确定度合成公式间接测量的数据处理程序间接测量的数据处理程序1.求出各直接测量量求出各直接测量量 xi 的平均值的平均值 和和(总总)不确定度不确定度2.求求y的平均值的平均值3.据据 求出求出 或或3.用用 求出求出 或先用或先用 求出求出 再求再求4.完整表示出完整表示出y的结果的结果 例：例：已知金属环的外径已知金属环的外径 内径内径

16、高高 求环的体积求环的体积V，并正确表示测量结果。，并正确表示测量结果。解：解：环体积公式为环体积公式为 （1）环体积的最可靠值为）环体积的最可靠值为 （2）首先将环体积公式两边同时取自然对数后，再求全微分）首先将环体积公式两边同时取自然对数后，再求全微分 则相对不确定度为则相对不确定度为（3）不确定度为）不确定度为（4）环体积的测量结果为）环体积的测量结果为 V=9.440.08cm3 9.436应与应与0.08取齐，故将取齐，故将9.436修约为修约为9.44。有效位数的概念有效位数的概念 测量结果用且只用它的有效位数表示。测量结果用且只用它的有效位数表示。不确定度决定有效位数不确定度决定

17、有效位数。具体为具体为：不确定度的有效位数取不确定度的有效位数取1位，测量结果的末位与位，测量结果的末位与 不确定度末位对齐。不确定度末位对齐。测量结果的有效位数越多，其相对不确定度越小，精确度越高测量结果的有效位数越多，其相对不确定度越小，精确度越高 例：例：0.0123与与1.23与与123的有效位数都是的有效位数都是3位。位。0.01230有效位数是有效位数是4位位,最右边的最右边的“0”是有效位数，不可以省略不写。是有效位数，不可以省略不写。2-2数值的数值的有效位数及其运算规则有效位数及其运算规则记例1：光速C=30万公里每秒不正确的写法：C=300000km/s；C=30km/s正

18、确的写法：C=3.0105km/s=3.0108m/s例2：电子电量e=1.60218910-19C科学记数法科学记数法仪器的读数规则(1).刻度式仪表，在最小分度值后要估读一位(2).数字显示仪表，直接读取仪表的示值。(3).游标类量具，读到游标分度值的整数倍。有效位数的运算规则有效位数的运算规则刻度式刻度式仪表仪表5.737mm数显仪表及有十进步式标度盘的仪表数显仪表及有十进步式标度盘的仪表游标类量具游标类量具49.82mm “4 4舍舍6 6入入5 5凑偶凑偶”:(1).要舍弃的数字小于5时，舍去；(2).要舍弃的数字大于5时，进1；(3).要舍弃数字刚好是5，凑偶。例例：保留3位有效位

19、数，则9.8249=9.829.82571=9.839.8250=9.82数值的修约规则数值的修约规则运算过程多保留运算过程多保留1至至2位，位，最终结果的有效位数由不确定度决定最终结果的有效位数由不确定度决定要点：(1).避免运算过程引入不必要的“舍入误差”(2).最终结果按有效位数的规则进行修约，归根到底，不确定度决定有效位数有效位数的运算规则有效位数的运算规则例：例：已知已知 ，求求 并正确表示测量结果。并正确表示测量结果。解：解：(1)注意注意应取应取 =3.1416 参与运算参与运算(2)注意注意多算出多算出1位，最后再作修约位，最后再作修约(3)V=9.440.08cm3注意注意最

20、终结果的正确表达最终结果的正确表达 (1).两数相加（减），其和（差）的有效位数的最后（即最右）一位与两数中最后一位位数高者相同。如：11.4+3.56=15.0；75-10.350=65 十分位十分位 十分位十分位 个位个位 个位个位(2).两数相乘（除），其积（商）的有效位数与两数中有效位数少者相同。如：98 2003=2.0105 ；2.0000.991=2.02 二位二位 二位二位 三位三位 三位三位 注：正确数不适用上述规则常数应取足够的有效位数参与运算简化的运算规则简化的运算规则3.3.实验数据的列表与作图实验数据的列表与作图3-1 3-1 数据列表数据列表数据列表数据列表3-2

21、3-2 作图法处理实验数据作图法处理实验数据作图法处理实验数据作图法处理实验数据3-1 数据列表数据列表所有实验数据都要用列表的方法记录例：例：表表1：伏安法测电阻实验数据：伏安法测电阻实验数据作图可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系作图可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系可用来求某些物理参数可用来求某些物理参数作图规则作图规则：（以以伏安法测电阻实验为例）伏安法测电阻实验为例）表表1：伏安法测电阻实验数据：伏安法测电阻实验数据要用坐标纸作图要用坐标纸作图根据坐标分度值和数据范围，确定坐标纸的大小根据坐标分度值和数据范围，确定坐标纸的大小坐标分度值的选取应能基本反映测量值的准确度或精密

22、度坐标分度值的选取应能基本反映测量值的准确度或精密度坐标轴的标注（所代表的物理量的名称、单位、分度值等）坐标轴的标注（所代表的物理量的名称、单位、分度值等）标出数据点标出数据点连成光滑曲线，标注图题及必要的说明连成光滑曲线，标注图题及必要的说明 3-2 作图法处理实验数据作图法处理实验数据I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00电阻伏安特性曲线电阻伏安特性曲线利用所绘直线作有关计算利用所绘直线作有关计算I(mA)U(V)8.004.002

23、0.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上由图上A、B两点可得被测电阻两点可得被测电阻R为：为：不当图例展示不当图例展示：n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图玻璃材料色散曲线图图图1曲线太粗，不曲线太粗，不均匀，不光滑均匀，不光滑。应该用直尺、曲应该用直尺、曲线板等工具把实线板等工具把实验点连成光滑、验点连成光滑、均匀

24、的细实线。均匀的细实线。n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图玻璃材料色散曲线图改正为改正为：图图2I(mA)U(V)0 02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特性曲线电学元件伏安特性曲线横轴坐标分度选取横轴坐标分度选取不当。不当。横轴以横轴以3 cm 代代表表1 V，使作图和读图都，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作

25、图和数字的要求又便于作图和读图，读图，一般以一般以1 mm 代代表的量值是表的量值是10的整数的整数次幂或是其次幂或是其2倍或倍或5倍。倍。I(mA)U(V)o o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特性曲线电学元件伏安特性曲线改正为：改正为：定容气体压强温度曲线定容气体压强温度曲线1.20001.60000.80000.4000图图3P(105Pa)t()60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00图纸使用不当图纸使用不当。实际作图时，实际作图时，坐标原点的读

26、坐标原点的读数可以不从零数可以不从零开始开始。定容气体压强温度曲线定容气体压强温度曲线1.00001.15001.20001.10001.0500 P(105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t()改正为：改正为：实验课三环节：1.1.预习预习预习预习 看懂教材、明确目的、写出预习报告看懂教材、明确目的、写出预习报告看懂教材、明确目的、写出预习报告看懂教材、明确目的、写出预习报告 要求：要求：要求：要求：明确实验目的、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，画好原始数据表格。4 4 上好物理实验课上好物理实验课2.2.实

27、验操作实验操作实验操作实验操作 调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原要求：要求：要求：要求：既动手，又动脑既大胆，又心细反对弄虚作假反对野蛮操作实验完毕必须整理好仪器，请指导教师检查签字。3.3.3.3.实验报告实验报告实验报告实验报告实验报告要用广西大学实验报告纸。实验报告要用广西大学实验报告纸。报告内容：报告内容：报告内容：报告内容：（一）实验名称（一）实验名称（二）实验目的（二）实验目的（三）简要原理及计算公式：（三）简要原理及计算公式：不要照抄课本，要求用自己的话提炼实验

28、原理。（四）仪器设备和实验步骤（四）仪器设备和实验步骤（五）实验数据及处理：（五）实验数据及处理：原始数据必须重新整理,用表格记录。（六）分析讨论和习题（六）分析讨论和习题实验报告应在下一次上实验课时交实验报告应在下一次上实验课时交实验室纪律实验室纪律1、无故旷课者作零分处理。、无故旷课者作零分处理。2、无预习报告者不允许做实验。、无预习报告者不允许做实验。3、保持实验室卫生，遵守仪器操作规程。、保持实验室卫生，遵守仪器操作规程。绪论课作业绪论课作业讲义第讲义第4748页页1（1）；）；2（2、4）；）；3（2）；）；5；7作业写在实验报告纸上作业写在实验报告纸上在上第一次实验课时交在上第一次实验课时交