大学物理实验课程绪论(李学慧).ppt

1,大学物理实验,王会峰,电子与信息工程学院,2,第一章 绪论,一、物理实验课程的地位和作用 二、物理实验课的教学目标 三、物理实验课的基本要求,3,一、物理实验的地位和作用,物理学是一门实验科学,其任何规律和理论都从实践和实验中来，并受到实践的反复检验，由此而不断发展。,伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。 经典物理学规律是从实验事实中总结出的。 近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。,4,密立根在1923年获诺贝尔奖时说：“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。”,一、物理实验的地位和作用,5,1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒和波动之间的争论，很好地解释了光电效应的实验结果。 但是直到1916年当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。 1974年J/粒子发现更进一步证实盖尔曼1964年提出夸克理论。,一、物理实验的地位和作用,以诺贝尔物理学奖为例： 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。 实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。 有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。,一、物理实验的地位和作用,7,二、物理实验课程的教学目标,通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识和设计思想，进一步提高学生的创新能力。 培养学生从事科学实验的基本技能。 提高学生的科学素养。 严谨的工作作风；实事求是的科学态度；主动探索的创新精神；遵守纪律和爱护国家财产的优良品德。,8,三、物理实验课程的基本要求,9,1.实验预习,阅读实验教材、明确目的、写出预习报告。 预习报告要求： 写实验目的、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，单独用一张报告纸。,10,2.实验操作,重视实验能力培养，珍惜独立操作的机会。完成基本内容，争取做提高内容。 强调记录数据时不得用铅笔，只有数据正确、仪器还原、教师签字后该次实验才有效。 提倡研究问题，注意安全操作。,根据资料和老师在实验课上的简要介绍、调整仪器、观察现象、记录测量数据。,11,3.实验报告,一份完整的实验报告应包含以下几个内容： 1、实验名称。 2、实验目的。 3、实验仪器（名称、规格、编号）。 4、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）。 5、数据表格（包括物理量名称、单位、简单的公式）。,12,6、数据处理及结果。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。 7、回答问题或讨论。 8、原始数据（完整的预习报告和签字的实验记录）,如发现原始数据有错、漏等情况，应予以重测或补测。实验报告书应字迹工整、措词简练、步骤完整、数据真实、图表齐全、书写规范。,13,1.在完成规定数目的实验并交齐实验报告书后方可参加期末考察。 2.实验课成绩是平时成绩和期末考查成绩的综合。 3.考查内容一般为本学期所做的实验内容，包括实验原理，数据处理，以及课上补充的内容。,期末考查,14,四、基本物理实验方法简述,1.直接比较测量：将被测量直接与已知其值的同种量相比较，以确定被测量值的测量方法。 2.放大法测量：将被测量放大，或将被测量对观测者的视觉效应放大后再进行测量，以确定其值的测量方法。 1）累积放大法；2）机械放大法；3）电子学放大法； 4）光学放大法。 3.转换测量法：将被测对象根据物理规律转换为另一个被测量的方法。 4.替代测量法：将已知其值的同重量替代被测量，使这个同种量在指示装置上得到相同的效应，以确定被测量值。 5.模拟测量法：根据相似性原理，人为地制造一个类似于被测量的模型，通过测量这个模型来获得测量结果。 1）几何模拟法；2）替代模拟法；3）计算机模拟法,15,一、学习物理实验数据处理方法的意义 二、测量的基本术语及其解释 三、直接测量的数据处理 四、间接测量的数据处理 五、双变量测量的数据处理 六、有效数字及其运算,第二章 物理实验数据的处理方法,16,一、学习物理实验数据处理方法的意义,1.物理饰演的教学目标之一是培养学生的实践能力和创新能力，这一目标使通过完成一定数量的试验题目来实现的。 2.在科研工作，工程技术，贸易结算及日常生活中等各个领域都离不开测量，测量的目的是获得测量结果，这就需要对测量数据进行各种处理。 3.在物理实验中，通过实验操作得到测量数据，通过数据处理得到测量结果及不确定度。 实验数据处理能力市科技人员及管理人员必备的实践能力之一。,17,二、测量的基本术语及其解释,测量 为了获得被测物理量的的量值而实施的一组操作。,2. 测量结果 由测量所得到赋予被测物理量的值。赋予说明测量结果不是真值而是一个估计。,3. 实验标准差（标准偏差）,为测量次数无穷时的平均值。,总体标准差 （理论标准差）,总体均值 （理论均值）,18,此式称为贝塞耳公式。,假定对一个量进行了n次测量，测得的值为xi ，可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值,单个测量的实验标准偏差为,用标准偏差 S 表示测得值的分散性 Sx大，表示测得值很分散，测量的精密度低； Sx小，表示测得值很密集，测量的精密度高；,19,平均值的标准偏差,多次测量的算术平均值 也是随机变量，也有误差,例：用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量结果如下（单位mm）：250.08，250.14，250.06, 250.10, 250.06, 250.10。求该测量列的最佳估计值和标准偏差。,20,测量列的标准偏差为,解：测得值的最佳估计值为,21,5.测量误差,真值:是反映物体特性的某一物理量在一定的条件下所具有的真实数值。,测量值x与真值之间总存在一定的差异，这种差异称为测量误差，表示为： X0表示真值,22,6.随机误差,测量结果与测量结果的总体均值。 产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。,特点：,例如：电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化；操作读数时的视差影响。,小误差出现的概率比大误差出现的概率大；,多次测量时分布对称，具有抵偿性因此取多次测量的平均值有利于消减随机误差。,23,7.系统误差,定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限次测量过程中所得结果的平均值与被测量的真值之差。 特征：系统误差以确定性规律表现出来。 产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入。 分类及处理方法： 已定系统误差：必须修正。如：电表、螺旋测微计的零位误差； 伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起的误差。 未定系统误差：要估计出分布范围。如：螺旋测微计的螺纹公差等（大致与 B 类不确定度UB 相当）。,24,长度测量工具取其最小分度值的一半(游标卡尺，螺旋测微器有另外的约定)； 取天平的最小分度为仪器误差限； 取秒表的最小分度为仪器误差限； 水银、酒精温度计的仪器误差限取最小分度的值一半；,8.仪器误差限仪器的最大允许误差,25,指针式电压表、电流表,电阻箱近似取为,是表的准确度等级,可从仪器面板或铭牌上找到.Am是测量时所用量程.R为电阻测量值.,例.用0.2级电压表,量程10V,则,若量程用100V,则,量程不同,仪不同.为减小误差影响,选用量程时,应尽量使指针偏转达满度值的2/3以上.,仪,仪,26,11.随机变量的分布,正态分布：大量相对独立因素共同作用下得到的随机变量服从正态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作服从正态分布。,表示 x 出现概率最大的值，消除系统误差后， 通常就可以得到 x 的真值。称为标准差，决定了f(x)曲线的宽窄。,27,置信概率,P表示随机变量 x 在x1，x2区间出现的概率，称为置信水平或置信概率。,实际测量的任务是通过测量数据求得 和 的值。,28,9. 不确定度和测量结果的表示,不确定度的权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际测量局(BIPM)等七个国际组织1993年联合推出的 测量不确定度表示指南ISO1993(E) 不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。不确定度是一定概率下的误差限值。 不确定度反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差的联合分布范围。 由于真值的不可知，误差一般是不能计算的，它可正、可负也可能十分接近零；而不确定度总是不为零的正值，是可以具体评定的。,29,总不确定度分为两类不确定度：,标准不确定度：置信概率为68%时的不确定度； 扩展不确定度：其它置信概率时的不确定度。,（实验教学中一般用总不确定度，置信概率取95%）,A类分量UA ：多次重复测量时与随机误差有关的分量；,B类分量UB ：未定系统误差有关的分量。,这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成：,30,标准不确定度：用标准差表征的不确定度， 用 u 表示,1、标准不确定度的A类评定,解释：,标准测量不确定度的评定,uA=,31,2、标准不确定度的B类评定,以前的测量数据、经验和资料； 有关仪器和装置的一般知识、制造说明书和 检定证书或其他报告所提供的数据； 由手册提供的参考数据等。,（1）B类评定的提出：有系统引起的不确定度 分量的评定方法,（2）B类评定的依据,(3) 常见情况的B类评定见附录1,32,6.扩展不确定度,扩展不确定度是确定测量结果区间的量，在这个区间，包含了合理赋予被测量量的大部分。为了求得扩展不确定度U，需要对合成标准不确定度UC乘以包含因子K,即U=K UC。通常取K=2。,33,三、测量结果的数据处理,（x= x0 U 表示被测对象的真值落在(x0 U ，x0 U )范围内的概率很大， U的取值与一定的置信概率相联系。),完整的测量结果应表示为：,34,1.直接测量的数据处理,直接测量数据的程序： 1）以测量列为样本；2）求出样本平均值作为测量结果的最佳值；3）根据样本进行A类评定；4）根据测量仪器的性能机型B类评定；5）再求出标准不确定度；6）最后求出扩展不确定度。,U是由A、B 类不确定度合成的总不确定度 .简化处理情况下,35,例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值xi分别为：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微计的零位x0为：0.006, 单位mm，已知螺旋测微计的仪器误差为仪=0.004mm，请给出完整的测量结果。,解：测得值的最佳估计值为,测量列的标准偏差,则：测量结果为 x=0.2440.005mm,36,2.间接测量量的不确定度,间接测量数据处理的程序： 1）用直接测量数据处理的方法分别求出样本均值及其不确定度。 2）计算y的最佳估计值。 3）计算出y的合成标准不确定度及扩展不确定度。 4)写出结果表达式。 扩展不确定度U只取一位有效数字，首位数为1或2时取两位有效数字，最佳估计值与U位数对齐。,37,不确定度传播公式：,38,2.依据关系 求出 或,间接测量量的不确定度计算过程,3. 用 或 求 或,1. 先写出各直接测量量 x 的不确定度Ux,4.最后表示结果为,39,间接测量量的不确定度计算举例,结果 V=9.440.08cm3,已知金属环的外径 内径 高度 求环的体积V 及其不确定度V。,解:求环体积,求偏导,合成,求UV,40,四、 数据处理的基本知识,在实验中我们所测的被测量都是含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，应反映出测量值的准确度。所以在记录数据、计算以及书写测量结果时，应根据测量误差或实验结果的不确定度来定出究竟应取几位有效位数。,一、有效数字及其运算,1.有效数字的概念,有效数字由准确数字和存疑数字组成。,41,读有效数字时要注意：,2.修约规则：小于五舍、大于五入、缝五凑偶(抛弃位后为零或无数值),对误差和不确定度,只入不舍,（1）一般在最小分度内估计一位(除特殊例外)；,（2）有效数字的位数与单位和小数点无关；,（3）常用科学记数法。,例: 0.0123,例: 332.60m=0.33260km=3.3260102m=3.3260104cm,例:,0.023644,0.0236,21.1350,21.14,13.0501,13.1,12.3,三位,三位,59.6mm=5.96cm=0.0596m,42,修约间隔和修约规则说明,1、修约间隔 修约后的植应该是修约间隔的整数倍 2、修约中的进与舍 拟舍弃位小于5时：舍去； 拟舍弃位大于5（包括等于5而其后有非零数值）时：进1，即保留的末位加1； 拟舍弃位等于5且其后无数值或皆为零时：若所保留的末位为奇数，即进1，为偶数，舍去。抛弃位等于5且其后又非零数值时进一. 3、负数的修约 取绝对值，按上述规则修约然后再加上负号。 4、不允许连续修约,43,(1)直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度,游标类器具（游标卡尺、分光计度盘、大气压计等）读至游标最小分度的整数倍，即不需估读。,3.测量结果读数举例：,44,数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读取仪表的示值。,45,指针式仪表及其它带刻度器具，读数时估读到仪器最小分度的1/21/10，或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1/51/3。,46,注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。,应估读一位。,47,4.有效数字的运算,(1)加减运算.结果末位以参与运算的末位最高的数为准。,如 11.4+2.56=14.0,(2)乘除运算.以参与运算的有效位数最少的数为准.考虑乘法可能进位,结果可多取一位。,如 40009=3.6104,75-10.356=65,2.0000.99=2.0,规则:存疑数与存疑数运算是存疑数；存疑数与准确数运算是存疑数；准确数与准确数运算是准确数；结果保留一位存疑数。,实际运算按如下方法进行.,48,5.测量结果表达式中的有效位数,总不确定度U的有效位数：一般取一位.前两位为1或2时,可取两位.,例 ：估算结果 U=0.548mm时，取为U=0.6mm U=1.37 时， 取为U=1.4,用计算器进行计算时,中间结果可不作修约或适当多取几位(不能任意减少),但最后一定要修约。,(3)乘方开方.结果的有效数字位数与原数相同.,(4)函数运算.以运算数据最末位的一个单位为误差,求出结果误差,再根据误差决定取到哪一位(简化方法参看讲义).,例.y=ln23.7,故 y=3.165,49,6.测量结果表达式中的有效位数,被测量值有效位数的确定：,xx0U中，被测量值 x0 的末位要与不确定度U的末位对齐（求出 x0后先多保留几位，求出U，由U决定 x0的末位）,例：环的体积,不确定度分析结果,最终结果为： V=9.440.08cm3,即：不确定度末位在小数点后第二位，测量结果的最后一位也取到小数点后第二位。,50,五、 双变量测量的数据处理,1.作图法：可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小 坐标分度值的选取应能反映测量值的有效位数，一般以 12mm对应于测量仪表的最小分度值或对应于测量值的次末位数）。 根据表数据U 轴可选1mm对应于0.10V，I 轴可选1mm对应于0.20mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围） 约为130mm130mm。,表1：伏安法测电阻实验数据,51,2. 标明坐标轴： 用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。,52,由图上A、B两点可得被测电阻