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普通物理实验课程绪论普通物理实验课程绪论 1.1.物理实验的重要作用物理实验的重要作用 2.2.怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课 3.3.学生须知学生须知 4.4.测量误差和不确定度估计的基础知识测量误差和不确定度估计的基础知识 $ 5.$ 5.有效数字及运算有效数字及运算 $ 6.$ 6.作图法处理实验数据作图法处理实验数据 77数据的直线拟合（最小二乘法处理实验数据）数据的直线拟合（最小二乘法处理实验数据） 1.1.物理实验的重要作用物理实验的重要作用 物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构的 科学，它必须以客观事实为基础，必须依靠观察和实验。 归根结底物理学是一门实验科学，无论物理概念的建立还 是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础，并通 过今后的科学实验来证实。 物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的 作用。 1.物理实验的重要作用 经典物理学（力学、电磁学、光学）规律是 由以往的无数实验事实为依据来总结出来的。 X射线、放射性和电子的发现等为原子物理学 、核物理学等的发展奠定了基础。 卢瑟福从大角度粒子散射实验结果提出了原 子核基本模型。 JJ 实验可以发现新事实，实验结果可以实验可以发现新事实，实验结果可以 为为 物理规律的建立提供依据物理规律的建立提供依据 1.物理实验的重要作用 JJ 实验又是检验理论正确与否的重要判实验又是检验理论正确与否的重要判 据据 l1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论 ，能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果，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。 电磁场理论的提出与公认电磁场理论的提出与公认 假说 库仑定律 安培定律 高斯定律 法拉第定律 麦克斯韦在 1865年提出 电磁场理论 麦克斯韦方程组 统一了电、磁、光现象, 预言了电磁波的存在并预 见到光也是一种电磁波 1887年赫兹实验发现了 电磁波的存在并证实电 磁波的传播速度是光速 电磁场理论 才得到公认 二十多年后 理论物理与实验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受 实践检验。只有经受住实验的检验，由实验所证实，才会得到公认 。 1.物理实验的重要作用 我们的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，实验结果也 比较有定论，它是对学生进行基础训练的一门重要课程。 它不仅可以加深大家对理论的理解，更重要的是可使 同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能诸方面 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，经过一年的时间 ，真正能学有所得。 物理实验课程的目的物理实验课程的目的 1.物理实验的重要作用 1. 实验预习实验预习 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 预习报告要求：预习报告要求： 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 (该部分书写整 齐的课后可作为正式报告的一部分，不必重复再 写)。 画好原始数据表格，单独用一张实验报告纸。 课上教师要检查预习情况,没有预习者不能做实验。 44 上好物理实验课的三个环节上好物理实验课的三个环节 上好物理实验课的三个环 节 2. 实验操作实验操作 阅读资料、调整仪器、观察现象、阅读资料、调整仪器、观察现象、 获取数据、仪器还原获取数据、仪器还原 重视实验能力、作风培养。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。 44 上好物理实验课的三个环节上好物理实验课的三个环节 上好物理实验课的三个环 节 3. 3. 实验报告实验报告 实验报告要用青海大学实验报告纸。实验报告要用青海大学实验报告纸。 报告内容：报告内容： 凡预习报告中已有的原理、图、步骤等不 必重写，可在讨论或小结里用自己的实验体会加以补充 。数据处理时必须先重新整理原始记录，然后进行计算 （应包含主要过程）、作图。最后附上教师签字的原始 记录。 4 4 上好物理实验课的三个环节上好物理实验课的三个环节 上好物理实验课的三个环 节 实验成绩平分方法 平时的实验占70%-100%（包括预习、课堂 实验、完整的实验报告） 期末考试占0-30% 实验须知 学生在规定的时间内进行实验，不得无故旷 课和迟到。无故迟到10分钟者，不得进入实 验室。 进入实验室，保持室内安静和整洁，不得大 声喧哗。 对安排的实验要有预习报告，提交教师审阅 ，对没有预习报告者，不得进入实验室做实 验。 实验须知 认真完成本组实验，不得擅自搬动和使用其 他组的仪器和物品。 实验中发现仪器不正常和数据不合理时，应 及时与指导教师联系。 光学实验严禁用手触摸光学元件的光学表面 电学实验线路接好经教师检查后，方可接通 电源。 实验须知 遵守仪器操作规程，爱护仪器设备，注意人 生安全和仪器安全，损坏仪器设备酌情赔偿 。 实验完成后，将原始数据交指导教师审阅签 字方可有效。 实验完成后，整理仪器，清点器材，面交指 导教师。打扫卫生，关好门窗，方可离开实 验室。 测测 量量 物理实验以测量为基础 完整的测量结果应表示为： 以电阻测量为例 包括： 测量对象 测量对象的量值 测量的不确定度 测量值的单位 （Y = y 表示被测对象的真值落在（y ，y ） 范围内的概率很大， 的取值与一定的概率相联系。 ） 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 测测 量量 测量分为直接测量和间接测量 直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关 系的辅助计算而可直接得到被测量值的测量； 间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数 关系经过计算从而得到被测量值的测量 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 1.2.3 等精密度测量 在同等条件下进行的多次重复性测量称为等密精度测 量。即环境、人员、仪器、方法等相同，对同一个待测量进 行多次重复测量。由于各次测量的条件相同，测量结果的可 靠性是相同的，测量精度也是相同的，这些测量就是等密精 度测量。 1.2.4 非等密精度测量 在特定的不同测量条件下，用不同的仪器、不同的测量 方法、不同的测量次数、不同的测量人员进行测量和研究，这 种测量称为非等密精度测量。非等密精度测量主要用于高精度 的测量中。 1.3 真值与测得值 物质均有各自的特性，反映这些特性的物理量所具有的 客观的真实数值，称为该物理量的真值。通过各种实验所得到 的量值称为测得值。（多是测量仪器或装置的读数或指示值） 测得值是被测量真值的近似值。 1.4一切测量的目标是为了追求真值 1.5但是一切测量都存在着误差，误差是不可避免。 因此，要分析测量中可能产生的误差，尽可能消除其影 响，并对最后结果中未能消除的误差做出估计，是我们实验分 析必须要做的工作。 测量误差的定义和分类测量误差的定义和分类 误差dy测量值 y 真值 Yt 误差特性：普遍性、误差是小量 由于真值的不可知，误差实际上很难计算 （有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差） 误差的表示方法： 绝对误差 dy 相对误差 误差分类 系统误差 随机误差 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 系统误差系统误差 定义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定 或以可预知的方式变化的测量误差的分量。 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 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：螺旋测微计制造时的螺纹公差等 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 随机误差随机误差 定义： 在对同一量的多次重复测量中绝对值和符号以不可 预知方式变化的测量误差分量。 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。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。 特点： 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。 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 随机变量的分布随机变量的分布 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 线型的宽窄。 表示随机变量 x 在x1，x2区间出现的概率，称为置信概率。实 际测量的任务是通过测量数据求得 和的值。 P (x) x 小 大 m 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 随机变量的分布随机变量的分布 实际测量次数有限，可用 n 次测量值的 来估算、： 可以证明平均标准偏差 是sx 的 倍 在没有系统误差的情况下可用 来表示实验结果 但是由于测量次数小，数据离散度大，测量结果将不符合正态分 布，而是符合t 分布（t 分布是从 的性质得到的一种分布。 n 小时，t 分布偏离正态分布较多。n 大时趋于正态分布）。 此时，置信水平不是0.683，需乘以与置信水平 t 有关的系数 ，得到置信水平为的结果： 的值可查表 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 实验中常用的t因子 n123456789 t(0.68) 1.841.321.201.141.111.091.081.071.061 T(0.95) 12.714.303.182.782.572.452.362.312.261.96 6n10的t因子 在不考虑系统误差的情 况下 在置信概率取0.683， 测量次数6n10时 t因子大约等于1 可变为 ： 残差、偏差、误差区别 随机误差曲线中， 是被测量的真值。u是测量次数 无穷大的总体平均值。 是有限次测量的平均值。 是单次测得值。 是标准偏差。 残差：单次测得值与有限次测量的平均值之差。 偏差：单次测得值与总体平均值之差。 误差：单次测得值与被测量真值之差。 残差、偏差、误差的区分 误差 u 系统误差分量 偏差 残差 不确定度的引入 1、由于真值一般不可能准确知道。因此，误 差是一个理想的概念，它本身是不可能确切 获知。 2、只能根据测量数据和测量条件进行推算， 求得误差的估计值。由于误差的推算没有唯 一确定的值，因此对误差的估计值或数值指 标采用一个更为科学的概念不确定度，对 测量结果的准确程度做出科学合理的评价。 不确定度的引入 3、对测量结果不能确定的程度越小，表示测 量结果与真值越靠近，测量结果越可靠。反 之，不能确定的程度越大，测量结果的可靠 性越差。 不确定度概念的理解 1、不确定度是表征测量结果具有分散性的一个参 数。 2、不确定度是被测物理量的真值在某个量值范围 内的一个评定。 3、定义-不确定度是表示由于测量误差的存在而对 被测量值不能确定的程度。 4、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分量的联合分布范围 。 不确定度的不确定度的公式说明公式说明 总不确定度分为两类不确定度： A 类分量 多次重复测量时用统计学方法估算的分量； B 类分量 用其他方法（非统计学方法）评定的分量。 这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总 不确定度： 一般情况下， A 类分量 比B 类分量 小的多 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 不确定度与误差的关系 1、不确定度是在误差理论的基础上发展起来 的。不确定度和误差是两个不同的概念，他 们有着根本的区别，但又是相互联系的，都 是由于测量过程的不完善性引起的。 2、不确定度的引入并不意味误差一词需放弃 使用。误差仍可用于定性地描述理论和概念 的场合。不确定度用于具体数值或进行定量 运算、分析的场合。 直接测量量不确定度的估算直接测量量不确定度的估算 A 类分量 n123456789 t(0.68) 1.841.321.201.141.111.091.081.071.061 T(0.95) 12.714.303.182.782.572.452.362.312.261.96 直接测量量不确定度的估算直接测量量不确定度的估算 B类分量 1、 B类不确定度是测量不确定度估算中的难点，系统误差中的不确 定因素存在于测量的各个环节中，因此B类不确定度分量通常也是多项 的。要确定这些的来源及量值需要一定的学识和经验以及较高的分析 判断能力。 2、仪器误差是引起不确定度的一个基本来源（也是主要的来源）。从 物理实验教学的实际出发，我们只要求掌握由仪器误差引起的B类不确 定度的估计方法。 3、一般情况下，我们将仪器的不确定度作为B类不确定度。在置信概 率P=0.683时 （P=0.683) 仪器不确定度的获得 1、由仪器或说明书给出（有些在仪器铭牌上标明了仪器的 不确定度) 2、由仪器的准确度等级获得 仪器的不确定度=准确度等级量程% 3、连续度数的仪器：取最小分度的1/2 4、非连续度数的仪器：取最小分度值 5、数字式仪表：取末位1或2 完整的直接测量结果表示完整的直接测量结果表示 结果表示： 以测量列 y 的平均值 再加修正掉已定系统误差项 y0 得 到被测对象的量值。 由A、B 类不确定度合成总不确定度 则： 相对不确定度： 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 直接测量量直接测量量不确定度不确定度估算过程（小结）估算过程（小结） 求测量数据列的平均值 修正已定系统误差y0，得出被测量值 y 用贝塞耳公式求标准偏差s 标准偏差s 乘以因子来求得A 根据使用仪器得出B B= 仪 由A、 B合成总不确定度 给出直接测量的最后结果： 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 直接测量量直接测量量不确定度不确定度估算举例估算举例 例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值yi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y0为： 0.004, 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 测量次数n=6，可近似有 则：测量结果为 Y=0.2460.004mm 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 间接测量量的不确定度间接测量量的不确定度 1、在间接测量时，待测量由直接量通过一定的函 数关系计算得到，间接量也必然存在不确定度，这 就是不确定度的传递。 2、间接量的合成有： 直接量之间是加减关系（直接是方和根） 直接量之间是乘、除、指数关系（取自然对 数，先求相对不确定度） 其中 为为各自独立的直接测测得量 。 间接测量不确定度的确定：对被测量的函数关系进行全微 分，求出测量结果的不确定度。 1.测量公式为和差形式 直接微分求不确定度 将微分号d替换为不确定度符号U,并求方和根有 2.测量公式为乘除、指数形式 先取对数然后微分求相对不确定度 测量结果的表示: 间接测量量的不确定度合成间接测量量的不确定度合成 实用公式 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 间接测量量的不确定度合成步间接测量量的不确定度合成步 骤骤 1.先写出（或求出）各直接测量量 xi 的不确定 度 2.依据 关系求出 或 3.用 或 求出 或 4.完整表示出Y的值 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 间接测量量的不确定度合成举间接测量量的不确定度合成举 例例 例：已知金属环的外径 内径 高度 求环的体积V 和不确定度V。 解：求环体积 求偏导 合成 求V 结果 V=9.440.08cm3 2-1 测量误差和不确定度 估算的基础知识 1、由于测量中总存在误差，因而直接测得 量的数值只能是一个近似数并具有某种不确定性 ，通过计算的间接量也是一个近似数，而测量的 不确定度的数字只能是有限位数，不能随意取舍 。 2、受仪器的制约，仪器最小刻度以上的数 字是准确的，仪器最小刻度以下需要估读，这个 数字就不可靠。 实验数据有效位数的确定实验数据有效位数的确定 2-2 实验数据有效位数的 确定 实验数据有效数字的定义实验数据有效数字的定义 存疑数字：仪器最小刻度的下一位需要估 读，这一位是有疑问的，称为存疑数字。 有效数字：我们把仪器上读出的数字包括最 后一位存疑数字记录下来，称为有效数字。 显然存疑数字以下的数位是无效数字。 实验数据有效数字的确定实验数据有效数字的确定 1、有效数字与仪器的最小分度有关，与被测物的大小有 关。 2、有效数字的位数与小数点的位置无关。单位不同小数 点的位置就发生变化。 有效数字“0”的位置： 例如： 802.000m，0.802000km 8020.00dm 3、数值的科学表示法：用有效数字乘以10的幂指数。 例如（2.8360.003） m/s (测量值的最后一位于不确定度对齐) 有效数字与不确定度的关系有效数字与不确定度的关系 1、有效数字的末位是估读数字，存在不确定 性。一般我们规定不确定度的数字只取一位 ， 任何测量结果，其数值的最后一位应与不 确定度所在的那一位对齐。 2、由于有效数字的最后一位是不确定度所在 位，因此有效数字在一定程度上反映了测量 值的不确定度。有效数位越多，测量的相对 不确定度愈小，反之. 实验数据有效位数的确定实验数据有效位数的确定 有效数字的修约规则： 以保留数字的最后一位为单位，它后面的数 大于0.5时，末位进一；小于0.5时，末位不变； 恰为0.5时，末位为奇数时进一，末位为偶数时 不变。简称“四舍六入五凑偶”。 3.14159 3.142 4.21050 4.210 6.7435 6.744 5.9185015.919 2.3874992.387 有效数字的加、减 结果数字的结果数字的小数位小数位与式子中与式子中小数位小数位最少最少的数字的数字相当。相当。 中间运算结果的有效位数中间运算结果的有效位数 有效数字的乘、除 结果数字的结果数字的有效数字位数有效数字位数与式子中与式子中有效数字位数有效数字位数最少最少 的数字的数字相当。相当。 测量结果不确定度的有效位数测量结果不确定度的有效位数 总不确定度的有效位数，取1 2位 首位大于5时，一般取1位 首位为1、2时，一般取2位 例 ：估算结果 =0.548mm时，取为 =0.5mm =1.37 时， 取为=1.4 2-2 实验数据有效位数的 确定 测量结果表达式中的有效位数测量结果表达式中的有效位数 被测量值有效位数的确定 Yy中，被测量值 y 的末位要与不确定度的末位对齐 （求出 y后先多保留几位，求出，由决定 y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。 2-2 实验数据有效位数的 确定 实验数据处理的基本方法 1、列表法: 把测得的数据和计算结果列成表格形式。要求表格的设计必须正确 ，力求简单、清楚、数据要用有效数字表示、单位明确。 伏安法测电阻实验数据 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。 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 大致对应于测量值的不确定度或仪器误差限值。 . 实验数据处理的基本方法 2、图示法 2-3 作图法处理实验数据 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。 I (mA) U (V) 8.00 4.00 20.00 16.00 12.00 18.00 14.00 10.00 6.00 2.00 0 2.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00 4. 连成图线： 用直尺、曲线板等把 点连成直线、光滑曲线。 一般不强求直线或曲线通 过每个实验点，应使图线 线正穿过实验点时可以在 两边的实验点与图线最为接近且分布大体均匀。图 点处断开。 3.标实验点： 实验点可用“ ”、 “ ”、“ ”等符号标出（ 同一坐标系下不同曲线用 不同的符号）。 2-3 作图法处理实验数据 5.标出图线特征： 在图上空白位置标明 实验条件或从图上得出的 某些参数。如利用所绘直 线可给出被测电阻R大小 ：从所绘直线上读取两点 A、B 的坐标就可求出 R 值。 I (mA) U (V) 8.00 4.00 20.00 16.00 12.00 18.00 14.00 10.00 6.00 2.00 0 2.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00 电阻伏安特性曲线 6.标出图名： 在图线下方或空白位 置写出图线的名称及某些 必要的说明。 A(1.00,2.76) B(7.00,18.58) 由图上A、B两点可得被测电阻R为： 2-3 作图法处理实验数据 不当图例展示： n (nm) 1.6500 500.0 700.0 1.6700 1.6600 1.7000 1.6900 1.6800 600.0 400.0 玻璃材料色散曲线图 图1 曲线太粗，不 均匀，不光滑。 应该用直尺、曲 线板等工具把实 验点连成光滑、 均匀的细实线。 2-3 作图法处理实验数据 n (nm) 1.6500 500.0 700.0 1.6700 1.6600 1.7000 1.6900 1.6800 600.0 400.0 玻璃材料色散曲线图 改正为： 2-3 作图法处理实验数据 图2 I (mA) U (V) 0 2.00 8.00 4.00 20.00 16.00 12.00 18.00 14.00 10.00 6.00 2.00 1.003.00 电学元件伏安特性曲线 横轴坐标分度选取 不当。横轴以3 cm 代 表1 V，使作图和读图都 很困难。实际在选择坐标 分度值时，应既满足有效 数字的要求又便于作图和 读图，一般以1 mm 代 表的量值是10的整数 次幂或是其2倍或5倍 。 2-3 作图法处理实验数据 I (mA) U (V) o 1.002.003.004.00 8.00 4.00 20.00 16.00 12.00 18.00 14.00 10.00 6.00 2.00 电学元件伏安特性曲线 改正为： 2-3 作图法处理实验数据 定容气体压强温度曲线 1.2000 1.6000 0.8000 0.4000 图3 P(105Pa) t() 60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00 图纸使用不当 。实际作图时 ，坐标原点的 读数可以不从 零开始。 2-3 作图法处理实验数据 定容气体压强温度曲线 1.0000 1.1500 1.2000 1.1000 1.0500 P(105Pa) 50