物理实验设计与实践(2009).ppt

物理实验方法 与实验设计,徐志君,,一. 误差与回顾,二. 实验数据处理方法,三. 物理实验的基本方法,四. 物理实验中的基本调整与操作技术,五. 误差在实验设计中的应用,内容提要,一 误差与回顾,1.1 思想与观点： 测量永远伴随有误差. 误差分析、不确定度计算以及数据处理贯穿实验的过程始终。 实验前的设计与论证 实验过程中的控制与监视 实验结束后的数据处理和结果分析,1.2 不确定度计算流程,设间接待测量： 直接测量量: 直接测量量的不确定度： 则有,直接测量量吗？,单次测量吗？,单次测量结果测量值 x=x(单位),是,否,找测量式,是,否,对结果作出评价,二 实验数据处理方法,2.1列表法 （1）各栏目均应标注名称和单位 （2）列入表中的主要应是原始数据，从表格中要尽量使人看到数据处理的方法和思路，而不能把列表变成简单的数据堆积。 （3）栏目的顺序应充分注意数据的联系和计算的程序，力求条理性和简明化。 （4）必要的附加说明，如测量仪器的规格、测量条件、表格名称等等。,2.2 作图法 1. 作图规则： 2. 图解法求拟合直线的斜率和截距 3. 内插曲线上读取没有进行测量的某些量值。 4. 外推法可从曲线延伸部分估读出原测量数据范围以外的量值。 5. 发现实验中个别的测量大误差，同时，作图连线对数据点可起到平均的作用，从而减少随机误差. 6. 曲改直,当两个被测物理变量之间存在多项式函数关系，X等间隔变化，且X的误差可以不计的条件下, 对于X： X1, X2Xn,X2n； 对应有 Y：Y1,Y2YnY2n。 将其分成两组，进行逐差：,2.3逐差法,求得,得到：Y = a + bX,2.4实验数据的直线拟合（线性回归） 最小二乘法原理：若能找到一条最佳的拟合直线，那么这条拟合直线上各相应点的值与测量值之差的平方和在所有拟合直线中应是最小的。 设在某一实验中，可控物理量取x1,x2,x3,值时，对应物理量依次取y1,y2,y3,值。从这些观测量中求出一个误差最小的最佳经验公式：,方法,非电量电测 非光量的光测,比较法,放大法,模拟法,转换测量,干涉计量,平衡法（示零比较）,量纲分析法,补偿法（示零比较）,非平衡法,机械放大 光放大 电放大 累积放大,三物理实验的基本方法,直接比较,间接比较,3.1 比较法 将被测量与相关标准量进行直接或间接比较,得到测量值的方法。,（1）将待测量和标准量具直接比较,50,100,200,mA,0,200,（2）间接比较测量法：当一些物理量难用直接比较法测量时，可以利用物理量之间的函数关系将待测物理量与同类标准量进行间接比较测量出。,补偿法 用在标准量具上产生的精度很高的某种效应，完全补偿由待测量产生的同种效应，得到未知量的方法。如：电位差计,I=0,I=0,I=0,小时,大时,电位差计,平衡法 平衡原理是物理学的重要基本原理，由此而产生的平衡法是分析、解决物理问题的重要方法，也是物理量测量普遍应用的重要方法。,力学平衡：静平衡：天平、电子称 动平衡：扭摆,电学平衡：根据电流、电压 等电子量之间的平衡设计的桥式电路,热学平衡：混合量热法,非平衡法：非平衡电桥,R,U(Rx),3.2 放大法 通过某种方法将被测量放大后，再进行测量。,累计放大,机械放大：,20,0,把螺纹细分而进行放大,光杠镜放大,光学放大法,-放大倍数,光指针放大,复射式检流计,电子学放大法 对微弱电信号经放大器放大后进行观测。如电桥平衡指示仪，晶体管毫伏表等仪器均利用电子学放大原理进行测量,转换测量法是根据物理量之间的各种效应、物理原理和定量函数关系，利用变换的思想进行测量的方法。它是物理实验中最富有启发性和开创性的一个方面。,3.3 换测法,（1）参量换测,（2）能量换测传感器,具体形式：非电学量电测；非光学量光测,如：测酸、碱、盐溶液的浓度.,I,非电量电测,非光量光测,用压电传感器 测驾驶员座椅的 受力分布。,待测粮食,传送带,粮食烘干装置,待测粮食的含水量与 反射光强 有关,非电量电测,非光量光测,利用声波反射，判断前方障碍物 （冰山、暗礁、船只、鱼群等）。,非电量电测,非光量光测,地球,月球,直角反射器,通过测发射与接收两光信号的时间 ，在C已知的条件下，可知 地球、月球之间距离为38万公里。激光 具有良好的方向性。故制成各种激光测 距仪。,3.4干涉计量法现代精密计量的基础。,该方法首先由迈克尔孙在实验中应用，后由法布里-珀罗作了改进，逐渐构成了现在各种不用的干涉比长仪，其测量精度可以容易地达到波长数量级。,待测块规,等厚条纹,待测工件,平晶,h,标准块规,平晶,测量微小厚度的变化,测量薄片厚度,检测工件平度,劈尖干涉的应用,衍射 光谱技术与方法、X射线衍射技术与方法、电子显微技术与方法都与光的衍射原理与方法相关，它们已成为现代物理技术与方法的重要组成部分,3.5 模拟法 模拟法是以相似性原理为基础，从模型实验开始发展起来的，研究物质或事物物理属性等变化规律的实验方法。对不易测量的量，用对模型的测量代替对原型的测量。,+ q,- q,（1）数学模拟：把不同本质的物理现象或过程，用同一个数学方程来描述。,静电模拟,（2）动力相似模拟 ：保持同一物理本质的模拟。例如用“风洞”中的飞机模型模拟实际飞机在大气中的飞行，用电场模拟温度场等。,（3）几何模拟：几何模拟是将实物按比例放大或缩小，对其物理性能及功能进行试验。,（4）计算机模拟,（4）更进一步的物理之间的替代，就导致了原型试验和工作方式都改变了的特殊的模拟方法。应用最广的就是电路模拟。因为在实际工作中，要改变一些力学量不如改变电阻、电容、电感来的更容易。,3.5 量纲分析法,在物理实验中常遇到的困难是在复杂的现象中无法找到被测与可测量之间的定量关系式，量纲分析法可先假定被测量与可测量之间存在某种关系，再借助标准量来求得被测量的最终结果。这种方法原则上可适用于任何物理量的测量，具有十分普遍的意义。,弦能振动起来的条件是激励信号的频率f与弦固有频率f0相同，固有频率又与弦长l、弦密度以及弦所受的张力F三个量有关。假设,四、物理实验中的基本调整与操作技术,2.1零位调整,（1）利用仪器的零位校准器进行调整，例如天平、电表等,(2) 零位校准器，则利用初读数对测量值进行修正,螺旋测微计零差,眼睛位置不同，所得测量结果不同,2.2 水平铅直调整,由于受地球引力的作用，实验仪器要求达到水平或铅直状态才能正常工作，例如天平和气轨的调节器水平，调三线摆的水平和铅直等。水平和铅直调节过程要注意观察，切忌盲目调节。,2.3 消除视差,2.4 先粗调后细调,2.5 等高共轴调整,2.6 逐次逼近法,2.7 先定性后定量,五.误差在实验中的应用,5.1测量方法选择,例1：测量某电源的输出电压，要求测量结果的相对误差Er0.05%。给定条件是：电压表2.5级，电位差计0.5级，可变标准电压源0.01级。,为使各物理量测量结果的误差最小，需要进行误差来源及误差传递的分析，并结合可能提供的仪器，确定合适的具体测量方法。,解： 思路一：若用电压表直接测量，由于，要求电表准确度等级为0.05级，因此无法达到课题要求,思路二：用电位差计行吗？由于给定的电位差计精度只有0.5级，显然达不到课题所规定的要求。 思路三：用可变标准电源与被测电动势进行平衡补偿测量，但又没有提供检流计。,思路四：采用“微差法”来达到课题要求。,差值越小，测量差值所引入的误差对测量结果的影响越小。,可见只要求微差指示器的相对误差不超过4%，就可以满足课题的要求,例2：在仪器已确定的情况下，对某一量的测量，若有几种测量方法可供选择时，则应选取测量结果误差最小的那种方法。如测量单摆的摆长L,有如下三种测量方法：,若取为=UX/100,用精度为0.04cm的游标卡尺测D，则有,用精度为1mm的米尺测L1和L2(设端点对准误差为0.5mm),则有,而对第二和第三种情况，则有：,对第一种测量方法，若采用算术合成，则有,5.2测量仪器的选择,在给定对实验误差要求时，应用误差等分原则，分别求出各测量量的误差范围，再根据误差与准确度的关系，选择合乎需要的准确仪器，同时还需考虑有效（实用）和价格（经济性）因素。,误差等分原则。若函数由k个自变量组成，即,例：伏安法测电阻R，要求电阻的测量误差Er1.5%，应如何选择测量仪器？,显然应选用0.5级的电压表和0.5级的电流表。,由电表等级误差的规定,3.3测量条件的选择,按某量的误差可减至最小的原则来确定实验条件，即用,例 图是滑线式电桥测电阻原理图，为一均匀的长为的电阻丝，滑动触头可在电阻丝上滑动，当电桥平衡时，有,板式惠斯登电桥,极小,3.4指导实验中抓好关键量的测量,根据各量对实验误差贡献的大小来决定把主要精力集中于导致误差大的物理量的测量工作上，而对哪些误差基本可以忽略不计的量，就没有必要去花费太大的精力,d的测量误差对实验结果影响大，为此实验采用精度较高的螺旋测微计，进行多次重复测量的方法，以减少误差。,其它各量对实验结果的影响系数因子一样，,比其它量要困难，会有较大的误差，故采用多次测量并用逐差法处理数据。,5.5 评价实验结果，提出改进方向,应当养成这样一个习惯，任何一个实验完成后，都应当进行误差计算，否则就无法评定实验结果的可靠程度。而通过误差计算可以看出哪些量对结果可靠程度的影响最大，那就是要提高实验水平或者说提高可靠程度的主攻方向。,自主设计实验内容及基本要求,1. 演示探索性实验(完成三个或三个以上),锥体上滚（B-403） 铜喷洗 （B-403） 表面张力现象研究（B-403） 汤姆逊电子射束演示实验（B-503） 铁磁材料的磁化曲线和磁滞回线（B-503） 电子偏转与电子荷质比测定实验（B-503） 声光效应与超声光栅实验（B-503） 电子的传播特性和电磁透镜（B-503）,报告要求： 对实验现象的观察 对实验现象作详细观察，并科学规范地对实验现象进行总结和提升. 实验现象的物理分析 分析实验现象背后的物理规律，将物理现象上升到理论的高度，得出基本的物理规律 总结与思考 对整个实验过程进行小结，提出自己的一些思考,2、自主设计性实验(完成四个或四个以上),自组电位差计测干电池电动势（B403） 频闪法测定电扇的转速（B403） 焦利称测量比重大于水的固体的密度（B403） 光源闪烁揭秘（B403） 用钢尺测量激光的波长（B403） 交流电路的特性研究（B503） 光通信（B403） 激光窃听（B403） 音频信号光纤传输技术实验（B403） 硅光电磁特性研究（B403） 光敏电阻的特性测量