物理实验绪论

大学物理实验绪论,今天的学习内容:,1.关于实验课 2.实验课的目的 3.理论知识,大学物理实验课,必修课 它是独立的一门课，成绩与大学物理无关,1、通过对物理实验现象的观察、分析和对物理量的测量，掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能，加深对物理学原理的理解。 2、培养和提高科学实验能力，包括： 自学能力：通过阅读实验教材或参考资料，正确理解实验内容，作好实验前的准备； 动手能力：借助教材或仪器说明书，正确使用基本实验仪器；,物理实验课的目的,思维判断能力：能够运用物理学理论对实验现象进行初步的分析和判断； 书面表达能力：能够正确记录和处理实验数据，分析实验结果，撰写合格的实验报告； 简单的设计能力：能够根据课题要求，独立完成教学性的设计性实验。,物理实验课的目的,3、培养从事科学实验的素质 理论联系实际和实事求是的科学作风。 严肃认真的工作态度。 遵守纪律、团结协作和爱护公共财物的优良品德。 热爱科学，勇于创新，力戒浮躁，讲究诚信。,物理实验课的目的,毕业后工作的演练 工作素质的培养,实验是创新的主要源泉,社会需要创新型的人才，需要动手能力强的人才 科技研究的主要工作就是设计实验，获得数据 成功是一系列良好习惯的结果，习惯是靠训练培养而成 实验课是国家花巨资设立的大学课程中惟一的实践训练必修课,上课时间和地点,地点: B5栋B座2楼和3楼； 4.2&5.3(235),3.2&4.1(337),3.4&6.9(336),5.5(236) 4.3&4.4(246),5.2&5.4(234),4.6(231),4.7(335) 时间: 上午 8:50-11:50 下午 14:00-17:00 晚上 18:30-21:30,* 按单双周分组上课，两周一次实验课。 * 不能打乱顺序。 * 每次12个实验，3小时内完成。,课程安排,大学物理实验课程组成,课前 课堂 课后,课前预习,认真阅读实验教材、参阅网上资料、弄清实验原理、内容、步骤和方法、了解实验仪器。 在以上基础写出预习报告，即实验报告的实验目的，实验仪器，简单原理，后面的实验步骤和数据记录及结果分析留待课后完成。（教师课前进行抽查，无预习报告不得进行实验）,物理实验网上资源,课堂流程,注意:1.按实验号坐。 2.老师先讲3050分钟，然后学生进行实验，摸索30分钟后 依然不明白的，可向老师或同学请教。 3.测量数据不得直接填在预习报告上，不得用铅笔写，要另 用一张纸记录，必须经指导教师检查并在该记录纸上签 名，作为实验报告附录一并上交。实验完毕，整理好仪器 才能离开实验室。 4.上课不得大声喧哗。,课后完成并且按时交实验报告,实验后要对实验数据及时进行处理，并写出完整的实验报告。 实验报告要求详见课本第1、2、3页，请同学务必仔细阅读、领会： * 使用华工的专用实验报告稿纸（B2一楼物流商店有售）。 * 画曲线图应用坐标纸。 * 报告一定要订在一起，切记写上姓名。 下次上课时组长统一收交实验报告交给签名的任课老师。 第二次实验课时交第一次的实验报告，第三次实验时交第二次的实验报告，以此类推。,实验号,一实验目的 二实验仪器 三实验原理 四实验步骤 五数据记录及处理 六结果分析,预习报告（课前完成）,课后完成,最后要上交的实验报告,平时实验报告成绩（绪论课作业算一次实验）80%，期末考试20% 实验报告评分点包括：预习报告检查及问答老师提问、课堂操作、数据记录及误差处理、实验结果及作图、综述讨论及思考题等。如有创新点将格外加分。（优秀，良好）,物理实验课的评分,不按规定时间做实验者扣30分，不按时交报告者扣20分； 数据不处理扣30分 抄袭、篡改、拼凑实验数据一律记零分； 迟到5分钟内扣10分，5分钟以上扣20分，30分钟以上不得进入实验室； 预习报告未完成扣20分，预习报告马虎者扣5-10分； 不良的仪器使用习惯，不爱护仪器设备，酌情扣分。,扣罚分规定：,实验报告的内容：,实验目的 实验仪器 实验原理 数据记录及处理 结果分析,数据代入公式计算 有效数字的保留 误差分析 测量结果=X误差,:简要叙述实验原理、计算公式、实验电路图或光路图。,1、 测量,什么是测量? 使用具有标准计量单位的仪器（工具）对被测量进行比较，把待测量大小表示出来，即待测量是该计量单位的多少倍。 测量的分类 按测量结果的手段分类 1）直接测量 2）间接测量 按测量条件的异同分类 1）等精度测量 对同一个物理量的多次测量都在相同条件下测量 2）不等精度测量,2、误差（P5-P6）,有测量就一定存在测量误差 真值(只需要理解，不用硬记) 每一个物理量都是客观存在，在一定条件下具有不依人的意志为转移的一定数（真）值。 理论上真值是无法得到的。 约定真值P5 通常将其称为真值 误差P5 测量值与真值的偏离,使用一定的仪器（工具）； 在一定的环境（条件）中； 由一定的人来进行； 由于测量仪器、方法、条件及种种因素的影响。 因此，测量值与真值有一定的偏离，误差是不可避免的。 并且，测量准确与否通常以误差的大小来衡量。,测量过程产生误差的因素:,既然误差是不可避免的，那么对误差视而不见吗？ 误差体现了测量的准确与否，误差分析是实验必不可少的！,绝对误差： 相对误差： 为什么引入相对误差： a、10.0V V1=1.0V V2=0.1V b、1.0cm，X1 =1mm；100m，X2=1m E110 E21,1)误差的定义,2)误差的分类,系统误差 偶然（随机）误差（重点） 粗大误差,RX = V/I RX + RA RX V/I RA,2)单摆测重力加速度,1)伏安法测电阻,系统误差的特点： 大小符号一定，或按一定规律可约定的方式变化 如何系统误差的消除？,系统误差P5,偶然（随机）误差P5,单峰性：绝对值小的误差出现（概率）多，绝 对值大的误差出现的机会少。 对称性（抵偿性） ；绝对值相等的误差出现的 机会（概率）相等。 有界性；对值非常大的正负误差出现的机会 （概率）趋于零。,偶然误差服从正态分布，具有以下特点：,所以减少偶然误差的方法是作多次测量。,形成原因 观察者粗心大意,或条件发生突变导致 特点 值很大 无规律 注意 对含有粗大误差的测量值要按照一定规则剔除。,粗大误差P5,举例说明系统误差和偶然误差对结果的影响,通常用“正确度”反映系统误差 通常用“精密度”反映偶然误差 结合起来用“准确度”对测量结果 的可靠性进行评价 红色着点偶然误差小，但系统误差大；精密度高，但正确度低 。 绿色着点系统误差小，但偶然误差大；正确度高，但精密度低。 黑色着点偶然和系统误差都小，精确度高。,3、偶然误差的分类以及估算,估算偶然误差的方法 算术平均误差 标准差 标准不确定度（实验要求采用的方法）,偶然误差,直接测量偶然误差,间接测量偶然误差,多次测量,单次测量,偶然误差的分类,1)算术平均误差（书上没详细讲解）,直接测量的误差估算 A 多次测量 X1 、X2、X3 Xn X1 、X2、 X3 Xn 实验结果 ； B 单次测量； 通常取仪器误差估读到仪器最小刻度的一半。 但准确的说，应该由仪器本身经过检定后以一种规定的形式给出。 例如；准确度为0.5、10伏量程电压表，其绝对误差为： V =10.00 0.5 0.05V,间接测量的算术平均误差(误差传递)（书上没有）,g =4 + 2+L - 2T,间测量量的偶然误差,；,例，利用单摆测量重力加速度：,步骤： 对函数求全微分（或先取对数再求全微分）。 合并同一变量系数 。 将微分号改为误差号，并且各项均取绝对值相加。,；,2)标准差,直接测量量的误差估算 A 多次测量 测量列的标准差: 算术平均值 的标准偏差:,；,单次测量值误差的估计与仪器误差即仪有关 a 仪器误差被标明 b 仪器误差未被表明,通常取仪器最小刻度的1/2 1)当仪器误差仪以 或 的相应置信概率给出时,单次测量的标准偏差分别为: 2)若没给出相应置信概率,可以当均匀分布处理: 或由仪器本身经过检定后以一种规定的形式给出。 例如；准确度为0.5、10伏量程电压表，其绝对误差为： V =10.00 0.5 0.05V,B单次直接测量的标准偏差估算,或,间接测量偶然误差的估算,步骤用算术平均方法求解类似,N的标准差:,“ ”准则 适用条件：测量次数n足够大，至少要大于10次 格拉布斯准则,3)异常数据的判别和剔除,4）测量不确定度（误差表示的一种）,测量不确定度的基本概念： “测量不确定度”是指对测量结果不能确定的程度，提供测量结果的值以一定概率落在某个区间。测量不确定度表示是国际上评定测量结果可靠性的约定做法，本课程要求测量结果一律用不确定度表示。 标准不确定度： 用标准偏差表示测量结果的不确定度，称为标准不确定度。按数值的估算方法不同可以分为两类标准不确定度，即A类和B类。,A类标准不确定度：用统计方法来分析评定的标准不确定度，用uA表示。 B类标准不确定度：用非统计方法评定的标准不确定度，用uB表示。 合成标准不确定度：由各标准不确定度分量合成而来的标准不确定度称为合成标准不确定度。,标准不确定度,定义算术平均值的标准偏差为A类标准不确定度，即：,A类标准不确定度的评定,B类标准不确定度的评定,标准不确定度的B类分量主要来自于测量仪器的仪器误差，在仅考虑仪器误差且均匀分布（即在测量值的某一范围内，测量结果取任一可能值的概率相等）的情况下 仪指计量器具的示值误差，一般取仪器最小分度值的一半，或者是按仪表准确度等级算得的最大基本误差。,合成标准不确定度不确定度表示, 、直接测量量合成标准不确定度 待测量X的测量结果表示为 物理意义：待测量X的真值落在区间 的概率为68.3。,例题,对X 进行等精度测量10次，得测量列如下，设仪器误差限为0.05cm。判别有无异常数据，并求测量结果 。 （1）求平均值 （2）求标准偏差,例题,（3）取显著水平a0.01， 查表得g0(10，0.01)2.41 （4）计算g6 (5)g6g0， x6为异常数据，应予以剔除。,例题,用余下的数据重新计算测量结果 （1）求平均值 （2）求标准偏差 再经格拉布斯准则判别，所有测量数据都符合要求。,例题,测量的A类标准不确定度分量为： 按均匀分布计算测量的B类标准不确定度分量为：,例题,合成标准不确定度为： 测量结果表示为：, 、间接测量量的标准不确定度 设间接测量量N是各独立的直接测量量x，y，z，的函数，即： 各直接测量量表示为： 问：,4）测量不确定度（误差表示的一种）,若各直接量完全独立无关，则： 称为各直接测量量标准不 确定度的传递系数。,3）测量不确定度（误差表示的一种）,常用函数的合成标准不确定度计算公式：,3）测量不确定度（误差表示的一种）,常用函数的合成标准不确定度计算公式,3）测量不确定度（误差表示的一种）,5)测量结果的表示,误差 的表示 单次测量: 多次测量: 测量结果的表达:,P=68.3%,P=95.4%,P=99.7%,4、有效数字及其运算规则,什么是效数字？ 正确而有效地表示测量和实验结果的数字。 它是由前面若干位准确数字和最后一位欠准确（存疑、可疑）数字组成。最后一位虽为欠准确可疑数字，即有误差，但它客观的反映了客观测量结果，因此是有效的。 一般地讲，仪器显示的数字均为有效数字均应读出并记录，它客观地反映测量的实际情况。 它的位数不能随意增减，并且与单位和小数点位置变化无关。,有效数字位数多，相对误差小，测量仪器精度高。 单位变换时，有效数字位数不变，即与小数点位置无关。 例如 用直尺测量得到的数据4.00cm 不能表示为0.04m即：4.00cm 0.04 m 可以表示为： 0.0400 m 或 4.0010 2 m 数值中间和末尾的“0”均为有效数字，数值前的“0” 则不为有效数字。 例如 4.050cm0.04050m,1)有效数字基本性质：,2)运算原则, 可靠数与可靠数运算，结果为可靠数。 可疑数与任何数运算，结果为可疑数,但进位数为可靠数。 结果除可靠数字外，只保留一位可疑数字。 a、以加法为例 71.3 （单位相同） + 0.753 所以结果为:71.3+0.753=72.1 72.053 b、以乘法为例 23.1 2.2 所以结果为：23.1X2.2=51 462 462 50.82,3)有效数字的运算规则,加减法运算 乘除法运算 乘方、开方运算 函数运算 尾数舍入规则：为了使等于五的舍入误差产生正、负相消的机会，采用新的较为合理的“4舍6入5凑偶”舍入规则，即：小于5舍，大于5入，等于5时则把尾数凑成偶数。 例如： 5.76453 保留4位有效位数为：5.764（舍5不进位） 5.76153保留4位有效位数为：5.762 （舍5进位） 无理数常数如 、 等，在公式中通常 取比结果多一位有效数字，也可以取无 限长位有效数字。 例如：在 中， 可以取1.414，也可以取更多位。,4)有效数字的读取,要注意什么问题呢? 主要注意误差,即如何确定估读数字。,4.5cm,4.5cm,5)测量结果有效数字的选取,实验数据基本原则： 记录数据的有效位数以实验仪器为准； 结果数据的有效位数以误差为准； 绝对误差有效数字一般只取一位。 实验结果表示为： （单位） a)若测量得到 =4.053789cm ，计算得到=0.05cm 则实验结果为 x=4.050.05 (cm) b)若计算结果为0.05436，只保留一位有效数字，取=0.05cm 因此 4.05 0.05436(cm) 的表达方式是错误的 应写成:4.05 0.05(cm),5、实验数据处理,1)列表法P21,3)图示与图解法,3)逐差法P25,表头：表* 铜丝电阻与温度的关系,图示法规则 图解法求直线的斜率和截距,注意: 测量工具的最小刻度,要用坐标纸最小刻度(1小格) 的整数倍来表示。 测量工具以直尺（最小刻度为1mm）为例： 正确：坐标纸可以用1小格表示1mm;或用2小格表示1mm; 错误：