物理实验误差分析.ppt

李林风 Lilinfeng_760315,大学物理实验,绪论,大学物理实验课的任务与目的,（一）通过对实验现象的观察，分析和对物理量的测量，加深对物理学原理的理解。,（二）培养和提高治学能力和工作能力。 （1）自行阅读教材，归纳要点，做好工作前的准备； （2）借助教材或仪器说明书正确使用仪器； （3）运用物理学理论对实验现象进行分析； （4）正确记录和处理实验数据，撰写合格的报告；,绪论,（三）培养科学精神，提高科学素养，逐步具备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。,（四）培养和提高学生的科学实验能力，其中包括：自学能力动手操作能力综合分析能力科技写作能力设计能力,绪论, 三、上课时间按单双周进行，上课地点二实验楼五楼。, 二、每班按课表排定时间，按实验循环表上课。下一次课开始做实验。, 一、实验课程总学时50学时，分两学期完成，每学期做8个实验，每次实验三学时。一次误差理论。,物理实验课程教学安排,物理实验基本程序与要求,1.实验课前预习（十分重要） (1)预习讲义中与本实验相关的全部内容。 (2)写出预习报告（实验题目、目的、原理、主要计算公式、原理简图）,准备原始实验数据记录表格。,3.课堂实验操作 (1)上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。,2.提前五分钟进入实验室，按组号入座，不要擅自动手，以免造成仪器损坏或发生事故。,(2) 仪器安装调试后经教师检查无误后方可进行实验操作。,(4) 实验后请将使用的仪器整理好，归回原处。经教师允许后方可离开实验室。,（3）操作完毕应主动请教师审核实验记录并签字。 不经教师签字的记录无效。,(5)课后按要求完成实验报告,并在下次实验时交来。,绪论,实验测量误差理论以数据处理方法,绪论,一、测量与误差的基本概念 二、测量结果不确定度评定 三、有效数字及其运算 四、结果表示 五、实验数据处理常用方法,一. 测量与误差的基本概念, 1 . 测量的定义与分类,分类,直接测量 ：可以用测量仪器或仪表直接读出测量值的测量。,间接测量：依据待测量和某几个直接测量值的函数关系求出，这样的测量称为间接测量。,测量: 就是通过物理实验的方法，把被测量与作为标准的同类单位量进行比较的过程。测量是物理实验的基础。,长度、质量、温度等。,体积、密度、粘度等。, 2. 真值、算术平均值,真值: 某物理量在一定客观条件下真实大小。 （真值是个理想的概念，一般不可能准确知道。）,算术平均值：,多次测量的算术平均值可作为真值的最佳近似值, 3. 误差、偏差,误差：被测物理量的测量值与真值之差,偏差：被测物理量的测量值与算术平均值之差, 4. 误差的分类,由测量产生的原因与性质可分为系统误差和随机误差,系统误差：,在同一条件下多次测量同一物理量时，其结果的符号和大小按一定规律变化的误差,来源,仪器误差 方法误差 环境误差 人为误差, 特点：倾向性、方向性（或者都偏大或者都偏小）, 消除方法：改进、修正、矫正。, 产生原因：仪器，理论推导，实验方法，操作，环境等。,随机误差：,在消除或修正系统误差之后，测量结果仍会出现一些无规律的起伏。这种绝对值和符号随机变化的误差，称为随机误差,来源,主观方面 测量仪器方面 环境方面,特点：随机性（忽大忽小，忽正忽负，没有规律），但当测量次数比较多时服从统计规律。最常见的就是正态分布（高斯分布）。 消除方法：多次测量取平均值,随测量次数的增加,偶然（随机）误差遵从统计规律, 其分布函数：,x ：表示测量误差（测量值与真值之差）,:可以表示测量值偏离真值大小的程度，被称为标准误差,f（x）：表示测量误差x出现的概率,当6n10时，服从t分布， 的最佳估计值样本的标准偏差：,绪论,当n趋于无穷大，服从正态分布，其中标准误差：,二. 测量结果的不确定度评定,（一）、不确定度的概念, （三）、直接测量量的不确定度评定步骤, （四）、间接测量量的不确定度评定步骤, （二）、不确定度的分类,1、为什么要引入不确定度？,误差概念的局限性,一般来说，真值是无法得到的，误差是测量值与真值之差，所以也就无法得到。我们只能通过一定的方法对测量误差进行估计。,（一）、不确定度的概念,2、不确定度,含义：所谓测量不确定度，是指由于测量误差的存在而对测量值不能肯定的程度。实际上是对测量的真值在某个量值范围的一个评定。表征测量结果具有分散性的一个参数。,（二）、不确定度的分类,不确定度的两类分量,（1）A类评定不确定度A：统计方法得到的。这类不确定度被认为是服从正态分布规律的 。,绪论,（2）类 非统计不确定度,是指用非统计方法求出或评定的不确定度 对类不确定度的估计作简化处理，只讨论因仪器不准对应的不确定度。仪器不准确的程度主要用仪器误差来表示 ，即：,（3）合成不确定度,补充,常见仪器的示值误差的大小,1. 米尺,2. 卡尺,3. 千分尺,4. 天平,5. 温度计,6. 数显仪器,7. 电表类仪器,绪论,（三）、直接测量量的不确定度评定步骤,（3）计算测量列的样本标准偏差,（1）修正测量数据中的可定系统误差；, （2）计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳值,（4）样本标准偏差作为不确定度类分量,（5）计算不确定度的类分量,（6）求合成不确定度,（7）写出最终结果表示,例：用米尺测量一物体长度，测量了六次，其测量值分别是：l=51.37；51.35；51.34；51.39；51.34；51.38； (单位cm） 。 试计算合成不确定度，并写出测量结果。,解： 1）修正测量数据中可定系统误差（如零点修正，本题不用） 2）计算 l的最佳值;,3) 计算类不确定度:,4) 类不确定度 :,5）合成不确定度：,6）测量结果：,(三)、间接测量量的不确定度评定步骤,间接测量量,直接测量量,为间接测量量的最佳值。,1. 间接测量量的最佳值,2. 不确定度的传递,以微小量代替微元 ，得：,不确定度与微小量之间的关系：,如：和差形式函数f，测量结果N的标准不确定度为：,当x，y，z相互独立时，有,对于以乘、除运算为主的函数,以微小量替换微元,例： 已知质量m=（213.040.05）g，的铜圆柱体，用0125mm、分度值为0.02mm的游标卡尺测量其高度h六次；用一级025mm千分尺测量其直径D也是六次，其测值列入下表（仪器零点示值均为零），求铜的密度。,解：铜圆柱体的密度：,（1）高度h的最佳值及不确定度：,游标卡尺的仪器误差：,（2）直径D的最佳值及不确定度：,千分尺的仪器误差：,因此：,（4）密度的不确定度：,（3）密度的算术平均值：,因此得：,（5）密度测量的最后结果为：,三. 有效数字及其运算,（一）有效数字,有效数字=可靠数字+可疑数字,有效数字定义 正确而有效地表示测量和实验结果的数字，称为有效数字。 它由可靠的若干位数字加上可疑的一位数字构成的。,或者说从左端第一个非零数字到右端最后一位的所有数字均为有效数字。,（1）有效数字的位数与小数点的位置无关。变换单位时，有效数位不变,2. 有效数字的特点,如： 59.6mm = 5.96cm = 0.0596m,（2）当“0”不是表示小数点位置时（0在数字中间或数字后面），为有效数字，因此数据最后的“0”不能随便加上，也不能随便减去。,如：,3.0cm?,应记为3.00cm,（3）常数不用取有效数字，但在计算时常数所取的位数不应少于其他数值的有效数位。,（4）为了表示方便，特别是对较大或较小的数值，常用科学记数法表示。,（二）直接测量量的有效数字,1. 一般读数应读到最小分度以下再估一位;,2. 有时读数的估计位，就取在最小分度位；,3. 游标类量具只读到游标分度值，一般不估读；,4. 数字式仪表及步进读数仪器不需要进行估读，仪器所 显示的未位就是欠准数字；,读数举例：,读数 L=25.6 （mm）,2.02cm,0.919 K,（三）间接测量量的有效数字运算,（1）加减运算 时，“尾数取齐”。,278.3 +) 12.531 _,280.831,26.65 ) 3.925 _ 22.725,(2)乘除运算时, “位数取齐”。,例如:,例如:,5.34820.5=110,37643217=173,（3）乘方、开方运算，其结果的有效数字位数与被乘方、 开方数的有效数字位数相同。例如：,（4）三角函数、对数、指数函数运算结果的有效数字的取位 一般与其变量的位数相同。,（5）测量结果的有效数字位数的确定： 由不确定度决定有效数字的数位。其最后一位要与不确定度所在的那一位取齐，多余的位数按尾数修约规则进行取舍。,“四舍六入五凑偶”,将下列数据保留三位有效数字：,3.54499,3.5466,3.5450,3.5350,3.54,3.55,3.54,3.54,四.结果表示,将有效数字的定义和不确定度只取一位结合起来，就能确定测量结果数值了，方法是：任何测量结果，其数值的最后一位必须与不确定度所在的那一位数对齐。即测量结果最后的有效数位，完全取决于不确定度所在的那位数，后面多余者按规则取舍。,例如：,测量某物理量d=0.5002(单位)，估算不确定度,（单位）,测量结果：,五.实验数据处理常用方法, （一） 列表法, （二） 作图法（图示法；图解法）, （三） 逐差法,1.列表法,列表法示例1: 伏安法测电阻数据记录,电流I和电压U均为直接测量量； 电流I的单位：A ；电压U的单位：V； 按有效数字规则记录数据。,2. 作图法,(1).选取坐标分度。,（3）.描实验点。（ 等),（4）.连线。,连成光滑的曲线、直线，连线不一定通过所有的实验点，,使实验点均匀分布在曲线的两侧。,（5）.取点计算。（斜率，截距等）,所取点的标注应与实验点有区别。,计算斜率、截距时不能用实验点。！,（6）.曲线标注。,0,10.0,20.0,30.0,40.0,50.0,电压V(v),电流I(mA),1.0,2.0,3.0,4.0,5.0,(10.0,0.60),(48.0,4.70),4.5v,2. 逐差法,例：杨氏模量实验（钢丝不断地增加等负荷情况下，测定其伸长量x的平均值）,逐差法取平均：,测量序号：1 2 3 4 5 6 7 8 测量值： x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8,逐差伸长量： x1 x2 x3 x4 逐差伸长量的定义（分两组）： xi=xi+4-xi,逐差法具有充分利用数据，减小误差的优点,实验注意事项 迟到15分钟，取消实验资格。请假要有有效的假条