大学物理实验基础.ppt

大学物理实验课程基础知识（一）,大学物理实验课的作用,大学物理实验课是高等工科院校的一门必修基础课程，是对学生进行科学实验基本训练，提高分析问题和解决问题能力的重要课程。物理实验课和物理理论课具有同等重要的地位。,通过物理实验课程的学习，学生应在习惯、知识、能力等三方面达到如下要求：培养实验习惯、求实精神和科学实验基本素养。掌握物理实验理论基础知识、加深对物理学原理的理解。具有相应的动手和创新等实验能力,大学物理实验课的目的,一、教学内容,基础知识（第1第3周）上课教室：EJ306实验操作（第4周第9周）上课教室：F楼实验室操作考试（第10周）上课教室：F楼实验室,二、10周安排,第13周内在实验中心网上选实验课，每人选4个实验。第49周到F楼实验室上课。第10周操作考试。气垫F602电桥F602焦距F304分光计F304电位差计F105粘滞系数F105实验中心网址：,关于选实验方案的时间本学期（冬季学期）A（一）、B（一）、C（一）、理工（一）在第三周之前必须在实验中心网站完成选实验方案。下学期（春季学期）A（二）、B（二）、C（二）、理工（二）在第一周之前必须完成选实验方案。下下学期（秋季学期）A（三）、理工（三）在第一周之前必须完成选实验方案。实验C（二）、C（三），在第一周之前必须完成选实验方案。这些课没有预习课，做实验前必须认真看书并完成预习报告。,基础课要求,前三周必须签到。基础课后布置的作业，第4周上课时一定要交。,三、学习程序,第一：课前预习实验能否顺利进行的关键第二：课堂操作实验数据的测量第三：课后总结实验的总结，完成实验报告。,物理实验课各项所占比例,实验预习（一节课）20实验操作（二节课）40实验报告（课后完成）40,物理实验基本程序和要求,1.实验课前预习预习讲义中与本实验相关的全部内容,预习课上要求完成预习报告。,预习报告的格式,写在专用的预习报告纸上实验名称电路图或光路图（实验原理图）实验原理公式及推导原始数据记录表格预习思考题（预习课后完成）,(3)注意观察实验现象，认真记录测量数据，将数据填入实验记录表格,数据须经指导老师检查及签字。实验数据用圆珠笔或水笔记录在预习报告的原始数据记录表内，不允许随便修改数据。(4)实验后请将使用的仪器整理、还原。,2.实验操作(1)上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。(2)必须在了解仪器的工作原理、使用方法、注意事项的基础上，方可进行实验。,实验报告格式,实验名称实验目的：实验原理：原理简述、公式、电路图或光路图。实验仪器：主要仪器的名称、型号。实验内容：主要操作内容。数据记录表格和处理：公式代入数据计算实验结果：,实验课后按要求完成实验报告、并在次周上交。上交地点：F楼上课的实验室实验报告应在一周内完成，下一周上课时交给上课老师，晚交一个小时扣5分，课堂上面写报告，扣10分。迟交周或教学第10周结束后拒收报告，报告成绩记0分。无预习报告者，报告成绩为0分。,实验报告的上交：,学好物理实验课必须做到,思想重视目的明确实事求是希望同学们能重视这门课程的学习，真正能学有所得,操作要求：没有预习报告者不能上实验课。上课时不迟到，不无故缺课。为了不影响其他同学做实验，迟到15分钟不允许进实验室做实验，但给予补做一次的机会，同时扣除实验成绩15分。不得违反操作规程。不得抄袭他人数据。原始数据记在预习报告的表格内，实验完毕应将数据给老师检查签字，然后整理仪器，方可离开。,关于学生请假的规定：病假凭校医院证明且必须补做（必须在病假后一周内补做），最后一周实验在没有时间补做的情况下可以免修一个实验，（成绩登陆时输入免修）。其他实验必须补做，否则按零分记成绩。补做实验必须在考试周之前完成。具体时间由学生与任课教师协商。事假凭教务处证明可以补做，任何其他证明一律不可以补做。而且补做实验必须在考试周之前完成。具体时间由学生与任课教师协商。,注意事项,预习报告和实验报告上写明：上课时间、学号、姓名。教师签字的预习报告和实验报告一起上交（次周上课时间交）。实验报告不能相互抄袭。发现后此实验成绩为零分。,成绩评定：,平时成绩（70），考试（30）。平时成绩（三次签到基础作业）4个实验总评成绩平时（70）考试（30）实验报告上的分数=预习+操作+报告,考试不准带教材和已批改的实验报告实验总评成绩59.5分为及格,一.测量与误差的基本概念二.误差分类三.测量结果表示和不确定度计算四.有效数字及其表示五.数据处理方法（列表法、作图法）,基础课主要学习内容：,物理学中有七个基本物理量，其基本单位是：,长度的单位：米；质量的单位：千克；时间的单位：秒；电流的单位：安培；热力学温度的单位：开尔文；物质的量的单位：摩尔；发光强度的单位：坎德拉。,1-1测量与误差,一、测量测量：借助一定的仪器或量具，通过一定的实验方法来实现标准量与待测量的比较。,测量的分类,按方法分类：,按测量条件（人员，方法，仪器，环境）分类：,直接测量,间接测量,等精度测量,非等精度测量,误差：由于各种原因，测量值和真值总是存在着差异，测量值和真值之差为测量误差。,三、误差,任一物理量都有它的客观大小，这个客观量称为真值。真值与测量所用的理论方法及仪器无关。,真值：,误差存在于一切测量中，误差可以控制得越来越小，不可能为零。,绝对误差=（测量值真值）单位,反映测量值对真值的偏离的大小、方向,相对误差（绝对误差/真值),通过测量可判定真值在一定范围内的分布情况,百分误差与理论值（公认值）比较判断测量的优劣程度。,百分误差,当被测量值有公认值或理论值时，可用百分误差来表示。,实验结果包括：（三要素）测量值、单位、不确定度,1-2误差分类,误差根据其性质来源分为系统误差随机误差粗大误差,一.系统误差,在相同条件下多次测量同一物理量时，测量结果出现固定的偏差，即误差的大小和符号始终保持恒定，或者按某种确定的规律变化。例如：（1）螺旋测微器的零点读数（误差恒定）（2）比热测量的热量散失（可预知其变化）,系统误差的来源：理论和方法误差:（伏安法测R没有考虑电表的内阻）仪器和设备误差:（天平不等臂或没调水平，电表零点不准）个人误差（按秒表总是超前或滞后）环境误差（环境温度随时间变化）,系统误差的特点：规律性,系统误差的分类及处理方法：(1)已定系统误差（理论和方法误差）：必须修正电表、螺旋测微计的零位误差；测量电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。,已定系统误差的修正,(2)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。,注意：多次测量不能减小和消除系统误差。,产生的原因:测量时的一些随机的，不可预测的偶然因素造成的。特点:大小、正负随机变化。随机误差的统计规律：服从正态分布。,二.随机误差,随机误差,在一定条件下对一个物理量多次测量，发现它服从统计规律。对称性单峰性有界性抵偿性（最本质的特性）,随机误差是不能消除的。增加测量次数，可以减小随机误差。（多次测量的依据）,随机误差,因为仪器故障、设计错误、操作不当等造成测量错误，不是测量误差。要剔除。,粗大误差,随机误差的表示方法标准差,贝塞尔(bessel)公式,随机误差服从统计规律，具有一定的统计意义，表示任一次测量的误差落在内的概率为68.3,测量次数：大学物理实验,测量列标准差的统计学意义,标准差反映了测量值的离散程度当测量次数足够大时，测量列中任一测量值与平均值之差落在正负标准差范围内的概率为0.683.落在2倍正负标准差内的概率为0.955.落在3倍正负标准差内的概率为0.997.,标准差小：表示测量值很集中，随机误差分布范围窄，测量的精密度高。标准差大：表示测量值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,标准差,实验中所指的误差：,误差,随机误差,系统误差,在实际测量中，很多误差是无法准确判断起从属类型的，严格划分系统误差和随机误差是不可能和没必要的。,三.仪器误差（仪）：正确使用仪器的条件下，测量所得结果的最大误差限。其本身包含系统误差和随机误差两部分。常用仪器的仪器误差：钢直尺仪0.5mm（最小分度值的一半）游标卡尺仪0.1mm（10分度）仪0.05mm（20分度）仪0.02mm（50分度）千分尺仪0.004mm,电表仪量程等级%,电表仪量程等级%,电表仪量程等级%,能估读的仪器：钢直尺、千分尺、指针式电表,不能估读的仪器：游标卡尺、数字式仪表,1-3不确定度（U）与实验结果的表示形式不确定度是对测量误差的一种综合评价,是测量量的真值以一定的概率落在某一量值范围的估算不确定度的大小,反映测量结果的可信赖程度根据对不确定度的要求，确定实验方案,一.两类分量A类分量A用统计方法估算的分量，一般指随机误差，例如标准偏差（用贝塞尔公式计算ASx）。B类分量B用非统计方法估算的分量，一般指系统误差，例如仪器误差（B仪)。,按照“国际计量局实验不确定度的规定建议书”中的规定方法，不确定度可分为两类。,测量中的误差是不同性质的分误差的总体表现，因此测量结果的不确定度一般应包含若干分量,二.不确定度物理实验中一律采用不确定度(U)来评价测量结果。不确定度定义式：,三.测量结果的表示形式实验结果应包括测量值（数值和单位）、不确定度UN、相对不确定度EN,本课程采用的约定概率为p0.95，即表示被测量的真值落在（、）范围内的可能性为95。,相对不确定度,相对不确定度EN：用百分数表示，没有单位。,1-4直接测量结果的表示一.一次测量不考虑A类分量，只考虑B类分量仪器误差仪,单位,不确定度定义式,实验结果表示式：,二.多次直接测量测量值的最佳值算术平均值考虑A类分量、B类分量实验结果表示式：,单位,不确定度定义式,多次直接测量结果的计算程序归纳如下：,1.计算测量列的算术平均值测量结果的最佳值；2.计算标准差，作为U的A类分量；3.估算不确定度U的B类分量,4.求不确定度5.写出最终表示式单位,例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值di分别为:0.249,0.250,0.247,0.251,0.253,0.250;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。,直接测量,单位,直接测量,用米尺测量一正方形的边长6次测量值ai分别为:2.01、2.00、2.02、1.99、1.98、2.00单位cm，已知米尺的仪器误差为仪=0.5mm，请给出完整的测量结果。,1-5间接测量结果的表示一.间接测量的最佳估计值设：x、y、z各自独立，误差理论可以证明间接测量量的最佳值为：,二.间接测量的不确定度UN估算设：x、y、z各自独立。