大学物理实验绪论.ppt

齐齐哈尔大学理学院大学物理实验中心,大学物理实验绪论,张全昌,总学时48，总学分3学分,课程概况,本学期20：,下学期28：,基础知识2学时,实验9个，18学时,实验6个，24学时,演示实验一次，2学时,实验操作考试一次，2学时,实验考试一次，主要为笔试,大学物理实验课说明,1.带学生证，上课时教师要检查。2.带校园卡，上课时要划卡做实验。3.没预习或预习不认真的同学，任课教师有权另行安排。4.实验内容应在上课时间内完成，没完成者另找时间补。5.实验报告需下次上课时上交，科代表将报告按序号排好，个人单独交报告不予受理。,6.自带数据或实验操作结果以及实验报告雷同者，一律按零分处理。,10.第一个实验为实验一（长度测量），按选课的时间到西主7楼按学号进ABCD室做实验,以后循环。,9.非教务处安排的各种活动不许耽误正常课程。,8.事、病假学生的补作实验：在实验课开课时，缺实验课的同学自己找时间（在有空仪器的情况下）可以补做。,7.每个实验成绩的计算办法为,预习(1分),=实验成绩(5分),+实验报告编写(2分),+操作(2分),每人买10份报告纸，2张坐标纸,实验报告纸:,按自然班集体购买,到西主711室找孙少歌老师购买,共计3.6元钱，班长负责,一、物理实验课教学目的,教学目的和基本程序,二、理实验课基本程序,（一）课前预习,（二）课堂实验操作,（三）课后书写实验报告,（四）期末考查,物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的发展中占有及其重要的地位。大学物理实验课是对学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修的重要基础课程，是学生在大学里受到系统实验技能训练的开端。它在培养学生运用实验手段去分析、观察、发现乃至研究、解决问题的能力方面；在提高学生科学实验素质方面，都起着重要的作用。可以说，物理实验课是大学里学习或从事科学实验的起步。同时，它也将为学生今后的学习、工作奠定良好的实验基础。,一、教学目的,该课教学目的主要有以下几点：,1.进行实验方法和实验技能的基本训练。,在物理学的发展中，人类积累了丰富的实验方法，创造设计出了各种精巧的实验仪器，涉及到广泛的物理现象。希望大家在学习的过程中，不但要注意锻炼自己分析问题解决问题的能力，更应注意从中学到创造性的思维方式。,3.培养严肃认真的作风、实事求是的态度，以及优良品德。,2.综合能力的培养。,1.初步了解实验方法和关键步骤。2.认真填写预习报告（按标准预习报告填写），3.画出实验原理图和实验表格。,二、基本程序,（一）课前预习,认真阅读实验讲义，明确实验目的和实验原理,（二）课堂实验操作,实验者应准时来到实验室进行实验。首先，在实验前应认真对照讲义上的仪器介绍或听老师的讲解熟悉仪器，禁止盲目动手。其次，在进行实验操作时，严格遵守实验规则，爱护实验仪器，未经许可不得调换仪器。实验过程中如果发现仪器设备出现故障，应及时报告指导教师。最后，实验结束后要实事求是地记录实验数据，实验数据一律用钢笔或圆珠笔填写。实验完毕后，实验数据需经教师检查签字后方可离开。,（三）课后书写实验报告,一份完整的实验报告应包含以下几个内容：1、实验名称。2、实验目的。3、实验仪器。4、实验原理,6、班级、学号、姓名、实验、日期也应写全。,(简要叙述相关的物理学内容，画出原理图、装置示意图或电路图、光路图，写出主要计算公式及公式中各量的物理含义和公式限定的条件等)。,5、数据表格,(包括物理量名称、单位、简单的公式)。,7、数据处理及结果。数据处理要有完整的计算、作图和不确定度的估算，而且计算要有简洁的计算式子；代入的数据要有根有据，作图要美观、规范。最后要给出实验结果，得出实验结论。8、回答问题或讨论。9、原始数据(完整的预习报告和签字的实验记录)如发现原始数据有错、漏等情况，应予以重测或补测。实验报告书应字迹工整、措词简练、步骤完整、数据真实、图表齐全、书写规范。,（四）期末考查,3.考查内容一般为本学期所做的实验内容，包括实验原理，数据处理，以及课上补充的内容。,1.在完成规定数目的实验并交齐实验报告书后方可参加期末考查。,2.实验课成绩是平时成绩和期末考查成绩的综合。,实验数据处理的基本知识,一、测量、误差和不确定度基本概念,1.测量：借助仪器把待测物理量的大小表示出来的过程。,110cm,能用测量仪器直接获得测量结果的测量称为直接测量。,（一）测量和误差,直接测量,0,从一个或几个直接测量结果按一定的函数关系计算出来的的过程，称为间接测量。,M,间接测量,测量值N与真值之间总存在一定的差异，这种差异称为测量误差，表示为：,真值:是反映物体特性的某一物理量在一定的条件下所具有的真实数值,2.误差,误差测量值真值,我们称之为测量的误差(也称绝对误差）。,绝对误差N与测量值N有相同的单位,（二）误差的分类,误差的产生及其原因是多方面的，我们一般从其性质和来源，将误差分为三类：1.系统误差2.偶然误差3.过失误差,1.系统误差,在相同条件下，多次测量同一量值时，绝对值和符号保持不变；或在条件改变时，按一定规律变化的误差称为系统误差。（服从因果规律）其来源包括以下几个方面：（1）仪器误差：由于仪器本身的缺陷或没按规定条件调整、使用所造成的误差（如天平、砝码、电压电流表未按规定定期送检，以及仪器零点校正不准）。（2）方法误差：由于实验方法本身或理论不完善所造成的误差（如用伏安法测电阻时未计及电表的内阻）。,伏安法测电阻,a电流表外接,b电流表内接,（3）个人误差：由于观察者生理或心理特点造成的误差。通常与观测人员的反映速度和固有习惯等有关（如有的人对准目标时总是偏左或偏右，致使读数偏大或偏小）。（4）环境误差：由于外界环境（如温度、光照、电磁等）的恒定偏离规定条件时而产生的误差。,系统误差具有确定性，它总向一个方向偏离或按一定规律变化。在实验中可以通过校准仪器、改进实验设备、选择更好的实验方法或进行理论修正来消除或尽量使之减小。对于那些既不能修正，又不能消除的系统误差应根据具体情况在测量误差（或测量不确定度）中反映出来。,2.偶然误差,在实际测量中，由于某种偶然的原因，使测量结果在测量平均值附近起伏变化，由此产生的误差称为偶然误差。,温度忽高忽低,电压漂移起伏,偶然误差的特点：在相同条件下，对同一物理量作多次重复测量（专业术语：等精度重复测量），其测量值将有时偏大，有时偏小。每次测量值的偏大偏小具有偶然性，但只要测量次数足够多，测量所得到的一系列数据的偶然误差就服从一定的统计规律，即正态分布规律。,特点：1.单峰性：绝对值小的误差出现的概率大2.对称性：绝对值相等的误差出现的概率相同3.有界性：绝对值很大的误差出现的概率趋于零4.抵偿性：当测量次数足够多时，正负误差的代数和为零,增加测量次数可以减小偶然误差，但不能消除,3过失误差,那些因为设计错误、操作不当、仪器损坏或测读错误等人为原因造成的测量错误，将得到一些坏记录。尽管有人把由此而产生的误差归类为过失误差，但在实质上它们不能算作是误差。在工程上人们指定了若干法则(如3规则)，用来发现及剔除那些坏记录，以消除过失误差。,（三）测量不确定度,然后我们说：真值落在该范围内的概率是多少，这个就叫做测量的不确定度。,我们测量某物理量时，总是想要找到物理量的真值。而真值又无法确切知道，所以实际测量中，我们只能提供一个范围。例如,*不确定度的权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际计量局(BIPM)等七个国际组织1993年联合推出的*不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。不确定度是一定概率下的误差限值。*由于真值的不可知，误差一般是不能计算的，它可正、可负也可能十分接近零；而不确定度总是不为零的正值，是可以具体评定的。,测量误差与不确定度,A类不确定度,B类不确定度,不确定度分类,服从统计规律的那一部分分量,不服从统计规律的那一部分分量,合成不确定度,二、直接测量误差的估计,（一）单次测量结果的误差估计,1、最大误差：,2、标准误差：,取仪器误差,估计误差,仪器的分度值,仪器的分度值的一半,在物理实验中，常常遇到的仪器误差是指国家标准规定的或生产厂家给出的计量工具、计量仪表的准确等级或允许的误差范围，并且根据测试方法或使用条件的简化约定，我们通常用N仪表示。它是仪器的最大可能误差，其置信概率为99.7%，属于B类不确定度。,注意：,(二)等精度多次测量结果的偶然误差估计,对某物理量做了次等精度测量，其值分别为：,算术平均值,偏差,算术平均误差,标准误差,最大误差,相对误差,为评价测量结果的优劣，还要看测量量本身的大小，为此引入了相对误差的概念。它定义为测量量的绝对误差与测量量的测量值之比，相对误差是一个比值，没有单位。,测量结果的表示,迈克尔.乔丹,意大利：比莎斜塔,三、间接测量误差的估计,1、一元函数关系,绝对误差,相对误差,设待测的间接测量值为N，与之有关的各独立的直接测量值为x，y，z，他们之间的函数关系为：,间接测量结果的误差公式,2、多元函数关系,绝对误差,相对误差,四、测量的不确定度的计算,（一）直接测量不确定度的估计,A类不确定度,B类不确定度,不确定度,1、单次测量结果的不确定度估计,2、多次测量结果的不确定度估计,A类不确定度,A类不确定度,B类不确定度,大学物理实验中可简化为,不确定度,（二）间接测量不确定度的传递与合成,间接测量结果的不确定度同间接测量结果的误差一样，是由直接测量结果的不确定度传递而来的，其传递公式与其标准误差传递公式形式完全相同，为方和根合成，只是多了个B类，且A类和B类也是为方和根合成，因此，间接测量结果的不确定度传递与其标准误差传递公式形式完全相同，只要将直接测量结果的标准误差改写成直接测量结果的不确定度u，便可得到间接测量结果N的不确定度传递公式。讲义第9页，表1-3-1，1-3-2,（三）测量结果的完整表示,仪器零点误差d0为+0.002mm，,1.5201.5211.5161.5241.5151.5251.519,例题:,用螺旋测微器测得一钢丝直径D，仪器误差0.004mm，,测量6组数据如下：单位mm,测量数据算数平均值：,零点修正后平均值：,测量结果：,五、有效数字,（一）有效数字的概念,有效数字:几位可靠数字加上一位存疑数字,两位可靠数字加上一位存疑数字为三位有效数字,1.11,1.12,1.13,1.12,mm,（二）有效数字的性质和说明,1、有效数字的位数与小数点的位置无关。2、“0”在有效数字中的特殊地位。1206cm2.0000mm0.000125cm0.001206mm,电子的电荷库仑四位有效数字,4、如遇到测量结果是用科学计数法表示时，指数部分不计入有效数字的位数,3、参与计算的常数，如4，e等，其有效数字的位数可以认为是无限的,四位,三位,五位,四位,5、对需要修约的各种数值尾数采取“四舍六入五凑偶”法则处理。,如在54805643数字中舍去“43”时，45，则应为548056,“四舍”,如在54805643数字中舍去“643”时，65，则应为54806,“六入”,如在54805643数字中舍去“5643”时,5右边的数字并非全部为零,则进一，应为5481,如在54805000数字中拟舍去“5000”时,5右边的数字全部为零时,若5前为为奇数，如：54815000数字中拟舍去“5000”时,我们称为,若5前为偶数（包括0）则不进,故此时应为5480,则进一,故此时应为5482,“五凑偶”,（三）有效数字的运算,准确数+准确数=准确数准确数+存疑数=存疑数存疑数+存疑数=存疑数进位视为准确数计算结果保留一位存疑数,结果：24.3,结果：42.2,一般规律,3.乘方开方：与底的有效数字位数相同,1.加减法:以参加运算的各数中最大的可疑的位置为准取齐。,2.乘除法：与参与运算的有效数字最少的那个数位数相同,20.1+4.178,=42.1978,取成.932。,最大可疑位为十分位,=24.3,=24.278,有效数字位数最少的为三位,=42.2,4.17810.1,约定：,1.表示测量结果的有效数字的末尾数永远与不确定度（绝对误差）的末尾数具有相同的数量级（即尾数对齐）。2.计算过程中，中间的运算结果可以适当多保留一到二位有效数字。3.不确定度（绝对误差）取一位有效数字，相对不确定度（相绝对误差）可以取二位有效数字。只入不舍、宁大勿小。,如0.123,0.2,0.13,一位,二位,改错：,1.N=（2.5860.036）,改为：（2.590.04）,2.N=（23.9560.0201）,改为：（23.960.03）,3.N=（2.361051000）,改为：（2.360.01）105,4.N=1.231.235=1.519,改为：1.52,已知：A=(71.30.5)cm；B=(6.2620.002)cm;C=(0.7510.001)cm;D=(2711)cm,求：,解：（1）,结果：,（2）,结果：,解：（1）计算各个直接量的不确定度,讲义第14页例题6,圆柱体的质量为单次测量：,圆柱体的高：,所以huh39.900.05mm,圆柱体的直径：,所以dd14.9250.005mm,（2）计算圆柱体的密度：,（3）计算合成不确定度,相对不确定度：,（4）测量结果：,合成不确定度：,六、测量数据的处理方法,（一）列表法,2.标明坐标轴：方向，坐标轴的名称、单位,分格。,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，应使图线两边的实验点与图线最为接近且分布大体均匀。,3.标实验点：,（二）作图法,1.选择合适的坐标分度值确定坐标纸的大小,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。,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。,由图上A、B两点可得被测电阻R为：,（三）逐差法,如果两个物理量之间满足线性关系，而且自变量是等间距变化，