交大版物理实验绪论.ppt

1,大学物理实验绪论课郑2013.3.2,2,3,物理实验课程简介,课程序号：73S189Q课程性质：学科门类基础必修课分两学期进行物理实验I：春季学期，2学分，36学时（本学期）物理实验II：秋季学期，2学分，28学时教材：大学物理实验，成正维、牛原主编，北京交通大学出版社,4,主要内容绪论对测量结果重复性的评价,定性评价测量结果时：,正确度：反映系统误差的大小;高：测量数据的算术平均值偏离真值较少,测量的系统误差小但是：不能确定数据的分散情况,准确度：反映随机误差与系统误差综合大小的程度;高：系统误差和随机误差均小,21,随机误差：大小和正负随机变化的误差（未知因素）测量列具有分散性系统误差：大小和正负恒定的误差（仪器个人环境）测量列具有偏离性,实验中随机误差和系统误差同时存在。,22,精密度:反映随机误差大小的程度分散性,正确度：反映系统误差的大小偏离性,准确度：反映随机误差与系统误差综合大小的程度离散性,23,&2误差处理一、随机误差的处理（重点）二、系统误差的处理,测量结果的表达：值范围单位,24,&2误差处理一、随机误差的处理1随机误差的统计规律多次测量值呈现出统计规律正态分布,X测量值。其中a为几率最大的值。F（x）x值出现的几率。,25,单峰性误差绝对值小的概率大有界性误差的绝对值不超过一定限度对称性误差正负的概率相同抵偿性,26,1）概率密度最大处x=a,物理意义：表征测量值分散性的重要参数。,算术平均值,2）拐点坐标,为什么说只有理论的意义？,标准误差,27,2随机误差的估算（na）算术平均值,用测量结果的算术平均值最接近真值。可以作为测量结果的最佳估计。,28,实验标准差用实验标准差代替标准误差,S（x）是反映测量列离散性的参数。S值小，分布密集，精密度高，随机误差小；S值大，分布分散，精密度低，随机误差大。统计意义测量列中任意测量值落在区间x-s(x),x+s(x)的概率大约是68.3%。,贝塞尔公式,29,统计意义测量列中任意测量值落在区间x-s(x),x+s(x)的概率大约是68.3%。,30,平均值的实验标准差算术平均值也具有离散性，也服从正态分布理论证明：平均值的实验标准差是测量列中任意一次测量值标准差的倍。即,统计意义被测量的真值落在区间的概率大约是68.3%。,31,测量值的最佳估计值,测量值、算术平均值的分散程度,32,33,置信概率,置信区间,(5),34,t分布（学生分布）,当测量次数很少时，遵从t分布,以后，接近正态分布,峰值低于正态分布，而且上部较窄，下部较宽。,35,学生t-分布可简称为t分布。其推导由威廉戈塞于1908年首先发表，当时他还在都柏林的健力士酿酒厂工作。因为不能以他本人的名义发表，所以论文使用了学生（Student）这一笔名。之后t检验以及相关理论经由羅納德費雪的工作发扬光大，而正是他将此分布称为学生分布。,36,继续检验，直到无坏值为止。,检测流程,1、拉依达准则（要求n9),为粗差,为坏值应剔除.,剔除,坏值的剔除,37,对某物体进行15次测量，测值为：,11.4211.4411.4011.4311.4211.4311.4011.3911.3011.4311.4211.4111.3911.3911.40,检测是否有坏值。,例,计算:,38,所以11.30为坏值，应剔除。,余下的数据继续检验：,*检测情况与测量列构成有关，应n9。*,14个测量值均满足条件，无坏值。,39,2、肖维涅准则(要求n4次）,为粗差，xi为坏值,检测流程,3、格拉布斯准则（较复杂）,40,仪器误差,一般:,仪器示值误差：在正确使用仪器的条件下，仪器示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。用表示仪器标准误差：用来评定测量结果的随机误差。,41,二、系统误差的处理（非重点）两个问题：发现和消除1发现系统误差：通常是很困难的。理论分析实践对比数据分析2消除系统误差:结果的修正消除误差源适当的测量方法,42,&3有效数字有效数字的概念若干位可靠数加上最后一位可疑数的全部数字叫做有效数字。,读至产生误差的那一位，所得到的记录测量结果的数字即为有效数字。因此测量前一定要弄清仪器的准确度（或者知道仪器误差极限值）。,43,最小刻度是厘米的刻度尺，在毫米位上产生误差。测量结果为8.8cm。,最小分度值是0.05mm，在毫米的百分位上产生误差。故测量结果为5.15mm。0.515cm。,最小刻度是毫米的刻度尺，在毫米的十分位上产生误差。故测量结果为8.83cm。,最小分度值是0.01mm，在毫米的千分位上产生误差。故测量结果为8.562mm,0.8562cm,44,有效数字位数与哪些因素有关a）仪器的准确度例如厘米刻度尺8.8cm毫米刻度尺8.83cm游标卡尺8.835cm千分尺8.8352cmB）被测量本身的大小例如毫米刻度尺800.83cm,几点说明,45,单位换算与有效数字8.5mm=0.85cm=0.0085m=,2.50kg=2500g=错的,46,三、有效数字的运算1、加减：以各数中小数点后面位数最少的一个相同。7.649+1.02=7.65+1.02=8.6741.8-0.5254=41.8-0.5=41.32、乘除:以各数中有效数字位数最少的一个相同。7.996.5=523725.8136=27.43、乘方和开方：,47,5数据处理1列表法2作图法3图解法4最小二乘法,48,4最小二乘法,已知两个物理量之间满足线性关系y=bx+a实验的测量结果如下：,求：最佳直线方程如何得到最佳方程呢？由最小二乘法原理求出（回归系数）a和b.,49,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的函数值与各相应点测量值之差的平方和在所有拟合直线中应该是最小的。,数学推导得：,50,实验标准差,截距,斜率,测量值,51,称为线性相关系数，作为Y与X线性相关程度的评价。,相关系数,X、y完全线性相关,X、y不相关,52,53,54,55,3不确定度1.不确定度的概念测量结果的表示：最佳值可靠程度单位P不确定度是表征测量结果可靠程度的一种参数。可靠程度高不确定性小置信区间小可靠程度低不确定性大置信区间大,它反映了被测量的平均值附近的一个区域，而真值以一定概率落在其中。,56,2.不确定度的分类与合成分类A类不确定度和B类不确定度A类：用统计方法估算的不确定度分量。B类：用非统计方法估算的不确定度分量。,合成两类不确定度按“方和根”的方法合成。,57,3.测量结果的不确定度表示,说明,58,4.不确定度的计算直接测量不确定度的计算,59,60,用量程025mm的千分尺（）测量一工件的厚度，重复测量6次。数据如下,61,计算步骤归纳见P15,62,当无需、无法多次测量、或仪器精密度差，只测量一次时，,63,例：已知质量为m=（213.040.05）g的铜圆柱体，用0125mm、分度值为0.02的游标卡尺测量其高度，用0.001mm的千分尺测量直径，求铜的密度。,64,65,66,67,计算步骤归纳见P17,保留三位有效数字:,69,1.大学物理实验课的性质、作用和任务,3.误差理论：,2.大学物理实验课的基本程序和要求：强调：预习、课堂操作及实验报告的写法,实验大课教学内容,重点：测量结果的不确定度评定,4.本学期的教学安排和要求包括：上课时间、选课方法和注意事项、选课网址、导学系统网址、成绩评定、实验报告及绪论课作业的提交、第一阶段实验简介等等。,5.课外学习环节：包括：开放实验室、物理实验竞赛,70,物理实验课程简介,课程序号：73S189Q课程性质：学科门类基础必修课分两学期进行物理实验I：春季学期，2学分，36学时（本学期）物理实验II：秋季学期，2学分，28学时教材：大学物理实验，成正维、牛原主编，北京交通大学出版社,71,72,本课程预期达到以下要求1.在误差基本知识的基础上,学会如何得到真值的最佳估计值,如何估算在随机干扰下所产生误差的大小。2.通过分析实验过程各个环节上不确定度因素的存在,对总的不确定度作近似计算。3.掌握不同情况下数据处理的方法及特点。4.正确建立有效数字的概念。5.掌握有效数字的运算规律。,73,本次课作业教材P19五、六P31二P32三注意：作业写在实验报告纸上，不要用作业本！作业要求写出计算过程，作图题要用坐标纸按图解法的规定作图。作业成绩为10分，合并计入第一次实验的成绩中。在第一次上实验课时将作业交给当时的实验指导老师。,74,75,本学期教学安排,76,一、课程内容（本学期计划学时36学时）每位同学必须完成以下内容:,77,具体教学安排：,1、讲课I(4学时，第1周周六)内容：本学期教学安排和误差理论等。有作业，第一次实验时把作业交给老师。,2、基础实验（12学时，38周完成）：每个3学时，每个学生做4个实验（3个必选1个自选）。时段上网选。课后一周交报告（交报告箱）。,3个必选3.4.1滑线变阻器特性的研究及测量二极管伏安特性3.4.2示波器的使用3.4.3分光计的调整和使用,1个自选（3选1）3.4.4杨氏模量的静态法测量3.4.5刚体转动惯量的测量3.4.6等厚干涉与读数显微镜的使用,78,4、基本实验（12学时，914周完成）：每个实验3学时，每人做4个，时段题目自选。课后一周交报告。,5、考试：4学时第15、16周进行期末操作考试，考试时间为4学时，开卷，课上交报告。（全体学生分两批分别在15周、16周考试）,3、讲课II(4学时)内容：第1阶段实验小结，第2阶段实验介绍。具体时间、地点请注意看实验室选课网上的通知。（计划3月31日）,79,二、本学期实验时间表(表格中数字为周次,共分3阶段),清明节、“五一”、端午节放假按学校调课实际安排，请关注选课网上通知。,物理实验课程为开放式教学，在实验室开放的时间内学生可以自选上课时间和实验内容。按要求完成教学内容。,80,第一阶段实验上课时间（3-8周）：每周共10个时段(红色部分),81,选课方法和注意事项,选课网址：20,点击：物理实验教务系统,82,大学物理实验教务系统,从这里登录选实验,从这里查看各种通知,下次讲课时间安排、放假调课通知、未交报告学生名单等信息会及时发布在选课网站上，请经常浏览。,83,选课注意事项,第一阶段（基础实验）选课时间：2月19日中午12:00选课开始，可选定第一阶段的4个实验（顺序不分先后，注意必选3个和自选1个，每周只能做1个实验）。本学期课程资源有限，请尽早选定4个实验。初始选课密码为学号，注意修改！实验选定后可在网上自行调整（可退、可选），但不能退两天之内的实验，特殊原因需持医院证明或学院教学科签字盖章的证明，到7308魏老师处办理。选课后记清自己所选的实验名称和时间段，做好预习，按时上课。无病事假证明未做实验补做成绩按7折计。平时实验选课问题咨询：周二、四下午2:00-5:007308魏老师（电话:51688483-15）第二阶段和考试实验选课时间第二次大课时通知。,84,上课注意事项,每个实验做完一周后应及时交报告，以免影响成绩。每一阶段实验结束一周后在网站上会公布未交报告的学生名单，请注意查看。如有问题及时与任课教师联系解决。上课不要迟到，迟到10分钟不能做实验！上课必须要有预习报告，否则不能做实验。实验中如遇到问题及时与任课教师联系，不要随意更换仪器！实验结束后一定要让教师签字！合格后整理仪器，经教师同意后方可离开实验室。不能替做实验和考试，一经发现双方均按不及格处理！,85,实验成绩考核,平时成绩：每个实验10分，包括第1次课的作业共90分。期末考试：50分。学期总成绩：总计140分，折合为百分制报出。,注意：实验课没有补考，不及格只能在下一年重修！,86,物理实验好帮手：导学系统,大学物理实验导学系统，配合我校大学物理实验精品课程的分层次教学内容，内容涵盖实验室当前所开设的全部大学物理实验项目基本实验、基础实验、专题实验、设计性实验、基本仪器介绍针对实验课各个环节，全方位地为同学们们提供指导和帮助，扩展了进行物理实验的时间和空间课前预习课后复习课堂上帮助解决常见多发问题,87,物理实验好帮手：导学系统,实验预习复习时可以参阅“物理实验导学系统”的相关内容。8/dxxt,88,目的：既为正常实验课完成实验困难的学生提供一个实验学习的额外机会，也为热爱实验基础好能力强的学生提供一个施展才干的全新平台。地点：7312时间：第5周到第13周，每周7个时段每周二、四：下午2:00-5:00，晚上6:30-9:30周六：上午8:30-11:30，下午2:00-5:00，晚上6:30-9:30形式：无需预约，持本人学生证进入,课外学习环节（1）开放实验室,89,课外学习环节（1）开放实验室,内容：包括大学物理实验课程内的所有实验项目和相关仪器设备操作。方式：补缺。实验课上未完成实验或选课后错过的实验，可在开放实验室继续完成，由值班老师签字确认，报告交到原选课教师报告箱，由原任课教师给出成绩。（注：成绩实验成绩0.7）提高。热爱实验、基础好能力强的学生，采用固定场所和时间开放实验设备，学生阅读设备说明书，自行进行实验操作，并随时得到值班老师的实验指导。创新。鼓励同学们基于开放实验室的设备，提出对课上实验进行拓展或设计新实验的方案，申请和进行物理实验小项目。项目完成后，可申请大物实验成绩加分，项目成果可参加实验竞赛或挑战杯。挑战。可在此进行物理实验竞赛准备。,90,开放实验室掠影,91,课外学习环节（2）物理实验竞赛,竞赛目的：激发对物理实验的兴趣与潜能，培养学生创新能力、实践能力和团队协作意识。参加竞赛你能够：学习知识、开阔眼界、锻炼能力、收获友谊参赛要求：在册本科生，自由组队，参赛组数不限，每组1-2人。竞赛共设4个题目，可选其中一个题目北京交通大学物理实验竞赛从2008年开始，今年是第五届。本届竞赛时间安排竞赛题目公布：2012年4月竞赛报名：2012年6月比赛时间：2012年9月（入围赛），10月（决赛）,92,评奖：设立一等奖、二等奖和三等奖，奖项数量和比例按照学校规定获奖者择优推荐参加北京市大学生物理实验竞赛（11月）和全国大学生物理实验竞赛（12月）入围及获奖者将获得秋季学期物理实验课程成绩加分具体通知、报名和题目请关注竞赛网站13:8081/,课外学习环节（2）物理实验竞赛,93,竞赛网站13:8081/,94,上届物理实验竞赛题目,题目一：实验研究肥皂泡或肥皂膜的物理特性。题目二：测量发光二极管的物理特性，并以发光二极管为基本部件，搭建一小型应用装置。题目三：学生在校期间完成的物理思想清晰，物理知识点明确的实验制作。题目四：学生在校期间完成的物理思想清晰、与实验相关的科研论文和教学论文。教学论文包括物理实验内容和方法的改进、现代测量技术在物理实验中的应用以及实验数据处理优化等。论文限35页，按物理实验期刊格式撰写。,95,物理实验竞赛掠影,96,通知,购买实验报告纸：7308室每人5元（含10张实验报告纸+10张原始记录纸1张坐标纸）请以班级为单位集体购买时间：第2周的周二和周三上午9:00-11:00，下午2:00-4:30,97,本学期教学安排,98,一、课程内容（本学期计划学时36学时）每位同学必须完成以下内容:,99,具体教学安排：,1、讲课I(4学时，第1周周六)内容：本学期教学安排和误差理论等。有作业，第一次实验时把作业交给老师。,2、第一阶段基础实验（12学时，37周完成）：内容：物理实验常用仪器的使用。每个学生做4个实验（3个必做1个自选），每个3学时。时段上网选。课后一周交报告（交实验老师报告箱）。,3个必做3.4.1滑线变阻器特性的研究及测量二极管伏安特性3.4.2示波器的使用3.4.3分光计的调整和使用,1个自选（3选1）3.4.4杨氏模量的静态法测量3.4.5刚体转动惯量的测量3.4.6等厚干涉与读数显微镜的使用,100,4、基本实验（12学时，913周完成）：内容：物理实验基本方法。每人选做4个实验，每个3学时，时段题目自选。课后一周交报告。,5、考核性实验：4学时第15、16周进行，时间为4学时，开卷，有附加数据处理题，当堂交报告。,3、讲课II(4学时)内容：第1阶段实验小结，第2阶段实验介绍。计划4月13日,地点同第一次大课。,101,二、本学期实验时间表(表格中数字为周次,共分3阶段),节日放假按学校调课实际安排，请特别关注选课网上通知，以免错过实验。,物理实验课程为开放式教学，在实验室开放的时间内学生可以自选上课时间和实验内容，按要求完成教学内容。,102,第一阶段实验上课时间（3-7周）：每周共12个时段(红色部分),103,选课方法和注意事项,选课网址：20/Default.aspx,从这里登录选实验,104,从这里下载课件、查看各种通知,大课课件、下次讲课时间、放假调课通知、开放实验室通知、未交报告学生名单等信息会及时发布在选课网站“通知查看”栏，请经常浏览。,105,选课注意事项,第一阶段（基础实验）选课时间：3月3日中午12:00选课开始，可选定第一阶段的4个实验（顺序不分先后，注意必做3个和自选1个，每周只能做1个实验）。初始选课密码为学号，注意修改！实验选定后可在网上自行调整（可退、可选），但不能退两天之内的实验，特殊原因需持医院证明或学院教学科签字盖章的证明，到7308魏老师处办理。,106,选课注意事项,选课后记清自己所选的实验名称和时间段，做好预习，按时上课。无故未做实验可联系原任课教师补做，但成绩按7折计。平时实验选课问题咨询：周二、四下午2:00-5:007308房间魏老师（电话：51688483-15）第二、三阶段实验选课时间第二次大课时通知。物理实验中心新近开发了手机版选课系统，本学期为试用阶段，方法和注意事项如下。,107,手机版物理实验教务系统（学生用户）使用说明（试用）,1、登录大学物理实验教务系统,在“通知查看”中下载相关软件至用户电脑传入用户手机执行2、手机版只能利用校园wifi登录，目前不支持3G、GPRS登录。3、支持Android（安卓）2.3以上版本。,108,上课注意事项,上课不要迟到，迟到10分钟不能做实验！上课必须要有预习报告，否则不能做实验。实验中如遇到问题及时与任课教师联系，不要随意更换仪器！实验结束后一定要让教师签字！合格后整理仪器，经教师同意后方可离开实验室。每个实验做完一周后应及时交报告，以免影响成绩。每一阶段实验结束一周后在网站上会公布未交报告的学生名单，请注意查看。如有问题及时与任课教师联系解决。不能替做实验，一经发现双方均按不及格处理！,109,实验成绩考核,大课作业：10分第一阶段实验：每个实验10分，共40分。第二阶段实验：每个实验10分，共40分。考核性实验：30分。学期总成绩：总计120分，折合为五级九段制提交教务处。,注意：实验课没有补考，不通过只能在下一年重修！,110,物理实验好帮手：导学系统,大学物理实验导学系统，配合我校大学物理实验精品课程的分层次教学内容，内容涵盖实验室当前所开设的全部大学物理实验项目基本实验、基础实验、专题实验、设计性实验、基本仪器介绍针对实验课各个环节，全方位地为同学们们提供指导和帮助，扩展了进行物理实验的时间和空间课前预习课后复习课堂上帮助解决常见多发问题,111,物理实验好帮手：导学系统,实验预习复习时可以参阅“物理实验导学系统”的相关内容。8/dxxt,112,目的：既为正常实验课完成实验困难的学生提供一个实验学习的额外机会，也为热爱实验基础好能力强的学生提供一个施展才干的全新平台。地点：7312时间：见选课系统通知形式：无需预约，持本人学生证进入内容：包括大学物理实验课程内的所有实验项目和相关仪器设备操作。,课外学习环节（1）开放实验室,113,开放实验室掠影,114,课外学习环节（2）物理实验竞赛,竞赛目的：激发对物理实验的兴趣与潜能，培养学生创新能力、实践能力和团队协作意识。参加竞赛你能够：学习知识、开阔眼界