大学物理实验

免责声明,1.本账号发布文档来源于互联网和个人收集,仅用于技术分享交流用,版权为原作者所有.2.文档内容纯属来自网络意见,与本账号立场无关.涉及政治言论一律相应删除,请大家监督.3.请下载试用后二十四小时内删除,试用后请购买正版地资料或资源.4,如有侵犯原您地版权,请提出指正,我们将立即删除相关资料.,大学物理实验绪论及实验理论主讲教师：魏怀鹏河北工业大学物理实验中心2009年2月25日,使用教材：普通高等教育“十一五”规划教材大学物理实验（第二版）北京.科学出版社出版,主讲内容：1.物理实验的性质、目的和重要作用2.上好物理实验课的三个重要环节3.误差理论和数据处理实验室制度开放实验与网上选课、实验报告与成绩课外活动：自主学习与创新训练竞赛活动,1.物理实验的重要作用,1.物理实验的性质目的和重要作用,1-1基本性质、重要作用物理实验-研究物质运动一般规律及物质基本结构的一门实验科学。-是进入大学后第一门实验类基础课程，-与科研（探索性的科学实验研究）不同；-是从事科学实验的第一步。实验题目-每个都是经过精心设计、安排，实验结果-比较有定论。实验课程-对以学习掌握基础知识、基本技能、基本方法、提高解决实际问题的能力、培养创新能力，作用至关重要。理论建立、规律发现（一切物理及科研的）-必须以客观事实为基础，以严格的科学实验为基础，-必须依靠观察和实验，并通过科学实验来证实。,总之，重要作用1：物理实验-在物理学的发展过程中起着重要和直接的作用。实验过程-可以发现新事实，实验结果-可以为建立物理规律提供依据。例如：经典物理学（力、电磁、光）规律-是无数实验事实依据的总结X射线、放射性和电子等发现-为原子及核物理等学科发展奠定了基础卢瑟福大角度粒子散射实验-从分析结果提出了原子核基本模型,1.物理实验的重要作用,重要作用2：实验-是检验理论正确与否的重要判据理论（规律、公式）-必须经受实践检验，只有被实验证实，才会得到公认。例如1：,例如21905年爱因斯坦的光量子假说-总结了光的微粒说和波动说之间的争论，能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果；但是直到1916年，当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。1964年盖尔曼提出的夸克理论-1974年（丁肇中）J/粒子的发现才进一步证实。,1.物理实验的重要作用,1-2课程基本目的、要求1、基础训练：通过严格而系统的训练，学习掌握物理实验的基本知识、基本方法、基本技能。2、培养能力：学习用物理实验的方法研究现象、验证规律，加深对物理理论的理解和掌握，并在实践中提高发现问题、分析问题和解决实际问题的能力，研究与创新能力。3、素质教育：养成实事求是的科学态度，积极创新的科学精神。希望：重视课程学习，真正学有所得。,2.上好物理实验课的三个重要环节,一、实验预习（20%）看懂教材、明确目的、写出预习报告。1、写预习报告：实验目的、仪器简介、原理（文字叙述、示意图、电路、光路图等、公式及意义）、主要实验内容、关键步骤，注意事项等。2、数据表格：设计并画好原始数据表格，单独用一张实验报告纸。3、检查预习：课上教师检查预习情况，记录预习分。二、实验操作（40%）（按实验步骤分解计分）登记检查、调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原。1、登记检查：首先添写登记实验记录本；熟悉检查并登记仪器设备是否齐全、完好。2、调整仪器、分步操作：根据实验原理、内容、步骤、注意事项和教师要求等，先调整仪器设备，认真仔细，按步骤进行实验操作。3、观察现象、获取数据：记录数据不得用铅笔，数据正确并经教师签字后，必须仪器还原，经教师检查许可，才能离开实验室。4、训练能力、安全操作：注意人身和仪器安全；重视实验能力、作风培养；珍惜独立操作机会，注意团队协作；保证完成基本内容，鼓励自主设计实验，积极参与创新实践。,三、实验报告（40%）报告完整，规范整洁，数据处理正确有条理，按时提交1、实验报告专用纸：用河北工业大学实验报告纸。2、报告完整，规范整洁：凡预习报告中已写好目的、仪器、原理、图、内容、步骤等，不必重写；不完处整可补充；3、数据处理正确有条理：必须先重新整理原始数据记录表格，然后进行数据处理（计算应有主要过程）、作图、结果表示，讨论分析等。最后附上教师签字的原始记录。4、按时提交报告：实验结束或下次上课前一周内提交，由课代表，统一收取，交给任课教师或投入任课教师报告箱。逾期未交，酌情减分，一个月不交，按无报告处理。,演示文档标题,演示文档内容,小结：实验报告撰写内容格式,姓名：-学号：-班级：-日期：-一、实验题目：二、实验目的：1、2、3三、实验仪器：主要仪器简介，如名称：-规格：-编号：-等四、实验原理：（重点）原理叙述、主要公式、电路图、光路图、示意图等五、实验内容与步骤：（简明扼要）内容一：（简写）步骤：1、2、3（简写）六、数据表格与数据处理：（重点）1、原始数据记录：单独用一张实验报告纸2、特别注意：表格前写明“仪器名称、规格、量程、分度值、准确度”等3、数据处理：作图（必须用坐标纸）、计算（保留主要过程）七、结果表示、结论：（重点）实验结果（表示正确、单独列出），误差分析，讨论结论、体会八、讨论、分析和心得体会：（可以不写、最好写1-2点）。报告、习题作业：实验结束或下周上课前提交，由课代表，统一交给任课老师,成绩评定：A-优=90100分B-良=8089分C-中=7079分D-及格=6069分E-不及格59分以下（1次实验未做，成绩降一挡；3次以上实验未做，不及格）课外自主创新实践活动：“河北工业大学大学生自主学习与创新训练实践交流暨竞赛活动”，参见网上“创新教育”说明。网址：欢迎并鼓励同学们及报名参加！,实验室规章制度、开放实验及网上选课,1、卫生值日，整理复位仪器，课课代表负责制：保持实验室整洁，实验室内不许乱扔和滞留垃圾。每班（每次课）选1-2位课代表，负责收发作业，负责组织同学值日、打扫卫生、整理仪器归位。（1）按自然班上课时，每次课安排2-4名同学值日。（2）自由开放选课时，每次课由课代表组织值日。要求每位同学“各扫门前雪”，负责各自所在实验台周围的环境卫生，整理并复位仪器。2、无预习报告者，迟到15分钟以上者，不准参加本实验（记旷课）；可在规定时间内，选补实验并交补课费5-10元。3、课上不许互串实验室、接待访客、接打手机；允许“交头接耳”小声讨论问题。开放实验、网上选课，注意事项：1、网上选课，每周最多可选2个实验。选课网址：见黑板上。2、未选课者，不许插班上实验课。3、第2-4周，选力学、电学、光学基本测量3个必修实验，并按时完成。第5-10周，选其他10个实验中的6个，并完成。4、课代表负责，将实验报告及时交到，实验中心“任课教师收取实验报告箱”，教师批改后投放到“学生按班级取回报告箱”，课代表及时开启领取报告。,3.误差理论、数据处理方法,3-1测量与误差3-2系统误差-不确定度B分量3-3随机误差-不确定度A分量3-4不确定度估算的基础知识3-5实验数据有效位数的确定及运算规则3-6实验数据处理基本方法3-7数据的直线拟合（最小二乘法处理实验数据）,1.测量的含义测量-借助仪器将待测量与同类标准量进行比较，确定待测量是该同类单位量的多少倍的过程称作测量。测量数据-要写明数值的大小和计量单位。倍数读数+单位数据测量的要素-对象、单位、方法、准确度,3-1测量与误差,测量过程中注意的问题测量仪器的量程、精密度、准确度等级测量的读数规则：有的要估读，有的不用测量结果的表示（数值加单位）,所能分辨物理量的最小值,2.测量的分类,按方法分类：直接测量-指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算，而可直接得到被测量值的测量间接测量-指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系，经过计算从而得到被测量值的测量。按条件分类：等精度测量非等精度测量,3.误差与真值,任何测量结果都有误差！真值无法得到！,真值：待测量客观存在的值,(绝对)误差：,相对误差:,3-2系统误差-不确定度B分量1、误差分类系统误差：有确定性，可用特定方法来消除-不确定度B分量随机误差：有随机性。可通过多次测量来减小-不确定度A分量2、系统误差的性质、来源系统误差特点：大小、方向保持不变或按一定规律变化（恒定误差）系统误差来源：1)仪器误差2)环境因素3)理论（方法）误差4)个人误差3、系统误差发现：实验对比理论分析分析数据4、系统误差处理方法：可用替代法、异号法、对换法、对称观测法等方法处理。已定系统误差：必须修正如电表、千分尺的零位误差；电流表内接、外接忽略内阻引起的误差。未定系统误差：要估计出分布范围大致与B类不确定度相当。如：千分尺制造时的螺纹公差等,系统误差的4个来源：仪器误差,电流表外接,电流表内接,理论近似误差,.偶然误差,随机性,螺旋测微器测钢丝直径,例：,特点：,2-1测量误差和不确定度估算的基础知识,3-3随机误差-不确定度A分量,定义：在对同一量多次重复测量中，绝对值和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。如：电表轴承摩擦力变动、千分尺测力随机变化、读数视差影响。特点：小误差出现的概率大，大误差出现的概率小；多次测量时，分布对称，具有抵偿性；因此，取多次测量的平均值，有利于消减随机误差。,例2：用秒表测周期t（单摆）的随机误差,例1：打靶的随机误差,2-1测量误差和不确定度估算的基础知识,正态分布：大量相对独立因素共同作用下得到的随机变量服从正态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作服从正态分布。表示x出现概率最大的值，消除系统误差后，通常就可以得到x的真值。称为标准差，决定了线型的宽窄。P表示随机变量x在x1，x2区间出现的概率，称为置信水平。实际测量的任务是通过测量数据求得和的值。,标准误差(标准差),真值,一、随机误差的正态分布规律,大量的随机误差服从正态分布规律,0,随机误差介于区间内的概率为,为置信区间、P为置信概率,满足归一化条件,可以证明：,极限误差,0,正态分布特征：单峰性对称性有界性抵偿性,即,t分布,实际测量次数有限，可用n次测量值的来估算、：,但是由于测量次数小，数据离散度大，测量结果将不符合正态分布，而是符合t分布（t分布是从的性质得到的一种分布。其中自由度=n1。n小时，t分布偏离正态分布较多。n大时趋于正态分布）。,此时，的置信水平不是0.683，需乘以与置信水平、自由度有关的系数，得到置信水平为的结果：的值可查表.,可以证明平均值的标准偏差是单次测量的值的倍此时可用来表示实验结果.,二、随机误差估算标准偏差,误差：,偏差：,标准偏差：,1、标准误差与有限次测量的标准偏差,标准误差,2、标准误差与标准偏差的关系,随测量次数n变化,n-1,p,P=21页,表2.3.1不同置信概率p不同测量次数n下的因子,作任一次测量，随机误差落在区间的概率为。,小，小误差占优，数据集中，重复性好。,大，数据分散，随机误差大，重复性差。,3、标准偏差的物理意义,总面积=1,哪个测量结果最优?,三、测量结果最估计佳值算术平均值,算术平均值-是真值的最佳估计值,多次测量求平均值可以减小随机误差,四、平均值的标准误差与标准偏差,有限次测量的平均值不是真值，它也是一个随机量，也有误差。有时不严格区分与，统称为标准差。,平均值的标准误差,平均值的标准偏差,一、不确定度基本概念,被测量的真值所处的量值范围作一评定,测量结果：,3-4测量不确定度及估算,2-1测量误差和不确定度估算的基础知识,测量误差与不确定度,不确定度的权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际测量局(BIPM)等七个国际组织1993年联合推出的GuidetotheexpressionofUncertaintyinmeasurement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。不确定度-反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差的联合分布范围。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。,二、不确定度简化估算方法,A类分量：多次测量用统计方法评定的分量,B类分量：用其它非统计方法评定的分量,只考虑仪器误差,测量值与真值之间可能产生的最大误差,常用仪器误差见下表,2-2实验数据有效位数的确定,1、直接测量量（原始数据）的读数-应反映仪器的精确度,游标类器具（游标卡尺、分光计度盘、大气压计等）读至游标最小分度的整数倍，即不需估读。,2-2实验数据有效位数的确定,数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读取仪表的示值。,2-2实验数据有效位数的确定,指针式仪表及其它器具，读数时估读到仪器最小分度的1/21/10，或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1/51/3。,2-2实验数据有效位数的确定,直接读数注意事项,注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。,2、电表的准确度等级定义,（1）电表示值最大误差-由仪器的准确度级别来计算（指针式电表类）,（2）未给出仪器误差时估计:,举例:,数字秒表:最小分度=0.01s,（3）未给出仪器误差时,非连续可读仪器,总不确定度：由A类分量和B类分量按“方、和、根”方法合成总不确定度分为两类：标准不确定度、展伸不确定度（即扩展不确定度）1、标准不确定度：2、展伸不确定度（即扩展不确定度）：乘于与置信概率和区间有关的包含因子,三、总不确定度的合成及其分类,四、测量结果表达式：,单次,多次,间接,五、间接测量的不确定度:N=f(x,y,z,）,某些情况：,常用函数的标准不确定度合成公式,有些书上：,（见教材P34）表2.4.5,例如：,间接测量量的不确定度是每一个直接测量的合成。,两边求微分得:,一、有效数字的基本概念,数据记录、运算的准确性要和测量的准确性相适应！,测量值的末位数与不确定度的末位数对齐,有效数字:所有准确数字和一位存疑数字,3-4有效数字及运算规则,数学量：,(1)有效数字位数越多，测量精度越高,(2)有效数字位数与单位的变换或小数点位置无关,(3)特大或特小数用科学记数法,(4)不确定度取位：一般只取一位有效数字，最多不超过三位；且仅当首位为1或2取二位，要求“只进不舍”,(5)测量值数字取舍规则：“四舍六入五凑偶”,二、有效数字运算规则,准确数字,存疑数字,存疑数字,(1)加减,加减结果的有效数字末位应与参与运算各数据中误差最大的末位对齐,举例:,(2)乘除,11111,11111,+11111,乘除结果的有效数字位数和参与运算各数中有效数字位数最少的相同,(3)乘方、立方、开方,有效数字位数与底数的相同,(4)函数运算,(5)常数：不参与有效数字运算,三、测量结果和不确定度的数字取位与入舍规则（小结）,运算结果(测量值)取位与入舍规则：测量值末位数应与不确定度的末位数对齐，尾数采用“4舍6入5凑偶”,不确定度取位与入舍规则：一般取一位有效数字，最多不差过三位；且仅当首位为1或2时取二位；尾数“只进不舍”。,举例:,测条形木板面积A。所得数据见下表。,35.34,90.5cm=905mm,=319X102mm2,求,根据不确定度合成公式,必须先求L和M的不确定度：,统一单位：,求：,其中：,n=5tp=1.14,=0.035.=0.04mm,=0.0152.=0.016mm,=0.12%,=38.28=4X10mm,一、列表法,表1.不同温度下的金属电阻值,物理量的名称(符号)和单位,有效数字正确,3-5实验数据处理基本方法,2-3作图法处理实验数据,作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小坐标分度值的选取应能反映测量值的有效位数，一般以12mm对应于测量仪表的仪表误差。根据表数据U轴可选1mm对应于0.10V，I轴可选1mm对应于0.20mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围）约为130mm130mm。,作图步骤：实验数据列表如下.表1：伏安法测电阻实验数据,作图法处理实验数据举例,2-3作图法处理实验数据,2.标明坐标轴：用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。,2-3作图法处理实验数据,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。,图1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：,至此一张图才算完成,因变量,自变量,标度,起点,终点,例：测量电阻R随温度t变化曲线,绘制电阻R随温度t变化曲线，选点求斜率,2-3作图法处理实验数据,不当图例展示：,曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。,2-3作图法处理实验数据,改正为：,2-3作图法处理实验数据,横轴坐标分度选取不当。横轴以3cm代表1V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1mm代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。,2-3作图法处理实验数据,改正为：,2-3作图法处理实验数据,图纸使用不当。实际作图时，坐标原点的读数可以不从零开始。,2-3作图法处理实验数据,改正为：,三、逐差法（隔项逐差）,四、最小二乘法,实验数据：,2-1测量误差和不确定度估算的基础知识,直接测量量不确定度的估算,总不确定度分为两类不确定度：A类分量多次重复测量时与随机误差有关的分量；B类分量与未定系统误差有关的分量。这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度：,直接测量量不确定度的简化处理方法,结果表示：以测量列y的平均值再修正掉已定系统误差项y0得到被测对象的量值。由A、B类不确定度合成总不确定度则：,2-1测量误差和不确定度估算的基础知识,直接测量量不确定度估算过程（小结）,求测量数据列的平均值修正已定系统误差y0，得出被测量值y用贝塞耳公式求标准偏差s标准偏差s乘以因子来求得uA当5n10，置信概率为95%时，可简化认为uAs根据使用仪器得出uBuB=仪由uA、uB合成总不确定度u给出直接测量的最后结果：,2-1测量误差和不确定度估算的基础知识,直接测量量不确定度估算举例,例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值yi分别为：0.249,0.250,0.247,0.251,0.253,0.250;同时读得螺旋测微计的零位y0为：0.004,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。解：测得值的最佳估计值为测量列的标准偏差测量次数n=6，可近似有则：测量结果为Y=0.2460.004mm,2-2实验数据有效位数的确定,测量结果表达式中的有效位数,被