大学物理实验ppt课件.pptx

大学物理实验绪论 1 本次课主要内容 2 课程意义 高等理工科院校必修基础课程伽利略把实验和逻辑引入物理学 使之最终成为一门科学 经典物理学规律是从实验事实中总结出来的 近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的 很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的 课程简介 3 课程意义 以诺贝尔物理学奖为例 80 以上奖给了实验物理学家 20 的奖中很多是实验和理论物理学家分享的 实验成果可很快得奖 而理论成果要经过至少两个实验的检验 有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖 课程简介 4 课程目的 5 课程安排 时间 一年 学分 3 0学分 安排 共16个实验 每个实验3课时 第一学期 8个实验 包含绪论 第二学期 8个操作实验 课程安排 考核 6 课程考核 独立设课 必修 成绩按百分计 期末总成绩 该学期8个实验的平均分 单个实验的成绩 课程考核 旷课 7 上课基本程序及基本要求 8 物理实验课请假及补课规定凡请假者 请持本院盖章的证明 请病假 也可持医院盖章的病假条 事后应主动联系补课 凡无故旷课者 一律不补课 成绩按前面的旷课规定处理 考核之 旷课处理规定 旷课一次 总成绩最高为及格 旷课二次 总成绩为不及格 课程考核 9 一 测量 B P3 1 测量定义 用合适的工具或仪器通过科学的方法将被测物理量与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程 其比值即为被测物理量的测量值 1 1测量与误差 测量的分类 10 2 测量的分类 按测量方式 测量条件异同来分类 测量数值包含的三层信息 11 3 测量值包含三层必要信息 有效数字 12 测量值 读数值 有效数字 单位有效数字 可靠数字 可疑数字 一位 例 用毫米分度的米尺测一物体的长度 15 2 15 0 有效数字的几点说明 1 有效数字的组成 2 有效数字的读取 二 有效数字 B p10 13 有效数字的运算 3 关于有效数字的几点说明 练习 报告第19 5 20题 14 4 有效数字的运算规则 乘除法 加减法有效数字运算 计算结果的有效末位 应和参与运算各量的尾数位最高的取齐 5 286 32 537 786 37 8 15 乘除法有效数字的运算 诸量相乘 除 后其积 商 所保留的有效数字 只须与诸因子中有效数字最少的一个相同 4 178 10 141784178421978 42 2 误差 练习 报告第21题 16 三 误差 约定真值 1 误差的定义 测量值与真值 或约定真值 之差称为测量误差 绝对误差 反映误差本身的大小 相对误差 反映误差的严重程度 17 2 约定真值 被测量的真值只是一个理想的概念 对测量者来说真值一般是不知道的 在实际测量中常用以下几种量值代替真值 称为约定真值 误差的几点说明 18 关于误差的几点说明 x是可正 可负的量 x绝对值愈小 说明测量值越接近真值 此时 我们说测量结果愈准确 误差存在于一切测量的始终 误差可以减少 但不能完全消除 不必一味地为减少误差而选择过于精确的仪器和方案 误差分类 19 系统误差 四 误差的分类按产生误差的原因和误差所表现出的性质分为三类 20 1 系统误差 定义 在对同一被测量的多次测量过程中绝对值和符号保持恒定或随测量条件的改变而按确定的规律变化的误差分量产生原因 系统误差的处理方法 21 对系统误差的处理方法 对系统误差应 随机误差 22 定义 在相同条件下对同一物理量进行多次重复测量 即使系统误差减小到最小程度之后 测量值仍会出现一些难以预料和无法控制的起伏 而且测量值误差的绝对值和符号在随机变化着 2 随机误差 产生原因 随机误差规律 23 随机误差的规律 正态分布特点 置信概率区间 24 扩大置信区间 置信区间 置信概率 置信区间和置信概率 密集 窄 高 标准误差 大 表示测得值很分散 随机误差分布范围宽 测量的精密度低 标准误差 小 表示测得值很 随机误差分布范围 测量的精密度 标准误差 大小与分布曲线特点的关系 曲线的形状取决于 值的大小 可描述测量值的离散程度 25 置信区间 置信概率 置信区间和置信概率 贝塞尔公式 26 用计算器计算Sx on 2ndf stat 数据 M Sx x 实际测量中随机误差的估算 标准偏差 用算术平均值表示测量结果的最佳值 代替真值 贝塞尔公式 对残差进行 方 均 根 运算 实际中可用的公式 p4 1 1 7 算术平均值的标准偏差 27 p4 1 1 8 算数平均值的标准误差 由于也是随机变量 其值随测量次数的增减而变化 但比的变化小 所以反映其离散程度的标准差比小 有限次测量的随机误差估算 的物理意义 表示测量结果的真值落在区间内的概率为68 3 在内包含真值的概率为0 954 在内包含真值的概率为0 997 28 由公式可知 随着测量次数增加而减小 即通过测量次数的增加可减小随机误差 但由于以后变化得很慢 所以测量次数一般不需要很多 当时 要获得与时同样的置信概率 需进行修正 有限次测量随机误差的估算 t因子的数值表格 p5 1 1 9 29 不同置信概率P下的t因子和测量次数n 1的关系 粗大误差 30 3 粗大误差 粗大误差是由于实验者粗心大意或环境突发性干扰而造成的 该测量值是坏值 在处理数据时不能将坏值计算在内 应予剔除 该准则是建立在n 的前提下的 当测量次数较小时 该法则就不十分可靠 一般要求n 9 1 4测量结果的评定 31 测量结果的定性评价 主要内容 1 不确定度的概念 分类 估算4 各类测量的完整测量结果表示及其不确定度估算 1 单次测量 2 多次直接测量 3 间接测量中不确定度的传递 1 2测量结果的评价 32 测量结果的定性评价 1 精密度 表示重复测量所得各测量值的离散程度 它反映了随机误差的大小与系统误差无关 2 正确度 表示测量值或实验结果偏离真值的程度 它反映了系统误差的大小与随机误差无关 3 准确度 它是正确度和精密度的综合 它反映了系统误差和随机误差对测量结果综合影响的大小 测量结果的定量评价 33 测量结果的定量评价 不确定度 依照国际标准化组织等7个国际组织联合发表的 测量不确定度表示指南ISO1993 E 的精神 对普通物理实验中 完整的测量结果应给出被测量的量值 同时还要标出测量的不确定度 将实验结果写成形式 不确定度的概念 公式中 是测量值 是总不确定度 置信概率取95 4 是相对不确定度 34 不确定度的估算 1 不确定度的概念 不确定度是指由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度 它的大小反映了测量结果可信赖程度的高低 2 不确定度的分类 由于误差的来源很多 测量结果的不确定度一般也包含几个分量 在修正了可定系统误差之后 将其余的各种误差按计算方法分为二类 其中 A类分量 A 可以用统计学方法估算的分量 一般指随机误差 B类分量 B 用其它非统计方法估算的分量 一般指系统误差 总不确定度 是A B类分量的方和根合成 P7 1 2 1 35 3 不确定度的估算A类分量 由上表可见 5 n 10时 论证 在5 n 10 p 0 954时 故 我们约定 在普通物理实验中大多数情况下把仪器误差 仪当作总不确定度B类分量 B类分量 不确定度与误差比较 36 不确定度与误差的比较不确定度和误差是两个不同的概念 误差是指测量值和真值之差 一般情况下 它是未知的 确定的 可正可负的量 不确定度是表示误差可能存在的范围 不确定度大 不一定误差的绝对值也大 两者不应混淆 测量结果 表示区间以一定的概率包含真值 严格的不确定度理论比较复杂 本课程在保证其科学性的前提下 适当简化 例题 37 例1 某一长度测量10次 结果如下 63 57 63 58 63 55 63 56 63 56 63 59 63 55 63 54 63 57 63 57cm 写出该直接测量结果的最终表达式 解 没有异常数据 不用剔除 可计算出 A类不确定度 B类不确定度 故 不确定度 单次测量不确定度 测量结果 38 思考 单次测量 直接测量 的不确定度是什么 间接测量不确定度 测量值 不确定度 39 由于间接量的结果是由直接量的结果根据一定的函数式计算出来的 所以 直接量的不确定度就必然影响到间接量 直接量的不确定度可以通过一定的函数式传递到间接量 设间接测量所用的数学式 或称测量式 可以用如下函数形式表示 则有方和根公式 适用于函数关系是和差形式 适用于函数关系是积商形式 4 间接测量不确定度的计算及结果表示 P8 1 2 5 P8 1 2 6 例题 40 例2 其中 计算结果及不确定度 解 例题积商 结果 41 解 42 结果 测量结果的有效数字 末位与不确定度末位对齐 故其有效位数是由不确定度的有效位数决定的 相对不确定度 一般保留1 2位数字 例题 结果的正确的表达方法 也有教材规定 不确定度全保留1位有效数字 43 改错 11 234 1 43cm31690 300kg 或 3 17 0 03 104kg 故改为 3