大学物理实验系列--绪论课讲义.doc

物理实验绪论物理实验中心-杨俊忠课程介绍与具体要求测量不确定度和数据处理方法什么是实验实验是为了解决文化、政治、经济及其社会、自然问题，而在其对应的科学研究中用来检验某种新的假说、假设、原理、理论或者验证某种已经存在的假说、假设、原理、理论而进行的明确、具体、可操作、有数据、有算法、有责任的技术操作行为。通常实验要预设“实验目的”、“实验环境”，进行“实验操作”，最终以“实验报告”的形式发表“实验结果”。物理实验课的具体任务1)接受系统的实验原理、实验方法、实验技能培养的开端;2)通过对实验现象的观察、分析和测量,加深对物理学原理的理解;3)学习科学的思维方式、提高分析和解决问题的能力.实验课的目训练目的两个能力的培养：1.动手的能力2.分析的能力实验室作为高等教育的重要组成部分已成为高等学校教学与科研活动的中心和基地，是新形势下培养高素质人才、出高水平成果、为经济建设服务的心和基地，是新形势下培养高素质人才、出高水平成果、为经济建设服务的主要场所；从某种意义上说，一个学校的实验室的建设和管理水平，体现了一个学校从某种意义上说，一个学校的实验室的建设和管理水平，也体现了一个学校的教学、科研和管理水平以及在高校中的地位。物理实验中心师资力量：18名教师中有教授5名，副教授3名。教育部跨世纪人才，新世纪人才各一名。是第一批北京市物理实验示范中心的六所高校中的一个。开设实验内容：范围广泛。基础物理实验；综合和近代物理实验；设计性和研究性实验。如何上好物理实验课作好预习预习报告不要单纯抄书，用自己的话，做到简明扼要。独立完成实验操作：通过阅读实验教材和仪器说明书，能够正确使用常用的实验仪器能够独立完成课程要求的实验内容；能够正确记录和处理实验数据认真处理数据，高质量地完成实验报告理解和遵守实验室的各项规定1、实验内容安排（1）2-10周：7个安排的实验（两个一组）（2）12-15周：具体安排由任课老师通知2、上课时间:上午：8：0011：20下午：13：0016：20晚上18：00-21:20v物理实验的基本设置物理实验课程的安排周9月21468101315实验内容和地点绪论课示波器的使用+ 声速霍尔效应+集成霍尔开关研究简谐振动分光计的调整惠斯登电桥+ 双臂电桥网上任选网上任选周五晚6：15地点3-333示波器与声速预习报告写在一起主楼425主楼413主楼418主楼421电信工程院06119 班上课时间:星期二下午教师:杨俊忠第二周（下周）实验课安排06116周一上午示波器的使用+声速的测定主楼42506117周一上午霍尔效应+集成霍尔开关研究简谐振动主楼41306118周二下午分光计的调整主楼41806119 周二下午示波器的使用+声速的测定主楼42506120 周二下午霍尔效应+集成霍尔开关研究简谐振动主楼413学生须知0.今年的教学评估大家都明白！评估专家的检查！该会的必须要会！1.各班按自己的实验顺序表上课。请务必记住自己的实验顺序号，按上课内容做好预习。2 实验课前必须预习，写出预习报告，预习报告就写在空白报告上。记录数据不得用铅笔写，原始数据必须有教师签字。3. 提前5分钟进入实验室若因病（要有医生证明）、因事（要有系教务部门证明）而缺课，应提前请假，并在规定时间补做实验，值班老师凭证明在补做报告上签字。课上未完成实验需要补做的，应由任课教师在报告上签字注明，值班教师根据任课教师的签字，在补做数据上签字。4.绪论课的练习做完后随第一次实验课的报告交给老师评阅，每次实验报告在下次实验时交任课老师。5.实验室开放时间：周末上下午6. 实验报告成绩评定预习报告：20分分A，B，C四档，对应分数为20，15，10课堂操作：30分分A，B，C三档，对应分数为30，25，20数据处理及回答问题：50分误差处理或作图：20实验结果，综述讨论及思考题：20创新：10惩罚性扣分：迟到5分钟内扣10分，5-10分钟内扣20分；10分钟以上，扣30分，且该实验只能在开放时间完成。预习报告未完成，扣20分；预习报告马虎者扣5-10分实验报告应于下次实验时交给老师，不按时交报告的扣10-30分7. 成绩评定课堂操作情况及实验报告成绩、绪论课作业70%期末考试30%8.重修总评成绩不合格者有旷课现象，不按老师要求补做实验者缺两次或以上实验报告者，不得参加期末考试A 班教学具有丰富教学经验和高级职称的老师教学。双向选择机制：学生自愿报名，任课老师推荐。报名时间：7，8两周。入选名单公布：10周。11周，A班师生见面。物理实验选修课1学分10月下旬开始，实验课开始后自愿报名；报名时填写可以参加实验的时间表；10月15日左右公布实验时间表。测量不确定度和数据处理方法测量及误差基本知识介绍测量的不确定度和结果的表达实验数据有效位数的确定数据处理的常用方法测量及误差基本知识介绍（1）测量与误差的基本概念测量测量是以确定被测对象量值为目的的全部操作，测量结果包括测量值和单位。测量直接测量间接测量(例: 单摆周期)p=2lTg误差:测量值与真值之间的差别真值：被测量真实值的大小真值无法得到；误差存在于一切测量值中，并贯穿测量的始终。（误差）（测量值）（真值）NDN0N-=0ND正误差，0ND计算出3s，将3s(x)与每一个进行比较iV继续记录仪器的合成不确定度：)()()(22xuxuxuba+=A类不确定度：)()(xsxua=测量结果的表示：()()100%rxxuxuxux=单位B类不确定度:仪D=bu接上页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xi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x0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X=0.2460.004mm00.2500.0040.246(mm)xxx=-=-=21()()0.002mm(1)niixxsxn=-=-22220.0020.0040.0447mmABuuu=+间接测量量的不确定度合成()乘、除、指数形式和差形式，=22321)(ln)()()(iiiixuxfFFuxuxfFuxxxfF实用公式22()()()uuxuykmxyjj=+mkyxyx=),(j22()()()uuxuyj=+22()()()uuxuyxyjj=+yxyxyx或=),(jyxyx=),(j间接测量量的不确定度合成过程1.先写出（或求出）各直接测量量xi 的不确定度2.依据关系求出或3.用或求出或4.完整表示出Y的值ixD12(,.)nFfxxx=ifxlnifx=niiixuxfFu12)()(=niiixuxfFFu12)(ln)()uFF()uF)(xuxF=间接测量量的不确定度合成举例例1：已知金属环的外径内径高度求环的体积V和不确定度u(V)解：求环体积23.6000.004cmD=12.8800.004cmD=2.5750.004cmh=3222122436.9575.2)880.2600.3(4)(4cm=-=-=pphDDV合成,2ln212222DDDDV-=,2ln212211DDDDV-=hhV1ln=00806.0 )()()(2()(2()(222122112212222=+-+-=带入数据hhuDDDuDDDDuDVVu3cm076.000806.0436.9)()(=VVuVVu求u (V)结果：V=（9.440.08）cm3求偏导：()100%0.8%ruVuV=用流体静力称衡法测量固体的密度。使用的公式为01rrmmm-=rr0011)(rrrrdmmmmdmdmd+-=求密度的合成不确定度。解：由于式中包含了乘除运算，因此简便的做法是求的相对标准不确定度。利用上式，我们首先对的公式两边求自然对数，再求全微分得：例2:在最终写成相对标准不确定度之前，一定要首先合并上式中同一变量的系数，目的是防止人为的扩大不确定度。合并后有001111)(rrrrdmmmdmmmmdmd+-=最终得到的相对不确定度为：r200211211)()()()()(+-+-=rrrrummmmummmmuu10(),(),()umumur10,mmr需要说明的是公式中的分别为这三个直接测量值的不确定度，在实际的应用中可以包含A类和B类不确定度分量。在实验中我们所测的被测量都是含有误差的数值，对这些数值不能任意取舍，应反映出测量值的准确度。所以在记录数据、计算以及书写测量结果时，应根据测量误差或实验结果的不确定度来定出究竟应取几位有效位数。实验数据有效位数的确定下页播放影片单击画面开始播放中间运算结果的有效位数加减运算的结果末位以参与运算的末位最高的数为准。如11.4+2.56=14.075-10.356=65乘除运算结果的有效位数多少以参与运算的有效位数最少的数为准，可比其多取一位。如40009=3.61042.0000.99=2.00用计算器进行计算时中间结果可不作修约或适当多取几位（不能任意减少）。测量结果表达式中的有效位数总不确定度u的有效位数，取1 2位首位大于3时，取1位首位小于或等于3时，一般取2位例：估算结果u=0.548mm时，取为u=0.5mmu=1.37W时，取为u=1.4W被测量值有效位数的确定Xxu(x)中，被测量值x的末位要与不确定度u(x)的末位对齐（求出x后先多保留几位，求出u(x)，由u(x)决定x的末位）例：环的体积不确定度分析结果最终结果为：V=9.440.04cm3即：不确定度末位在小数点后第二位，测量结果的最后一位也取到小数点后第二位。32122436.9)(4cm=-=hDDVp3cm4370.0)(=Vu数据的修约测量结果的正确表达：测量结果的有效位数应与不确定度的最后一位对齐。例如：某测量结果为它的不确定度为最终结果表达为23051.2=x00523.0)(=xu005.0321.2)(=xux（单位）修约的原则大于5 进位，小于5 舍去，等于5 凑偶。（50，51）特殊函数有效位数的确定（通过微分关系处理）()()1 log() 0.4343/0.0008dyuyuxdxeuxxxx=D因此，应取到小数点后第4位，即：log1.7619x=例：已知, ,求。令57.8x=()0.1uxx=D=logxloglnlogyxxe=logx有效数字运算小结1. 加减运算，以参加运算各量中有效数字末位最高为准2. 乘除运算，以参加运算各量中有效数字最少为准3. 特殊函数运算，通过微分关系处理4 . 测量结果的有效位数应与不确定度的最后一位对齐。5. 数字需要截断时，按小于5舍，大于5进，等于5凑偶。6. 测量结果与不确定度的有效