物理实验资料 物理实验绪论.ppt

北京大学医学部物理学教研室 物理实验绪论 物理实验室 病理楼二层东侧TEL 82801419 北京大学医学部物理学教研室 物理实验绪论物理实验的意义 目的及要求实验误差有效数字作图的基本要求 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 物理实验的意义 物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学 是自然科学的基础学科 是学习其它自然科学和工程技术的基础 物理实验可以发现新的物理规律 验证新提出物理规律的正确性 还可以求得一些必要的数据 物理常数等 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 物理实验目的1 掌握基本测量仪器的使用 2 掌握常用的实验方法及实验数据的处理方法 3 加深和巩固课堂上所学到的理论 4 培养严谨认真 实事求是的工作作风及分析问题 解决问题的能力 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 物理实验内容物理实验内容如下 示波器的使用 转动定律 温度传感器 压力传感器 信息光学 语音观测 氢原子光谱 全息照相 核磁共振 超声特性研究 波动光学等实验 详见实验安排 注 转动定律 压力传感器 语音观测 超声特性研究 波动光学等实验内容见网址 相关链接 医学部课程中心 课程资源 课程总览 医学人文学院 公共教学部 物理学 第四栏 不是第二栏的物理学 通知 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 物理实验要求1 课前预习并写出预习报告实验课前应认真预习实验讲义 特别是物理课上不讲或没讲到的内容 课前写出预习报告 内容包括实验的名称 目的 主要仪器 基本原理及记录实验数据的表格 如讲义中没有 需自己设计 预习报告写在实验报告纸上 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 2 实验过程中必须及时记录原始数据 测读与记录一次完成 注意根据仪器的精度和实验条件正确运用有效数字 原始数据用钢笔或圆珠笔直接记录在预习报告上 实验中必须坚持实事求是的科学态度 决不应抄袭凑数 对数据如有疑问 应记下有关现象及过程 若无确切理由 不能随便扔弃数据 对测错 记错的数据不要涂改或擦除 而应在错误数据上轻划一道线 然后另行测记 如 13 9512 95 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 实验完成后 将所测得的数据交给教师审阅 经教师认可并在预习报告上签字后 方可收拾整理实验仪器 教师未予认可 必须重做或补做 如生病或有特殊情况 需持请假条方给予准假 并与教师协商及时补做实验 两次以上实验未做者 没有实验成绩 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 实验仪器要在掌握使用方法 实验步骤 注意事项后按规定操作仪器 如不按要求操作致使仪器损坏 将按学校规定由责任人 视情节 照价或加倍赔偿损失 有些实验配备计算机采集 处理实验数据 严禁删改计算机中的任何文件 程序 如有违反取消实验资格 不给物理成绩 实验室卫生由学生轮流打扫 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 3 处理实验数据 完成实验报告实验结束后根据实验结果完成实验报告 在实验报告上给出计算过程 最终实验结果及实验曲线 完成教师指定的思考题并对实验结果进行分析讨论 所有实验图 表中的直线必须用尺子 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 实验报告应包括以下内容 实验题目 实验时间 实验完成人及同组人 仪器台号 实验目的 仪器及用具 主要仪器应注明规格 编号 实验原理 简要说明实验所依据的基本原理 所用的基本公式 实验数据 列表表示 计算过程 典型计算 实验结果 包括要求计算的误差 要求完成的图 讨论 包括对实验及结果的分析 讨论 实验后的思考 北京大学医学部物理学教研室 第一部分 希望同学们通过物理实验在动手操作的同时也要动脑思考 在实验报告中要求有对实验结果的分析和实验后的思考 如 实验中遇到困难的处理 实验设计的特点是什么 普遍意义何在 对实验设计提出问题及改进的设想和建议 对实验中出现的异常现象的分析 判断及处理过程等 北京大学医学部物理学教研室 1 课前预习并写出预习报告内容包括实验的名称 目的 主要仪器 基本原理及记录实验数据的表格 如讲义中没有 需自己设计 预习报告写在实验报告纸上 2 实验结果经教师检查无误后在预习报告上签字认可 3 实验数据处理 在实验报告上给出计算过程 最终实验结果及实验曲线 完成教师指定的思考题并对实验结果进行分析讨论 总结 北京大学医学部物理学教研室 测量与误差 第二部分 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 一 物理量的测量直接测量 直接测得量在一定条件下利用一定的仪器将被测的量与同类量的标准单位的进行比较 直接得出它的量值例如 用直尺测量长度 以表计时间 天平称质量 间接测量 间接测得量被测量的量值要用相关的直接测量量值通过公式运算间接地获得 如测量平均速度v s t 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 二 测量误差任何实际测量中测量结果都只能是被测量的近似值 无法确定被测量的真值 这表现为 在同样条件下对同一被测量重复进行测量所得到的结果一般都不会相同 测量结果因受所用测量仪器准确度和分辨率的限制不会绝对准确 某些测量过程本身会改变被测量原来的状态 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 我们把测量值与真值之差称为测量误差 即 误差 测量值 真值随着科学的进展 人们经验的丰富和测量技术的提高 误差可以控制得愈来愈小 但不能使误差降低到零 实验的任务是 尽量消除各种因素的影响 测出在该条件下被测量的最佳值 对该值的误差做出估计 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 根据误差的性质和产生原因 可将误差分为系统误差和随机误差 系统误差 是由于某些确定的原因产生的 对于测量结果的影响也是确定的 即测量结果总向某一确定方向偏离 或按一定的规律变化 其主要来源有 1 仪器误差由于仪器本身的缺陷而引起的误差 如仪器的刻度不准 天平的两臂不等 千分尺的零点读数等等 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 2 理论 方法 误差由于测量所依据的理论公式的近似性 实验条件不能达到理论公式所规定的要求 或测量方法有缺点所带来的误差 如单摆周期公式的成立条件是摆角趋于零 在小角度情况下只是近似公式 用它来测量重力加速度g也是一个近似值 又如用伏安法测电阻R U I时 若不对电表内阻的影响进行修正 测得的电阻就有方法误差 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 3 环境误差测量过程中 周围的温度 气压 电磁场等环境条件的恒定的或有规律的变化引起的误差 如在20 下标定的标准电池或标准电阻在30 下使用等 系统误差的特点是在相同条件 仪器 方法 环境条件及观测者均不变 下多次测量同一物理量时 误差的绝对值和符号保持恒定 系统误差不能用增加测量次数的方法使之减小 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 系统误差常常是影响实验结果准确程度的主要因素 因此 在实验中发现并消除系统误差是很重要的 如果能够确定某些系统误差的数值 就可以把它从实验结果中扣除 消除其影响 这种数值已知的系统误差称为 已定系统误差 测量值 读数 误差 修正值 如千分尺测长度 伏安法 电流表内置 测电阻等实验中的零点误差 电流表内阻等引起的系统误差可以用这种方法消除 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 不是所有系统误差都可以确定其数值 还有一类系统误差 只知道它存在于某个大致范围 而不知道它的具体数值 可称为 未定系统误差 例如仪器的最大允许误差就属于这一类 随机误差 是由不确定的原因产生的 对测量结果的影响也是随机的 不确定的 即测量值对真值的偏离时大时小 时正时负 不能由上一次测量值预计下一次测量值的大小 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 随机误差的特点是具有随机性 它既不能消除 也不能控制 但是这种 随机性 并不意味着完全没有规律可循 在相同条件下发生的大量同类随机事件具有一定的统计规律 随机误差通常遵循正态分布 即高斯分布 的规律 至于测错数 读错数以及操作不当等造成的测量错误 这不是测量误差 不允许在测量结果中讨论 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 三 测量结果的表示测量结果中 除了应给出测量值的最佳值 它往往是多次测量的平均值 外 还应估算其绝对误差 N 将结果表示为 应是测量值对系统误差修正以后的数值 两种方法表示误差 相对误差 相对误差1 相对误差0 01 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 直接测量结果的表示测量结果的最佳值 算术平均值对某个物理量测量n次 测量值为X1 X2 Xn 其算术平均值最接近于真值 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 直接测量量的误差估算算术平均值的标准偏差 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 间接测量结果的表示间接测得量是通过直接测得量计算得到的 它的误差也是由直接测得量的误差传递而来的 设直接测得量为x y z 可以是单次测量值 也可以是多次测量值 它们与间接测得量N有如下的函数关系 N f x y z 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 其算术平均值间接测得量的绝对误差传递公式为 间接测得量的相对误差传递公式为 北京大学医学部物理学教研室 第二部分 四 测量结果的不确定度1 测量不确定度的基本概念1993年国际标准化组织公布的 测量不确定度表示指南 中建议用 不确定度 代替 误差 不确定度表示由于测量误差的存在而对被测量值不确定的程度 它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分量的联合分布范围 不确定度按其数值的评定方法可分为两类 用统计方法计算的A类分量和用其它方法估算的B类分量 将两者用方和根法进行合成 合成结果称为合成不确定度 北京大学医学部物理学教研室 有效数字 第三部分 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 一 有效数字的基本概念1 有效数字的定义有效数字是正确而有效地表示测量值的数字 它是由若干位准确数字和一位可疑数字构成的 有效数字中最后一位存在着误差 但它在一定程度上反映了被测量数值实际的大小 因此也是有效的 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 例如 用米尺测量铜棒的长度 为12 97cm 它的有效数字是4位 1 2 和 9 是准确读出的 称为 可靠数字 而 7 是凭眼力估计出来的 虽然包含误差 但在一定程度上反映了客观实际 因此是有效的 称为 可疑数字 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 有效数字中只包括一位可疑数字物理测量有效数字是有限的任何一个物理量 其测量的结果既然都或多或少地有误差 那么 一个物理量的数值就不应无止境地写下去 这样一个物理量的数值和数学上的一个数有着不同的意义 在物理量上1 35 1 350 1 3500 0 是否表示有效数字表示小数点位数的 0 不是有效数字 而数字中间和后面的 0 都是有效数字 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 例如 0 0012030km 这个数字中的前面三个 0 是表示小数点位数的 不是有效数字 而处在 2 和 3 中间的 0 和后面的 0 则是有效数字 不能多写也不能少写 此时有效数字为五位 单位变换为米时 应写成1 2030m 有效数字仍为五位 为避免混淆 有效数字可用10的n次幂来表示其数量级 前面的数字是测得的有效数字 如 38km 3 8 104m 不能写成38000m 0 80200kg 8 0200 102g 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 2 确定测量结果有效数字的方法有效数字的位数是由测量仪器的精度决定的 仪器的最小刻度为准确读出的最后一位 而不足最小刻度的部分应进行估读 这个估计值则为可疑数字 记录时应包括准确读数和估计值 估计值在哪一位要具体分析 如最小刻度为0 1时 一般可估计到0 01 而最小刻度为0 5时 则估计值只能有0 1 0 2 0 3 0 4 若测值恰为整数 必须补零 一直补到可疑位 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 二 有效数字的运算法则在运算过程中 准确数字与准确数字之间的四则运算 仍为准确数字 可疑数字和准确数字 或可疑数字 之间的四则运算 结果为可疑数字 但运算中的进位数可视为准确数字 1 加减法 尾数对齐几个数进行加减运算时 其结果在小数点后应保留的位数 与参加运算的诸数中 小数点后面位数最少的一个相同 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 例如 32 1 3 276 35 426 65 3 926 22 722 乘除法 位数对齐几个数相乘除所得结果的有效数字位数 一般与参加运算的诸数中有效数字位数最少的一个相同 例如 5 348 20 5 110 37643 217 1733 其他函数运算乘方 开方 三角函数 对数及其他函数 结果的有效数字位数与变量相同 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 例如 2 582 6 664 常数和系数对计算公式中的某些常数如 1 2 e等 有效数字可以认为是无限的 在计算中一般应比运算中有效数字位数最多的还要多取一位 5 有效数字首位是8或9时 在乘除 乘方 开方等运算中 可以多算一位有效数字 北京大学医学部物理学教研室 第三部分 例如 9 81 16 24 159 3 若把9 81看成三位有效数字 则结果应取成159 这不妥当 这里把9 81看成四位 结果才可写为159 3 在用计算器做运算时 应根据上述法则确定有效数字的位数 决不能把计算器显示的位数照录下来 a 读数 原始数据有效位数的确定b 运算 运算过程中的有效位数c 结果表示 测量结果最终表达式中的有效位数 重视三个环节 北京大学医学部物理学教研室 测量结果表示 N或E一般只取一位有效数字 结果表示为 V 9 44 0 08 cm3 北京大学医学部物理学教研室 作图法 第四部分 北京大学医学部物理学教研室 第四部分 相关的两个物理量之间的关系可以用作图法表示 即在某一坐标平面内用一条图线表示 作图法的优点是直观 形象 便于比较 易于显示物理量之间的关系 在一条图线上可以方便地内插或外推 是一种处理实验数据的方法 下面说明作图法的基本规则 北京大学医学部物理学教研室 第四部分 1 作图必须用坐标纸根据两物理量之间的函数关系 选用直角坐标纸 单对数坐标纸 双对数坐标纸 极坐标纸等 2 确定坐标轴通常以横坐标 X轴 表示自变量 纵坐标 Y轴 表示因变量 应标出坐标轴的方向 并注明代表的物理量 标尺刻度及单位 北京大学医学部物理学教研室 第四部分 坐标纸的大小与坐标轴的比例 应根据所测得数据的有效数字和对测量结果的要求来确定 原则上 测量数据中的准确数字在图中也应为准确的 可疑数字在图中是估计值 图中数据点所反映的有效数字位数与实验所得数据的有效数字位数相当 标尺分度值应读数方便 易于估算 一般取1 2 5 10等 而不用3 6 7 9等数字来划分标尺 测量值很大或很小时 可在单位中标出乘积因子 如103或10 2等 北京大学医学部物理学教研室 第四部分 X和Y轴的单位分度值比例应适当 使图线充满图纸 尽量均匀对称 坐标原点不一定都取零 可用小于数据中最小值的整数为起点 用大于数据中最大值的整数为终点 3 标出测量值的坐标点 画出图线用 等符号标出测量值的坐标点 由于测量值都存在误差 因此严禁用 表示 如图上有几条图线 则同一条图线上的坐标点应使用同一种符号 北京大学医学部物理学教研室 第四部分 标明坐标点后 画出图线 应使坐标点均匀分布在图线的两侧