物理实验--基础实验.ppt

实验物理 科学实验是科学理论的源泉 是自然科学的根本 也是工程技术的基础 中国地质大学 北京 实验物理教学示范中心网址 课程介绍 一 物理实验课的教学目的和任务二 上课方式 内容及相关规定三 物理实验课的主要教学环节四 成绩的评定方法 培养与提高学生科学实验的基本素质 确立正确的科学思想和科学方法 培养与提高学生的创新思维 创新意识 创新能力 培养与提高学生的科学实验素养 一 实验物理课的教学目的和任务 二 上课方式 内容及相关规定 三个阶段 基础实验 1个 平时实验 9个 考试阶段 1个 2学时 实验流程介绍 自主预习 1 课前写出预习报告 题目 目的 仪器 实验原理 公式 光路 电路 所做实验内容 自拟数据记录表格2 熟悉实验仪器3 回答问题 实验操作 1 独立操作完成实验任务 遵守制度 注意安全 数据正确 仪器还原 填写记录本 打扫环境卫生2 原始数据记录 全部保留 教师签字 数据处理 当堂完成 1 重新列表 重新整理原始记录2 数据处理与计算3 讨论 分析和心得体会 必做 教师讲解 10分制 预习2 操作5 报告3 平时成绩占80 期末考试成绩占20 完成全部实验 且平时和期末成绩都及格 总成绩有效 四 成绩的评定方法 本学期期末考试为操作考试 见通知 在实验室开放时间内 网上预约本学期所要做的实验题目的时间 并在选定时间内完成该实验 旷课 抄袭 该次实验记为0分 迟到15分钟以内扣分 超过15分钟 视为旷课 补做实验成绩以6分制 请同学们仔细阅读 物理开放式实验教学规定 相关理论知识 第二部分 测量与误差的基本概念 第一部分 测量与基本实验方法 第三部分 测量结果的不确定度评定 第四部分 有效数字和数字修约规则 第五部分 物理实验数据处理的基本方法 一 测量 物理学的基础 一门科学的最本质部分 开尔文 Kelvin 勋爵 我常说 假如你能够量度你所谈的东西并能用数量表示它 你对它就有些了解了 假如 你不能量度它 不能用数量表示它 你对它的了解就是贫乏而不能令人满意的 只也许只是知识的入门 但不管怎样 你的知识还没有提高到科学的程度 第一部分测量与基本实验方法 一 比较法 1 直接比较法 直尺 天平 2 间接比较法 两类含义 被测对象放大 使测量精度得以提高读数机构细分 也可提高测量精度 如 秒表测周期 每次测量50个周期 不测1个 回旋加速器 电子每通过半圆出口进行一次加速 速度不断增加 能量不断增加 二 放大法 a 积累 或累计 放大法 b 机械放大法 c 光学放大法 d 电子学放大法 如 三极管 如 卡尺 千分尺 蜗轮 如 光栅 读数显微镜 三 转换测量法 1 参量换测法 通过定量函数关系测量 根据物理量之间的各种效应和定量函数关系 利用变换原理将不能或者不易测量的物理量转换成能测或易测的物理量 又如 对不规则物体的体积 利用阿基米德原理转化为易测的液体体积测量 如 测量杨氏模量 热电换测热电偶实验 将温度的测量转换为电动势的测量或者用半导体热敏电阻元件测量 压电换测声速测量中 利用压电换能器 将电信号转换为压力变化 由振动产生超声波 又将声波信号转换为电信号在示波器上显示光电换测气垫导轨实验 接收到光信号转换为电信号显示在毫秒计上例如光纤通讯实验 光栅光谱仪中磁电换测霍尔元件测磁场实验中 将磁感应强度转换为电压进行测量 2 能量换测法 一种运动形式转换为另一种运动形式 例如传感器 物理模拟 保持同一物理本质的模拟数学模拟 可以用同一个数学方法来描述的物理现象 例如 静电场模拟计算机模拟 仿真实验 四 模拟法 以相似物理性质为基础 从模型试验开始发展 例如 航天飞机 宇宙飞船 地震火山 地球进化 一 测量误差 1 测量误差 测量值与被测量真值之间的差值 二 测量误差的分类 误差存在于一切测量过程的始终 概念 测量列 真值和约定真值 等精度测量和不等精度测量 第二部分 测量与误差的基本概念 系统误差 随机误差 粗大误差 三 随机误差 1 正态分布规律 适用大量的随机测量误差 正态分布的概率密度分布曲线 正态分布的标准偏差 表征测量值的分散性 随机误差在范围内的概率 2 测量列的标准偏差 定义该测量列的标准偏差为 对某个物理量x作n个等精度测量 得到一个测量列 其算术平均值为最佳值 期望值 统计意义 当测量次数足够多 测量列中任意测量值与平均值的偏离落在区间内的概率为0 683 3 算术平均值的标准偏差 考虑 算术平均值的离散程度 四 系统误差 概念 在同样条件下 对同一物理量进行多次测量 其误差的大小和符号保持不变或随着测量条件的变化而有规律地变化 来源 仪器因素 理论或条件因素 人员因素 研究系统误差的重要性 影响随机误差的估计 有时比较大 请分析可能的产生原因 在系统误差中发现问题 1894年瑞利发现大气中存在惰性气体 Ar氩气 系统误差 空气中发现了惰性气体Ar氩气 英国物理学家瑞利用不同的方法制取氮气N2 反复进行了更加精确的实验 测量 随机误差对测量结果的影响随着大量测量应该趋于0 那么这个差值是由系统误差引起的 大气分离法 从空气中去除了氧气 二氧化碳 水蒸汽 剩余的就应该是氮气 测得其密度为1 2572g L 化学法 氨气制取氮气 测得其密度为1 2560g L 比前者小0 095 更值得分析 国家标准GB4883 85推荐 判断一个异常值以格罗布斯方法为准 此方法给出一个和数据个数n相联系的系数 当已知数据个数n 算术平均值和测量列标准偏差S 则可以保留的测量值Xi的范围为 gn 0 05 系数表 见教材P10 五 异常值 粗大误差 的剔除 例 测得一组长度值 单位 cm 数据98 97在此范围外应舍去 审查测量数据均在格罗布斯判据范围内 除去后再次计算 一 不确定度的定义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 第三部分 测量结果的不确定度评定 不确定度反映了可能存在的误差分布范围 分为两类 A类分量uA 多次测量时 用统计学方法计算的分量 B类分量uB是用其他方法 非统计方法 计算的分量 d 13 217 0 006 mm k 2 测量结果 测量值 单位 不确定度 二 标准不确定度的评定 观测次数n充分多 才能使A类不确定度的评定可靠 一般在置信概率为68 时 认为n应大于5 在物理实验中 n一般取6 10 A类标准不确定度 1 标准不确定度的A类评定 2 标准不确定度的B类评定 包含了仪器的系统误差 仪 也包含了环境以及测量者自身可能出现的变化 具随机性 对测量结果的影响 仪可从仪器说明书中得到 它表征同一规格型号的合格产品 在正常使用条件下 一次测量可能产生的最大误差 一般情况下 B类标准不确定度uB 例1 使用量程0 300mm 分度值0 05mm的游标卡尺测量长度时 按国家计量技术规范JJG30 84 其示值误差在 0 05mm以内 即 仪 0 05mm 由游标卡尺引入的标准不确定度uB为 三 合成标准不确定度及扩展不确定的评定1 合成标准不确定度 1 对直接测量 2 扩展不确定度的评定扩展不确定度U由合成标准不确定度uc乘以包含因子k得到U kuc 四 测量不确定度的报告与表示1 测量结果及其不确定度的报告形式报告的形式有多种 在我们实验中采用下面形式 五 测量不确定度计算举例例2 测一底面为正方形的长方体 1 写出底边长d的测量结果表达 2 计算其体积 写出结果表达 测量记录 螺旋测微计 初读数为 0 004mm 仪器误差为0 004mm 底边数据列表 d h d 高已给出 数据处理 数据均可保留 数据修正 初读数为 0 004 为 不确定度来源1 多次测量uA d 0 0015mm2 螺旋测微计误差 合成标准不确定度 扩展不确定度 测量结果 计算体积 给出结果 底边测量结果 高已给出 长方体体积 体积的不确定度 结果表达 小结 不确定度计算总结 2 xi的B类分量 3 则xi的合成标准不确定度为 1 xi的A类分量 3 求出直接测量量xi的扩展不确定度U y 写出测量结果的表达式为 2 直接测量量的合成标准不确定度 uc xi 1 每个直接测量量的数据应先排除异常值 直接测量量 1 关于间接量y的最佳估计值 的计算 先计算出 再通过函数关系得到 各个直接量xi的算术平均值 2 对y f xi i 1 2 n 求偏导数 将已经得到的各个直接测量量的不确定度带入 得到将接测量量的合成标准不确定度 间接测量量 3 求出间接量y的扩展不确定度U y 写出测量结果的表达式为 1 测量数据的有效数字 2 不确定度部分的有效位数和修约规则 3 测量结果的有效位数和修约规则 4 中间运算结果的有效位数 第四部分 有效数字和数字修约规则 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 1 测量数据的有效数字 在实验中我们所测的数值都是含有误差的数值 对这些数值不能任意取舍 应反映出测量仪器的精度 直接测量量 原始数据 的读数应反映仪器的精确度 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 直接测量量 原始数据 的读数应反映仪器的精确度 指针式仪表及其它器具 读数时估读到仪器最小分度的1 2 1 10 或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1 5 1 3 注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数 2 有效数字的概念 注意 有效数字的位数与小数点的位置无关345 3 45 0 00345 0 是不是有效数字 例如 0 0027800 科学计数法如 某年我国人口为七亿五千万 极限误差为二千万 就应写作 7 5 0 2 104万 0 000623 0 000003 写作 6 23 0 03 10 4 3 不确定度的有效位数和修约规则 注意 按JJF1059 在报告最终结果时 不确定度有效位数的取舍可将其最末位后面的数进位 U 0 02746g cm3 uc y 或U y 通常最多为两位有效数字 首位有效数字为1或2 结果保留2位 首位有效数字为3以上的数字 结果保留1位 U 0 0321 cm U 0 028g cm3 U 0 013g U 0 04 cm U 0 0122g 例题 测量结果的有效位数由不确定度来确定 采用同一测量单位来表述测量结果和其不确定度时 它们的末位应是对齐的 例 表达结果 2 68 0 04 g cm3 U 0 04 g cm3 结果的表达 测量结果只写到开始有误差的那一位数 以后的数按 小于5舍去 大于5进位 等于5看左右 的法则取舍 4 测量结果的有效位数和修约规则 例 将下列数保留三位小数 2 14351 2 144进位 2 145进位 2 144进位 2 144舍去 2 143272 14388 2 14450 2 14350 2 14451 5 中间运算结果的有效位数 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4000 9 3 6 1042 000 0 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 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 1 列表法表格内容应包括 表格名称 物理量名称 单位 数据 表中数据要用有效数字 单位只在物理量名称栏内标明 不要重复写在各个数据上 第五部分 物理实验数据处理的基本方法 例表 测定电阻的温度系数 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1 2mm对应于测量仪表的仪器误差 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130mm 130mm 作图步骤 实验数据列表如下 表1 伏安法测电阻实验数据 2 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 3 标实验点 实验点可用 等符号标出 同一坐标系下不同曲线用不同的符号 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 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 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 改正为 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 改正为 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 改正为 将多个测量数据按次序分为数量相等的前后两组 后一组的第一个数与前一组的第一个数相减 第二个数与第二个数相减 依次类推 然后求这些差值的平均值 例如 在测杨氏模量实验中 每加一次砝码测一次钢丝伸长量 共测8次 数据列表如下 3 逐差法 将i 0 1 2 3为一组 i 4 5 6 7为一组 对应的ni值相减 再求平均伸长量 逐差法优点 第一 可消除零点误差 第二 扩大了测量范围 实验中对应3 20 10 1kg伸长量 现为对应4 3 20 10 1kg的伸长量 第三