大学物理实验答疑2014.ppt

考试题型 选择题填空题简答题 有效数字的运算 光路图 电路图 大题 不确定度计算 误差分析 作图 设计 考试时间 1小时卷面分 100分 2 直接测量 等精度测量 间接测量 非等精度测量 方法 条件 误差的分类 系统误差 随机误差 粗大误差 可避免 误差 1 系统误差 对同一物理量进行的多次等精度测量的过程中 保持恒定或以可预知方式变化的测量误差分量 理论 方法 因素 实验方法或理论的不完善 仪器因素 测量仪器本身固有缺陷或使用不当 环境因素 周围环境变化 如温度 湿度 压强的变化 人员因素 测量者的主观因素和操作技术 1 系统误差 已定系统误差 在测量过程中能确定其大小和符号 在处理时可以对测量结果进行修正 未定系统误差 在测量过程中不能确定其大小和符号 在处理时 常用估计仪器误差限的方法得出 并将其归入不确定度中的B类分量处理 特点 不具有随机性 不能通过增加测量次数可减小其影响 定义 在对同一物理量进行多次等精度测量的过程中 绝对值和符号以不可预知的方式变化的误差分量 来源 来自于实验中各种因素的微小变动性 如 电表轴承的摩擦力变动操作读数时的视差影响特点 表现为随机特性 增加测量次数可减小其影响 2 随机误差 无限多次测量时 随机误差服从 高斯分布 正态分布 对称性单峰性有界性抵偿性 正态分布随机误差分布曲线 特点 标准偏差 的统计意义 任一次测量值xi与平均值x之差落在区间 的概率为0 683 记为P 68 3 2 2 的概率为0 954 记为P 95 4 3 3 的概率为0 997 记为P 99 7 的概率为1 归一化条件 P 置信概率 68 3 注 k k 置信区间 3 极限误差 算术平均值的标准偏差 x uA x uA 的概率为68 3 x 2uA x 2uA 的概率为95 4 x 3uA x 3uA 的概率为99 7 uA的统计意义 真值落在 准确度表示测量结果系统误差的大小 结果比较接近客观实际的测量准确度高 1 准确度 评价测量结果常用准确度 精密度和精确度三个概念 精密度表示测量结果随机误差的大小 结果彼此相近的测量精密度高 2 精密度 精确度综合反映出测量的系统误差与随机性误差的大小 既精密又准确的测量精确度高 3 精确度 a 准确度高 精密度低 b 准确度低 精密度高 c 精确度高 什么是测量不确定度 对某一物理量进行测量 我们只能知道测量值与真值之差的绝对值以一定概率分布在 U U之间 用公式表示为 x X U 置信概率为P 其中 U值可以通过一定的方法进行估算 称为不确定度 不确定度表征 真值以某置信概率存在的范围 是对测量结果不确定性的量度 1 不确定度的定义 直接测量量的B类不确定度通常用仪器的示值误差限表示 即 测量列的B类不确定度 B 通常情况下 仪器出厂时最大示值误差限的置信概率为95 一般测量范围在300mm以下的游标卡尺取其分度值为仪器的示值误差限 游标卡尺 游标卡尺的分度值通常有 0 02mm和0 05mm两种 外径千分尺 按国家标准 GB1216 75 规定 量程为25mm的一级千分尺的示值误差为0 004mm 天平的示值误差为天平的感量 0 05g 仪器示值误差或精度等级未知 可取其最小分度值的一半为示值误差限 物理天平 电表 电阻箱 数字式仪表 是显示读数 代表仪器的固定误差项 一般取最小量化单位的整数倍 其他 K 0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 5 0 19 系统误差 随机误差 A类不确定度 误差 已定系差 先修定 未定系差 B类不确定度 粗大误差 避免 剔除 20 A类不确定度 B类不确定度 置信概率均为P 0 95 不确定度 正态分布 t分布 合成不确定度 21 评定某直接测量量X结果的步骤 1 修正测量数据中的可定系统误差 2 计算测量列的算术平均值 作为测量结果的最佳值 3 计算测量列任一次测量值的标准偏差 作为A类不确定度 22 评定某直接测量量X结果的步骤 5 求合成不确定度 单次测量 6 最终结果表示式 23 评定间接测量量结果的步骤 3 用公式或求出N的不确定度U或相对不确定度Ur 1 求各直接测量量的测量结果 2 求间接测量量的最佳值 4 最后测量结果 可靠数字 可疑数字 有效数字 一 有效数字的基本概念 6 5 cm 测量值中能读准的位数加上估读的一位称为有效数字 5cm 15cm 0 3 有效位的多少 是测量实际的客观反映 不能随意增减测得值的有效位数 2 测量同一物理量 测量值的有效数字的位数与选用的测量仪器有关 1 一般地 有效数字只有最后一位是可疑位 特别强调 不确定度值和相对不确定度值的有效数字一般取一位至两位 首位数 3时 一般取1位 首位数 3时 保留2位 表达测量结果的有效数字 最佳值尾数与不确定度值尾数应对齐 27 表达测量结果的有效数字 最佳值尾数与不确定度值尾数应对齐 例如 1 2 改错 三 有效数字的运算规则 1 加减 与末位数字位置最高者对齐 2 乘除 与位数最少者的位数相同 4 常数 可看成有任意多位有效数字 3 乘方 开方 幂运算 不改变有效数字位数 常数运算规则 常数可看成有任意多位有效数字 不影响最后的计算结果 运算中其位数比计算式中其它测量值中有效位最少的多取一位 小于5时 舍去 等于5时 按欲保留的末位为奇数时则进1 为偶数时舍去 有效数字的修约规则 大于5时 包括5后面有非零数 进1 4舍5入 奇凑偶 3 按有效数字规则计算 1 107 50 2 5 2 3 4 76 列表法 作图法 逐差法 最小二乘法 数据处理基本方法 光杠杆测固体线膨胀系数曲线 1 选定直角坐标纸2 选择合适的坐标分度值 确定坐标纸的大小分度值的选取应能反映测量值的精确度 并便于读数 3 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 4 标实验点 实验点可用 等符号标出 不同曲线用不同的符号 5 连线6 写出图名 图注 常用的几种最基本的测量方法 方法 比较法放大法转换法模拟法 放大法通过某种方法将被测量放大后 再进行测量 累积放大法机械放大法电学放大法光学放大法 常用的放大法 仪器初态和安全位置调整零位 零点 调整水平 铅直调整消除视差的调整调焦等高共轴调整消除空程差逐次逼近调整先定性后定量原则回路接线法跃接法 检流计 实验中的基本操作技术 怎样做好设计性实验 科学实验设计的原则 实验方案的选择 最优化原则测量方法的选择 误差最小原则测量仪器的选择 不确定度均分原则测量条件的选择 最有利原则 P235 238的设计举例 比较其结果可见 例如 若待测电流为60mA 0 5级 量程为300mA的电流表 1 0级 量程为75mA的电流表 仪器示值误差限 误差限值的相对值 由于待测量的量值与仪器的量程不匹配 用0 5级的表测得的结果反而不如1 0级的表好 实验一 电阻元件伏安特性的研究 外接法 适合测量小电阻 测量的阻值偏小 内接法 适合测量大电阻 测量的阻值偏大 用替代法测指针式毫安表的内阻 R0 R0 E E 液体表面张力系数的测定 液体表面张力介绍 由于液体分子间的相互吸引力 使得液体具有尽量缩小其表面的趋势 就好像液体表面是一张拉紧了的橡皮膜 这种沿着液体表面的 收缩液面的力称为表面张力 表面张力的存在解释了物质的液体状态所呈现的许多现象 如泡沫的形成 浸润和毛细现象等 液体表面张力系数是表征液体性质的一个重要参数 测定方法 测定表面张力系数常用的方法有 拉脱法 毛细管升高法 液滴测重法 本实验应用拉脱法测量水的表面张力系数 实验原理 拉脱法 测量一个已知周长的金属圆环从待测液体表面脱离前后所需的拉力 从而求得该液体表面张力系数的方法 实验原理 表面张力F的方向沿液体表面 大小与分界线的长度成正比 液面分界线长度 金属环的内外径所包围的长度 表面张力系数 2 1 实验原理 拉脱前 T mg F T1 实验原理 硅压阻力敏传感器受拉力T时 数字式电压表将有电压U输出 B称为力敏传感器的灵敏度 单位为V N 吊环拉断液面前 环受到的最大拉力为T1 对应电压值为U1 吊环拉断脱离液面后 环受到的拉力为T2 对应电压值为U2 实验原理 表面张力F 吊环受力情况 表面张力系数测量过程 吊环浸没在水中 下沿刚好完全浸没 顺时针旋转螺母电压表读数增加 继续旋转读数增加到最大值记为U1 再继续旋转读数开始减小 减小到某一个值液面断裂记为U2 硅压阻力敏传感器灵敏度定标 表1 硅压阻力敏传感器定标 g 9 8011m s2 开机预热15分钟 读数稳定在0 00 挂上砝码盘 调零 消除砝码盘重量的影响 从0 50 3 50克递增砝码 记录输出电压U 金属环内外径测量 表2 金属环内 外直径 用游标卡尺测量金属环内外径D1和D2各6次 取平均值 13 24mm 测量液体表面张力系数 表3 表面张力系数测量 U1 吊环拉脱液面前最大的电压值U2 吊环拉脱液面后稳定的电压值 误差分析 实验前没有对机器进行预热15分钟 拉脱过程中吊环不水平 拉拖后吊环上残留的水珠 游标卡尺的读数误差 测量金属环的内外径时测量的是弦长 硅压阻力敏传感器灵敏度定标时 没有调零 测量水温时 温度计碰到表面皿 测量过程中水的温度发生变化 待测液体未使用纯净水 示波器的原理及使用 实验背景 实验原理 1 阴极射线示波管结构简介 阴极射线示波器的主要构件是阴极射线示波管 它由电子枪 偏转系统 荧光屏三部分组成 扫描原理 在竖直偏转板上加待测电压信号 在水平偏转板上加一锯齿波电压信号 利用李萨如图形能方便地比较两正弦信号的频率 若已知其中一个信号的频率 数出图上的交点nx和ny 便可算出另一待测信号的频率 4 示波器控制面板简介 VP 5220D型双踪示波器 霍尔法测磁场 霍尔效应是一种磁电效应 当电流垂直于外磁场方向通过导电体时 在垂直于磁场和电流方向的导电体的两端出现电势差的现象称为霍尔效应 该电势差称为霍尔电势差 霍尔电压 霍尔效应是由运动电荷在磁场中受到洛伦兹力的作用引起的 K为 霍尔元件的灵敏度 表示 单位磁感应强度B下 流过单位电流I时的霍尔电压UH的大小 单位 毫伏 毫安 特 转换法 在霍尔效应建立的同时还会伴有其它附加效应的产生 在霍尔元件上测得的电压是各种附加电压叠加的结果 附加效应 不等位效应 厄廷好森效应 能斯特效应 里纪 勒杜克效应 实验当中可以采用对称测量法 即通过改变工作电流I和磁感应强度B的方向来消除附加效应 测出四个电压 取其绝对值的平均值即为霍尔电压 霍尔元件的附加效应 霍尔法测磁场 1 由于电极位置不对称产生的电势差 不等位电势 U0 随工作电流I的换向而换向 无与B的方向无关 2 厄廷好森效应 温差电效应 UE 随B也随I的换向而换向 3 能斯脱效应 热磁效应 UN 随B的换向而换向 而与I的方向无关 4 里纪 勒杜克效应 热磁效应产生的温差 UR 随B的换向而换向 而与I的方向无关 上述四种附加电压 除厄廷好森效应UE外其余都可以通过改变I或B的方向来消除 霍尔元件的附加效应 采用三线摆法测量物体的转动惯量 采用累积放大法测量周期 测量的次数为30个 误差来源分析 三线摆法测量物体的转动惯量 上 下盘不水平下盘在摆动过程中出现晃动下盘摆角过大直角规测量上 下盘间的距离时的读数误差游标卡尺的零点不准游标卡尺的读数误差游标卡尺测量悬孔间距离时 并非测的是两悬孔中心的距离游标卡尺测量圆柱或圆盘的直径时 测量是弦长圆环的中线与下盘的中心不重合下盘的挡光杆通过光电门时未计数每次摆动的角度不同下圆盘加上待测物后悬线将伸长 从而引起值增大 实验十一用牛顿环测透镜的曲率半径 光的等厚干涉 牛顿环 劈尖 光的干涉是光的波动性的一种表现 若将同一点光源发出的光分成两束 让它们各经不同路径后再相会在一起 当光程差小于光源的相干长度 一般就会产生干涉现象 牛顿环 劈尖是其中十分典型的例子 它们属于用分振幅的方法产生的干涉现象 也是典型的等厚干涉条纹 用等厚干涉条纹测劈尖厚度 牛顿环测透镜曲率半径的原理 准确测出两个对应暗环的直径 就可以得到透镜的曲率半径 牛顿环干涉条纹的特点 分振幅 等厚干涉 明暗相间的同心圆环 级次中心低 边缘高 中间是零级暗环 间隔内疏外密 实验装置 目镜 调焦旋钮 测微鼓轮 读数标尺 读数显微镜 钠光灯 牛顿环装置 劈尖 显微镜筒 读数显微镜 牛顿环实验中用读数显微镜来测量微小长度 它主要由螺旋测微装置和显微镜两部分组成 用读数显微镜测量长度 在用眼睛从目镜中观察时 不要将镜筒移向待测物体 两次读数时 鼓轮必须向一个方向移动 以避免空程误差 空程误差属系统误差 由螺母与螺杆间的间隙造成 齿合前轻轻转动测微鼓轮读数有变化 而游标并没有移动 消除方法 测量时只沿同一方向转动测微鼓轮 读数显微镜的空程误差 测微鼓轮 数据处理 逐差法 测量顺序 起始读数点 数据处理过程 a的平均值 a的不确定度 a的测量结果 R的平均值 R的不确定度 R的测量结果 A类 B类 合成 mm2 mm2 mm2 mm2 mm