大物实验物理实验绪论最新ppt课件.ppt

1,大学物理实验绪论,2,如何学，学什么？,时间观上课习惯操作分修养分,3,基本事项,地点：物理实验中心位于B5栋B座二层和三层；时间：分单双周，每次实验课均为四节课时间，按课表程序行。成绩:按优秀、良好、中等、及格、不及格五级评定。,4,什么情况导致最后不及格,报告写不好（抄袭）不交报告组长负责（报告交错人、取报告、核实人数、途中丢失、报告不写名字）成绩如果不及格，一年后重修,5,注意事项,迟到15分钟以上不得做实验；病假要有医院证明；事假要有学院签字盖章的假条,以后可另行补做。否则按旷课处理。,6,实验轮流顺序表,7,绪论,物理实验是高等学校学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础课，是学生进入大学后系统的学习实验方法和实验技能的开端，同时，在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面也起着潜移默化的作用。,8,物理实验是一门独立的必修基础课，独立记分，总学时64，2个学分，分两学期完成。,9,为啥学？,跟读书一样，这是一门普通教材学习的氛围效率高碰到名师，前沿课题，了解实验的仪器自学相当于工作前的实习要求要严格,10,物理实验课的主要教学环节,一、课前预习实验前学生必须预习实验教材和仪器说明书等有关资料，明确实验目的，基本弄懂实验原理和实验内容，并对测量仪器和测量方法有所了解，在此基础上写出实验预习报告，报告内容包括：实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理和实验记录表格。,11,实验前要做好预习，写出预习报告。在实验过程中，要实事求是，不允许篡改、拼凑实验数据。不允许抄袭实验报告。实验后完成实验报告，并准时交报告给任课教师。实验以小组为教学单位，所以各班按计划分好组，选出组长，每次组长把填好组员名单的考核登记表带来交给任课老师。各组严格按实验轮流表进行实验。,12,13,物理实验课的主要教学环节,二、实验过程（调整实验装置，进行测量记录）准时到实验室上课，下午上课时间2:00-5:00，晚上上课时间改为18：3021：20，请同学们注意。进入实验室后要遵守实验室规则，在实验过程中，要认真，仔细观察物理现象，正确读取和记录测量数据。要学会分析和排除实验故障，若发现问题而无法解决时，可以请指导教师帮助处理。实验完毕，测量数据要经指导教师检查并签名，然后整理好仪器离开实验室。,14,15,物理实验课的主要教学环节,三、课后实验总结实验结果报告：在预习报告的基础上，将原始数据整理到(预习)报告上，处理数据（计算结果和误差），写出结果分析。（实验结果评价、误差分析、实验方法改进、创新实验设计等等）。实验报告要求用实验报告纸撰写，第二次实验课时交第一次的实验报告，第三次实验时交第二次的实验报告，以此类推。,16,实验报告的格式和内容（科研论文）,实验名称实验目的目前的研究状况及问题实验仪器实验原理：简要叙述实验原理、计算公式、实验电路图或光路图。实验内容和主要步骤,17,实验报告的格式和内容,数据记录与处理：将原始记录数据转记于实验报告上（签名的原始数据也应附在报告上，以便教师检查），按照实验要求计算测量结果，计算要遵循有效数字的运算规则进行，用标准差评估测量结果的可靠性。,18,实验报告的格式和内容,结果与讨论：该部分要明确给出实验测量结果，并对结果进行讨论（如实验中观察到的现象分析、实验中存在的问题讨论、回答思考题等）。也可以对实验本身的设计思想、实验仪器的改进等提出建设性意见。实验者姓名、实验日期,19,预习报告和实验报告的关系,可以将预习报告按实验报告的要求书写，即实验名称、实验目的、实验仪器、实验原理，数据记录表格。上课时带给教师检查，实验结束时要让教师检查记录的实验原始数据，并且签名，再将该报告带回去，加上数据记录与处理、结果与讨论，构成一份完整的实验报告。下次上课时交这份实验报告。预习报告的页数,20,第一章测量误差和实验数据处理第一节测量和测量误差,一、测量及其分类测量就是在一定条件下使用具有计量标准单位的计量仪器对被测物理量进行比较，从而确定被测量的数值和单位。直接测量间接测量等精度测量不等精度测量,21,直接测量,直接测量是使用仪器或量具，直接测得被测量的量值的测量。由直接测量所得的物理量，称为直接测量量。例如用天平称衡物体的质量,22,间接测量,间接测量是通过直接测量量，再根据某一函数关系把待测量计算出来的测量。,23,间接测量,例如，用单摆测量某地的重力加速度g，是根据用米尺直接测得单摆的摆长l和用秒表直接测得周期T，再通过单摆公式：g=（42l）/T2把重力加速度g计算出来。l和T是直接测量量，g称为间接测量量。,l,T,24,等精度、不等精度测量,若对同一个物理量的多次测量都是在相同条件同一仪器同一方法同一环境同一物理量同一测量者下进行的，称为等精度测量；否则，称为不等精度测量。,25,测量列,无法判定哪一次更可靠；可以预期它们的平均值最可靠；当测量次数n趋于无穷时，只要能排除系统误差（如仪器或环境因素），其平均值就是被测物理量的“真值”。,26,第一节测量和测量误差,二、测量误差及其分类（一）误差的定义1、绝对误差被测量的物理量在特定条件下客观存在的真实量值称为该物理量的真值，记作。测量值X和真值的差定义为测量误差，记为X即：X=X-它反映了测量值偏离真值的大小和方向，称为绝对误差。,27,第一节测量和测量误差,2、相对误差E=(X/)100%它反映了测量的准确程度。3、约定真值被测量的真值是一个理想概念，一般说来是不可知的，在实际测量中，常用被测量的算术平均值代替真值，称为约定真值。,28,为什么要用相对误差?,一：10.0VV1=1.0VV2=0.1V二：1.0cmX1=1mm100mX=1mE110E21,29,第一节测量和测量误差,由于取被测量的算术平均值代替待测量的真值，测量值x的测量误差又可以表示为：称为绝对偏差和百分误差。,30,第一节测量和测量误差,（二）误差的分类系统误差偶然误差（随机误差）粗大误差,31,系统误差,系统误差是由于实验系统的原因，在测量过程中造成的误差。来源：仪器误差、环境误差、方法误差、个人误差。特点：误差的大小和符号总是保持恒定，或按一定规律以可约定的方式变化。消除方法：找出原因，在实验前或实验后加以修正。,32,系统误差的修正,仪器误差例如电表的零点误差修正：接入电路前，先调机械零点。,电表指针不在零点,33,偶然误差,偶然误差是由某些偶然的或不确定的因素，在测量过程中造成的误差。来源：环境和实验条件的无规则变化。特点：偶然误差的量值和符号以不可约定的方式变化着，对每次测量值来说，其变化是无规则的，但对大量测量值，其变化则服从确定的统计分布（正态分布）规律。,34,35,正态分布,当有大量的、彼此无关的等权重的次要因素随机地影响测量结果，而测量次数趋于无穷时，测量值与平均值之差成为连续型随机变量，其概率密度分布为正态分布：,36,正态分布,当有大量的、彼此无关的等权重的次要因素随机地影响测量结果，而测量次数趋于无穷时，测量值与平均值之差成为连续型随机变量，其概率密度分布为正态分布：,37,正态分布,38,正态分布的特点,单峰性：绝对值小的误差出现的概率大，而绝对值大的误差出现的概率小。对称性：绝对值相等的正、负误差出现的概率大致相等。有界性：绝对值非常大的正、负误差出现的概率趋于零。,39,在“节拍器”振动周期多次测量误差分布研究中，并不完全符合正态分布,不是“许多”“独立因素”,也非“等权重”，更不是“无穷多次”；数学模型是物理实际的理想化。,40,偶然误差,消除偶然误差的方法：在相同条件下，增加测量次数。,41,粗大误差（过失误差）,测量值明显地偏离正常测量值的异常误差，称为粗差（过失误差）。来源：使用仪器方法不对；粗心大意，记录出错；实验条件突变等。消除方法：按一定的科学标准鉴别和剔除。,42,第二节测量结果的误差估算,一、直接测量量偶然误差的估算1、测量列的标准差设对某一真值为的物理量X，进行n次等精度测量，得一列测量值X1、X2、Xn，测量列的标准差定义为各测量值误差平方和的平均值的正平方根：,43,第二节测量结果的误差估算,实验中，是未知值，用测量值的算术平均值作为待测量X的最佳估计值，而且物理实验的测量次数是有限的，通常为35次，因此其偶然误差可以用标准偏差来处理:表示测量列中的测量值xi相对于测量值的算术平均值的分布情况。,44,第二节测量结果的误差估算,测量列算术平均值的标准偏差表示该测量列的算术平均值以一定概率落在真值附近的范围。,45,第二节测量结果的误差估算,2、偶然误差与系统误差的合成设偶然误差为设未定的系统误差为则算术平均值的总标准偏差为:,46,第二节测量结果的误差估算,d的计算取仪器的允许误差作为其测量值的最大误差取仪器最小分度值的一半作为其测量值的最大误差作为均匀分布，有：,47,第二节测量结果的误差估算,3、测量结果的表示物理意义：待测量X的真值落在区间的概率为68.3。,+,-,68.3%,48,第二节测量结果的误差估算,4、异常数据的判别和剔除鉴别异常数据的基本思想：以一定的置信水平确定一个置信限，凡是超过该限度的误差就认为它不属于偶然误差，其数据就是异常数据，可将其剔除。判别方法：3准则、格拉布斯准则2落在2倍正负标准差内的概率为0.9553落在3倍正负标准差内的概率为0.997,49,数据的舍弃,在多次等精度测量中,如果有个别数据偏差很大,应慎重对待.往往新规律就孕育于“异常”之中.与测量列的平均值之差大于该测量列标准差的3倍,按高斯分布,其概率小于0.3%.对于有限次测量,可以判断为差错,予以剔除.3法则.,50,第二节测量结果的误差估算,格拉布斯准则设某一服从正态分布的测量列为x1，x2，xn，格拉布斯分布为：选定一显著水平a，对应与某一定的测量次数n和a，有临界值g0(n，a),若gig0(n，a),xi为异常数据；若gig0(n，a),xi为正常数据。,51,第二节测量结果的误差估算,二、间接测量量的误差估算设间接测量量N是各独立的直接测量量x，y，z，的函数，即：各直接测量量的测量结果为：问：,52,间接测量量的误差估算,若各直接量完全独立无关，则：称为误差的传递系数。,53,间接测量量的误差估算,若函数关系式只是积或商的形式，可先对函数两边取自然对数，再求全微分，得到N的相对误差公式：N的标准误差为,54,间接测量量的误差估算,常用函数的标准偏差公式,55,间接测量量的误差估算,常用函数的标准偏差公式,56,第三节有效数字及其运算规则,在实验中所测得的被测量都是含有误差的数值，对这些数值的尾数不能任意取舍，应能反映出测量值的准确度。因此在记录数据和计算测量结果时，应该取多少位，有严格的要求。1、有效数字的定义测量结果中所有可靠数字加上末位的可疑数字统称为测量结果的有效数字。有效数字中所有位数的个数称为有效数字的位数。,57,第三节有效数字及其运算规则,2、有效数字的读取规则记录测量仪器的精度、级别、最小分度值（最小刻度值）；估计测量仪器的仪器误差；记录有效数字时要记录到误差所在位。,58,第三节有效数字及其运算规则,例1：用300mm长的毫米分度钢尺测量长度。该钢尺最小分度值为1mm，仪器误差取最小分度值的一半，即因此正确记录数值是除了确切读出钢尺上有刻线的位数外，还应估读一位，即读到0.1mm位。,59,第三节有效数字及其运算规则,例2、伏安法测量电压和电流值，用0.5级的电压表和电流表，量程分别为10V和10mA。由仪器误差计算公式可得因此记录电压和电流的有效数字时，应分别记录到0.01V和0.01mA位。,60,第三节有效数字及其运算规则,有些仪器仪表一般不进行估读或不可能估读。例如：数字显示仪表，只能读出其显示器上所记录的数字。当该仪表对某稳定的输入信号表现出不稳定的末位显示时，表明该仪表的不确定度可能大于末位显示的1，此时可记录一段时间间隔内的平均值。,61,第三节有效数字及其运算规则,3、有效数字的性质有效数字的位数随着仪器的精度（最小分度值）而变化。有效数字的位数与小数点的位置无关。凡数值中间和末尾的“0”均为有效数字，但数值前的“0”则不属有效数字。例如：50.07，2.400，0.012,62,第三节有效数字及其运算规则,对数量级很大或数量级较小的测量值，常采用科学记数法，即写成的幂次形式，其中a为19之间的整数，n为任意整数。例如地球半径是6371km，用科学记数法表示为6.371106m。氦氖激光波长为632.8nm,用科学记数法表示为6.328107m。,63,第三节有效数字及其运算规则,4、有效数字的运算规则可靠数与可靠数运算，结果为可靠数。可疑数与任何数运算，结果为可疑数，但进位数为可靠数。运算过程中可保留2位可疑数，但结果只保留1位可疑数。,64,第三节有效数字及其运算规则,加减法运算13.51.62515.125，结果取15.171.30.75370.547，结果取70.5结论：物理量相加（减），结果的有效数字应保留的位数与各量中最先出现可疑数的位数对齐。乘除法运算23.12.250.82，结果取5123.18.4194.04，结果取194（有进位）,65,结论：两物理量相乘（除），结果的有效数字位数与各量中有效数字最小的一个相同，有时可多一位（相乘），有时可少一位（相除）。,23.12.246246250.82,23.18.49241848194.04,66,第三节有效数字及其运算规则,乘方、开方：一般与底的位数相同76525.85105,函数运算：三角函数、对数，由其有效数字的位数来定Sin30012=0.5030,67,第三节有效数字及其运算规则,尾数舍入规则为了使运算过程简单或准确地表示有效数字，需要对不应保留的尾数进行舍入。四舍五入是通常采用的舍入规则，但这种见五就入的规则使入的几率大于舍的几率，容易造成较大的舍入误差。为了使严格等于五的舍入误差产生正、负相消的机会，采用新的较为合理的“四舍六入五凑偶”舍入规则，即：小于五舍，大于五入，等于五时则把尾数凑成偶数。,68,四舍六入五凑偶,1.04346保留4位有效位数为：1.0431.04368保留4位有效位数为：1.0445.76453保留4位有效位数为：5.764（五凑偶，故舍去5，而不进位）5.76153保留4位有效位数为：5.762（五凑偶，故5进位）,69,第三节有效数字及其运算规则,5、测量结果的有效数字测量误差的有效位数：误差只取一位有效数字，“只进不舍”。间接测量结果值的有效数字：测量结果值的有效位数的末位，要与误差所在的位对齐，舍去其它多余的存疑数字。,70,第三节有效数字及其运算规则,例3、用单摆测量重力加速度g，直接测量量周期T2.0090.002，摆长L1.0000.001，g=（42L）/T2，计算测量结果和标准偏差。按有效数字运算规则算得:g=(43.14221.000)/2.0092=9.771,71,第三节有效数字及其运算规则,计算g的相对误差,72,第三节有效数字及其运算规则,计算g的标准偏差g9.7712.21030.0214误差一般只取一位有效数字，“只进不舍”，g0.03测量结果值的有效位数的末位，要与误差所在的位对齐g9.770.03（m/s2),73,第四节实验数据处理,一、图示与图解法图示法是根据几何原理将实验数据用图线来简明、直观、准确地揭示出物理量之间的关系，以及绘制校正曲线。图解法是根据已作好的曲线，用解析方法进一步求得曲线所对应的函数关系、经验公式，以及其他参数值。,74,第四节实验数据处理,图示法规则图纸选择按实验参量要求，选用合适的坐标纸。根据实验数据的有效数字位数和数值范围，确定坐标纸的大小，原则上坐标纸的一小格代表可疑数字前面的一位数。定标一般横轴代表自变量，纵轴代表因变量。标出坐标轴代表的物理量和单位。,75,第四节实验数据处理,图示与图解法,76,图示法规则,分度在坐标轴上按选下的比例标出若干等距离的整齐的数值标度，其数值位数应与实验数据的有效数字位数一致。标度通常用1，2，5，而不用3，7，9。横轴和纵轴的标度可以不同。坐标原点不一定从0开始，应使曲线尽量充满整幅坐标纸。,77,图示法规则,标实验点，拟合曲线用铅笔尖在坐标图上以小“”或“”标出各实验数据点的坐标，然后用直尺和曲线板将实验点连成直线或光滑曲线。连线时应使多数实验点在连线上，不在连线上的实验点大致均匀分布在图线的两侧。图名与注解一般在图纸下部位置标出图线的名称，必要时有注解说明。,78,图示法例子,79,80,81,第四节实验数据处理,图解法求直线的斜率和截距以x为横坐标轴，为y纵坐标轴，按图示法规则将实验数据绘图，若x和y的函数关系是线性关系，则图为直线，方程式为y=ax+b，直线的斜率a采用两点式方法求取。注意：在物理实验中的坐标系中，纵坐标和横坐标代表不同的物理量，分度值与空间坐标不同，所以不能量取直线倾角求正切值的办法求斜率。,82,第四节实验数据处理,两点式求直线的斜率在靠直线的两端选取两点A(x1,y1),B(x2,y2)（一般不宜取测量点，因为测量点不一定在图线上），则斜率为：而截距为：,83,第四节实验数据处理,图示图解法在数据处理中虽然是一种直观而简便的方法，但是用图示图解法求斜率和截距是一种平均处理的方法，这种方法有相当大的主观成