中国石油大学华东大学物理实验基础理论课ppt课件

大学物理实验基础理论（一）,凌翠翠联系电话：86983371邮箱：lingcuicui2014.9,1,主要内容,第一部分物理实验课程介绍物理实验课程要求物理实验程序考核方式第二部分误差与数据处理基础知识误差与不确定度数据处理方法,2,第一部分物理实验课程介绍,1-1物理实验的认识1-2物理实验课的任务与安排1-3物理实验课的基本程序1-4物理实验课的管理与考核办法,3,实践活动：为了达到特定目的，人为再现自然界客观存在的物理过程，来探索物理规律的实践。,1-1物理实验及其分类,大学物理实验课是教育部确定的六门必修的重要基础课之一。,“大学物理实验”是理工科院校各专业的一门必修的、独立设置的基础实验课；是学生在大学接受系统实验方法和实验技能训练的开端。,一、课程认识,4,Einstein(德):“一个矛盾的实验就足以推翻一种理论。”,杨振宁教授：“物理学是以实验为本的科学”。,80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。,5,分类根据实验目的，物理实验可以分为：,（1）定性观察实验（光强分布）（2）定量测量实验（油滴试验）（3）验证性实验（动量守恒）（4）探索创新实验（超声应用）,1-1物理实验及其分类,6,一、实验基础理论课：基础理论作业（共2次，第1、7周各1次）二、开放实验课,1-2物理实验课的任务与安排,第一层次：至少完成6个实验+基础理论作业。第二层次：至少完成6个实验+课程论文。,三、开放时间地点（本学期）1.开放周次：315周（第7周、国庆节除外）2.上课地点：实验楼D区3.开放频次：2-1共36次。,7,一、实验预约网址：石油大学-理学院-开放实验-大学物理实验-实验预约系统202.194.155.226/studyweb/learningweb大学物理实验上课须知预约后方可做实验，预约实验必须要做，实验总数不小于6。（14号周日大开放8:50，开放完12:00预约）（D区306）,1-3物理实验课基本程序,二、实验预习要求：了解实验目的，掌握实验原理、熟悉实验内容、写预习报告。预习报告：实验名称、实验目的、实验原理、实验内容及数据表格（独立）。物理实验学习网站实验预习注意：没有预习报告不允许做实验，采用标准的实验报告纸写预习报告！,8,1-3物理实验课基本程序,班长在周日上午实验楼D306房间，刘老师，购买标准实验报告册；每册0.5元；成本价0.47元；每个项目需要一册。,9,三、实验操作及观测要求：正确操作，“心细、手稳、眼准”。（签到、整理实验仪器、打扫卫生）注意：教师检查签字后实验数据有效。,1-3物理实验课基本程序,四、写实验报告报告内容：预习报告、数据记录和处理、实验结论、实验讨论、原始数据（独立）。要求：书写工整，图表规范，结果正确，讨论认真（至少占10分）。注意：采用标准实验报告册撰写报告，交报告及时。（一周内）,10,第十周和第十一周的周四下午停课！,11,石油大学(华东）大学物理实验报告实验日期：0312班级：姓名（学号）：教师报告箱号码：11实验名称信息要全【实验目的】1.2.【实验原理】文字对课本内容归纳总结公式图形【实验仪器】【实验内容】1.2.根据具体要求课前完成！,【实验数据表格及处理】首先列出原始测量数据，并尽量画表格填写，后再处理。用直尺画表用坐标纸画图表要规范误差及不确定度计算结果表示【实验误差分析及结论】【思考及讨论】有独到的见解【原始数据】单独一张纸,12,1-4物理实验课的考核办法,没有期末考试，每个实验项目逐一考核，给出成绩（百分制）。每个实验项目分三段进行考核，一般实验预习20，实验操作40%，实验报告40%。期末总成绩计算2-1（实验综合成绩、基础理论成绩）2-2（实验综合成绩、期末课程论文成绩）,13,期末总成绩计算,期末总成绩G=10%基础理论（课程论文）+90%实验项目总分/预约实验个数标准化系数0.6（要求个数-完成个数）,完成实验个数=要求个数：,期末总成绩G=10%基础理论（课程论文）+90%实验项目总分/预约实验个数标准化系数,14,实验预约系统的个人信息必须同教务系统中信息保持一致（不相符的预约前带证件到306进行修改后再预约）。学期中，出现转专业情况，如果教务系统中的信息发生变化，必须到D306进行登记，否则期末成绩将无法上报。2-1和2-2实验，实际完成实验个数必须大于等于6，否则期末成绩不及格。预约的实验必须完成，如果预约后没有做，则会影响期末成绩。旷课：请假的再补做的按90%给成绩，未请假的再补做按70%给成绩。作弊违纪：成绩不合格，下学期重修。迟到15分钟按旷课处理；迟到者扣分；旷课补做者乘0.7系数录入成绩；抄袭数据或报告者取消实验项目成绩；替做实验者取消实验课程成绩，只能重修。,重要提醒,15,第二部分误差与数据处理基础知识,2-1几个基本概念2-2误差的处理（第二次课讲解）2-3直接测量的数据处理2-4间接测量的数据处理2-5数据处理的几种常用方法2-6实验数据的计算机处理（自学）,16,1.定义：利用仪器设备通过一定测量方法，将待测物理量与一个选做为标准的同类物理量进行比较，确定待测物理量大小的过程称为测量。,测量三个要素（1）仪器设备；（2）测量方法；（3）测量结果米尺比较法90.70cm,2-1几个基本概念,例如：用最小刻度为mm的米尺测量物体的长度。,90.70cm,一、测量（measurement),17,（1）根据测量结果的获取方式不同，测量分为直接测量和间接测量两类。,2.测量的分类,（2）根据测量条件的不同，测量分为等精度测量和非等精度测量两类。,（3）根据被测对象在测量过程中所处的状态可将测量分为静态测量和动态测量两类。,直接测量:可直接从测量仪器（或量具）上读出待测量的值.,长度、质量、温度等。,间接测量：从一个或几个直接测量结果按一定的函数关系计算出来的过程，称为。,体积、密度、粘度等。,下次课讲,18,1.定义（1）真值：物理量在客观上存在着的确定数值。真值的约定方式：理论真值；计量约定真值；标准相对真值等。（2）误差：误差测量值-真值由于测量方法、测量仪器、测量环境、测量者技能等种种因素的不同导致测量误差的不同。,二、误差,2、性质（1）误差存在于一切测量中；（2）误差不可知。,19,在相同条件下，对同一物理量进行多次测量时，误差时大时小、时正时负，但是多次测量的结果又符合一定的统计规律性。,（1）随机误差,产生原因：多种微小因素综合所致。,3.误差的分类根据误差的性质，可以分为随机误差、系统误差和疏失误差。,20,在相同条件下，对同一量的测量过程中，误差保持恒定（大小、正负不变）或按特定规律变化。,（2）系统误差,产生原因：某一突出因素所致（仪器、人员、环境等）。,例如：千分尺零点不准、习惯、气压不同等。,因为设计错误、操作不当、仪器损坏或测读错误等人为原因造成的测量错误，将得到一些坏记录。剔除异常数据。,（3）疏失误差（粗大误差）,例如：读数错误，记录错误，操作错误等。,产生原因：错误因素所致。,21,4.误差的表示方法根据不同的情况，误差可以用绝对误差、相对误差和引用误差来表示。,（1）绝对误差,（2）相对误差(relativeerror),相对误差反映测量精度的高低。,相对误差=绝对误差/真值,绝对误差=测量值-真值,绝对误差反映测量值偏离真值的大小和方向。,22,1、定义有效数字：对测量、计算结果进行合理的有效的近似数据。,1.65cm,有效数字“可靠数字”“一位可疑数字”,四、有效数字（Significantfigure）,有效数字的位数由待测量的大小和测量条件共同决定。,23,当实验结果的有效数字位数较多时，进行取舍一般采用1/2修约规则。即四舍六入五凑偶。,2、有效数字的修约规则,例:保留4位有效数字3.141596.3785012.717294.510505.62353.21650,3.142,6.379,2.717,4.510,5.624,3.216,标准不确定度一般只取一位有效数字，相对不确定度取一般取一至二位有效数字。不确定度有效数字取舍一般采用1/3修约规则。,3、不确定度的有效数字,24,4、直接测量量的有效数字,（1）数字显示仪表：显示值均为有效数字，不再估读。（2）有指针或刻度的仪器：最小刻度以下再估读一位。,2.00cm,1.641.66cm,25,一般比直接测量结果的有效数字多取12位。例：测量圆的面积直接测量量r:4.5678m,4.5672m,4.5679m中间结果平均值:4.567625m七位有效数字常数:3.141593七位有效数字,单位换算时有效数字的位数不变。1.3m1.3103mm1300mm;1300mm1.300m1.3m尽量采用科学记数法表示。,5、中间结果和常数的有效数字,6、单位换算的有效数字问题,实验结果的有效数字由不确定度确定。有效数字的末位与不确定度的末位对齐。,7、实验结果的有效数字,26,1、定义对测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度，是定量说明测量结果质量的一个参数。由于测量不完善和人们的认识不足，所得的被测量值具有分散性，即每次测得的结果不是同一值，以一定的概率分散在某个区域内。不确定度值为区域半宽度（对应置信区间）。,五、测量不确定度（Uncertainty）,不确定度的表达：,27,用统计方法获得的不确定度分量称为不确定度的A类分量。对于一个等精度多次测量列xi(i=1,2,n），A类分量可采用算数平均值的标准差表征估算。,（1）不确定度的A类分量,2、分类按不确定度数值估算方法的不同，这些分量可分成两类A类分量和B类分量。,28,（2）不确定度的B类分量,定义：用其它估计方法得出的不确定度分量。在仅考虑极限误差的情况下，B类分量为：,注意：在大学物理实验课中极限误差的估计以仪器误差为主。,29,（3）不确定度,30,一、用算术平均值作为真值的最佳估计值,当测量次数n趋于无穷时，算术平均值趋于真值。,误差的对称性和抵偿性,2-3直接测量的结果评价,证明：,31,物理实验中，一般只有一个A类分量和一个B类分量，且假定两个分量相互独立：,二、直接测量的不确定度,1.多次测量的情况,32,3.测量结果的表示,例：用025mm的一级千分尺测钢球的直径D，6次数据为：D1=3.121mm，D2=3.128mm，D3=3.125mmD4=3.123mm，D5=3.126mm，D6=3.124mm写出完整的实验结果。,求不确定度A类分量,解：求算术平均值,33,求不确定度B类分量,计算合成不确定度,完整的测量结果表示,34,一、间接测量的最佳估计值,间接测量量：y直接测量量：x1,x2,xk函数关系形式为：,2-4间接测量的结果评价,35,二、间接测量的不确定度传播公式,对加减运算函数，直接求Uc；对于乘除运算的函数，先求Ur后再求Uc。,36,三、间接测量的结果表示,例2：,例1：,37,求：圆柱体体积V及不确定度。解：求V：,例：用千分尺测量圆柱体的体积V，已求得直径为：,求V的不确定度：,实验结果表示：,38,列表法是实验中常用的记录数据、表示物理量之间关系的一种方法。,1.列表法的特点（1）记录和表示数据简单明了；（2）便于表示物理量之间对应关系；（3）便于随时检查数据是否合理，及早发现问题，提高数据处理效率等。,2.列表的要求（1）栏目清楚，项目分明。（2）写明表的序号和名称，标明物理量、单位及数量级。（3）表中所列数据应是正确反映结果的有效数字。（4）注明测量日期、说明和必要的实验条件。,2.5数据处理的几种常用方法,一、列表法,39,3.列表举例,表1伏安法测电阻数据表2004/2/10,注：（1）电压表量程7.5V，精度等级1.0。（2）电流表量程50mA，精度等级1.0。（3）常温常压条件下测量。（4）采用电流表外接法。,40,二、作图法,作图法：将测量数据之间的关系及其变化情况作成图线直观地表示出来，并且通过所作图线求解未知量或经验方程，是一种最常用的粗略的数据处理方法。1.作图法的优点（1）能够直观地反映各物理量之间的变化规律，帮助找出合适的经验公式。（2）可从图上用外延、内插方法求得实验点以外的其它点。（3）可以消除某些恒定系统误差。（4）有取平均、减小随机误差对结果的影响的作用。,41,（1）根据各变量之间的变化规律，选择相应类型的坐标纸。鼓励使用优秀的软件，如Origin,Excel计算机绘图。（2）正确选择坐标轴的比例和标度。（3）注明图名，坐标轴代表的物理量、单位和数值的数量级。（4）测量数据点应采用比较明显的标志符号，如“、”等，不能用“”。（5）变化规律容易判断的用平滑曲线连线，曲线不必通过每个实验点，但应均匀分布在曲线两边；难以确定规律的可以用折线连接。,2.作图要求,42,（1）判断各量的相互关系,3.作图法的应用,（2）求未知量图解法测量范围内取尽量远的两非实验点（x1，y1）（x2，y2）,43,（3）曲线改直非线性函数未知量的求法通过坐标代换，将非直线画成直线，称为曲线改直技术。,例：,44,三、逐差法（不要求）,逐差法是为了改善实验数据结果，减小误差影响而引入的一种实验及数据处理方法。1.逐差法的应用条件（1）自变量等间隔变化，y=f(x)，xi+1-xi=c。（2）函数关系可以写为多项式关系：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+2.逐差法的应用（1）逐项逐差判断函数关系对函数y=f(x)，测得测量列：xi（i=1,2,n）、yi（i=1,2,n）若yi+1yii，基本相等，函数关系为：y=a0+a1x。若i+1i2i，基本相等，则为：y=a0+a1x+a2x2。,45,（2）隔项逐差求物理量例如：对下表伏安法测量电阻的数据进行处理，应用逐差法求电阻值。表1伏安法测100电阻数据表2004/2/10,数据分为两组，隔3项逐差，再取平均。即：,注：电压表量程7.5V，精度等级1.0；电流表量程50mA精度等级1.0,注意:相隔n/2项逐差。,46,4-4线性函数的最小二乘法,一元线性函数的最小二乘法已知观测量y和x成线性关系，方程为y=a+bx，实际测得x1，x2xn和对应的y1，y2yn，根据测量数据可以得到一组观测方程：,确定a和b的最佳值？,47,最小二乘法认为：若最佳拟合的直线y=f(x)，则所测各值与拟合直线上相应的各估计值之间偏差的平方和为最小，即,最小二乘法思想的几何意义利用已知的测量数据点来确定一条最佳曲线，所有测量点到这条曲线的距离的平方之和为最小。,48,假定最佳方程为：y=a0+b0 x。为了简化计算，设测量中x方向的误差远小于y方向，可以忽略，只研究y方向的差异。残差方程组为：,49,三、最小二乘法应用举例,为确定电阻随温度变化的关系式，测得不同温度下的电阻如表1所示。试用最小二乘法确定关系式：R=a+bt。表1电阻随温度变化的关系,解：1.列表算出：,将表中数据代入,2.设最佳方程为：,50,讲义P35、36页1（1，2）；2（1，4，5）；3；5（2，3）；6；8；10（作业必须认真对待，发现抄袭予以严处）请各班班长收齐按学号排好后于第2周周六前统一交到基础实验楼D