物理实验课程绪论市公开课获奖课件

1、1物理试验课程绪论1.物理试验主要作用2.测量误差和不拟定度预计基础知识3.学生须知4.如何上好物理试验课第1页第1页21.物理试验主要作用 物理是研究物质运动普通规律及物质基本结构科学，它必须以客观事实为基础，必须依托观测和试验。归根结底物理学是一门试验科学，无论物理概念建立还是物理规律发觉都必须以严格科学试验为基础，并通过此后科学试验来证实。 物理试验在物理学发展过程中起着主要和直接作用。第2页第2页3典型物理学（力学、电磁学、光学）规律是由以往无数试验事实为依据来总结出来。X射线、放射性和电子发觉等为原子物理学、核物理学等发展奠定了基础。卢瑟福从大角度粒子散射试验结果提出了原子核基本模型

2、。实验可以发现新事实，实验结果可认为 物理规律建立提供依据第3页第3页4 试验又是检查理论正确是否主要判据19爱因斯坦光量子假说总结了光微粒说和波动说之间争论，能较好地解释勒纳德等人光电效应试验结果，但是直到19当密立根以极其严密试验证实了爱因斯坦光电方程之后，光粒子性才为人们所接受。1974年J/粒子发觉更进一步证实盖尔曼1964年提出夸克理论。电磁场理论提出与公认假说库仑定律安培定律高斯定律法拉第定律麦克斯韦在1865年提出电磁场理论麦克斯韦方程组统一了电、磁、光现象,预言了电磁波存在并预见到光也是一个电磁波1887年赫兹试验发觉了电磁波存在并证实电磁波传播速度是光速电磁场理论才得到公认二

3、十多年后 理论物理与试验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受实践检查。只有经受住试验检查，由试验所证实，才会得到公认。第4页第4页5试验定义：为了验证预测或取得新信息，通过技术性操作来观测由预先安排办法所产生现象。试验四个阶段：选定目的，做出大约计划。选择装置与制作装置。进行观测和测量。分析数据，整理结果。试验分类：学生试验研究性试验第5页第5页6物理试验课程主要目的和任务 1.对学生进行“三基”训练。使学生取得物理试验基本知识,进行基本试验办法和基本试验技能训练。培养学生阅读理解能力、动手操作能力、分析判断能力、书写表示能力以及初步试验设计能力。2.加深对物理概念、规律掌握和理解。3.具

4、备初步从事试验工作基本素质。 第6页第6页7 物理试验课程不同于普通探索性科学试验研究，每个试验题目都经过精心设计、安排，试验结果也比较有定论，但它是对学生进行基础训练一门主要课程。 它不但能够加深大家对理论了解，更主要是可使同学取得基本试验知识，在试验方法和试验技能诸方面得到较为系统、严格训练，是大学里从事科学试验起步，同时在培养科学工作者良好素质及科学世界观方面，物理试验课程也起着潜移默化作用。 第7页第7页82.测量误差和数据处理基础知识2-1 测量误差和不拟定度估算基础知识2-2 试验数据有效位数确实定2-3 作图法处理试验数据2-4 数据直线拟合（最小二乘法处理试验数据）第8页第8页

5、9测 量物理试验以测量为基础完整测量结果应表示为： 以电阻测量为例包括： 测量对象 测量对象量值 测量不拟定度 测量值单位 （Y = y 表示被测对象真值落在（y ，y ）范围内概率很大， 取值与一定概率相联系。）第9页第9页10测 量测量分为直接测量和间接测量直接测量指无需对被测量与其它实测量进行函数关系辅助计算而可直接得到被测量值测量；间接测量指利用直接测量量与被测量之间已知函数关系通过计算从而得到被测量值测量。任何测量都也许存在误差（测量不也许无限准确)。第10页第10页11测量误差定义和分类 误差dy测量结果 y 真值 Yt误差特性：普遍性、误差是小量由于真值不可知，误差事实上很难计算

6、（有时能够用准确度较高结果作为商定真值来计算误差）误差表示办法： 绝对误差 dy 相对误差误差分类 系统误差 随机误差 第11页第11页12系统误差定义：在对同一被测量多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定 或以可预知方式改变测量误差分量。产生原因：由于测量仪器、测量办法、环境带入分类及处理办法：已定系统误差：必须修正电表、螺旋测微计零位误差； 伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起误差。未定系统误差：要预计出分布范围（大体与 B 类不拟定度B 相称） 如：螺旋测微计制造时螺纹公差等第12页第12页13随机误差定义： 在对同一量多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式改变测量误差分量。产

7、生原因： 试验条件和环境原因无规则起伏改变，引起测量值围绕真值发生涨落改变。比如：电表轴承摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机改变、操作读数时视差影响。特点： 小误差出现概率比大误差出现概率大； 多次测量时分布对称，含有抵偿性因此取多次测量平 均值有助于消减随机误差。第13页第13页14精密度、准确度和准确度(a).精密度高，准确度差。(b).准确度高，精密度差。(c).精密度、准确度都高，就是准确度高。第14页第14页15随机误差处理 假定对一个量进行了n次测量，测得值为yi (i =1, 2，n)，能够用多次测量算术平均值作为被测量最佳预计值(假定无系统误差) 用原则偏差 s 表示测

8、得值分散性s按贝塞耳公式求出：s大，表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量精密度低；s小，表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量精密度高；s可由带统计功效计算器直接求出。第15页第15页16随机误差处理举例例：用50分度游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量 结果下列（单位mm）：250.08，250.14，250.06, 250.10, 250.06, 250.10则：测得值最佳预计值为 测量列原则偏差第16页第16页17随机变量分布 正态分布：大量相对独立微小原因共同作用下得到随机变量服从正态分布。物理试验中多次独立测量得到数据普通能够近似看作服从正态分布。 表示 x 出现概率最大值，

9、消除系统误差后， 通常就能够得到 x 真值。称为原则差，是曲线 拐点表示随机变量 x 在x1，x2区间出现概率，称为置信概率。 实际测量任务是通过测量数据求得 和值。 P (x)x小大第17页第17页18随机变量分布实际测量次数有限，可用 n 次测量值 来估算、： 能够证实平均值原则偏差 是单次测量 sx 值 倍 此时可用 来表示试验结果但是由于测量次数小，测量值平均值将不符合正态分布，而是符合t 分布（t 分布是从 性质得到一个分布。其中自由度= n1。 n 小情况，t 分布偏离正态分布较多。n 大情况趋于正态分布）。此时， 置信概率不是0.683，需乘以与置信水平、自由度相关系数 ，得到置

10、信水平为结果： 值可查表第18页第18页19测量误差与不拟定度 不拟定度权威文献是国际原则化组织(ISO)、国际 计量局(BIPM)等七个国际组织1993年联合推出 Guide to the expression of Uncertainty in measurement 不拟定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能 拟定程度。不拟定度是一定概率下误差限值。 不拟定度反应了也许存在误差分布范围，即随机 误差分量和未定系统误差联合分布范围。 由于真值不可知，误差普通是不能计算，它可 正、可负也也许十分靠近零；而不拟定度总是不为 零正值，是能够详细评估。第19页第19页20直接测量量不拟定度估算总

11、不拟定度分为两类不拟定度： A 类分量 多次重复测量时用统计学办法估算分量； B 类分量 用其它办法（非统计学办法）评估分量。这两类分量在相同置信概率下用方和根办法合成总不拟定度： （物理试验教学中普通用总不拟定度，置信概率取为95%）第20页第20页21直接测量量不拟定度估算简化处理办法：A 类分量A 估算：试验中用到，列表下列当 5 n 10时，可简化认为 A=Sy（置信概率95%）B 类分量B= 仪 , 认为 B 主要由仪器误差特点来决定 不拟定度合成：第21页第21页22直接测量量不拟定度估算结果表示：以测量列 y 平均值 再修正掉已定系统误差项 y0 得到被测对象量值。由A、B 类不

12、拟定度合成总不拟定度则：第22页第22页23直接测量量不拟定度估算过程（小结） 求测量数据列平均值 修正已定系统误差y0，得出被测量值 y 用贝塞耳公式求原则偏差s 原则偏差s 乘以因子来求得A 当 5n10，置信概率为95%时，可简化认为A s 依据使用仪器得出B B= 仪 由A、 B合成总不拟定度 给出直接测量最后结果： 第23页第23页24直接测量量不拟定度估算举例例：用螺旋测微计测某一钢丝直径，6次测量值yi分别为：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微计零位y0为：0.004, 单位mm，已知螺旋测微计仪器误差为仪=0.0

13、04mm，请给出完整测量结果。解：测得值最佳预计值为 测量列原则偏差 测量次数n=6，可近似有 则：测量结果为 Y=0.2460.004mm第24页第24页25间接测量量不拟定度合成 实用公式第25页第25页26间接测量量不拟定度合成过程1.先写出（或求出）各直接测量量 xi 不拟定度2.依据 关系求出 或3.用 或 求出 或4.完整表示出Y值 第26页第26页27间接测量量不拟定度合成举例例：已知金属环外径 内径 高度 求环体积V 和不拟定度V。解：求环体积 求偏导 合成 求V 结果 V=9.440.08cm3 第27页第27页28 在试验中我们所得测量结果都是也许含有误差数值，对这些数值不

14、能任意取舍，应反应出测量值准确度。因此在统计数据、计算以及书写测量结果时，应依据测量误差或试验结果不拟定度来定出终归应取几位有效位数。实验数据有效位数拟定第28页第28页29有效数字1.有效数字概念： 1.32545 24.675 65890 0.579 0.000982 0.21067主要概念： A.有效位数 B.和小数点无关 C.一位可疑数字第29页第29页30有效数字相关要求： 1.有效数字中“0” 数值前“0”不是有效数字。2.单位涣算保持有效位数不变 比如:3.71m=3.71102cm(371cm) =3.71103mm3.直接测量读数规则 .能够估读仪器一定要估读。 .按最小分度

15、值1/2、1/5、或1/10估读。4.关于误差要求： .误差有效位数普通取一位，最多取两位。 .测量结果最后一位应当和误差位对齐。 去尾办法：四舍六入五凑偶。 第30页第30页31有效数字运算规则： 1.加减运算： 最后结果小数点位数和加数中小数位数至少对齐。2.乘除运算： 最后结果有效位数和乘（除）数中有效位数至少相同。3.乘方、开方运算： 最后结果有效位数和底数有效位数相同。4.对数运算： 对数有效位数和真数相同。5.常数运算： 运算中它们有效位数是任意。6.三角函数运运算： 三角函数可疑数和角度最小单位相应那一位对齐。第31页第31页32比如 1. 1.389+17.2+8.67+94.

16、12=121.4。 1.389 17.2 8.67 + 94.12 12.385 121.379 2.2 2. 12.3852.2=27。 24770 + 24770 27.2570 第32页第32页3356.472=3.188 103；ln58.6=4.07;4.52=64； 45.2132=6.4220 1036. Sin605=0.866751708 (查表) Sin1=0.0002908882045 Sin605=0.8668。第33页第33页34直接测量量（原始数据）读数应反应仪器准确度游标类器具（游标卡尺、分光计度盘、大气压计等）普通读至游标最小分度整数倍，即不需估读。第34页第3

17、4页35直接测量量（原始数据）读数应反应仪器准确度数显仪表及有十进步式标度盘仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）普通应直接读取仪表示值。第35页第35页36直接测量量（原始数据）读数应反应仪器准确度指针式仪表及其它器具，读数时估读到仪器最小分度1/21/10，或使估读间隔小于仪器基本误差限1/51/3。第36页第36页37直接读数注意事项注意指针指在整刻度线上时读数有效位数。第37页第37页38中间运算结果有效位数用计算器或计算机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）。加减运算结果末位以参与运算末位最高数为准 (假设参与运算数全是测量结果)。 如 11.4+2.56

18、=14.0 75-10.356=65乘除运算结果有效位数，可比参与运算有效位数至少数多取一位(假设参与运算数全是测量结果)。 如 40009=3.6104 2.0000.99=2.00第38页第38页39测量结果表示式中有效位数总不拟定度有效位数，取1 2位首位不小于5时，普通取1位首位为1、2时，普通取2位例 ：估算结果 =0.548mm时，取为=0.5mm =1.37 时， 取为=1.4第39页第39页40测量结果表示式中有效位数被测量值有效位数确实定Yy中，被测量值 y 末位要与不拟定度末位对齐 （求出 y后先多保留几位，求出，由决定 y末位）例：环体积不拟定度分析结果最后止果为：V=9

19、.440.08cm3即：不拟定度末位在小数点后第二位，测量结果最后一位也取到小数点后第二位。第40页第40页41作图法可形象、直观地显示出物理量之间函数关系，也可用来求一些物理参数，因此它是一个主要数据处理办法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。1.选择适当坐标分度值，拟定坐标纸大小 坐标分度值选取应能基本反应测量值准确度或精密度。 依据表数据U 轴可选1mm相应于0.10V，I 轴可选1mm相应于0.20mA，并可定坐标纸大小（略不小于坐标范围、数据范围） 约为130mm130mm。作图环节：试验数据列表下列. 表1：伏安法测电阻试验数据作图法处理试验数据第41页第41页422.

20、标明坐标轴： 用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上量值。I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004. 连成图线： 用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。普通不强求直线或曲线通过每个试验点，应使图线线正穿过试验点时能够在两边试验点与图线最为靠近且分布大体均匀。图点处断开。3.标试验点： 试验点可用“ ”、 “ ”、“ ”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同符号）。 第42页第42页435

21、.标出图线特性： 在图上空白位置标明试验条件或从图上得出一些参数。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 坐标就可求出 R 值。I (mA)U (V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00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名称及一些必要阐明。A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上A、B两点可得被测电阻R为：至此一张图才算完毕第43页第43页44不妥图例展示：n(nm)1.6500500.0

22、700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图图1曲线太粗，不均匀，不光滑。应当用直尺、曲线板等工具把试验点连成光滑、均匀细实线。第44页第44页45n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图更正为：第45页第45页46图2I (mA)U (V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特性曲线横轴坐标分度选取不妥。横轴以3 cm 代表1 V，使作图

23、和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字要求又便于作图和读图，普通以1 mm 代表量值是10整多次幂或是其2倍或5倍。第46页第46页47I (mA)U (V)o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特性曲线更正为：第47页第47页48定容气体压强温度曲线1.1.60000.80000.4000图3P(105Pa)t()60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00图纸使用不妥。实际作图时，坐标原点读数能够不从零开始。第48页第48页49定容气体压强

24、温度曲线1.00001.15001.1.10001.0500 P(105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t()更正为：第49页第49页50数据直线拟合(最小二乘法)用最小二乘法进行直线拟合优于作图法。最小二乘法理论基础、最佳经验公式 y = a+bx 中a、b求解 : 通过试验，等精度地测得一组互相独立试验数据（xi，yi，i =1，2n），设此两物理量 x、y 满足线性关系，且假定试验误差主要出现在yi上，设拟合直线公式为 y =f(x)=a+bx，当所测各yi值与拟合直线上各预计值 f (xi)= a+bxi之间偏差平方和最小，即 时，所得拟合公式即为最佳经验公式。据此有解得第50页第50页51数据直线拟合(最小二乘法)相关系数r ： 最小二乘法处理数据除给出 a、b 外，还应给出相