大学物理实验绪论1公开课一等奖省优质课大赛获奖课件

大学物理试验绪论1钱萍北京科技大学物理学与普通物理试验物理学是一门试验科学，没有试验理论是空洞理论，没有理论试验是盲目标试验。“我国古代科学技术远远领先于西方，这种辉煌成就是全世界公认。不过，近三百年来，却远远落后于西方。我认为主要原因是：西方自伽俐略和牛顿等人提倡科学试验以来，大力发展了科学试验，而我们依然未动，轻视科学试验是我们不良传统之一，也是几千年封建思想，尤其是一千多年科举制度遗毒。这是科学不发达主要原因”。－－－－核物理学家张文裕教授物理试验课主要目标1.在物理试验基本知识、基本方法、基本技能方面受到较系统训练。

包含：相关仪器选择和使用、基本测量技能和方法、试验数据处理、对结果误差做出分析和判断、完成试验汇报等。2.培养和提升科学试验能力。

包含：自学能力、动手实践能力、创新思维能力、书面表示能力、和简单设计能力等。3.培养和提升从事科学试验素质，为后续试验课程以及社会工作打好基础。

包含:培养学生实事求是科学态度严谨踏实工作作风勇于探索、坚韧不拔钻研精神恪守纪律、团结协作、爱护公物优良品德。物理试验基本程序和要求1.试验课前预习(1)预习讲义中与本试验相关全部内容。(2)写出预习汇报预习汇报应简明扼要地写出：1）试验名称；2）试验任务；3）测量公式（包含式中各物理量含义和单位）；4）原理图、线路图或光路图；5）关键试验步骤（提要性）等内容，并单独用一张试验汇报纸做好原始试验数据统计表格。

物理试验基本程序和要求2.课堂试验操作(1)上课需带试验讲义、笔、尺、计算器等。(2)必须在了解仪器工作原理、使用方法、注意事项基础上，方可进行试验。

(3)仪器安装调试后经教师检验无误后方可进行试验操作。(4)注意观察试验现象，认真统计测量数据，将数据填入试验统计表格,数据须经指导老师检验及签字。(5)试验后请将使用仪器整理好，归回原处。经教师允许后方可离开试验室。(6)课后按要求完成试验汇报,并在下次试验时交上来。完成试验汇报试验汇报内容5、内容及操作步骤6、注意事项7、数据统计表8、数据处理

1、实验题目2、目3、原理4、仪器9、试验结果（或结论）10、思索题11、试验小结

要求1、原理要整理总结2、仪器要注明型号3、汇报中数据要与原始统计数据一致4、数据处理包含：

公式、计算过程、误差及不确定度分析、图线等5、试验结果（或结论）6、试验小结7、汇报中必须附有指导教师签字原始统计试验课评分标准试验汇报：（满分为5分）1、（5分）试验汇报内容完整且没有任何错误，其原理部分系采取自己语言写。2、（4.5分）试验汇报内容完整且没有任何错误，但原理部分没有采取自己语言写。3、（3分～4分）试验汇报中有错误，一个大错扣一分，一个小错扣零点五分。4、错误：a．特大错：汇报中缺原理和数据处理部分按汇报没有完成处理，如缺前者最高分不超出二点五分，后者最多一分。汇报中无数据表格视为两个大错。抄汇报者按两分处理（双方一样对待）。4、错误：b．大错：汇报内容不全、缺项（不含缺原理和数据处理），试验结果超出要求范围，表述错误，有效数字及误差计算不符和要求，作图不规范，无计算过程，纯计算错误。迟交试验汇报算作大错。c．小错：没有注明单位或单位错误，汇报太潦草不易识别等。有病需请假。如末请假，且没有任何理由未按时做试验者，补做试验后扣二分。补做试验需由试验室统一安排时间进行。原始数据须经教师签字认可；无预习汇报者，不能参加试验操作，按缺课处理。预习提问记分，记入总成绩；缺课者，该试验0分。缺6课时以上者，按期末不及格处理，需明年重修。注意测量与误差误差处理测量结果不确定度评定有效数字统计与运算数据处理试验方案选择标准

基本内容一、测量及其分类

1.

测量:

将待测量直接或间接地与另一个同类已知量相比较，把后者作为计量单位，从而确定被测量是该计量单位多少倍物理过程。测量与误差2.测量结果测量结果应包含数值、单位、以及结果可信赖程度。三者缺一不可。不然，所表示测量结果无任何物理意义。数值单位任何测量都不能做到绝对准确!!3.分类:

按方法分类：按条件分类：直接测量间接测量

等精度测量非等精度测量等精度测量

仪器不一样、方法差异、测量条件改变以及测量者素质参差都会造成测量结果改变。当同一个人、用一样方法、使用一样仪器并在相同条件下对同一物理量进行屡次测量，叫做等精度测量。4.测量方法比较、放大、赔偿、模拟。转换干涉计量非电量电测非光量光测如：米尺、电表比较法：放大法：200如：螺旋测微计测长——把螺纹细分而进行放大。5.测量需考虑几项内容：

a.尽可能降低测量中误差

b.找出最靠近真值最正确近似值作为测量结果

c.表明测量结果可靠程度。二、误差

1.真值与测量值真值：待测量客观存在值，记为x。（它不会因测量伎俩而改变）以下几个情况可视为真值：（a）理论值：如三角形内角和180˚

（b）公认值：如普朗克常数（c）计量学约定真值：计量部门约定长度、时间、质量等。如当地重力加速度g（d）相对真值：用准确度高一个数量级仪器校准测量值。测量值：经过测量（直接或间接）得到物理量值，记为x2.误差表示绝对误差：相对误差:绝对误差与相对误差大小反应了测量结果准确程度因为真值普通是得不到，所以误差也无法计算。实际测量中是用屡次测量算术平均值来代替真值，测量值与算术平均值之差称为偏差，又称残差，用表示，即3.关于误差几点说明：

是可正、可负量，

绝对值愈小，说明测量值越靠近真值。此时，我们说测量结果愈准确。b.误差存在于一切测量一直。c.误差能够降低，但不能完全消除。d.不能一味地为降低误差而选择过于准确仪器和方案。4.误差分类随机误差随机性可经过屡次测量来减小系统误差确定性可用特定方法来消除粗大误差应进行重测！不可靠性系统误差

在相同条件下屡次测量同一量时，测量结果出现固定偏差，即误差大小和符号一直保持恒定，或者按某种确定规律改变，这种误差就称为系统误差。系统误差按产生原因不一样可分为:（1）仪器误差（2）方法误差（3）个人误差（4）环境条件误差系统误差特点：

产生原因往往是可知，它出现普通也是有规律。

在相同试验条件下测量同一物理量时，即使已经精心排除了系统误差产生原因，仍会发觉每次测量结果可能都不一样，测量误差或大或小、或正或负，完全是随机。初看起来显得毫无规律，但当测量次数足够多时，能够发觉，误差大小以及正负误差出现都是服从某种统计分布规律。我们称这种误差为随机误差。随机误差（对于数学期望值为零随机误差称为偶然误差）

随机误差主要是因为测量过程中一些随机或不确定原因所引发。

测量过程中随机误差出现带有某种必定性和不可防止性。

系统误差与随机误差有着不一样产生原因和不一样性质。所以，它们对测量结果影响也各不相同。

这是一个显著超出统计规律预期值误差。这类误差含有异常值。

粗大误差出现，通常是由测量仪器故障、测量条件失常及测量者失误引发。

带有粗大误差试验数据是不可靠。一旦发觉测量数据中可能有粗大误差数据存在应进行重测！如条件不允许重新测量，应在能够确定情况下，剔除含有粗大误差数据。但必须十分慎重。

粗大误差可定系统误差未定系统误差系统误差分类：可定系统误差：在测量中大小和正负可确定误差

举例：

缺斤短两小贩

未定系统误差：在测量中只能确定大小，不能确定正负误差

举例：千分尺示值误差、数字毫秒计误差、分光计误差、电表精度

比如，仪器出厂时准确度指标是用符号△仪表示。它只给出该类仪器误差极限范围。但试验者使用该仪器时并不知道该仪器误差确实切大小和正负，只知道该仪器准确程度不会超出△仪极限（比如砝码中系统误差限±2mg）。所以这种系统误差通常只能定出它极限范围，因为不能知道它确实切大小和正负，故无法对其进行修正。对于未定系统误差在物理试验中我们普通只考虑仪器测量仪器（最大）允许误差△仪（简称仪器误差）。产生系统误差原因主要有：（1）因为仪器本身存在一定缺点或使用不妥造成。如仪器零点不准、仪器水平或铅直未调整、砝码未校准、仪器刻度不准、刻度盘和指针安装偏心、米尺弯曲、天平两臂不等长、水银温度计毛细管不均匀而产生误差等。（2）试验方法不完善或这种方法所依据理论本身含有近似性。比如用单摆测量重力加速度时，忽略空气对摆球阻力影响，用安培表测量电阻时，不考虑电表内阻影响等所引入误差。（3）环境误差外界环境未到达测量要求。在25℃时标定标准电阻在30℃环境下使用等（4）试验者生理或心理特点或缺乏经验所引入误差。比如有些人读数时，头习惯性偏向一方向；按动秒表时，习惯性提前或滞后；用米尺测长，读数为斜视读出等。天平不等臂所造成系统误差仪器误差AOBb

不偏心时，因为，所以可用弧长反应角度大小。因为偏心，使之用弧长反应角度时产生系统误差。如：这是由偏心造成。如螺线管磁场公式成立条件是螺线管为无限长，管壁磁漏可忽略。

因为理论推导中近似,产生系统误差。理论公式

（忽略了空气阻力等）

意大利科学家伽利略在比萨斜塔上做铁球落地试验。两个不一样重量铁球从高处落下，同时着地。说明理论在普通情况下都能较准确地反应物体真实运动规律。主观原因心理作用，读数（预计）偏大或偏小。生理原因嗅觉色觉视觉对音域（20HZ--20KHZ）区分。听觉对音色区分。环境原因市电干扰输入光点检流计靠近时，静电干扰，使光斑移动等。方法内接法AVVRVAAVIRIV用V作为VR近似值时外接法用I作为IR近似值时（1）因为观察者在对准目标、确定平衡（如天平）、估读数据时所引入误差。（2）试验中各种微小原因变动。比如，试验装置和测量机构在各次调整操作上变动性，试验中电源电压波动、环境温度、湿度、照度改变所引发误差。随机误差可用统计方法进行估算。产生随机误差原因主要有：三、测量仪器及其误差1.测量仪器为便于表示，人们习惯上将用于测量装置统称为测量仪器。实际上，它包含了量具、测量仪器和测量转换器。这三者有机组合体称为测量装置。2.测量仪器特征特征（1）量程（6）精密度（3）准确度（4）灵敏度（5）分度值（7）分辨力（2）标称值3.仪器误差a、仪器误差表示②示值误差③最大(极限)允许误差①额定误差

b、直读仪表误差

①依据误差产生原因可分为基本误差和附加误差两种。基本误差是仪表在要求正常条件下进行测量时所含有误差。正常条件仪表指针调整到零位仪表按要求工作位置安放周围温度是20oC，或仪表所标温度除地磁场外没有外来电磁场

附加误差是因为偏离正常条件或在某一影响原因作用下而产生误差，这个数值改变是相对于正常条件示值而言，不是相对于真值。附加误差是一个原因引发示值改变，而不是两个或两个以上原因引发改变总和，所以，在附加误差前常冠以产生附加误差原因名称，如温度附加误差等。这种误差多以系统误差形式出现，应按减弱或消除系统误差方法来处理。

②仪表读数(测得值)与被测量实际值之间差值称为测量绝对误差，而被测量实际值就等于仪表读数减去绝对误差。定义校正值与绝对误差大小相等而符号相反，所以，实际值=测量值+校正值。引入校正值后，就能够对仪表读数进行校正，以赔偿其系统误差。

③用直读仪表直接进行测量时，能够依据仪表准确度等级来预计测量结果误差。仪表在要求条件下使用时，测量值可能出现最大绝对误差为式中为仪表准确度等级，为仪表量程。如用量程为10V，准确度等级为1级电压表测量电压，其测量最大绝对误差为又如，电阻箱绝对误差等于示值乘以等级再加上零值电阻，因为电阻箱各档等级是不一样，所以在计算时应分别计算。比如惯用ZX21型电阻箱，

应该注意：仪表准确度并不等于测量结果准确度（即测量结果相对误差）。测量结果准确度与被测量大小相关，只有仪表使用在满刻度偏转时，测量结果准确度才等于仪表准确度。其示值为360.5Ω，零值电阻为0.02Ω，则其绝对误差为

④指示仪表读数有效位数，可依据仪表最大绝对误差确定。测量值末位应与最大绝对误差位对齐，按照实际情况（最小分度值，分度宽窄，指针粗细等）估读到最小分度。

⑤数字仪表误差表示。数字式仪表显示值均为有效数字，仪表本身已进行了估读。数字仪表数字部分误差很小，普通为最终1～2个字码，即±1或±2字。

⑥选择直读仪表时，要依据被测量最小值来选择含有适当灵敏度仪表；依据被测量最大值来选择量程；依据测量误差或不确定度要求和试验环境来选择适当准确度仪表。为了减小测量相对误差，仪表量程要靠近被测量大小。同时还要注意仪表工作条件是否正常，使用前指针是否指零，放置方式是否正确，以及怎样正确读取数据等。

c、仪器误差计算仪器误差通常是由制造工厂或计量部门使用更精密量具、仪表测试，经过判定比较后给出。如屡次测量一个固定被测量，测量值都相同或基本相同，这并不表示不存在随机误差，而是因为误差较小，仪器灵敏度较低，不能反应其微小差异，这时可用仪器最大绝对误差（用△仪表示）作为测量结果误差。下表给出了惯用仪器量具主要技术要求和最大误差。量具（仪器）量程最小分度值最大允差木尺30～50cm60～100mm1mm1mm±1.0mm±1.5mm钢板尺150mm500mm1000mm1mm1mm1mm±0.1mm±0.15mm±0.20mm钢卷尺1m2m1mm1mm±0.8mm±1.2mm游标卡尺125mm300mm0.02mm0.05mm±0.02mm±0.05mm螺旋测微计0～25mm0.01mm±0.004mm七级天平（物理天平）500g0.05g0.08g(靠近满量程）0.06g（量程附近）0.04g(量程和以下)量具（仪器）量程最小分度值仪器误差三级天平（分析天平）200g0.1mg0.3mg(靠近满量程）1.0mg（量程附近）0.7mg(量程和以下)普通温度计(水银或有机溶剂)0～100℃1℃±1℃精密温度计(水银)0～100℃0.1℃±0.2℃读数显微镜0.01mm±0.004mm数字式电表最末一位一个单位指针式电表准确度等级a：0.1,0.2,0.5,1.0，1.5,2.0,5.0±量程×a%A.由仪器准确度表示②.仪器误差确定：理论分析指出，对于多数仪器误差服从均匀分布。比如游标卡尺量具误差、指零仪表判断平衡时误差、仪器刻度盘或其它传动齿轮回程误差、数据截尾引发舍入误差、李萨如图不稳定引发频率测量误差、数字仪表显示误差等。所谓均匀分布，是指在其误差（△仪）范围内，不一样大小和符号各种误差出现概率都相同，区间外出现概率为零。比如总长为1000mm钢直尺，按国家标准每毫米刻度上允许误差为0.05mm，这个值在整个直尺任何部位都可能发生，也就是说它是均匀地分布在整个直尺全部部位。以下列图所表示,为均匀分布概率密度曲线。△仪-△仪图1-5均匀分布概率密度曲线00其它电子秒表最末位数字一个单位即为仪器最大误差△仪=0.01s，能够计算出服从均匀分布仪器标准偏差（置信概率68.3％）为比如，对于最小分度为1mm钢直尺。其仪器标准偏差；对于使用准确度较高仪器进行测量，常采取标准偏差估算误差，因为仪器误差与其它原因产生随机误差相互独立，互不相关，所以要用“方和根”合成法计算测量结果误差。对于量程为150mV0.5级电压表，其最大误差△仪=150×0.5/100=0.75mV，二、测量结果最正确近似值—算术平均值三、屡次测量随机误差估算—标