大学物理实验预备知识.ppt

1、郑州大学物理实验中心,大学物理实验绪论,物理实验的地位、作用 物理实验课的目的 测量与有效数字 测量误差及处理方法 测量结果的不确定度表示 数据处理的基本方法 怎样上好物理实验课 实验成绩的评定 上课须知及本学期课程安排,内 容,1. 物理学是一门实验科学。许多物理学理论和规律都是以实验的新发现为依据被提出来,并进一步由实验所检验。,物理实验的地位、作用,物理学研究方法,理论物理,实验物理,物理学发展过程中积累了丰富的实验方法、创造了众多的精密仪器，它们在工程技术和生产实践的各行各业中得到广泛的应用。如计量技术、激光技术、半导体技术、真空技术、航空航天技术等等。,2. 现代理论物理学与实验物理

2、学的发展,哺育着现代高新技术的成长和发展。,现代信息技术的发展与物理学发展的渊源： 1947年，贝尔实验室的巴丁提出结晶表面理论； 1948年，巴丁和布拉顿发明第一个双点接触式晶体三极管； 1949年，贝尔实验室的肖克利提出p-n结理论，发明结型晶体管； 1958年，杰克基尔比发明第一块集成电路； 1967年，大规模集成电路产生； 1977年，超大规模集成电路诞生。由此奠定现代信息技术发展的基础。 高新技术的发展需要不断地探索新理论、新材料、新方法、新工艺，为此进行的科学实验在实验设计、实验方法、仪器选择、数据处理等方面都是物理实验的移植与推广。,3、“物理实验课”是独立于“大学物理”的一门基

3、础课。物理实验能使学生在实验方法与实验技能上得到系统的训练，使学生的科学实验素质与素养得到培养与提高。 物理实验课使用案例教学，每一个实验就是一个案例。其内容或是对一些物理量进行测量，或是对某一物理规律进行研究。 学习一个实验包含了一般科学实验的全过程：提出任务、研究实验原理、设计实验方案、选择仪器设备、安装调试、按照设计方案步骤进行实验、观察现象、记录数据、处理数据、分析结果、写出实验报告。 实验的过程往往存在许多随机因素的干扰，同学们要正确运用理论知识、实验技能在实验中发现问题、分析问题、解决问题，观察现象、归纳结论。,物理实验课的目的,学习实验知识 培养实验能力 提高实验素养,通过对实验

4、现象的观察、分析和对 物理量的测量，学习物理实验知识和设 计思想，掌握和理解物理理论。,学习实验知识,借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器； 运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断； 正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告； 能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。,培养实验能力,培养理论联系实际和实事求是的科学作风； 严肃认真的工作态度； 主动研究和创新的探索精神； 遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。,提高实验素养,测量与有效数字,测量 有效数字的读取 有效数字的运算 有效数字尾数的舍取规则,物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器

5、，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。,测量,直接测量：将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位直接相比较，得到的比值就是被测物理量的测量值； 间接测量：利用待测物理量与某些可直接测量量之间的已知函数关系，求得该待测物理量的测量值。,测量,测量,有效数字的读取,测量值 = 读数值(有效数字)+单位 有效数字可靠数字可疑数字（一位）,35 36 (cm),3 36.00cm,3,2 35.40cm,2,1,1 35.66cm,有效数字的读取,一位存疑数字,有效数字的读取,1、一般读数应读到最小分度以下

6、再估一位。,2、有时读数的估计位，就取在最小分度位。例如，仪器的最小分度值为0.5，则0.1-0.4,0.6-0.9都是估计的，不必估到下一位。,3、游标类量具，读到卡尺分度值。多不估读。,4、数字式仪表及步进读数仪器不需估读。,1、加、减法：经加、减运算后，计算结果中小数点后面应保留的位数和参与运算的诸数中小数点后位数最少的一个相同。 4.178 + 21.3 25.478 = 25.5,有效数字的运算,2、乘、除法：经乘、除运算后，计算结果的有效数字与诸因子中有效数字最少的一个相同。 4.178 10.1 4178 4178 421978=42.2,有效数字的运算,3、乘方开方：有效数字与

7、其底的有效数字相同。 4、对数函数: 运算后的尾数位数与真数位数相同 例：lg1.938 = 0.2973 lg1938 = 3 + lg1.938 = 3.2973 5、指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的 小数点后的位数相同（包括紧接 小数点后的零）。 例： 106.25 = 1.8 106 100.0035 = 1.008,有效数字的运算,6、三角函数:取位随角度有效数字而定。 例：Sin3000= 0.5000 Cos2016= 0.9381 7、取常数与测量值的有效数字的位数相同。,有效数字尾数的舍取规则,例：将下列数字全部修约为四位有效数字 1）尾数4，1.118400001.

8、118 2）尾数6，1.118600001.119 3）尾数5， a）5右面还有不为0的数 1.118599991.119 1.118500011.119 b） 5右面尾数为0则凑偶 1.117500001.118 1.118500001.118,口诀： 4舍6入5看右，5后有数进上去， 尾数为0向左看，左数奇进偶舍弃。,测量误差及处理方法,测量误差 系统误差 随机误差,大学物理实验,21,2、误差的分类,偶然误差：在对同一被测量进行多次测量 时，误差的大小和符号以不可 预知的方式变化的误差分量。,测量误差,误差存在于一切测量之中， 消除或减小误差、对误差作出估计是测量的不可缺少的组成部分。,

9、误差,系统误差：在对同一被测量进行多次测量 时，误差的大小和符号保持恒 定或以某种可预知的方式变化 的误差分量。,系统误差,仪器误差,天平不等臂所造成的 系统误差,1、系统误差的来源,系统误差,公式 （忽略了空气阻力）,理论误差,方法误差,内接,V,VR,VA,V,IR,IV,用V作为VR的近似值 时，求,外接,系统误差,个人误差,心理作用，读数（估计）偏大或偏小。,系统误差,环境误差,市电的干扰,输入,光点检流计,接近时，静 电干扰，使 光斑移动等 。,系统误差,系统误差,已定系统误差：在测量结果中引入修正量对误 差进行消除。如伏安法测电阻时 要计算出电表内阻产生的修正量。 未定系统误差：可

10、采用合适的测量方法对误差 进行补偿和消除。如交换法、补 偿法、异号抵消法等。 不可消除的误差要估计出分布 范围。,2、系统误差的处理方法,随机误差,随机误差对每一次测量结果的影响具有随机性特点。但在多次测量中表现出确定的规律-统计规律。因此，可用统计规律对随机误差的影响程度作出客观的估计和评价。,1、产生原因: 实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。随机误差无法消除。,大学物理实验,30,随机误差,标准误差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高； 标准误差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,标准误差表示测量值的离散程度,

11、大学物理实验,32,随机误差,扩大置信区间，可增加置信概率,大学物理实验,34,大学物理实验,35,随机误差,4、平均值的标准偏差,测量列单次测量的标准偏差：,测量列平均值的标准偏差：,待测量的值处于置信区间 内的置信概率为0.683。,大学物理实验,37,测量结果的不确定度表示,不确定度的基本概念 直接测量不确定度估计与表示 间接测量不确定度的合成,不确定度的基本概念,概念：不确定度 是指由于测量误差存在而对 被测量值不能确定的程度。 意义：不确定度是对一定置信概率下被测量的 真值所处的量值范围的评定。,置信概率一般取0.95,大学物理实验,40,大学物理实验,41,大学物理实验,42,大学

12、物理实验,43,例1：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，原始 数据见下表，请给出完整的测量结果。 原始数据表格,直接测量不确定度估计与表示,例解：,误差在小数点后第三位,三位有效数字,大学物理实验,46,大学物理实验,47,间接测量不确定度的合成,3.根据公式求出间接测量量的不确定度: 或相对不确定度:,1.求出各直接测量量的平均值 和合成不确 定度 （加减时)或相对不确定度 (乘除、指数时);,2.求出间接测量量的平均值:,4.测量结果表示为：,例2：测得某园柱体质量M，直径D，高度H值如下，计算其密度及不确定度。,间接测量不确定度的合成,例2解：1、园柱体密度公式：,3、间接测量量的不确定度计

13、算,误差只取一位,测量结果：,最后一位与误差位对齐,数据处理的基本方法,作图法处理实验数据 最小二乘法线性拟合 逐差法处理实验数据,作图法处理实验数据,作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小 坐标分度值的选取应能基本反映测量值的准确度或精密度。根据表数据U 轴可选1mm对应于0.10 V，I 轴可选1mm对应于0.20 mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围） 约为130 mm130 m。,表1：伏安法测电阻实验数据,例3：,作图

14、法处理实验数据,2.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。,作图法处理实验数据,5.标出图线特征： 在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。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 的坐标就可求出 R 值。,6.标出图名： 在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。,由图上A、B两点可得被测电阻R为：,至此一张图才算完成,不当图例展示：,不当：曲线太粗，不均匀，不光滑。 应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。,作图法处理实验数据,改正为：,作图法处理实验数据,不

15、当：横轴坐标分度选取不当。 横轴以3 cm 代表1 V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1 mm 代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。,作图法处理实验数据,改正为：,作图法处理实验数据,最小二乘法直线拟合,设两物理量 x、y 满足线性关系 y = a+bx， 等精度地测得一组互相独立的实验数据 xi，yi i = 1,.,n 当所测各 yi 值与拟合直线上的 a+bxi 之间偏差的 平方和最小时，即 所得系数 a,b 最好,拟合公式即为最佳经验公式。,最小二乘法直线拟合,最小二乘法直线拟合,解方程得:,最小二乘法直线拟合,最小

16、二乘法处理数据除给出 a、b 外，还应给出相关系数 r ， r 定义为 r 表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，r-1，1。|r|1，x、y 间线性关系好， |r|0 ，x、y 间无线性关系，拟合无意义。 物理实验中一般要求 r 绝对值达到0.999以上(3个9以上) 。,其中,相关系数 r,标准偏差,最小二乘法直线拟合,怎样上好物理实验课,课前实验预习 课堂实验操作 课后撰写报告,实验课教学的三个环节：,1、实验课前预习 (1)课前仔细阅读实验教材，以达到； 明确学习该实验的目的； 基本弄懂实验原理、实验条件、使用仪器； 实验注意事项。 (2)写出预习报告： 实验题目； 实验目的； 实

17、验原理，包括主要计算公式、实验简图；不要抄书！ 数据记录表格；,怎样上好物理实验课,2、课堂实验操作 实验操作是实验的核心，是学生主动研究、探索的好机会，一个实验收获的大小取决于个人主观能动性发挥的程度。 （1） 在了解仪器的调整和使用方法、 注意事项的基础上，经教师检查无误后方可进 行实验操作。 （2） 努力弄懂为何这样安排实验步骤，这些操作步骤的目的是什么。 （3）记录实验数据前，首先仔细观察实验现象，思考为什么会产生这种现象。 （4）认真读取数据，将数据规范填入记录表格。根据误差分布，对结果影响较大的量一定要努力测准。 （5）原始数据须经指导老师检查，签字后请将使用的仪器整理好，归回原处

18、经教师允许后方可离开实验室。,怎样上好物理实验课,3、课后撰写实验报告 （1）实验名称；（2）实验目的； （3）实验原理：简单叙述有关物理内容（电路图、光路图、 实验装置示意图、测量依据的主要公式、需要 满足的实验条件等； （4）实验步骤：简明扼要； （5）实验数据：表格要给出表的名称，写清已知量、待测量和 单位。记录主要仪器的型号、规格、等级、误 差限等。老师签字的原始数据附上。,怎样上好物理实验课,课后按要求完成实验报告,并在下次实验时交来。,（6）数据处理与结果： 按要求计算待测量的值和不确定度，计算要有简要的过程，作图一定要用坐标纸。一定要列出完整的实验结果，注意有效数字和单位的正确表

19、达； （7）问题讨论： 找出影响结果的主要因素，提出减小误差可能采取的措施，对实验中异常现象的解释，对实验方法或手段改进的建议。课后思考题。,怎样上好物理实验课,实验成绩的评定,1.成绩评定办法 1）缺做一次实验，本学期实验不给成绩； 2）如果某个实验缺少实验报告，则该次实验 报告为0分； 3）实验报告无教师签字的，报告无效； 4）如发现抄袭实验报告，抄袭者和被抄袭者，该实验报告都是0分；,2.评分参考标准 期末成绩=平时成绩70%+期末考试30% 平时成绩计算方法： 1）课堂(50分) 预习20分、课堂纪律10、实验操作20分. 2）实验报告（50分） 实验原理及方法：15分； 实验步骤：5分； 实验数据：10分； 数据处理及实验结果