大学物理实验绪论及误差处理.

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1、Date1 第一部分 l物理实验的地位作用 物理实验课程的要求 Date2 一 物理实验的地位及作用 1 物理实验是物理学发展的基础 物理学本身是一门实验的科学。 物理学发展的基本模式是 “实验理论实验” Date3 在物理学中每一个物理定律的 发现都以严格的物理实验为基础，一 切物理理论的确立都经过了实验的检 验和证明，否则它们就难以确立和被 人们所接受。 例如： l关于光的本性的争论 l关于麦克斯韦电磁场理论的确立 Date4 在物理学发展中，出现了 许多伟大的理论物理学家，同 时也出现了许多著名的实验物 理学家。 l 在诺贝尔物理学奖的获得者中 ，有70%以上是由于在物理实验方 面的突出

2、贡献而获奖的。 Date5 塞曼效应实验（1902年度奖） 突出贡献：证实了原子具有磁矩和 空间量子化效应；有利地支持了光的 电磁理论；证明了电子自旋假设是正 确的。 迈克尔逊干涉实验（1907年度奖） 突出贡献：用于精确测量和光谱研究 。 Date6 密立根油滴实验（1923年度奖） 突出贡献：精确测量了电子的电量； 第 一次证明了电荷的不连续性。 夫兰克赫兹实验（1925度奖） 突出贡献：直接验证了波尔理论的量子 能态假设。 Date7 物理实验与物理理论的关系: 物理实验与物理理论是物理中相 辅相成的两个方面。 物理实验是物理理论的生命支柱 ；物理理论是物理实验的总结与 升华。 Date

3、8 2 物理实验是学习一切工程 技术实验技能的基础 l 物理是学习一切工程技术知识 的理论基础课，而物理实验是学 习和锻炼工程技术实验技能的实 验基础课。 l 物理实验为各学科的专业实验提供 了最基本的实验技能训练和科学方法 。无论从事哪个学科或专业技术的研究工 作都需要有良好的科学素质、扎实的理论 基础和熟练的实验技能。物理实验是能够 达到上述培养目标的一门最有效的基础课 。 Date9 二 物理实验课程的要 求 1 物理实验教学目标 l学习物理实验的基本知识, 实验方法 和实验技能 l掌握常用的基本测量仪器仪表的使 用方法； l学习测量误差的理论，掌握数据处 理的基本方法；为后续的专业实验

4、 奠定基础。 Date10 2 物理实验的内容 第一循环实验（基础实验） 本学期每个学生上一次绪论课（ 第2周），做5个实验（3-14周） 力学基础实验 (A或B) 示波器 （A或B) 光学基础实验 （A或B) + 两个必做实验 Date11 第二循环实验： l转动惯量实 验 l示波器实验 l分光计实验 l光的干涉实 验 l杨氏模量 l电桥实验 Date12 第三循环实验： l迈克耳逊干涉仪 l光的偏振 l声速测量实验 l核磁共振实验 l夫兰克赫兹实验 Date13 第三循环实验： l光的衍射 l密立根油滴仪 l光的全内反射 l电位差计实验 lRLC串联电路 l Date14 开放性、设计性的

5、选修实 验 l热敏电阻和温度测量实验 l设计与组装望远镜 l全息照相 l氢原子光谱 l光纤通信 l数码像机和数字图象处理 l计算机仿真实验 l Date15 3 物理实验教材 l有两种版本的讲义，封面是蓝皮和绿皮的， 实验名称对照如下： 蓝蓝皮封面讲义讲义 名 称 绿绿皮封面讲义讲义 名称 力学A,B ： 力学基础实验础实验 力学基本量测测量 光学A,B ： 光学基础实验础实验 薄透镜镜的焦距与成像 Date16 4 物理实验课要求 （1）每个学生都必须在物理实验中心网上注 册，否则期末教师无法给登成绩。物理实验中 心网址为： ，平时 要注意网上的教学通知； （2）每两个星期做一个实验，本学期

6、有一次 绪论课和五个实验课。期末成绩是这六次成 绩的平均值。 （3）上课时间为：下午 14:00 - 17:20，晚上 18:10 - 21:30； Date17 （4）上课地点： 物理实验中心楼的1-5层。 （5）实验前必须预习讲义，写出预习 报告。没有写预习报告的同学不允许 做实验； （6）每个实验的实验数据表格在网上下载 ，每次上课都要带上该实验的数据表格。 （7）上课前5-10分钟到达实验室。不要迟 到，迟到超过15分钟者，不允许上课。 如生病不能如期上课，要有病假条跟上课 教师请假，并由教师安排补课。 Date18 （9）实验报告必须在课后一个星期内交到 老师的报告箱中（老师的报告箱

7、在物理实验中心楼二层中 厅，报告箱上写有教师的姓名）。报告迟交要扣分。 （8）进入实验室请先在实验名单上亲笔签名 （不要代签）。实验结束后应将仪器及实验 台面收拾整齐方可离开实验室。实验结束后 ，测量数据必须经老师签字！ Date19 5 对实验报告的要 求 （1）实验报告应在实验报告纸上书写；务必 写上班级、学号、姓名、上课日期。 （2）实验报告的后面附上有教师签字的原始 测量数据，没有教师签字的报告为无效报告 。 （3）要将每页报告纸按报告内容顺序装订 在一起，以免丢失，影响成绩。 Date20 （4）实验报告应为以下方面的内容和顺序： 实验名称 实验目的 实验仪器 实验原理（文字叙述、公

8、式、必要的 图） 实验内容与主要步骤 （以上这几项在课前写好作为预习报告，上课 时教师要检查） 实验数据处理（数据表、计算、作图） 回答思考题 教师签名的原始数据 对实验报告的要求 Date21 6 实验成绩的评定 l实验数据必须经教师签字实验报 告才有效 l实验成绩： 预习报告10分 实验操作和实验数据处理80分 思考题10分 Date22 第二部分 测量误差 不确定度 测量结果的表示 Date23 一 测量与测量误差 1 测量的定义与分类 定义： 测量是指利用各种方法和器具 对“被测量”进行尽量合理的 赋值。 Date24 测量的分类： 直接测量：测量结果可以从测量 仪器（或量具）上直接获

9、得。 间接测量：测量结果要借助某些 直接测量结果再通过函数计算 得到。 Date25 等精度测量： 在测量条件不变的情况下对同一物理 量进行重复测量，各次测量值具有相同的精 度。 不等精度测量： 在测量条件有变化的情况下对同一物 理量进行重复测量，各次测量值精度不同。 测量条件是指实验仪器、方法、环境和人员等方面；在 物理实验课上所涉及的测量均认为是等精度测量。 Date26 2 测量误差的定义与分 类 为什么要学习误差理论？ l明确测量结果的可信赖程度； l求找误差产生的原因，提出消除 或减小误差的方向和措施； l设计最佳的实验方法，选择合理 的测量仪器 Date27 测量误差的定义： l测

10、量误差为： 测量值与被测量真值之差。 l测量误差表示为： x = x - x0 用此形式表示的误差称为绝对误差 。 Date28 相对误差定义 ： l用测量值计算相对误差： 相对误差通常用百分数表示。 Date29 l 真值： 被测量在一定客观条件和状态下 本身所存在的真实值。 真值的特性： 理想概念，客观存在，不能得到 Date30 误差的分类 误差按其性质可分为两类： “系统误差”和“随机误差” 系统误差： 指在测量前后可以确切知道的误差 (已定系统误差) Date31 系统误差的来源 （1）仪器误差 仪器本身有缺陷或使用不当 （2）理论和方法误差 理论公式的近似性、理论公式成立 的条件不

11、完全满足、实验方法不 完善 （3）实验人员的误差 实验人员的操作习惯、熟练程度、 分辨能力、反应速度等 Date32 l随机误差： 由偶然因素引起的、大小和方向 不能预料、变化方式不可预知的 误差。 l随机误差的特点： 具有随机性 服从一定的统计规律 Date33 随机误差的分布有多种形式，如：二 项式分布、正态分布、均匀分布、三 角分布 不同的分布有不同的分布函数 任何分布函数一般都有两个重要的参 数： “平均值”和“标准偏差” Date34 关于正态分布 正态分布 曲线 正态分布密度(概率 密度)函数 f(x) x m m+ m- Date35 正态分布的总体标准偏 差 正态分布的总体平均

12、值 Date36 怎样理解总体平均值和总体 标准偏差的意义 总体平均值m是被测物理量真值的 最佳估计值。当系统误差小到可以不 考虑（忽略）时，m就是真值。 在实际测量中n不可能实现， m 和 都是理想值；置信概率P = 68.3%也是理想值。 是一个有概率意义的参量。它不是测 量列中任一次测量的随机误差，而是表征测 量分散性的一个参量。 Date37 与曲线的形状有关 哪一个大？ m x f(x) Date38 曲线和 X 轴所包围的面积表示随机误差在 一定范围（置信区间）内的概率P 置信区间与置信概率 区间内，P=68.3%, 表明测量值落在(m- ，m+)区间的概率P(可能性)为68.3%

13、; 2区间，P=95.4%；3区间，P = 99.7%; 扩大置信区间，置信概率就会相应 提高 Date39 对于有限次测量，表征测量分散性 的参 量是实验标准差，它是方差的正平 方根 方差的正平方根：贝塞尔公式 方差： Date40 算数平均值的实验标准 差 Date41 用贝塞尔公式计算的标准差 “S” 称为实验标准差，它是总体标准差 的最佳估计值。 S也是一个有概率意义的参量， 它相应的置信概率接近68.3%，但不 等于68.3%。 算数平均值是总体平均值 m 的 最佳估计值。 Date42 二 不确定度及其评定方 法 1 不确定度的提出与发展 不确定度是测量技术领域中的一个 重要概念。

14、它是评定测量质量的重 要指标之一。 “不确定度”一词最早起源于1927 年海森堡在量子力学中提出的不确 定关系。（测不准关系） Date43 1962年，由美国研究学者首先在计量 校准系统中提出定量表示不确定度的建 议。 1970年以来，一些国家计量部门开 始相继使用不确定度。 1986年，建立了国际不确定度工作 组。 1993年，由IS0等七个国际组织联名 正式出版“测量不确定度指南”。 我国于1999年5月1日执行最新的计 量规范（JJF10591999）。 Date44 2 不确定度的定义与分类 定义：不确定度是表征测量结果中 合理赋予被测量值的一个分散性 的参数。它表示由于测量误差的

15、存在而对被测量值不能肯定的程 度，表征被测量的真值所处量值 范围的评定。 l它是表示测量质量的量度；不确定度小 ，测量结果准确度高，测量的质量高；不 确定度大，测量结果准确度低，测量的质 量低。 Date45 不确定度的分类： 不确定度分为：A类不确定度（分 量） B类不确定度（分 量） A类不确定度：指用统计方法计算 的不 确定度。 B类不确定度：指用非统计方法计 算的 不确定度。 Date46 不确定度表示形式及表示符号： 不确定度表示形式有两种，即“标准 不确定度”和“扩展不确定度”。 标准不确定度的符号记为“u”（小 写） 扩展不确定度符号记为：“U”（大 写） Date47 标准不确定度是低概率的表示形式， 它表示被测量的真值落在（x-u,x+u) 区间内的概率约为68.3%。 扩展不确定度是高概率的表示形式，它表 示被测量的真值在（x-U,x+U)区间内的概 率约为90%以上。 合成标准不确定度的符号记为“ uc”。它 是由标准不确定度分量合成的不确定度。 Dat