《物理学实验绪论》由会员分享，可在线阅读，更多相关《物理学实验绪论（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、<p><p>&lt;p&gt;物理实验课程绪论物理实验课程绪论 海南医学院物理教研室海南医学院物理教研室 1. 1. 为什么要上物理实验课为什么要上物理实验课 2.2.测量、误差和不确定度估计测量、误差和不确定度估计 3.3.数据处理数据处理 4. 4. 怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课 1. 1. 为什么要上物理实验课为什么要上物理实验课 1.1 1.1 物理实验的作用物理实验的作用 1.2 1.2 物理实验课的目的物理实验课的目的 物理实验的作用物理实验的作用 物理学是一门实验科学，物理实验在物 理学的产生、发展和
2、应用过程中起着重要作 用。 ? 伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终 成为一门科学。 ? 经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。 ? 近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾 中发展起来的。 ? 很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的 。 物理实验课的目的物理实验课的目的 ? ? 学习实验知识学习实验知识 ? ? 培养实验能力培养实验能力 ? ? 提高实验素养提高实验素养 学习实验知识学习实验知识 ? 通过对实验现象的观察、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。 培养实验能力培养实验能力 ? 借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器 ； ? 运用物理学
3、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。 提高实验素养提高实验素养 ? 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。 物理实验课程不同于一般的探索性的科 学实验研究，每个实验题目都经过精心设计 、安排，可使同学获得基本的实验知识，在 实验方法和实验技能诸方面得到较为系统、 严格的训练，是大学里从事科学实验的起步 ，同时在培养科学工作者的良好素质及科学 世界观方面，物理
4、实验课程也起着潜移默化 的作用。 2. 2. 测量、误差和不确定度估计测量、误差和不确定度估计 2.1 2.1 测量与误差测量与误差 2.22.2测量结果的不确定度的评定测量结果的不确定度的评定 2.32.3有效数字有效数字 测测 量量 ? 物理实验以测量为基础 ? 所谓测量，就是将被测物理量与被选作标 准的同类物理量进行比较，以确定它是标 准的多少倍，该倍数即为被测物理量的测 量值。 2.1 2.1 测量与误差测量与误差 ? 直接测量：直接将待测物理量与选定的同类物理量 的标准单位相比较直接得到测量值； ? 间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的已知 函数关系，求得该被测物理量。 ? 真值
5、：物理量在一定实验条件下的客观存在值。 ? 对物理量进测量的目的是希望确定被测量的真值。 ? 测量误差:描述了实际测量值与其客观真值之间的 差异性。 测量误差可以用绝对误差表示也可以用相 对误差表示。 绝对误差测量值被测量量的真值 测量误差存在于一切测量过程中，可以控制 得越来越小，不可能为零。 分析误差产生的原因： 测量的任务是： （1）给出被测量量的最佳估计值。 （2）给出最佳估计值的可靠程度估计。 系统误差系统误差 ? 系统误差的特点是一般具有确定性。即对同一被测 量进行多次重复测量时误差的大小和符号保持不变 或有规律地变化。 ? 产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境等。 ? 分类及处
6、理方法： (1) 已定系统误差：必须修正 电表、螺旋测微计的零位误差； 测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。 (2) 未定系统误差：要估计出分布范围 如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。 随机误差 ? 随机误差的特点是具有偶然性，在对同一量的多 次重复测量中，误差的大小和符号表现出无规律 的变化。 ? 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。 在相同条件下对同一被测量进行多次重复测 量时，随机误差分布常满足一定的统计规律。 可以用统计的方法对随机误差进行估算。 特点： （1）单峰性：小误差出现的概率比 大误差出现的概率大。绝对值为 零的误差出现的概率
7、最大。 （2）对称性：正负误差出现的概率 相等。 （3）有界性：随机误差的绝对值超 过某一定值后，出现的概率为零 。 0 l 随机误差的分布特点： 当重复测量次数足够多时，随机误差遵循正态分布。 （其中 x为测量值，x0为真值）为误差值， f ()表示误差出现的几率。 l当不考虑系统误差时,测量值的算术平均值最接近被 测量的真值,测量次数越多,接近程度越好。 假定对一个物理量进行了n次测量，测得的值为 xi (i =1, 2，n) 可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最 佳估计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于 真值。 l随机误差使测量值 有分散性，测量值的离 散程度用标准偏差 表示。
8、标准偏差的计算公 式为： 标准偏差小：表示测量值很接近，随机误差分 布范围窄， 测量的精密度高，测量数据的重复性好 ； 标准偏差大：表示测量值很分散，随机误差分 布范围宽，测量的精密度低，测量数据的重复性差。 用Excel可以计算标准偏差。 打开电子表格，插入函数，选择类别为统计 ，选择函数STDEV， 输入数据列（数据与数据之间有逗号隔开） ，按回车即可。 随机误差和系统误差的形象表示 子弹着靶点 分布图 （a）随机误差小，系统误差大 （b）随机误差大，系统误差小 （c）随机误差和系统误差都小 描述测量的误差常用的几个术语： 精密度：反映随机误差的大小程度 。 准确度：反映系统误差的大小程度
9、。 精确度：表示测量结果中随机误差与系统误差综合。 2.2 测量结果的不确定度的评定 由于测量误差存在,使测量结果偏离真值。为了 对测量结果的可靠性进行评价引入不确定度的概念。 该概率称为“置信概率”，上述区间称为“置信区间”。 把测量结果表示为： 为测量值 为不确定度 表示被测量的真值以一定的概率落在范围 内。 完整的测量结果应表示为: 一个完整的测量结果包含三要素:量值、不确定 度和单位。 表示被测量的真值位于 范围中 的概率不小于95%。 通常置信概率取95%。 A 类分量 : 可以用统计学方法估算的分量， 一般指随机误差对测量结果的影响。 B 类分量 :不能用统计学方法估算的分量， 一
10、般指系统误差对测量结果的影响。 不确定度可用这两类分量的方和根法合成： 不确定度由A类分量和B类分量组成： 直接测量结果的不确定度估算与测量结果的表示直接测量结果的不确定度估算与测量结果的表示 （1）多次重复测量 在只进行有限次测量时，随机误差不完全服从正态分 布规律，而是服从 分布规律。 不确定度的A类分量 ： 测量次数 2345678910 8.982.481.591.241.050.930.840.770.72 普通物理实验的测量次数一般在5-10次，可近似认为： 置信度P=0.95时 不确定度的B 类分量 相对不确定度： 不确定度： 测量结果表示为： 注意：注意： 1. 1. 不确定度
11、不确定度 一般取一位有效数字。对保留一般取一位有效数字。对保留 位数以后的数采取只进不舍，以免产生估计不位数以后的数采取只进不舍，以免产生估计不 足。足。 2. 2. 测量结果的表达式中测量值的最后一位应与测量结果的表达式中测量值的最后一位应与 总不确定度所在位对齐，尾数采取四舍五入。总不确定度所在位对齐，尾数采取四舍五入。 3.3.相对不确定度相对不确定度 一般取两位有效数字一般取两位有效数字, ,尾数尾数 只进不舍。只进不舍。 为仪器上注明的仪器误差。若仪器上没有注 明，取仪器最小刻度的一半作为仪器误差。 （2）单次测量 总不确定度 测量结果表示为： 总结对直接测量量进行多次重复测量时，不
12、总结对直接测量量进行多次重复测量时，不 确定度估算与结果的表示确定度估算与结果的表示 1.求测量数据的平均测量值 ； 判断有无应当剔除的异常数据， 如有,剔除后重新计算； 2.用已知系统误差修正平均值； 3.计算标准偏差; 4.测量次数在510次之间时, 5.根据仪器误差确定 6.合成总不确定度 ; 7.表示测量结果。 直接测量不确定度计算举例 例1：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次 测量值Li分别为: 0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微 计的零位为：+0.004, 单位mm，已知螺旋测 微计的示值误差为仪=0.004mm，请
13、给出完 整的测量结果。 没有异常数据,不用剔除。 解： 考虑零位修正： 测量结果表示为 例：用一级螺旋测微计测某一圆柱体的直径d共6次，测量值如下表： 螺旋测微计的初读数为：- 0.003mm， 螺旋测微计的仪器误差为仪= 0.004mm，求测量结果。 解:(1)求直径 d 的算术平均值、对已定系统误差进行修正 (2)计算A类不确定度 i123456 di /mm 8.3458.3488.3448.3438.3478.344 (3)计算B类不确定度 (4)合成不确定度 (5)测量结果为 间接测量量间接测量量不确定度的计算不确定度的计算及结果的表示及结果的表示 设待测量与各直接测量之间有函数关系
14、： 则：待测量的平均值平均值可直接用各量平均值计算 待测量的不确定度不确定度与各直接测量量的不确定度的关 系为： （1 1） 计算和差形式方便计算和差形式方便 （2 2） 计算乘除指数形式方便计算乘除指数形式方便 常用公式 总结间接测量量的不确定度合成过程总结间接测量量的不确定度合成过程 1.求出各直接测量量的平均值和不确 定度; 2.根据公式合成不确定度或相对不确 定度; 3.用各量的平均值求出间接测量量的 平均值及不确定度； 4.表示测量结果 间接测量量的不确定度合成举例间接测量量的不确定度合成举例 例2：已测得金属环的外径 内径 高度 求体积的测量结果。 解： 求环体积平均值 推导不确定度合成公式 结果表示 2.3有效数字 （1）有效数字定义：测量结果中可靠的几位数字加 上 可疑的一位数字称为有效数字。 有效数字的读取有效数字的读取 15.2mm 15.0mm 有效数字的概念 如：21.5mm=0.021 5m=0.000 021 5km都是三位有 效数字。 &lt;/p&gt;</p></p>
