数据处理及误差分析ppt课件.ppt

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1、 绪 论 物理实验的地位和作用 测量误差和不确定度 实验数据的处理 一 地位和作用 物理学是实验的科学 实验物理和理论物理是构 成物理学研究的两大支柱 大学物理实验 1 是一门独立的必修基础课 2 是同学们进入大学以后受到系统实验方法 训练和实验技能训练的开端 3 是工科学生进行其它实验和毕业工作后进 行科研活动的基础 二 课时安排 大学物理实验本学期总学时数为21学时 共7次课 除本次绪论课外 6个仿真实验项目 实验一 长度测量 实验二 气垫上的直线运动 实验三 单透镜实验 实验四 示波器的使用 实验五 光学设计实验 实验六 热敏电阻 三 教学目的 学习实验知识 培养实验能力 提高实验素养

2、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 1 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 2 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 3 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 1 培养理论联系实际和实事求是的科学作风 2 严肃认真的工作态度 3 主动研究和创新的探索精神 4 遵守纪律 团结协作和爱护公共财产的优良品德 四 学习程序 第一 课前预习 完成实验预习报告 第二 课堂操作 完成实验数据

3、的测量 第三 课后总结 完成实验报告 预习报告要求 1 实验名称 2 实验目的 3 仪器用具 4 实验原理 5 实验步骤 6 数据记录表格 实验报告要求 1 实验名称 2 实验目的 3 仪器用具 4 实验原理 5 实验步骤 6 数据记录表格 7 数据处理及误差分析 8 思考题 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 物理实验课程 也会起着潜移默化的作用 希望同学们能重视这门课程的学习 真正能

4、学有所得 第一节 测量与误差 一 测量 测量就是借助一定的仪器或量具 通过 一定的实验方法来实现标准量与待测量的比 较 1 直接测量 被测量与标准量相比较而得出测量结果 2 间接测量 利用被测量之间的函数关系 通过计算而得出测量结果 例 测量铜柱的密度时 我们可以用米尺量出它的高h 和直径d 算出体积 然后用天平称出它的质量M 算出密度 这里 我们说铜柱的高 h 直径 d 和质量 M 是直接测得量 体积V 和密度 是间接测得量 二 误差 误差的基本概念 1 误差的定义 误差 测得值 真值 因此 误差是一个值 数学上就是坐标轴上的一个点 是具有正 负号的一个数值 2 误差的表示方法 绝对误差 绝

5、对误差 测量值 真值 约定真值 相对误差 相对误差 绝对误差 真值X100 相对误差没有单位 但有正负 3 误差的分类 1 系统误差 在重复性条件下 对同一被测量进行无限多 次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差 2 随机误差 测量结果与在重复性条件下 对同一被测量 进行无限多次测量所得结果的平均值之差 3 粗大误差 超出在规定条件下预期的误差 4 产生原因 系统误差 如仪器误差 方法误差 人员误差 随机误差 如实验条件和环境因素的起伏 估读数的 偏差 测量对象的不稳定 5 系统误差的处理 已定系统误差 设法消除 或修正 测量结果 测得值 或其平均值 已定系统误差 如电表 螺旋测微计的零位误

6、差 伏安法测电阻时电表内阻 引起的误差 未定系统误差 估计其限值 归入B类不确定度参与 对测量结果的评价 如仪器误差 6 随机误差的处理 随机误差的特点 小误差出现的概率大 大误差出现的概率小 无穷多次测量时服从正态分布 正 负误差对称分布 具有抵偿性 取多次测量的平均值有利于消减随机误差 标准差表示测量值的离散程度 标准差小 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 任意一次测量值落入区间 概率为 这个概率叫置信概率 也称为置信度 对应的区间叫置信区间 表示为 处理方法 取多次测量的平均值为测量结果的最佳估计值 研究

7、其分布 找出其特征值 归入A类不确定度 三 对误差大小的评价 实验中常用精密度 准确度和精确度来评价实验结果中误差的大小 这三个概念的涵义不同 应加以区别 1 精密度 表示测量结果中偶然误差大小的程度 精密度高是指在多 次测量中 数据的离散性小 偶然误差小 2 准确度 表示测量结果中系统误差大小的程度 准确度高表示多 次测量数据的平均值偏离真值的程度小 系统误差小 3 精确度 是对测量结果中系统误差和偶然误差大小的综合评价 精确度高是表示在多次测量中 数据比较集中 且逼近真值 即测量结 果中的系统误差和偶然误差都比较小 四 精度 精度细分为 准确度 系统误差对测量结果的影响 精密度 随机误差对

8、测量结果的影响 精确度 系统误差和随机误差综合后对测量结果的影响 精度是误差理论中的说法 与测量不确定度是不同的概念误差理 论中 精度定量的特征可用目前的测量不确定度 对测量结果而 言 和极限误差 对测量仪器仪表 来表示 对测量而言 精 密度高的准确度不一定高 准确度高的精密度不一定高 但精确 度高的准确度与精密度都高 精度是精确度的简称 目前 不提 倡精度的说法 例如 射击弹着点试验对精密度 准确度和精确度的说明 总结 系统误差 是由于实验原理本身不能达到精确 所以会有误差 通过更改实验方法 可以避免 偶然误差 是由于实验仪器和人在操作过程中不能达到精确而产 的误差 是不可避免的 第二节 测

9、量结果的表达 一 直接测量结果的表示与总不确定度 我们测量某物理量时 总是想要找到物理量的真值 而真值又无法确切知道 所以实际测量中 我们只能提供一个范围 例如 然后我们说 真值落在该范围内的概率是多少 这个 x就叫做测量的不确定度 不确定度表示 由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度 不确定度是一定概率下的误差限值 由于真值的不可知 误差一般是不能计算的 它可正 可负也可能十分接近零 而不 确定度总是不为零的正值 是可以具体评定的 二 测量不确定度 定义 表征合理地赋予被测量之值地分散性 与测量结果相联系地参数 1 此参数可以是诸如标准差或其倍数 或说明了置信水准的区间的半宽度 2 测量

10、不确定度由多个分量组成 其中一些分量可用测量列结果的统计分布 估算 并用实验标准差表征 另一些分量则可用基于经验或其他信息的假 定概率分布估算 也可用标准偏差表征 3 测量结果应理解为被测量之值的最佳估计 而所有的不确定度分量均贡献 给了分散性 包括那些由系统效应引起的 如 与修正值和参考测量标准 有关的 分量 由此可以看出 测量不确定度与误差 精度在定义上是不同的 因此 其概念 上的差异也造成评价方法上的不同 三 测量误差和测量不确定度的主要区别 1 定义上的区别 误差表示数轴上的一个点 不确定度表示数轴上的一个区间 2 评价方法上的区别 误差按系统误差与随机误差评价 不确定度按A类B类评价

11、 3 概念上的区别 系统误差与随机误差是理想化的概念 不确定度只是使用估计值 4 表示方法的区别 误差不能以 的形式出现 不确定度只能以 的形式出现 5 合成方法的区别 误差以代数相加的方法合成 不确定度以方和根的方法合成 6 测量结果的区别 误差可以直接修正测量结果 不确定度不能修正测量结果 误差按其定义 只和真值有关 不确定度和影响测量的因素有关 7 得到方法的区别 误差是通过测量得到的 不确定度是通过评定得到的 8 操作方法的区别 系统误差与随机误差难于操作 不确定评定易于操作 结论 1 误差与测量不确定度是相互关联的 就是说 测量 误差也包含不确定度 反之 评定得到的不确定度 也还是有

12、误差 2 精度是按照误差的分类进行评价的 但在误差合 成的方法上与测量不确定度是不同的 系统误差按 照代数和合成 随机误差按方和根法合成 而系统 误差与随机误差的合成则有按标准差合成的 有按 极限误差合成的 因此 其合成的方法并不统一 四 直接测量结果的表示和不确定度估计方法 1 直接测量结果中 取多次测量值的平均值 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 它的标准偏差为 待测物理量处于区间 内的概率为0 683 2 不确定度的估计方法 依据国内外规范 在物理实验中采用以下的不确定度 简化评定方法 总不确定度 从评定方法上分为两类分类 A类分

13、量 A 多次重复测量时用统计学方法估算的分量 B类分量 B 用其他方法 非统计学方法 评定的分量 不确定度用它的两个分量采用 方和根 的方法合成 3 多次测量时 不确定度以下面的过程进行直接多次测 量结果的表示 计算 1 求测量数据的算术平均值 2 用贝塞尔公式计算标准偏差 3 若测量次数n 6 取置信概率 则 4 确定仪器误差 计算表达式 5 由 A B合成不确定度 6 计算相对不确定度 7 给出最终测量结果 例题1 一同学用游标卡尺测量某工件的外径 测 量结果如下 其测量结果如何表示 解 4 单次测量结果的表示 当多次测量无意义时 把测量值当作该物 理量的值 而取仪器误差作为测量结果的不确

14、 定度 即 不确定度表示为 X 仪 所以 二 间接测量结果的表示 物理实验中 大量的测量属于间接测量 只有在已知各直接测量量 的最佳估值及其不确定度之后才能计算间接测量量的不确定度 设间接测量的函数表达式 测量式 为 是间接测量量 待测量 是若干个直接测量的量 它们都是互相独立的量 其平均分别为 它们的总不确定度分别为 间接测量量的测量值为 间接测量量的不确定度为 间接测量量的相对误差为 例题 用千分尺 游标卡尺 物理天平作为测量器件 测量一小圆柱体的物质密度 千分尺 游标卡 尺 物理天平 保留2位 保留1位 尾数对齐 第三节 有效数字及其运算法则 一 有效数字的概念 在测量数据的各类数字中

15、既有不含误差的可靠数字 又有含有误差的可疑数字 15 2mm 15 0mm 我们把可靠几位数字加上可疑一位数字统称为测量结果的有效数字 二 关于有效数字的几个概念 1 非测量值 如公式中的常数 实验次数等 不是有效数字 如 e等不 是有效数字 2 在测量数据中 左边第一位非零数字之前的零不是有效数字 但数据中间和 末尾的零应算为有效数字 一般地 指一个用小数形式表示的浮点数中 从第一个非零的数字算起的所有 数字 如1 24和0 00124的有效数字都有3位 3 记录数据时 不可随便增 减 零 对测量数据而言 数学的 8 35 8 350 8 3500 而实验的 8 35 8 350 8 350

16、0 尽管它们在数字上相等 要特别强调的是 记录原 始测量数据时 一定要反映出测量器具的测量精度 4 在换算单位时应保持有效数字位数不变 12 3mm 1 23cm 0 0123m 均为3位有效数字 5 注意科学计数法的正确形式 即把数据写成小数点前 只保留一位整数 后面再乘以10的方幂的形式 1kg 1000g 错误 1kg 1 103g 正确 6 有效数字的末位是估读数字 存在不确定性 一般情况下不 确定度的有效数字只取一位 其数位即是测量结果的存疑数 字的位置 有时不确定度需要取两位数字 其最后一个数位才 与测量结果的存疑数字的位置对应 表示测量值最后结果的 有效数字尾数与不确定度的尾数一定要取齐 同时 我们规 定 普通物理实验中的最终测量量 待测量 的不确定度取 一位 相对误差取两位 保留1位 尾数对齐保留2位 第六节 数据处理的基本方法 一 列表法 若对某一物理量进行了多次测量 或要测量几个 量之间的函数关系时 一般要用列表法处理数据 优点 使大批数据条理化 清晰醒目 易于检查数据 发 现问题 有利于反映物理量之间的对应关系 表1 不同温度下的金属电阻值 物理量的名称物理量的名