物理实验绪论课内容课件

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1、大学物理实验课程绪论,主讲人:金光熙,大学物理实验课程绪论,1.大学物理实验的地位、目的和基本要求,物理实验的地位,物理实验课是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。,物理实验课覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。,物理实验课程的目的,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，进一步加深

2、对理论课程的理解。,培养学生从事科学实验的初步能力,培养学生勇于探索和钻研精神,希望同学们能重视这门课程的学习，真正能学有所得。,物理实验课程的基本要求,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。,1. 实验预习,阅读实验教材、明确目的、写出 预习报告。,预习报告要求： 写实验目的、主要原理、公式（包括式中各量意义）、线路图或光路图及关键步骤。 画好原始数据表格，单独用一张无格白纸。,课上教师要检查预习情况，记录预习分。,2. 实验操作,

3、根据资料和老师在实验课上的简要介绍、调整仪器、观察现象、记录测量数据。,重视实验能力培养，珍惜独立操作的机会。完成基本内容，争取做提高内容。 强调记录数据时不得用铅笔，只有数据正确、仪器还原、教师签字后该次实验才有效。 提倡研究问题，注意安全操作。,3. 实验报告,报告内容： 预习报告中已有的原理、图、步骤等不必重写，可在讨论或小结里用自己的实验体会加以补充。 数据处理时必须先重新整理原始记录，然后进行计算分析(应包含主要过程)、作图。 最后附上教师签字的原始记录(必须用胶水粘贴)。 交报告的时间、地点： 一周内交到理学院物理中心实验教师各自的实验室。逾期未交报告，酌减报告分，一个月不交，按无

4、报告处理。,实验报告规格,1)实验题目、实验目的； 2)实验原理，主要公式和必要光路、电路或示意图； 3)实验步骤，要求简明扼要； 4)原始数据记录，包括主要仪器名称、规格、编号； 5)数据处理、作图、误差分析。要保留计算过程，以便检查； 6)结论。要写清楚，不要淹没在处理数据的过程中； 7)讨论、分析和心得体会。,物理实验课学生须知,所有实验不得无故迟到、缺席。无故迟到者按迟到时间相应扣分。无故缺席者按零分记。若因病(要有医生证明)、因事(要有学院主管书记证明)而缺课，应提前请假，并及时到大学物理实验中心办理补课手续，学生凭补课单据补课，报告仍交原实验教师批改，成绩由原实验教师登记。,物理实

5、验中心关于课程的重要信息、通知会发布在大学物理实验中心通知和学生须知中，请学生随时关注: 理学院物理实验中心大学物理实验网页,2.误差分析和不确定度的基础知识,2.1 物理量与测量 2.2 误差的定义、分类及简要处理方法 2.3 测量结果的不确定度评定 2.4 直线拟合及作图法处理实验数据 2.5 实验数据的有效位数确定,2.1 物理量与测量,何为物理量？ 物理量与 测量之关系,物理概念大体分为两类： 一是定性反映客观事物本质属性的概念。如机械运动、分子运动、热平衡、磁场、交流电等； 二是定量反映客观事物本质属性的概念，这种概念就是物理量。如长度、速度、热量、功、电流强度等。,概念是反映客观事

6、物本质属性的一种抽象，是大量观察、实验的基础上，运用逻辑思维方法，把一切事物本质的、共同的特性集中起来加以概括而形成的。,量度物质的属性或描述物质的运动状态所用的各种量值叫做物理量。,物理量三要素：定义、单位、测量。,物理学中有七个基本物理量，其基本单位是：,长度的单位：米； 质量的单位：千克； 时间的单位：秒； 电流的单位：安培； 热力学温度的单位：开尔文； 物质的量的单位：摩尔； 发光强度的单位：坎德拉。,测量：包括测量工具、测量方法。 例如：物理量质量(m)天平,在物理学发展史上，对物理现象、状态或过程的各种量的准确测量，是实验物理的关键工作。,测量也是发现新规律、证明新理论、研究新材料

7、、发明新装置的实践基础。 测量是用实验方法获得量的量值的过程。量值一般是由一个数乘以计量单位所表示的特定量的大小。,测量的四个要素： 1)测量对象 2)测量方法 3)测量单位 4)测量不确定度,直接测量： 指无需对被测量与其它实测量进行函数关系的辅助计算，就可直接得到被测量值的测量；例如： 用直尺测量长度； 以表计时间； 天平称质量； 安培表测电流。,从一个或几个直接测量结果按一定的函数关系计算出来的的过程，称为间接测量。,物理实验是以测量为基础的，但是测量结果都可能存在误差。可以说任何测量不可能无限准确。,操作读数时的视差影响,2.2 误差的定义、分类及简要处理方法,测量误差的定义,由于真值

8、的不可知，误差实际上很难计算。有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差。,表示被测对象的真值落在(y , y )范 围内的概率很大， 的取值与一定的概率相联。,测量对象,测量对象的量值,测量的不确定度,测量值的单位,以电阻测量为例,如何表述一个完整的测量结果？,误差的分类及简要处理方法,另一类因为读数错误、操作失当等原因造成的明显超出规定条件下预期值的误差，称为粗大误差。测量应避免出现粗大误差. 已被谨慎地确定为含有粗大误差的个别数据要剔除。,a)随机误差(可以由统计方法评定) b)系统误差(则要具体问题具体讨论),误差主要分为两类：,随机误差,定义： 重复测量中以不可预知方式变化的

9、测量误差分量。,例如： 电表轴承的摩擦力变动; 螺旋测微计测力在一定范围内随机变化; 操作读数时的视差影响; 数字仪表末位取整数时的随机舍入过程等等， 都会产生一定的随机误差分量。,如何处理随机误差分量？,随机误差分量是测量误差的一部分，其绝对值大小和符号虽然不知道，但在相同条件下对同一量的多次重复测量中，它们的分布常常满足一定的统计规律。,简要处理方法,算术平均值 标准偏差 不确定度,大多数情况下，随机误差具有抵偿性。 测量次数足够多时，符号为正的误差和符号为负的误差基本对称，能大致相消。,因此，用多次测得值的算术平均值作为被测量的估计值，能减小随机误差的影响。 设对同一量作了 n 次重复测

10、量，测得值为Yi，平均值为 ：,算术平均值,随机误差使测得值Yi有分散性，分散性用实验标准偏差s表征，s的值直接体现了随机误差的分布特征。,s大表示测得值分散，随机误差分布范围宽， 测量精密度低； s小表示测得值密集，随机误差分布范围窄， 测量精密度高。 s可由贝塞耳公式算出:,标准偏差,随机误差的处理举例,例： 用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量结果如下（单位mm）： 250.08，250.14，250.06, 250.10, 250.06, 250.10,则：测得值的最佳估计值为:,测量值的标准偏差,系统误差,定义： 重复测量中保持恒定或以可预知方式 变化的测量误差分量。,系统

11、误差分类 已定系统误差 未定系统误差,例如： 电表、螺旋测微计的零点误差； 伏安法测电阻时，电流表内接、外接， 由于忽略表内阻引起的误差。,指符号和绝对值已经确定的误差分量。实验中应尽量消除已定系统误差，或对测量结果进行修正，修正公式为：,测得值(或其平均值)已定系统误差,已定系统误差(必须修正),已定系统误差的修正,指符号或绝对值未被确定的系统误差分量。一般只能估计出未定系统误差的限值或分布特征值。 未定系统误差分量大多和B类不确定度分量的来源有粗略的对应关系。,未定系统误差(须估计分布范围),对实验中的系统误差应如何处理？,系统误差分析的重要性： 大量的一般测量的实践表明，系统误差分量对测

12、量结果的影响常常显著地大于随机误差分量的影响。因此大学物理实验要重视对系统误差的分析，尽量减小它对测量结果的影响。,1）对已定系统误差进行修正； 2）合理评定系统误差分量对应的B类不确定度分量； 3）通过方案选择、参数设计、计量器具校准、 环境条件控制、计算方法改进等环节减小系统 误差影响。,1) 不确定度的概念 2) 不确定度的A类分量 3) 不确定度的B类分量 4) 总不确定度的合成,2.3 测量结果的不确定度评定,研究不确定度的意义 科学地反映测量结果的数值和可靠程度。 根据对测量不确定度的要求,确定实验方 案,选择仪器和环境。 努力找出和减小主要系统误差,提高实验准确度。,不确定度，反

13、映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差分量的联合分布范围。,1)不确定度的概念,不确定度，表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度。,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。,不确定度理论摈弃了传统的“系统误差”和“随机误差”的分类方法，而是将不确定度按照测量数据的性质分类： 1）用数理统计方法处理， 称为A类不确定度； 2）用非数理统计方法处理,统称为B类不确定度。 测量不确定度的理论保留系统误差的概念。,A 类分量 多次重复测量时与随机误差有关的分量； B 类分量 多数与未定系统误差有关

14、的分量。,这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度：,2) A 类分量A 的估算（直接测量）,间接测量是利用已知函数关系式的转换测量。 间接测量量：y 直接测量量：x1, x2, , xk 函数关系形式为：,2) A 类分量A 的估算（间接测量）,a) 间接测量的平均值,间接测量量 y 的不确定度与各直接测量量的不确定度有关，它们之间的关系由标准差传递公式表示为:,b)间接测量的不确定度传递公式,或称传递系数,3) B 类分量B的估算,普通物理实验中，计量器具主要包括仪器(仪表)，也包括量具和计量装置等，所以INS 也常叫仪器误差限。INS表征同一规格型号的合格产品，在正常使用条件

15、下，可能产生的最大误差。 它们可参照计量器具的有关标准，由准确度等级或允许误差范围得出，或从仪器说明书中得到。,B 类分量B =INS , 认为 B 主要由仪器的误差特点来决定,4)不确定度的方合根合成,B =INS,直接测量量不确定度估算举例,例：用1级螺旋测微计测量某钢丝直径，9次测得值分别为 0.294，0.300，0.303 ，0.295，0.298，0.293，0.292，0.300，0.305，单位为mm。测量前螺旋测微计零点读数值(已定系差)为-0.003mm。1级螺旋测微计的示值误差限INS = 0.004mm。,1)测得值的平均值,2)已定系统误差修正,3)用贝塞耳公式求出标

16、准偏差,4)求不确定度A类分量A,5)求不确定度B类分量B,B =INS = 0.004mm,6)不确定度的方合根合成,7) 测量结果最后表示成,8)化整为(修约为),由于误差普遍存在，需在合理的范围内测量多组散布开的数据。多组散布数据直线拟合固然可减小随机误差的影响，但拟合的主要目的是减小具有随机性的未定系差影响。,2-4 直线拟合及作图法处理实验数据,实验数据:(xi，yi，i =1，2n)，设x、y 满足直线关系式,常常先测量n组值(yi,xi)，再用作图或最小二乘等方法求解直线斜率、截距的最佳估值、以及与实验目的有关的其它参量。这一求解过程称为直线回归，也称拟合。,截距为零直线的最小二乘法拟合,因为，仪表、传感器定标时，回归直线常常须过坐标原点，截距为零，方程为：,设斜率为b (由最小二乘法),可解得,一般直线的最小二乘法拟合,设此两物理量 x、y 满足线性关系，且假定实验误差主要出现在yi上，设拟合直线公式为 当所测各yi值与拟合直线上各估计值f(xi)之间残差的平