吉大工科物理试验 绪论.ppt

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1、 绪 论讲授：郭山河 物理实验室：基础实验馆309 电话：85095441绪论课讲述的内容：1、物理实验课程介绍：实验的环节、实验的 要求、成绩的评定。2、实验的基本知识：测量的方法、测量结果 的表述有效数字。测量结果的评价不确定度。3、实验报告的基本知识：怎样处理直接测 量量、怎样处理间接测量量、怎样处理组合测量量。物理实验课是怎 样安排的？怎样按要求上好 物理实验课？物理实验流程图物理实验分上、下两个学期进行。本学期：先做必做实验绪论和四个基本训练。后做选做实验任选2个实验。下学期: 全部是选做实验任选6个实验。实验课要求：1、认真写好实验预习报告。预习是利用有限的 课堂时间完成实验内容，

2、并取得良好成绩的基 础。因此在课前请认真看实验教材，了解实验 内容与要求，及注意事项。预习报告是用自己 的话简练地叙述实验原理（包括公式及原理图 ），作为理解和概括能力的评定，该内容为10 分，无预习报告不能做实验。2、来做实验时请带好教材、计算器、直尺、实 验数据卡片，并将写好的实验预习报告经教师检查、签字后方可做实验。按教学要求做完 实验后，其实验数据需经教师检查合格后，填 写到实验数据纪录卡片并交给老师，作为来做 实验的凭证。收拾仪器与桌面，方可离开实验 室。上述环节将作为学生的综合素质体现在实 验成绩中（占10）。 实验报告的要求：实验报告是在教师签字的预 习报告后继续增加本次实验的数

3、据记录、数据 处理、实验的思考题等。实验报告格式为：1、实验题目、姓名、班级、学生卡号；、实验目的、原理。接预习报告:3、实验的主要步骤4、 原始数据记录（要列表）；5、 数据处理（如用作图法画图，要用坐标纸）；6、实验结果7、思考题实验报告成绩评定：实验成绩为100分制。其中预习10分、课堂 操作30分、学生素质10分、数据记录与处理40 分、思考题10分。总成绩为本学期所有实验的 平均值。对成绩有疑问时可找相关老师了解， 找出产生错误的原因. 实验地点：基础实验馆3楼、4楼东侧相应房间。物理实验应达到的目的1.系统了解实验的基本理论测量及有效数字误差理论的基本知识数据处理的基本方法 2.培

4、养实验的基本技能掌握基本仪器的调整与使用培养独立分析解决问题的能力正确完整写出合格的实验报告 3.结合操作掌握实验的基本方法和特点一、测量及有效数字 （一）、测量的分类与基本方法测量的种类: 直接测量 间接测量 组合测量直接测量 是借助于根据国家对基本物理量制订的测量标 准而生产的测量仪器与量具，对物理量或运动规律进行 的描述。如测长度、测质量等。间接测量 是因为许多物理量无法直接测量，只能将测量 值代入公式经计算才能得出结果的测量过程。如测面积、 测速度等。组合测量 为了描述物体运动规律的两个量X、Y的函数关 系，而在一定范围内对这两个量进行的逐点测量过程。如 元件的伏安特性、钢丝伸长与所加

5、外力的关系等测量的基本方法:比较法 放大法 模拟法补偿法 转换法 干涉计量法比较法 用相应的标准量具或仪器和待测量进行比 较，得到待测量的大小和单位的方法。如测身高、测 电压等。放大法 对被测量太小，不易直接测量的量，通过 某种方法将被测量放大后再进行测量的方法。如根据 螺旋放大法制成的螺旋测微计、光杠杆、放大镜等。模拟法 有些量无法测量（如静电场的分布）或不 易测量（高速飞行器表面应力分布）时，可根据相同 的物理规律或数学模型，有相似结果的特点。通过对 模型的测量，实现对该物理量进行测量的方法。如用稳恒电流场分布模拟相似的静电场分布进行的测量，用计 算机仿真技术对地质、天气等进行论证与测量等

6、。补偿法 用在标准量具上产生的某种效应，去补偿待 测量产生的同种效应，从而得到待测量的方法。如用电压 表测电池电动势时，内压降的存在使得外压降总小于电动 势。为实现精确测量，我们可在下面回路中进行。E0EXG调整EO的大小，使回路中检 流计G指针为0，根据全电路 欧姆定律知EO=Ex。 还常用来补偿某些未知成分 的影响。（温度补偿、环境 补偿等） 转换法 有些物理量不易或无法测量时， 可转化为对该量产生的某种效应的测量。常见 的有非电量的电测和非光量的光测两种。例如 ，压电晶体在外力作用下会产生与外力有关的 电压，可用来测力、测应力分布、测振动等； 当在其两端加电压时会产生电致伸缩（逆压电 效

7、应）在用于微驱动领域时（比如在扫描隧道 显微镜中用来驱动收集隧道电流的探针），其 扫描范围仅为纳米数量级。在非接触测量中常 采用的根据物质吸收光谱来测物质含量，都是 转换法的具体体现。干涉计量法 以可见光为例，由于其波长仅 为零点几微米，我们可以利用干涉条纹的分布 与变化，使长度、角度、光洁度等量测量精度 大大提高。是现代精密计量的重要组成部分。测量结果的分类： 等精度测量：指方法、环境、测量条件均不变 的测量。物理实验中的测量均属于这一类。 非等精度测量：指上述测量条件变化的测量。（二）、测量及有效数字测量是对物体固有属性或运动规律的定量描述。有效数字是测量结果的客观表述。有效数字的位 数是

8、由具体的测量手段、测量方法、测量理论、测量 环境等因素决定的。人为地改变有效数字的位数，将 失去客观描述的意义。测量过程中我们会遇到两类数 字：准确数字（如人数、次数，公式中的常数等）； 近似数字（实验得到的测量值）。所以，用来描述测 量结果的有效数字是由准确数字与近似数字这两 部分构成的。1、有效数字的定义由左起第一个非零数起，右边全部数字构成了测 量得到的有效数字。如：0. 00786 是三位有效数字,而不是六位。 9.11019是两位有效数字， 1000mm不等于. 103mm ，分别是四位和两位有效数字。关于有效数字的几点说明：（1）0在有效数字中的作用。在第一个非0数前面的 0不是有

9、效数字，它是单位不同造成的。第一个非0数 后面的0都是有效数字。（2）有效数字的科学计数法。将有效数字表述成只 有一位整数，其余为小数，并乘以10的若干次幂的形式。可使我们方便看出该测量值有几位有效数字，在 某单位制下它是什么一个数量级。 2、有效数字的来源测量过程中各类因素产生的误差，使测量值分成 可从仪器上准确读出的部分准确数字，和由于仪器最 小刻度（或读数）限制只能估计其大小的部分欠准数 字（通常只保留一位，故称为欠准数位）。如用毫米 尺测钢笔的直径，由于最小刻度为毫米，而直径又在 1112mm之间，为了客观描述直径大小，往往将最小刻度分成若干等份（ 10等份常用） ，对1112mm之

10、间的位置进行估计，让左、中、右排同学估读可得 11.4，11.5，11.6， 。可知，11是准确数字，后面的数字为欠准数（有争议 的数）。表明该位置与位于1112mm之间的其它位 置是有区别的。称为描述该位置的有效数字。钢笔一侧的位置2010有效数字=准确数字+欠准数位 3、欠准数字的取舍原则:四舍、六入、五凑偶。如：4.4=4 4.6=5 4.5=4 5.5=6 6.5=6 4、有效数字运算规则：准 准 准欠 欠 欠 先约简，后运算。有效数字=准确数字+欠准数位 3、欠准数字的取舍原则:四舍、六入、五凑偶。如：4.4=4 4.6=5 4.5=4 5.5=6 6.5=6 4、有效数字运算规则：

11、准 准 准欠 欠 欠 先约简，后运算。1V2V3V4V为描述这个位置，需将测量值写成2.00，而不是2或2.0加减运算： 100.1+10.01+1.001=111.1100.1 只要不改变结果的客观性 10.01 运算应越简单越好。 + 1. 00 1111.111 约简到比欠准数位最高者低一位 100.1 100.1+10.01+1.00 =111 .1 10.01 和、差的末位与参与运算 + 1.00 各量的欠准数位最高者相同 111.11乘除运算: 3.211 1.1=3.5 3.211 约简到比位数最少者多一位 1.1 3.21 1.1=3.5 321 13.211 3.532 1

12、在乘除运算中，积和商的有效数字位数，一般说来与 运算各量中位数最少者相同。（乘法首位有进位时多 一位，除法首位有借位时少一位）。 3.10.51.551.6 2 1.011.2110.83 初等函数运算：y=Sin52013 0.7903333 根据高等数学“微分在近似计算中的应用”一 节内容可证明，初等函数的计算，不改变有效数 字的位数。证明如下 y=（dy/dx） x = Cos52013 1=0.6127 0.0003=0.0002 这说明直接测量量X在分位上若有1的偏差，对 函数的影响为0.0002，即使得函数值有效数字的 第四位为欠准数字所在位。例如：2位有效数字的平方仍得2位有效数

13、字，所 以有252=6.2102 。根据四舍、六入、五凑偶的 原则,5若进得奇数，只能舍掉，而不能写成6.3或 6.25。例题（1）98.745+1.3=98.74+1.3=100.0（2）76.000/ (40.00-2.0)=76.00 / 38.02.00（3）4.2572=18.122（首数乘积有进位的特例）（4）(252+943.0)/479.0=(6.2+9.43)/4.79=3.27运算时应有约简这一步。 把下列各数取3位有效数字（1）1.075=1.08（5凑偶）（2）0.86249=0.862（3）27.052=27.1（5后面有数时要直接进位）（4）3.14159=3.14

14、 本部分要解决的问题是:1.怎样认识测量包括测量的分类、实现测量的方法。2.怎样用有效数字描述测量结果把握有效数字是对测量的客观描述，其位数由测 量手段决定，所以不能改变有效数字的位数。3.有效数字运算应遵从的规则要从加减、乘除、初等函数三方面分别总结。二、误差及不确定度1.误差的基本知识 误差定义： =|-x| 或 r = |-x| / 用来反映测量值x与真值之间的偏离程度。由于任何 测量都是对真实过程的近似描述，多数情况下并不知 道，所以只能用相对真值（理论值、约定真值、标准器 件值、算术平均值）代替真值，并从统计的角度估算误 差的大小。 误差来源：由系统误差和偶然误差两部分组成。 系统误

15、差：来源于测量系统的不完善，使x 偏离，以恒 定偏大（小）或周期性形式出现。一般由检测计量部门 用高等级同类系统对其进行标定后得到。使用说明书中 可查到。偶然误差：来源于大量微小干扰因素，使x 偏离，它存在于一切测量过程中，多次测量可减小。 如让n个同学依次测某人身高X，得(X1、X2、 Xn ) ，但不能保证X1 X2 Xn 。再次测量得(X1、 X2 、 Xn )，除不能保证X1 X2 Xn 外，还不 能保证X1= X1、 X2= X2 Xn =Xn。这表明，偶然误差以随机的形式影响着每一次测量。 若X1 = + X1， ， Xn = + Xn 。因 X可正， 可负，可为零，在多次测量时可使 X最小。在统计的 角度看