北邮物理实验绪论

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1、1物理实验物理实验绪论绪论Introduction of Physics experimentsIntroduction of Physics experiments物理实验中心 杨胡江 2014年2月22日2v 绪论课的内容 v大学物理实验课程介绍v测量不确定度Uncertainty of Measurementv数据处理方法Data processing methods 课程介绍：物理实验 什么是物理？物理学是研究物质的基本结构、基本运动形式 、相互作用及其转化规律的学科，是一门以实验 为基础的自然科学。 什么是实验？1. 教堂屋顶上摇晃的铜吊灯摆锤的等时性2. 小球沿斜面滚下的运动是加速

2、直线运动3实践、实验、试验 实践 practice: 改造社会和自然的有意识的活动 实验 experiment:用来检验（或者验证）某种假说、假设、原理、理论而进行的明确、 具体、可操作、有数据、有算法、有责任的技术操作行为。是科学研究的基本方法之一。根据科学研究的目的，尽可能地排除外 界的影响，突出主要因素并利用一些专门的仪器设备，而人为地变革、控 制或模拟研究对象，使某一些事物（或过程）发生或再现，从而去认识自 然现象、自然性质、自然规律。通常实验要预设“实验目的”、“实验环境”，进行“实验操作”，最终以“ 实验报告”的形式发表“实验结果”。 科学实验的特性：目的性、探索性、可感知性 教学

3、实验：实验目的主要是为了使学生获得和运用知识，并在这 过程中掌握实验技能、形成实验能力和科学的自然观。 试验：对未知事物的试探性操作，没有理论，带盲目性 。课程介绍：物理实验沥青滴漏实验（可能还要做100年）1927年 实验开始 1930年 切开封口 1938年12月 第1滴沥青滴出 1947年2月 第2滴沥青滴出 1954年4月 第3滴沥青滴出 1962年5月 第4滴沥青滴出 1970年8月 第5滴沥青滴出 1979年4月 第6滴沥青滴出 1988年7月 第7滴沥青滴出 2000年11月28日 第8滴沥青滴出 2013年7月9日 第9滴沥青滴出56l l 实验课的作用实验课的作用“我觉得学习

4、有两种方法。一个办法是按部就班的；一个办法是渗透性的。什么叫渗透性的呢？就是在你还不太懂的 时候，在好像乱七八糟的状态之下，你就 学到了很多东西。” 摘自杨振宁文录 7v 学习物理实验课的目的v 主动学习、独立实验、实事求是、创新意识v 通过阅读实验教材和仪器说明书，能够正确使 用常用的实验仪器v 能够正确记录和处理实验数据，绘制曲线，并 对实验结果进行误差分析v 能够运用所学物理理论知识对实验现象进行分 析判断8v 物理实验的基本设置1. 上课时间。9、10班周二上午，11、12班周一下午。2. 实验安排。3. 实验开放：周一、周二晚上18:30-20：30；周五上午8:30-11:304.

5、 上课要求（示波器不写报告）。实验内容安排（看课程通知单）91. 实验报告必须按要求书写，格式要规范2. 实验课前必须预习，写预习报告。3. 记录数据不得用铅笔写，原始数据必须有教师签 字。4. 不得迟到、早退、旷课。旷课两次则重修。5. 请假必须有假条，所缺实验在开放时间补齐。迟到10分钟内扣10分,20分钟内20分,30分钟内30 分,30分钟以上记为旷课.大学物理实验课要求大学物理实验课要求10实验报告的要求实验报告的要求实验目的实验目的实验原理与操作步骤实验原理与操作步骤基本物理思想、实验设计原理、物理公式及其意义、电路图（ 光路图）等；主要操作步骤实验仪器名称实验仪器名称实验数据处理

6、与分析实验数据处理与分析实验数据计算、不确定公式推导与计算、结果表示、误差分析 、结果讨论回答问题与实验总结回答问题与实验总结 11绪论课作业绪论课作业第第23-2523-25页页第1, 2, 14, 16大题第9大题中的(1), (4),(5), (6)小题第13大题中的(1),(2),(7) 小题12测量不确定度与数据处理方法测量不确定度与数据处理方法1 1测量误差测量误差2 2 不确定度和结果的表达不确定度和结果的表达3 3 有效数字有效数字4 4 常用数据处理方法常用数据处理方法13测量误差测量误差（1 1） 测量与误差的基本概念测量与误差的基本概念测量 测量的目的是为了得到真值所谓真

7、值是指被测量 真实值的大小，但由于误差的存在真值总是得不到的。（误差） （测量值） （真值） 14（2 2） 误差的分类误差的分类系统误差：在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预 知的方式变化的测量误差分量。随机误差：在同一量的多次测量中已不可预知的方式变化的测量 误差分量。系统误差的特点是具有确定性。随机误差的特点是单个具有随机性，而总体服从统计规律。粗大误差：超出在规定条件下预期的误差。它可能是随机误差的 某种极端情况，也可能是由于测量过程中人为过失而产生的错 误。15（3 3）随机误差的统计处理随机误差的统计处理 0x)( xx)( xdx+)( xx)( xdx+)( xf x

8、)( xdx+对某一物理量进行等精度测量， 得一测量列： 当 时，误差的概率分布 如图，这种分布称为（高斯） 正态分布 正态分布的特点： 单峰性： 对称性： 抵偿性： 有界性：误差出现在区间 的概率为68.3%出 现在区间 的概率为99.7%。 称为极限误 差。 16（4 4） . . 多次测量结果的最佳值多次测量结果的最佳值算术平均值算术平均值设在误差符合正态分布的情况下，一系列等精度测量值为： 假设相应的真值为 两边取和 根据正态分布的特点 当测量次数 时，有 即 （测量列的算术平均值等于真值 ） 0x)( x )( x )( xf 170 小 大 小 大标准差)( x )( x )( x

9、f x18误差理论的缺陷误差理论的缺陷: :从误差的定义来看不易操作；（误差） （测量值） （真值） 19（5 5） . . 标准偏差标准偏差在实际测量中，测量值和近真值之差称为残差（或偏差）， 残差误差标准偏差标准差的标准偏差202 2测量不确定度和结果的表达测量不确定度和结果的表达测量不确定度的基本概念 （1） 测量结果的评定不确定度的引入：表示测量结果的基本要素: 测量值 计量单位 测量值可信赖程度的指标 不确定度 误差21标准不确定度的A类分量（A类不确定度）测量者对观 测列进行统计分析，且用标准不确定度进行估算。 标准不确定度的B类分量（B类不确定度）测量者对观 测列不进行统计分析，

10、且用标准不确定度进行估算。 合成不确定度在具体实验中，一般需要对测量结果同 时考虑A、B两类不确定度，如果A、B两类不确定度相互 独立，A、B两类不确定度的方和根合成称为合成不确定度 ，其公式为： 测量结果的可靠程度与哪些因素有关：测量工具、环境、人员等。22A A类不确定度类不确定度测量者采用统计方法评定的不确定度测量者采用统计方法评定的不确定度当测量列误差满足正态分布时，我们把它的平均值 作为 的最佳估计，将平均值的标准偏差直接作为A类不确定度，即23当测量次数较少时，误差分布偏离正态分布而服从T分布。分布曲线比正态分布曲线低而宽，当 n 时，T分布趋于正态分布。当 时，查表可知所以，当

11、时，我们规定24直接测量量直接测量量不确定度不确定度估算举例估算举例例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值xi分别为（mm）： 0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微计的零位x0 为：0.004mm，已知螺旋测微计的仪器误差为仪=0.004mm，请给出完整的测量结果。 解：测得值的最佳估计值为测量列的标准偏差 测量次数n=6，可近似有则：测量结果为 X=0.2460.004mm25直接测量量不确定度的直接测量量不确定度的结果表示结果表示 结果表示：以测量列 x 的平均值再修正掉已定系统误差项 x0 得到被测对象的量值。由A、B

12、 类不确定度合成总不确定度则：26B B类不确定度类不确定度测量者采用非统计方法得到的不确定度测量者采用非统计方法得到的不确定度B类不确定度（ ）是测量者不采用统计分析法得出的，是所有不 同于统计分析方法给出的不确定度的统称。 实验中常用的评定方法是：通过仪器给定或实验室约定的估计概率分布来评定标准偏差，从而计算不确定度的B类分量。27仪器的误差限仪器的误差限 仪仪(1) 米尺：最小刻度的一半。 仪=0.05mm。(2) 游标卡尺：根据游标的刻线得到，例如游标上有50刻线， 仪=1/50mm=0.02mm，游标上有20刻线， 仪=1/20mm=0.05mm。(3) 025mm的一级螺旋测微仪(

13、千分尺)： 仪器标定 仪=0.004mm。(4) 电压表、电流表：根据所使用的量程和仪表给定的精度或级 别计算得到 仪=量程 精度% 例如：用0.5级的电流表测电流，所用量程为20mA, 仪=20mA 0.5%=0.1mA 。28A 类分量 ua 的估算：当 6 n 10时，B 类分量ub= 仪, 认为 ub主要由仪器的误差特点来决定不确定度合成：不确定度的合成不确定度的合成29间接测量量的不确定度合成间接测量量的不确定度合成30间接测量量的不确定度合成间接测量量的不确定度合成31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32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

14、例33间接测量量的不确定度合成间接测量量的不确定度合成误差等分配原则误差等分配原则34直接测量量（原始数据）的读数应反映仪直接测量量（原始数据）的读数应反映仪 器的精确度器的精确度 游标类器具 （游标卡尺、 分光计度盘） 读至游标最小 分度的整数倍 ，即不需估 读。结果表达：结果表达：有效数字有效数字35如：电阻箱、电 桥、电位差计、 数字电压表等一 般应直接读取仪 表的示值。数显仪表及有十进步式标度盘的仪表36螺旋测微仪、指针式仪表及其它器具：读数时估读到 仪器最小分度 的1/21/10， 或使估读间隔 不大于仪器基 本误差限的1/5 1/3。结果表达：结果表达：37直接读数注意事项直接读数

15、注意事项注意指针指 在整刻度线 上时读数的 有效位数结果表达：结果表达：38中间运算结果的有效位数中间运算结果的有效位数加减运算的结果末位以参与运算的末位最高的数为 准。如 11.4+2.56=14.0 75-10.356=65 乘除运算结果的有效位数多少以参与运算的有效位数 最少的数为准，可比其多取一位。如 40009.0= 3.60104 或 40002.0= 8.0103 2.0000.99=2.00 用计算器进行计算时中间结果可不作修约或适当多取 几位（不能任意减少）。 特殊函数39数据的修约数据的修约测量结果的正确表达：测量结果的有效位数测量结果的有效位数 应与不确定度的最后一位对齐。应与不确定度的最后一位对齐。例如：某测量结果为它的不确定度为最终结果表达为（单位）修约的原则修约的原则大于5 进位，小于5 舍去，等于5 凑偶。40有效数字运算小结有效数字运算小结1. 加减运算，以参加运算各量中有效数字末位最高为准 2. 乘除运算，以参加运算各量中有效数字最少为