大学物理实验预备知识

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1、,大学物理实验绪论,物理实验的地位、作用 物理实验课的任务 测量误差及处理方法 测量结果的不确定度表示 有效数字的读取和计算 数据处理的基本方法 怎样上好物理实验课 实验成绩的评定 本学期课程安排,内 容,1. 物理学是一门实验科学。许多物理学理论和规律都是以实验的新发现为依据被提出来,并进一步由实验所检验。,物理实验的地位、作用,物理学研究方法,理论物理,实验物理,物理学发展过程中积累了丰富的实验方法、创造了众多的精密仪器，它们在工程技术和生产实践的各行各业中得到广泛的应用。如计量技术、激光技术、半导体技术、真空技术、航空航天技术等等。,2. 现代理论物理学与实验物理学的发展,哺育着现代高新

2、技术的成长和发展。,现代信息技术的发展与物理学发展的渊源：1947年，贝尔实验室的巴丁提出结晶表面理论；1948年，巴丁和布拉顿发明第一个双点接触式晶体三极管；1949年，贝尔实验室的肖克利提出p-n结理论，发明结型晶体管；1958年，杰克基尔比发明第一块集成电路；1967年，大规模集成电路产生；1977年，超大规模集成电路诞生。由此奠定现代信息技术发展的基础。高新技术的发展需要不断地探索新理论、新材料、新方法、新工艺，为此进行的科学实验在实验设计、实验方法、仪器选择、数据处理等方面都是物理实验的移植与推广。,3、“物理实验课”是独立于“大学物理”的一门基础课。物理实验能使学生在实验方法与实验

3、技能上得到系统的训练，使学生的科学实验素质与素养得到培养与提高。每一个实验就是一个案例。其内容是对一些物理量进行测量，或是对某一物理规律进行研究。学习一个实验包含:提出任务、研究实验原理、设计实验方案、选择仪器设备、安装调试、按照设计方案步骤进行实验、观察现象、记录数据、处理数据、分析结果、写出实验报告。实验的过程往往存在许多随机因素的干扰，同学们要正确运用理论知识、实验技能在实验中发现问题、分析问题、解决问题，观察现象、归纳结论。,物理实验课的任务,学习实验知识 培养实验能力 提高科学素养,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。,学习

4、实验知识,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。,培养实验能力,大学物理实验,9,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。,提高科学素养,大学物理实验,10,物理实验基本知识,测量及误差 测量结果不确定度的评定 有效数字的记录与运算 数据处理方法,物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的

5、物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。,测量,直接测量：将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位直接相比较，得到的比值就是被测物理量的测量值；间接测量：利用待测物理量与某些可直接测量量之间的已知函数关系，求得该待测物理量的测量值。,测量,测量,测量误差及处理方法,测量误差 系统误差 随机误差,大学物理实验,14,测量误差,1、真值与误差,测量值 ：依据一定的理论方法，使用确定的仪器，通过直接测量或间接测量得到的物理量的值。,绝对误差：,真值 : 一个物理量的客观存在值，与测量 所用的理论方法及仪器无关。,2、误差的分类,随机误差：在对同一被

6、测量进行多次测量时，误差的大小和符号以不可预知的方式变化的误差分量。,测量误差,误差存在于一切测量之中， 消除或减小误差、对误差作出估计是测量的不可缺少的组成部分。,误差,系统误差：在对同一被测量进行多次测量时，误差的大小和符号保持恒定或以某种可预知的方式变化的误差分量。,系统误差,仪器误差,天平不等臂所造成的系统误差,1、系统误差的来源,系统误差,公式 （忽略了空气阻力）,理论误差,方法误差,内接,V,VR,VA,V,IR,IV,用V作为VR的近似值 时，求,外接,系统误差,个人误差,心理作用，读数（估计）偏大或偏小。,系统误差,环境误差,市电的干扰,输入,光点检流计,接近时，静 电干扰，使

7、 光斑移动等 。,系统误差,系统误差,已定系统误差：在测量结果中引入修正量对误差进行消除。如伏安法测电阻时要计算出电表内阻产生的修正量。可采用合适的测量方法对误差进行补偿和消除。如交换法、补偿法、异号抵消法等。 未定系统误差：不可消除的误差要估计出分布范围。,2、系统误差的处理方法,随机误差,随机误差对每一次测量结果的影响具有随机性特点。但在多次测量中表现出确定的规律-统计规律。因此，可用统计规律对随机误差的影响程度作出客观的估计和评价。,1、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。随机误差无法消除。,随机误差,2、无穷多次测量，随机误差服从正态分布,随

8、机误差,标准偏差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准偏差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,标准偏差表示测量值的离散程度,大学物理实验,25,测量结果的不确定度表示,不确定度的基本概念 直接测量不确定度的估算 间接测量不确定度的估算,大学物理实验,26,A 类分量 : 可以用统计学方法估算的分量。,不确定度的基本概念,定义:不确定度是指由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。 总不确定度分为两类：,B 类分量 : 不能用统计学方法估算的分量。,总不确定度 ：,相对不确定度:, 100 %,直接测量量的不确定度的估算,在实际测量中，一般只能进

9、行有限次测量，这时随机误差不服从正态分布规律，而服从t分布规律。,设在相同的实验条件下对某一物理量 测量了 （ 1）次，它的A类不确定度,B类不确定度:,直接测量量的不确定度的估算,其中 是与测量次数 和置信概率 有关的量。,一般，我们取测量次数为6次。,物理实验中，置信概率一般取作0.95,这时 的部分数据可以从下表中查得:,大学物理实验,29,4、电表的示值误差， 量程 准确度等级%。,注：仪器误差举例,1、游标卡尺，仪器示值误差一律取卡尺分度值。,2、螺旋测微计，量程在025mm及2550mm的一级千分尺的仪器示值误差均为 mm。,3、天平的示值误差，约定为天平最小分度值的一半。,5、数

10、字式仪表，示值误差取其末位数最小分度的一个单位。,6、仪器示值误差或准确度等级未知，可取其最小分度值的一半为示值误差（限）。,7、电阻箱、电桥等，使用仪器给出的专用公式计算示值误差。,直接测量不确定度的估算,对等精度测量列 经如下运算：,2.用已知系统误差修正平均值。,3.计算标准偏差：,4.计算A类不确定度:,当无需、无法多次测量、或仪器精密度差，只测量一次时，约定单次测量的不确定度等于B类不确定度。,5. B类不确定度:,6.总不确定度:,7.结果表示:,或,(单位),间接测量不确定度的估算,设待测量 与各直接测量量 之间有函数关系：则：1、待测量的平均值用公式 计算。2、待测量的不确定度

11、 与各直接测量量的不确定度 的关系为：,计算和差形式方便,计算乘除、指数形式方便,或,大学物理实验,33,例：已知质量m（213.04 0.05）g的铜圆柱体，用0125mm、分度值为0.02mm的游标卡尺测量其高度六次；用一级025mm的千分尺测量其直径六次，其测量结果如表，求铜的密度。,测量结果的表示,大学物理实验,34,解: 铜的密度 , 是间接测量量。由题意，质量是已知量，直径、高度是直接测量量。,（1）高度的平均值和不确定度,mm,mm,mm,mm,mm,游标卡尺的仪器误差,（2） 的平均值和不确定度,修正零点误差,大学物理实验,35,一级千分尺的仪器误差,mm,mm,mm,（3）密

12、度的平均值,g/cm3,（4）密度的不确定度,大学物理实验,36,（5）密度的测量结果为,g/cm3,g/cm3,因此,大学物理实验,37,测量结果的表示与有效数字,测量结果的表示 有效数字的读取 有效数字的运算,大学物理实验,38,测量结果的表示,测量值 =被测量的数值(有效数字)+单位,或,(单位),(单位),大学物理实验,39,测量结果的表示,测量结果表示中不确定度的取位：不确定度的首位是1或2时取两位，其它情况取一位；相对不确定度取两位。测量结果表示中算术平均值的取位：算术平均值的最后一位和不确定度的最后一位对齐。截取剩余尾数时，按“五下舍五上进，奇进偶舍指整五”的规则，即要保留的末位

13、数后，首位小于五的舍去大于五的入上，如果是五且后面不全是零进位，如果五后面全为零就凑偶数进位，也就是如果五进位能使保留的末位数是偶数就进位，否则就舍掉。,大学物理实验,40,有效数字尾数的舍取规则,例：将下列数字全部修约为四位有效数字 1）尾数4，1.118400001.118 2）尾数6，1.118600001.119 3）尾数5， a）5右面还有不为0的数1.118599991.119 1.118500011.119 b） 5右面尾数为0则凑偶1.117500001.118 1.118500001.118,大学物理实验,41,35 36 (cm),3 36.00cm,3,2 35.40cm

14、,2,1,1 35.16cm,有效数字的读取,一位存疑数字,有效数字可靠数字可疑数字（一位）,大学物理实验,42,有效数字的读取,1、一般读数应读到最小分度以下再估一位。,2、有时读数的估计位，就取在最小分度位。例如，仪器的最小分度值为0.5，则0.1-0.4,0.6-0.9都是估计的，不必估到下一位。,3、游标类量具，读到卡尺分度值。多不估读。,4、数字式仪表及步进读数仪器不需估读。,大学物理实验,43,当测量值进行运算时，为了使运算过程中不引入计算误差影响测量结果的精度，约定以下有效数字的运算规则：可靠数字和可靠数字运算，结果为可靠数字；可疑数字和其它数字运算，结果为可疑数字；运算结果只保

15、留一位可疑数字；其余位数按“五下舍五上进，奇进偶舍指整五” 取舍。,有效数字尾数的舍取规则,大学物理实验,44,1、加、减法：经加、减运算后，计算结果中小数点后面应保留的位数和参与运算的诸数中小数点后位数最少的一个相同。4.178+ 21.3 25.478 = 25.5,有效数字的运算,2、乘、除法：经乘、除运算后，计算结果的有效数字与诸因子中有效数字最少的一个相同。4.178 10.14178417842.1978=42.2,大学物理实验,45,有效数字的运算,3、乘方开方：有效数字与其底的有效数字相同。 4、对数函数: 运算后的尾数位数与真数位数相同例：lg1.938 = 0.2973lg1938 = 3 + lg1.938 = 3.2973 5、指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。例： 106.25 = 1.8 106 100.0035 = 1.008,