实验基础理论

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1、中国石油大学物理实验中心王殿生办公室：基础实验楼D区306 电 话：86981316（O），86980381（H） E-mail：2006年3月6日,大学物理实验基础理论,作 业,教材P31： 13题P32： 6 8题 请第4周星期三前交到 基础实验楼D区北门1楼大厅 103号（王殿生）实验报告箱,（1）基础理论课是大学物理实验课的入门课程。,大学物理实验基础理论课的重要性,（2）基础理论课的内容是整个大学物理实验课的基础知识，贯穿于每次实验课的始终，贯彻于整个大学物理实验课程的始终，并不是其它课程的一般的绪论课。 数学课中的1、2、3、4 英语课中的A、B、C、D,（3）基础理论课共2次，第

2、3周和第8周各1次。,（5）特别重视基础理论课的内容，下苦功学好学精。 “好的开始等于成功的一半”,（4）这次课的特点：内容多，重点多，难点多，时间少。,第0章 绪论,第1章 误差与数据处理基础知识,0-1 物理实验及其分类 0-2 物理实验的重要地位 0-3 物理实验课的任务与安排 0-4 物理实验课的基本程序 0-5 物理实验课程的管理与考核办法,第2章 物理实验的基本测量方法和操作技术,1-1 常用基本概念 1-2 误差 的处理 1-3 直接测量的数据处理 1-4 间接测量的数据处理 1-5 常用数据处理方法,第3章 设计实验方案的基本知识,0-1 物理实验及其分类 0-2 物理实验的重

3、要地位 0-3 物理实验课程的任务与安排 0-4 物理实验课程的基本程序 0-5 物理实验课程的管理与考核办法,第0章 绪 论,一、物理实验 物理实验是为达到特定目的人为地再现自然界客观存在的物理过程来探索物理规律的实践。,二、物理实验分类 根据实验目的，物理实验可以分为：,（1）定性观察实验 水的沸腾 （2）测量物理量实验 水沸腾的温度 （3）验证性实验 标准大气压，水的沸点100 （4）确定经验公式实验 水蒸气压力P，体积V，温度T的关系,0-1 物理实验及其分类,0-2 物理实验的重要地位,物理学研究方法,观察和实验 分析、抽象和概括物理现象 建立物理模型 探索物理规律 形成物理理论,物

4、理规律是实验事实的总结，物理理论是否正确需要实验验证。,一、物理学家定律第一定律：如果没有实验物理学家，理论物理学家就会漂浮不定。第二定律：如果没有理论物理学家，实验物理学家就会举棋不定。,0-2 物理实验的重要地位,二、Einstein论物理实验“一个矛盾的实验就足以推翻一种理论。”,三、物理实验的独特作用 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。 物理学的基本理论渗透在自然科学的各个领域，应用于生产技术的许多部门，是自然科学和工程技术的基础。,三、物理实验的独特作用 在人类追求真理、探索未知世界的过程中，物理学展现了一系列科学的世界观和方法论，深刻影响着人类对

5、物质世界的基本认识、人类的思维方式和社会生活，是人类文明的基石，在人才的科学素质培养中具有重要的地位。,0-2 物理实验的重要地位,物理学本质上是一门实验科学。物理实验是科学实验的先驱，体现了大多数科学实验的共性，在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。 物理实验是科学实验的重要组成部分，在科学技术的发展中具有独特的作用和意义。,因此，物理实验不仅在物理学发展中有着重要作用，同时在推动其他学科、工程技术的发展也起着重要作用。,0-2 物理实验的重要地位,四、物理实验课程的地位和任务 1、课程的地位 物理实验课程是高等理工科院校对学生进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础

6、课程，是本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。,课程覆盖面广，具有丰富的实验思想、实验方法、实验技术和手段，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。 课程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。,（3）培养学生理论联系实际和实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德，提高学生的科学素养。,0-2 物理实验的重要地位,四、物理实验课程的地位和任务 2、课程的任务 （1）培养学生的基本科学实验技能，提高学

7、生的科学实验基本素质，使学生初步掌握科学实验的思想和方法。,（2）培养学生的科学思维和创新意识，使学生掌握实验研究的基本方法，提高学生的分析能力和创新能力。,一、实验基本理论知识 二、开放实验 1. 大学物理实验课程由第一层次和第二层次两部分组成，分两个学期完成。 2. 每个层次有 8 个实验室，16个实验项目，每个学生至少要完成实验项目个数： 第一层次8个；第二层次9 个,0-3 物理实验课程的内容与安排,三、开放时间地点 1. 开放周次512周 2.上课地点基础实验楼D区的12层。 3. 每周开放8次 4.上课时间安排 星期一四的下午和晚上。,一、实验预约 网页：开放实验教学综合管理系统

8、http:/ http:/211.87.180.61/index.asp 中国石油大学青岛校区主页信息服务 物理实验 大学物理实验上课须知 二、实验预习 要求：理解原理、实验内容，写出预习报告 预习报告内容包括：实验名称、实验目的、实验原理、实验内容及数据表格。 网上实验项目预习辅导 没有预习报告不允许做实验。,0-4 物理实验课程基本程序,三、实验操作及观测 要求：正确操作，认真观测。 实验数据必须由教师检查签字。 四、撰写实验报告 实验报告内容：实验名称、实验目的、实验原理、实验内容、数据记录和处理、实验结论、实验分析与讨论。 要求：内容齐全，版面工整，图表规范，结果正确，讨论认真。 用实

9、验报告纸写报告，交报告及时。,0-4 物理实验课基本程序,一、管理办法 大学物理实验课是开放实验课，学生必须网上预约后，才能进入实验室做实验。 网址： http:/ 开放实验综合管理系统 大学物理实验教学学生管理办法等重要规章,0-5 物理实验课的管理与考核办法,二、考核办法1. 没有期末考试，每个实验项目都考核平时成绩。2. 实验项目分三段进行考核，一般实验预习20，实验操作40%，实验报告40%。3. 期末总成绩平均成绩+附加成绩。,1-1 常用基本概念 1-2 误差的处理 1-3 直接测量的数据处理 1-4 间接测量的数据处理 1-5 常用数据处理方法,第1章 误差与数据处理基本知识,做

10、实验的目的 获得实验结果实验测量 实验数据 数据处理 数据处理方法,测量涉及人员,仪器,环境,方法 测量存在误差 分析估算误差 合理评价结果,1-1 常用基本概念,一、测量（Measurement） 二、误差（Error） 三、精度（Trueness） 四、不确定度（Uncertainty） 五、有效数字（Significant figure）,一、测量 1. 测量的基本概念 测量是利用仪器设备通过一定测量方法，将待测物理量与一个选做为标准的同类物理量进行比较，确定待测物理量大小的过程。,测量三个要素（1）测量方法；（2）仪器设备；（3）测量结果比较法 米尺 90.70cm,1-1 常用基本概

11、念,测量的目的：获得测量值(数据)。 例如：用最小刻度为mm的米尺测量物体的长度。,90.70cm,用最小刻度为mm的钢卷尺测量桌子的长度得到的测量结果是 120.50cm 一个物理量的测量值必须由数值和单位组成，两者缺一不可。 测量值数值单位,测量数值只有赋予了单位才有具体的物理意义,例如： （1）120.50，不知道表示什么物理量； （2）120.50cm，表示长度； （3）120.50Kg，表示质量。,2. 测量值,按测量结果获得方法：测量可分为直接测量和间接测量,在物理量的测量中，绝大多数是间接测量， 但是，直接测量是一切测量的基础。,3. 测量的分类,（1）直接测量 用标准量与待测量

12、直接进行比较。 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；等等。,（2）间接测量 经过直接测量与待测量有函数关系的物理量，再经过运算得到待测物理量的测量方法。 例如：用钢卷尺测量桌子的面积 S=ab=S(a,b),按测量条件：测量可分为等精度测量和不等精度测量,3. 测量的分类,（1）等精度测量 相同测量条件下，对同一被测量进行重复性测量。 相同测量条件： 同一测量水平的观测者 同一精度的仪器 同样的实验方法 同样的实验环境,等精度测量 测量的所有数据，可信赖程度相同，数据处理过程中的地位相同，一视同仁。,（2）非等精度测量 不相同测量条件下，对同一被测量进行重复性测量

13、。,非等精度测量 测量的所有数据，可信赖程度不同，数据处理过程中的地位不同，按测量精度的高低，区别对待。,按被测量在测量过程中所处的状态，测量可分为 静态测量和动态测量,3. 测量的分类,（1）静态测量 在测量过程中被测量固定不变，不随时间变化。,静态测量 不考虑时间因素对测量值对影响，测量值和误差作为随机变量处理。,（2）动态测量 在测量过程中被测量随时间变化。,动态测量 需考虑时间因素对测量值对影响，测量值和误差作为随机过程处理。,1.真值与误差 （1）真值：物理量在客观上存在着的确定数值。 真值是一个抽象的概念，一般无法得到。真值及其变化规律的未知性，正是科学实验的意义所在。 实际应用中

14、真值约定的方式： 理论真值；公认真值；计量约定真值；标准相对真值；等等。 （2）误差 误差测量值-真值,二、误差,测量不能得到真值，但可以减小测量误差，估算误差范围。,2. 误差的基本性质 普遍性：存在一切测量之中，贯穿于测量始终。 不可知性：一般真值是未知的，误差就无法知道。,3. 误差的分类,3. 误差的分类,（1）随机误差 在相同条件下，对同一测量量的多次测量过程中，每次测量的误差可能是正或负，也可能是比较大或小，这是难以预测的，而且毫无规律而言。 但是，如果测量次数很多时，误差的出现又符合一定的统计规律。,（2）系统误差 在相同条件下，对同一测量量的多次测量过程中，保持恒定（大小、正负

15、不变）或按特定规律变化的误差。 例如：零点不准、天平不等臂、刻度不均匀等。,随机误差无法从实验中完全消除，但多次测量可以减小。,按误差掌握程度：已定系统误差和未定系统误差。 按误差变化规律：不变系统误差和变化系统误差。,系统误差尽量消除或减小,3. 误差的分类,（3）粗大误差 在测量中某种原因所引起的错误，也称疏失误差。 如读数错误，记录错误，操作错误，估算错误，等等。,说 明 系统误差与随机误差关系 系统误差由测量过程中某一突出因素变化引起。 随机误差由测量过程中多种因素微小变化综合引起。,存在粗大误差时，测量值明显偏离被测量的真值。 数据处理时，先检验测量数据是否存在粗大误差，剔除含有粗大误差的数据。,随机误差与系统误差不存在绝对的界限。 在一定条件下，随机误差和系统误差可以相互转化。,4. 误差的表示形式,（1）绝对误差 用绝对大小给出的误差，表示为 xx0,相对误差反映了测量精度的高低，无单位，用百分数表示。,绝对误差反映了测量值偏离真值的大小和方向，可正可负，有单位。,（2）相对误差 绝对误差与被测量真值的比值，表示为 E /x0100,例如： 测量两个物体的长度分别为L1=100.0mm，L2=80.0mm；绝对误差分别为1=0.8mm，2=0.8mm。 相对误差分别为：E1=0.8%， E2=1.0% 。,