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1、大 学 物 理 实 验,光 电 技 术 系 物 理 实 验 室 二OO七年二月 蔡 青,本学期课程课程安排,第1、2周物理实验理论基础知识 23学时 第 3 周 同学们进行网上选实验项目 http:/ 第 4 周 进行理论基础知识考试 物理实验的考试成绩 第416周 循环进行所选实验项目的操作 物理实验的平时成绩,绪 论,培养与提高学生的科学实验素养，逐步养成严谨、科学的学习、实践态度。,一、课程的目的、意义和具体任务,学习物理实验知识、实验方法和基本实验技能，通过实验加深对物理学原理的理解；,锻炼和培养大家多方面的能力（自学、动手实 践、思维表达、设计等）；,了解常用仪器的性能，并学会使用方
2、法,二、课程的基本要求,能够自行完成预习、进行实验和撰写报告,能够调整实验装置，并基本掌握常用的操作技术,了解物理实验中常用的实验方法和测量方法,能够进行常用物理量的一般测量,阅读教材和有关资料 写好预习报告,三、课程教学的三个重要环节,认真听老师提示性讲解 仔细操作实验内容 完整记录实验数据及实验现象,1.实验前的预习阶段,2.实验中的操作阶段,一、实验名称 二、实验目的 三、仪器和用具 四、原理简述 五、实验内容及步骤 六、注意事项 七、实验数据记录 八、数据处理 九、实验结果 十、讨论,3.实验后的报告的撰写阶段,平时成绩 考试成绩 总成绩,四、实验成绩的评定办法,五、实验室规则 详见教
3、材P6,物理实验基本知识,第 一 节 测 量 与 误 差,1 .测量的含义,2 .测量的分类,直接测量、间接测量,等精度测量、非等精度测量,单次测量、多次测量,按获得结果的方法分类：,按测量条件分类：,按测量次数分类：,待测物理量与同类标准物理量相比较得出的倍数关系,包含四要素：对象，单位，方法，准确度*,一.测量,1 .真值,2 .误差的定义,误差 = 测量值真值,物理量客观存在的固有大小，用 表示。,是不可能通过实际测量获得的，任何测量都存在误差。,二、误差,.绝对误差,.相对误差,3、绝对误差和相对误差,解决办法：代替法、交换法、修正法,4、误差的分类,A -系统误差：,定 义：在相同条
4、件下，对同一待测量的多次测量过程中，保持恒定变化（大小、正负不变）或按特定规律变化的误差。一般在测量前就应该知道的。,产生原因：仪器、方法、环境、人*,B-偶然误差：,解决办法：多次重复测量时符合统计分布规律,定 义：在相同条件下，对同一待测量的多次测量过程中，绝对值和符号以不可预知方式变化的误差分量。,产生原因：随机的、不可预见的,发现方法：从大量重复测量结果进行观察,正态分布规律,.精密度：测量数据的集中和分散程度。,反映偶然误差的大小,.正确度：测量的平均值偏离真值的程度。,反映系统误差的大小,.准确度：测量数据集中在真值附近,综合反映系统误差和偶然误差,反映测量结果与真值的接近程度。,
5、5、测量精度：,图(A),图(B),图 (C),精密度高正确度低,精密度低正确度高,准确度高,物理实验基本知识,第 二 节 偶然误差的分析讨论,一、真值的最佳近似值算术平均值,任一次的测量误差：,（真值的最佳近似值）,（偏差）,m次：X1，X2，Xi，Xm,各次测量结果误差相加：,系统误差在测量之前就应消除，即：,根据偶然误差所服从正态分布规律的抵偿性，有：,那么：,1、算术平均误差：,2、标准偏差：,多次测量中任意一次测量的标准偏差,算术平均值对真值的标准偏差,二、多次直接测量的数据讨论,教材上给大家介绍了一种判断测量列中异常数据的准确方法肖维涅。 现在我们说的是一种比较简单的用极限误差来判
6、断测量列中异常数据的方法极限误差法。,就是测量中的异常数据，应在数据处理前予以剔除。,我们令极限误差：,只要,那么,3、异常数据的剔除,用标准米尺测某一物体的长度共10次，其数据如下：,例：,计算算术平均值,判断并剔除测量列中的异常数据,算术平均值的标准偏差,计算测量列的算术平均误差,解：,1、计算算术平均值:,2、判断异常数据,比较得出 是异常数据。剔除后再判断。,经过比较、判断，测量列中没有异常数据了。,3、计算算术平均值误差,4、算术平均值的标准偏差,真值落在 内的置信度是99.7%,真值落在 内的置信度是68.3%,对于不同的误差表示，真值被包含的概率P不同。,真值落在 内的置信度是5
7、7.5%,只是一个通过数理统计意义的估算值，表示真值的一定概率被包 含在 范围内，是一个具有统计意义的物理量，一般 称之为置信概率或置信度，用P表示。,4、置信概率,对于不同类型的仪器，仪器误差的分析讨论方法也不同。,三、单次直接测量的数据分析讨论,对于有些物理量只能靠单次测量获得结果，或者有的测量多次的结果一样。我们说过，任何测量都存在误差，那么此时只能说明用以测量该物理量的仪器精度不够，不能反映出测量的真实情况，必须对仪器进行分析讨论。,1、仪器的精度：反映测量读数的可靠程度，一般为仪器的最小分度值。,2、仪器误差：正确使用仪器时，产生的最大误差,电表类：有等级、量程的仪器：,游标卡尺类：
8、,螺旋测微计（千分尺）：,A.示值误差,把最小分度值均分成10等份进行估读,把最小分度值均分成5等份进行估读,把最小分度值均分成2等份进行估读,一般估读为0、1、.9个1/10单位,一般用于最小分度值为5时,一般用于刻度较窄、指针较宽且有摆动,综上所述，连续读数仪器,B.连续读数式仪器（在读数时需要估读）,1/10估读：,1/5估读：,1/2估读：,C.非连续读数式仪器（数字式仪器）,表示测量结果的好坏。在结果表示中，它的取位原则仍是：可取12位，但尾数只进不舍、宁大勿小。,四、测量结果的误差描述,1、绝对误差：,表示测量结果偏离真值的大小和方向。在结果表示中，它的取位原则是：可取12位，但尾
9、数只进不舍、宁大勿小。,2、相对误差：,单次测量,多次测量,对于多次测量的绝对误差 应与用于测量的仪器的 作比较，取大者。,3、表述方式：,注 意,绝对误差的取位决定测量值的取位，测量值的取位原则：四舍六入五凑偶 。,用长度为2000mm的钢卷尺单次测量讲桌的长L为120.01cm，表示该测量结果。,由于是单次测量，测量结果的绝对误差就是钢卷尺的仪器误差：,解：,结果表示为：,或,例1：,解：,用米尺测量某物体9次，表示该测量结果。,或,例2：,结果：,第 三 节 有效数字及运算规则,物理实验基本知识,如L6.480mm和L=6.48mm，大小相同但测量精度不同，是完全不同的两个测量值。,二、
10、有效数字的性质,三、有效数字的运算规则,可疑任何可疑 可靠可靠可靠,一、有效数字的定义,由于仪器误差的存在，所以测量所得结果不光要反映出测量值的大小，还要反映出测量精度。,有效数字所有可靠数字最后一位可疑数字,四、有效数字的四则运算,只有加减：,只有乘除：,尾数取齐误差位最早出现的。,位数取齐取有效位数最少的。,基本原则：四舍六入五凑偶,例：将下列各数修约为4位有效数字,单位：mm,3.14159,2.71729,5.6235,3.21650,6.378501,-,3.142,-,2.717,-,5.624,-,3.216,-,6.378,五、有效数字的取舍原则,小节：,第一节 测量与误差,一
11、 测量的含义，要素，分类 二 误差的定义，分类, 精度 三 绝对误差，相对误差,1、根据获得测量结果的不同方法，测量可分为_测量和_测量；根据测量条件的不同，测量分为_测量_测量。 2、在实验中，进行多次(等精度)测量时，若每次读数的重复性好，则_误差一定小，其测量结果的_高。,直接,间接,等精度,非等精度,偶然,精密度,3、测量的四要素是_、_、_和_。 4、误差按性质可分为_误差和_误差。,对象,方法,单位,精度,系统,偶然,第二节 偶然误差的分析讨论,单峰性,有界性,对称性,1、偶然误差服从的正态分布规律四个特性是： _、_、_和_。,抵偿性,一 算术平均值 二 多次测量结果的误差分析
12、三 单次测量结果的误差分析,2、选出下列说法的正确者( ) 可用仪器的一个最小分度或一个最小分度的一半作为该仪器的一次测量的误差； 可以用仪器精度等级估算该仪器一次的测量的误差； 只要知道仪器的最小分度值,就可以大致确定仪器误差的数量级； D. 以上三种说法都正确。,D,3、测量一约为1.5伏特的电压时要求其结果的相对误差小于1.5%，则应选用下列那一种规格的伏特表( ) 0.5级，量程为5伏； 1.0级，量程为2伏； 2.5级，量程为1.5伏； D. 0.5级，量程为3伏。,B , D,第三节 有效数字及运算规则,一 有效数字定义、性质 二 有效数字的运算规则,1、指出下列各数的有效数字的位
13、数： 0.005m是 _ 位。 是 _ 位。 100.00mg是_位。 自然数10是_位。,1,2,5,无穷,物理实验基本知识,第 四 节 实验结果的不确定度表示,上述误差的分析方法主要基于在完全消除系统的条件下，单纯的估算偶然误差。但在具体实验中，客观的系统误差常常消除不了。所以国际上从1980年开始就建议在实验中用不确定度表示实验结果的不确定程度，用以评定结果的质量，表征被测物理量的真值在某个范围的可信程度。 我国加入WTO后，各方面要与国际接轨就要求有关测量结果不得表示方式应与国际相一致，用不确定度来表示测量结果。,不确定度是对测量结果不确定范围的标度。一般用表示。,P=68.3%,测量
14、的不确定度也可以理解为测量误差可能出现的范围，标示着测量结果的可靠程度。如果不确定度越大，则测量结果可靠性差，应用价值低，反之，则测量结果的可靠性好，应用价值大。,一、不确定度定义, A类不确定度 S：,二、不确定度的分类及计算方法, B类不确定度 u：, A类不确定度 S：,可以通过统计方法来计算(如偶然误差),不能用统计方法只能用其他方法估算(如仪器误差和测量估计误差), B类不确定度 V：,相对不确定度-E,合成不确定度-,三、不确定度的相关表述,P=68.3%,四、间接测量的不确定度,和间接测量的误差传递一样，间接测量的不确定度也要传递。 已知关系式为：,绝对不确定度：,相对不确定度：
15、,五、用不确定度表示测量结果,结果表示为：,物理实验基本知识,第 五 节 常用的数据处理方法,数据处理是实验中对数据的加工及运算过程,达到求得未知量的目的。在这一节中，我们将熟悉下列在物理实验中常用的数据处理方法：,1、列 表 2、作 图 法 3、逐 差 法 4、平 均 法 5、最小二乘法,一、列表法,列表的要求： 简单明了，便于表示物理量的对应关系，处理数据方便。 在表的上方写明表的序号和名称，表头栏中标明物理量、物理量的单位及数量级。 表中所列数据应是正确反映结果的有效数字。 测量日期、说明和必要的实验条件记在表外。,二、作图法,能够直接反映各物理量之间的变化规律，帮助找出适合的经验公式。可以从图上用外延、内插等方法求得实验点以外的其它点。可以消除某些恒定的系统误差。具有取平均，减小随机误差的效果。可以
