基础物理实验数据处理课0903

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1、基础物理实验数据处理课件下载:课件下载:http:/Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.有效数字不确定度的评定作图最小二乘法Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.操作与记录中要注意数据的有效数字如何读数?如何读数?左端读数为:左端读数为:10.00cm右端读数为:右端读

2、数为:15.25cm估读、有效数字、单位估读、有效数字、单位数字电流表测量数字电流表测量某一电路中的电流某一电路中的电流对于数字仪表该如何读数?对于数字仪表该如何读数?3Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.有效数字有效数字-从第一个不为从第一个不为0 0的数开始算起的所有数字的数开始算起的所有数字。如如, 0.35 (2, 0.35 (2个个); 3.54 (3); 3.54 (3个个); 0.003540 (4); 0.0035

3、40 (4个个); 3.5400 (5); 3.5400 (5个个) )。 加减加减法:与法:与不确定度最大项不确定度最大项的末位有效数字对齐的末位有效数字对齐 57.31 57.310.01560.01562.243422.24342(=55.08218=55.08218)=55.08=55.08乘除乘除法:与法:与最少个数的有效数字最少个数的有效数字相同相同 57.31 57.310.00.01561562.243422.24342(=0.=0.398398514767514767)=0.=0.399399运运算算规规则则4有效数字Evaluationonly.CreatedwithAsp

4、ose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.有效数字修约规则: “4 4舍舍6 6入入5 5成双成双” 小于小于5 5舍舍 大于大于5 5入入 刚好是刚好是5 5时,若前一位为奇数则入,为偶数则舍。时,若前一位为奇数则入,为偶数则舍。如:计算值为如:计算值为3.54835; 3.65325 若不确定度为若不确定度为0.0003, 则取则取x=3.5484; 3.6532 若不确定度为若不确定度为0.002, 则取则取x=3.548; 3.653 若不确定度为若不确定度为0.04, 则取则取x=3

5、.55; 3.65 若不确定度为若不确定度为0.1, 则取则取x=3.5; 3.7“4”代表小于代表小于5“6”代表大于代表大于55有效数字Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.为什么使用修约规则?为什么使用修约规则?1. 选选取取修修约约规规则则的的原原则则 对对大大量量数数据据进进行行修修约约后后,误误差差能能达达到到相相互互抵抵消消,而不导致互相迭加而积累;而不导致互相迭加而积累;2. 修修约约规规则则“4 4舍舍6 6入入5

6、 5成成双双”合合理理假假设设最最后后第第二二位位奇奇偶偶几几率率各各半半。这这样样舍舍去去或或增加最后第二位的增加最后第二位的0.5的几率一样。的几率一样。66Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.Rounding method 修修约规则约规则很重要很重要 - very significant effect on the result. - A famous instance: a new index the Vancouver

7、 Stock Exchange in 1982. Initially - 1000.000; after 22 mo. 520 (but stock prices had generally increased) - Problem? rounded down 1000s times daily rounding errors accumulated. - Recalculating - with better rounding 1098.892Wheremanycalculationsaredoneinsequence,thechoiceofroundingmethodcanhaveaver

8、ysignificanteffectontheresult.AfamousinstanceinvolvedanewindexsetupbytheVancouverStockExchangein1982.Itwasinitiallysetat1000.000(threedecimalplacesofaccuracy),andafter22monthshadfallentoabout520whereasstockpriceshadgenerallyincreasedintheperiod.Theproblemwascausedbytheindexbeingrecalculatedthousands

9、oftimesdaily,andalwaysbeingroundeddownto3decimalplaces,insuchawaythattheroundingerrorsaccumulated.Recalculatingwithbetterroundinggaveanindexvalueof1098.892attheendofthesameperiod.1NicholasJ.Higham(2002).Accuracy and stability of numerical algorithms.p.54.ISBN978-0-89871-521-7讨论讨论:为什么使用“4舍舍6入,遇入,遇5末偶

10、末偶”的修约规则?(1.选取修约规则的原则对大量数据进行修约后,误差能达到相互抵消,而不导致互相迭加而积累;2.本规则假设最后第二位奇偶几率各半,这样一半几率舍去最后第二位的0.5,一半几率增加最后第二位的0.5)。NicholasJ.Higham(2002).Accuracy and stability of numerical algorithms.p.54.ISBN978-0-89871-521-7,转引自Wikipedia: Rounding7Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Co

11、pyright2004-2011AsposePtyLtd.不确定度的评定不确定度评定的意义-过大?过小?不确定度的分类-A类不确定度、B1和B2类不确定度不确定度的合成-单次测量、多次测量不确定度的传递-加减、乘除、乘方不确定度本身一般只取一位有效数字-当当修修约约前前首首位位数数字字是是1时时,不不确确定定度度应应保保留留两两位位有有效效数数字字;运运算算过过程程中中,一般要取两位或者更多。一般要取两位或者更多。测量值的末位有效数字应与不确定度的有效数字对齐-即:测量值的末位有效数字是不确定的。测量值的末位有效数字是不确定的。Evaluationonly.CreatedwithAspose.

12、Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.不确定度的分类A类不确定度(多次测量) B 类不确定度B1 类不确定度类不确定度 d为仪器的分度值(单次单次测量)测量)B2 类不确定度类不确定度(仪器仪器不确定度)不确定度)uB1=d/10(最好)uB1=d/5 (中等)uB1=d/2 (较差)a为仪器的不确定度限值不确定度限值C称为“置信因子置信因子”,在基础物理实验课程中大多取 uB1=d (特殊情况,比如数字显示)9Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.

13、NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.10 正确度、精密度与准确度正确度、精密度与准确度真值真值正确度高正确度高精密度高精密度高准确度高准确度高! !uA大大uB2大大7/25/2024 下载于百度文库:不确定度.ppt系统误差大系统误差大随机误差大随机误差大 不必请同学讨论误差和不确定度的概念、异同(因为他们头脑中没有误差的概念) 清华pp.7-14:why”误差一般是不能计算的,它可正、可负也可能十分接近零;而不确定度总是不为零的正值,是可以具体评定的。”; - 所以也不必讨论10Evaluationonly.C

14、reatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.不确定度的合成单次测量: 多次测量:在长度测量中,长度值是两个位置读数在长度测量中,长度值是两个位置读数x1和和x2之差,之差,其不确定度合成公式为其不确定度合成公式为:Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.不确定度的传递一般传递公式,当各直接测量的量相互独立无关时

15、:一般传递公式,当各直接测量的量相互独立无关时:加减:乘方:几个常用的传递公式乘除:Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd. 1、测量结果不确定度的一般表示法: 如:长度为(1.050.02)cm。 2、不确定度的百分比表示法: 如,长度为1.05cm,相对不确定度2% 。 3、测量结果的有效数字表示法(1.05cm)13不是“测量结果的百分比表示法”而是“不确定度”的“百分比表示法”不确定度的表达Evaluationonly.Cre

16、atedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子测量一个圆柱体的密度分析待测量间接测量量 转化为3个直接测量量M、D、hEvaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子质量的测量:选用最小指示值为最小指示值为0.01g、不确、不确定度限值为定度限值为0.02g的电子天平,的电子天平, 测得:M=80

17、.36g高度的测量:选用分度值为用分度值为0.1cm、不确定度、不确定度限值为限值为0.01cm的钢尺,估读的钢尺,估读1/5分度, 测得左端读数:测得左端读数:H14.00cm 测得右端读数:测得右端读数:H219.32cmEvaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子直径的测量:选用分度值为分度值为0.002cm、不确定、不确定度限值为度限值为0.002cm的游标卡尺,的游标卡尺, 测得数据如下:测得数据如下:Evalua

18、tiononly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子数据处理:质量的测量:选用最小指示值为最小指示值为0.01g、不确定度限值为、不确定度限值为0.02g的电子天平,的电子天平,测得:M=80.36g多保留一位有效数字Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子数据处理:高度

19、的测量:选用分度值为用分度值为0.1cm、不确定度限值为、不确定度限值为0.01cm的钢尺,估读的钢尺,估读1/5分度,测得左端读数:测得左端读数:H14.00cm,测得右端读数:,测得右端读数:H219.32cm;多保留一位有效数字Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子数据处理:直径的测量:选用分度值为0.002cm、不确定度限值为0.002cm的游标卡尺,测得数据如下:计算过程中多保留一位有效数字Evaluatio

20、nonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.一个简单的例子数据处理:Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.作图为什么要作图?作图规则?如何读图?作图纸请到教育超市或者相辉堂内的仓库自行购作图纸请到教育超市或者相辉堂内的仓库自行购买,本课程用量不会超过买,本课程用量不会超过10张。张。 Evalu

21、ationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.为什么要作图清晰地看到定性关系清晰地看到定性关系方便地比较不同特性方便地比较不同特性合理地从图上得到有用的信息合理地从图上得到有用的信息螺线管中心轴线上的磁场分布二极管伏安特性电阻随温度的变化关系Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.作图规则P

22、.17选择图纸(采用标准坐标纸)选择图纸(采用标准坐标纸)根根据据自自变变量量因因变变量量选选择择图图纸纸方方向向(一一般般取取自自变变量量为为横横坐坐标标),选选择择合合适适比比例例,图图纸纸上上1 1格格所所表表示示的的数数据据量量值值符符合合原原数数据据量量值值变化的变化的1 1、2 2、5 5等数(或它们的十进倍率)等数(或它们的十进倍率), ,便于读取。便于读取。画坐标轴、分度线(等间距、勿太密)并标明物理量名称画坐标轴、分度线(等间距、勿太密)并标明物理量名称斜体斜体)及单位(正体)。及单位(正体)。画画数数据据点点(不不标标数数据据值值,要要用用端端正正的的“+”或或者者“ ”符

23、号来表示)。符号来表示)。画画直直线线或或曲曲线线,标标明明特特殊殊点点(特特殊殊点点所所用用符符号号应应有有别别于于数数据据点点的的符符号号)及及坐坐标标值值(计计算算斜斜率率用用的的点点,曲曲线线的的峰峰、谷谷等等)。写写出出实实验验名名称称、图图名名、实验者、实验日期。实验者、实验日期。23Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.如何读图读某个数据点时有效数字读某个数据点时有效数字读单一坐标值时有效数字、单位读单一坐标值时有效数

24、字、单位通过作直线求斜率时通过作直线求斜率时取点、标出坐标值、计算斜率(单位)取点、标出坐标值、计算斜率(单位) 取点三个规则:不能取原始数据点;取点三个规则:不能取原始数据点; 尽量远但不超数据范围;尽量远但不超数据范围; 取与取与X轴刻度线的交点。轴刻度线的交点。24Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.例:如何读图Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientPr

25、ofile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.例:关于作图在伏安法测电阻的实验中,同学根据测得的数据如下:这幅图中存在什么问题呢?如何找到一条最佳的拟合直线?如何找到一条最佳的拟合直线?Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.最小二乘法最最小小二二乘乘法法认认为为:假假设设各各xi的的值值是是准准确确的的,所所有有的的不不确确定定度度都都只只联联系系着着yi,若若最最佳佳拟拟合合的的直直线线为

26、为: ,则则所所测测各各 值值与与拟拟合合直直线线上上相相应应的的各各估估计计值值 之之间间的的偏偏差的平方和最小,即,差的平方和最小,即,直线方程中:直线方程中:Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.解方程得:解方程得:相关系数:相关系数:如果如果y和和x的相关性好,的相关性好,可以粗略考虑可以粗略考虑b的有效位数的最后一位与的有效位数的最后一位与y的有效数的有效数字最后一位对齐,字最后一位对齐,k的有效数字与的有效数字与yn-y

27、1和和xn-x1中有效位数较少的相同。中有效位数较少的相同。最小二乘法Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.最小二乘法直线拟合的不确定度估算:以最小二乘法直线拟合的不确定度估算:以 为例为例在假设只有yi 存在随机误差的条件下(且y的仪器不确定度远小于其A类不确定度),则k 和b的不确定度分别为: 式中,Sy是测量值yi的标准偏差,即: Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.

28、5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.巳知某铜棒的电阻与温度关系为:巳知某铜棒的电阻与温度关系为: 。实验测得。实验测得7 7组数据(见表组数据(见表1 1)如下:试用最小二乘法求出参量)如下:试用最小二乘法求出参量R R0 0、 以及它们的不确定度。以及它们的不确定度。表 1t / 19.1025.1030.1036.0040.0045.1050.10Rt / 76.3077.8079.7580.8082.3583.9085.10分析:此例中只有两个待定的参量R0和,为得到它们的最佳系数,所需要的数据有n、 、 、 、 和

29、六个累加数,为此在没有常用的科学型计算器时,通过列表计算的方式来进行,这对提高计算速度将会有极大的帮助(参见表2),并使工作有条理与不易出错。最小二乘法应用举例Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd./ 2表2:最小二乘法应用举例Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.根据表

30、2中所求得的数据,代入公式可得 :说说明明:电电阻阻Rt与与温温度度t的的线线性性关关系系良良好好,所所以以取取R0的的有有效效数数字字与与R对对齐齐,即即:R070.76 ;又又因因为为t7t1 = 31.00,R7R1 = 8.80 ,取取k有有效效数数字字为为以以上上两两个个差差值值中中较较少少的的位位数数3位,则位,则k = 0.288 / C。由此可以得到电阻与温度的相关关系为:由此可以得到电阻与温度的相关关系为:最小二乘法应用举例Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyrig

31、ht2004-2011AsposePtyLtd.表2:/ 2最小二乘法应用举例Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.根据表2中所求得的数据,代入公式可得 :说说明明:电电阻阻Rt与与温温度度t的的线线性性关关系系良良好好,所所以以取取R0的的有有效效数数字字与与R对对齐齐,即即:R070.76 ;又又因因为为t7t1 = 31.00,R7R1 = 8.80 ,取取k有有效效数数字字为为以以上上两两个个差差值值中中较较少少的的位位数数

32、3位,则位,则k = 0.288 / C。由此可以得到电阻与温度的相关关系为:由此可以得到电阻与温度的相关关系为:最小二乘法应用举例Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.最小二乘法应用举例计算k 和b的不确定度,由公式计算,可得:故:则:Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLt

33、d.t/R/R = R0+atParameterParameterValueValueErrorError70.870.80.30.3R00.2880.2880.0090.009R RSDSDN NP P0.9980.9980.30.37 70.00010.0001用origin来拟合数据注意:不能代替实验步骤中要求用作图纸作图部分!注意:不能代替实验步骤中要求用作图纸作图部分!Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.Fit Line

34、ar(线性拟合)步骤:1、将x,y数据输入worksheet2、绘制x,y的散点图3、执行FitLinear4、结果在ResultsLog窗口中A:截距及其标准误差B:斜率及其标准误差R:相关系数N:参与拟合的数据点的数目P:Probability(thatRiszero)R为0的概率SD:拟合的标准差Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.第三周实验安排组号组号实验室实验室实验名称实验名称第第1组组804804液氮比汽化热的测量液氮

35、比汽化热的测量碰撞打靶、转动惯量碰撞打靶、转动惯量第第2组组801801示波器的使用示波器的使用第第3组组802802LCR串联谐振串联谐振直流电桥、亥姆霍兹线圈直流电桥、亥姆霍兹线圈第第4组组805B805B量子论量子论X光光第第5组组805A805A光栅特性与激光波长光栅特性与激光波长透镜焦距、牛顿环透镜焦距、牛顿环第第6组组803803计算机实测物理实验计算机实测物理实验请同学们在网上提前选择实验,并写好预习报告!请同学们在网上提前选择实验,并写好预习报告!38Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.

36、2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.在网上提前选择实验,并写预习报告!http:/物理物理实验课实验课程程 基基础础物理物理实验实验根据根据选课选课及分及分组组名名单单中分中分组组表表确确认认自己所在自己所在组别组别严严格按照分格按照分组组表表登登陆对应陆对应的的“ 实验实验室室选实验选实验登登记记表表”选择实验选择实验填写姓名填写姓名选择实验选择实验前前请请仔仔细阅读细阅读登登记记表前的表前的选实验选实验要求要求上周登上周登记记表上所表上所选选一律作一律作废废!请请大家重新填写大家重新填写39Evaluationonly.CreatedwithAspos

37、e.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.数据处理作业非教材上练习题,请同学们下载非教材上练习题,请同学们下载PPTPPT完成作业!完成作业!1、请按实验结果的正确表示法改正下列数据、请按实验结果的正确表示法改正下列数据 1)1.3150.02 2)5.23000.01550 3)52.320.14501 4)10060030002、试按有效数字运算规则计算下列各式(要求写出计算过程)、试按有效数字运算规则计算下列各式(要求写出计算过程) 1)1.355.0020.02.02200.1 2)5.0

38、210440 3) (其中被除数(其中被除数“1”为准确数,不用考虑其有效位数)为准确数,不用考虑其有效位数) 4) 5)4.251.800(14/800)(其中)(其中“1”为准确数,不用考虑其有效位数)为准确数,不用考虑其有效位数)Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.数据处理作业3、用千分尺多次测量某一金属薄片的厚度用千分尺多次测量某一金属薄片的厚度d(如下表),千分尺的不确定度限值为(如下表),千分尺的不确定度限值为0.00

39、4mm,试求,试求d及其不确定度及其不确定度u(d)。4、用钢尺(分度值为用钢尺(分度值为1mm,不确定度限值为,不确定度限值为0.10mm)测量某一物体的长度)测量某一物体的长度l,实,实验中用验中用1/10估读,读得其左端读数估读,读得其左端读数l1为为5.00cm,右端读数,右端读数l2为为17.26cm,试求,试求l及及其不确定度其不确定度u(l)。5、实验测得一底面为正方形的长方体的高度、实验测得一底面为正方形的长方体的高度hu(h)=(5.200.03)cm,底面边长,底面边长 au(a)=(2.1340.002)cm,试求其体积并计算其不确定度。,试求其体积并计算其不确定度。6、

40、已已知知金金属属环环的的外外径径D2=(3.6000.004)cm,内内径径D1=(2.8800.004)cm,高高度度h=(2.5750.004)cm,求环的体积求环的体积V及其不确定度及其不确定度u(V)。 环的体积公式为:环的体积公式为:d/mm2.0142.0202.0162.0202.018Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.数据处理作业7、用伏安法测得某电阻的实验数据如下表:、用伏安法测得某电阻的实验数据如下表: 1)

41、用作图法求其电阻值)用作图法求其电阻值R;(必须用作图纸手工作图必须用作图纸手工作图) 2)设测得数据直线方程为)设测得数据直线方程为U= U 0+ RI,用最小二乘法拟合出直线方程以及用最小二乘法拟合出直线方程以及r r。 (可自行选择(可自行选择用列表法、计算器或采用计算器或采用Excel、Origin等各种方法求解)等各种方法求解)下周上课时将数据处理作业交给下周上课时将数据处理作业交给所在实验室老师!所在实验室老师!U/V0.741.522.333.083.664.495.245.986.767.50I/mA2.004.016.228.209.7512.0013.9915.9218.0020.01Evaluationonly.CreatedwithAspose.Slidesfor.NET3.5ClientProfile5.2.0.0.Copyright2004-2011AsposePtyLtd.

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