大学物理实验-概论 57页

欢迎大家进入物理实验室学习！实验中心网站202.120.99.174钟菊花jhzhong@ecust.edu.cn\n课程的作用与目的测量误差测量结果的最佳值随机误差的估算不确定度有效数字直接测量结果表述间接测量的误差间接测量结果表述基本仪器的使用物理实验方法数据处理的基本方法实验过程与要求基础知识\n物理实验的作用物理学是一门实验科学,其任何规律和理论都从实践和实验中来，并受到实践的反复检验，由此而不断发展。伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。\n物理实验的作用密立根在1923年获诺贝尔奖时说：“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。”\n1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒和波动之间的争论，很好地解释了光电效应的实验结果。但是直到1916年当密立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后，光的粒子性才为人们所接受。物理实验的作用\n物理实验课程的目的学习实验知识培养实验能力提高实验素养学习实验知识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。X射线的发现与研究\n培养实验能力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。\n提高实验素养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。\n学生的实验修养学习前人创造的实验方法并加以发展和创新关注实验的物理思想（单摆测g，密立根油滴测e）了解实验装置与仪器设计的独创性之所在，遵守操作规程实验时边观察现象边思考，及时发现问题做实验的主人（提出探索问题，如何研究，分析结果）\n本学期实验内容示波器使用分光计使用拉伸法杨氏模量扭摆测转动惯量静电场测绘电桥测电阻太阳能电池特性测量波尔共振仪研究受迫振动希望同学们能重视这门课程的学习，经过一年的时间，真正能学有所得。\n测量直接测量x，y：指无需对被测量与其它实测量进行函数关系的辅助计算，就可直接得到被测量值的测量间接测量Z=f（x，y）：从一个或几个直接测量结果按一定的函数关系计算出来的的过程测量数据包括数字和单位hdM\n实验数据的有效位数确定有效位数的确定，是为了保证测量结果的准确度基本不会因位数取舍而受影响，同时避免因读取或保留一些无意义的多余位数而做无用功。有效位数能在一定程度上反映量值的不确定度。a)读数：原始数据有效位数的确定b)运算：运算过程中的有效位数c)结果表示：测量结果最终表达式中的有效位数实验中必须重视三个环节：\n什么是有效数字？若干位准确数字＋1位欠准数字构成有效数字\n\n有效数字的运算单位换算不改变有效数字位数例如10cm=100mm应为：10cm=1.0mm?0.100cm=1.00mm\n有效数字的运算加减乘除的运算法则对数、三角函数、n次方运算法则：最终结果由误差位决定有效位数。有效数字取舍:4“舍”6“入”5“取偶”。4.5454.544.5554.56\n加减乘除运算原则:准确数与准确数运算结果为准确数；其它运算结果为欠准数。加减:30.3+1.38431.684应为31.7乘除:10.522×0.3442088315663.57748应为3.6以精度最低的数对齐以有效数字位数最少的数对齐注意:中间过程多保留一位有效数字\n测量物理实验是以测量为基础的，但是测量结果都可能存在误差。可以说任何测量不可能无限准确。操作读数时的视差影响测量误差的来源（1）仪器、装置引入的误差；（2）原理、方法引入的误差；（3）环境、条件引入的误差；（4）实验者引入的误差；\n量具的精度10.0063g10g一个10克左右的重物10.01g10g10.006g\n一根直径1cm左右的铜棒1cm量具的精度1.1026cm1.102cm1.10cm\n误差=测量值-真值误差（真值为客观存在量）\n系统误差：同一条件，同一量，多次测量时Δ相同。随机误差：同一条件，同一量，多次测量时Δ不同．误差分类ΔΔ\n系统误差来源：发现：测量仪器，实验方法，环境条件，实验者分析检查法；对比实验法等(仪器、参量、条件)(理论、仪器、数据)\n系统误差消除：从根源上（找出误差原因，加以消除）利用修正式（如：伏安法）实验方法（交换法，抵消法，零示法等）\n随机误差的统计规律随机误差的概率密度函数正态分布+-概率密度误差标准误差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。\n随机误差的统计规律特性单峰性对称性有界性抵偿性+-\n随机误差的统计规律称为标准误差置信区间教材P.7意义为：任一次测量，其误差在的可能性为68.3%()置信概率68.3%\n测量结果的最佳值算术平均值\n标准误差的估算误差：残差：用平均值代替真值真值算术平均值用残差代替误差教材P.10\n标准误差：（测量次数为n）标准误差的估算n∞教材P.10\n标准误差的估算教材P.10平均值的标准误差：\n仪器的最大误差　：（厂方给出）仪器误差没有规定的，取其最小刻度的一半Δ示=量程×准确度等级%教材P.11\n不确定度1)不确定度的概念不确定度，表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度。2)研究不确定度的意义科学地反映测量结果的数值和可靠程度。根据对测量不确定度的要求,确定实验方案,选择仪器和环境。努力找出和减小主要系统误差,提高实验准确度\n它包含两类分量:A类:用统计方法计算出的标准误差,B类:用其他方法估计出的“等价标准误差”,合成不确定度:不确定度教材P.15\nP=0.683,B类为均匀分布当首位数字3时，U取一位数字，当首位数字小于3时，U取两位数字不确定度教材P.16置信因子可查P15表式(01-21b)最后有效数字采用进位法，如0.241mm=0.25mm\n结果表示:不确定度教材P.15取1位或2位（有效）数字，最后一位与对齐如:误差在小数第二位保留到小数第二位则\nE<1.0%取1位（有效）数字E>=1.0%取2位（有效）数字相对误差是评价测量值准确与否的客观标准\n直接测量结果的表述最佳值1位或2位有效数字E<1.0%取1位E>=1.0%取2位相对误差结果表示不确定度平均值的标准误差\n结果表示：(P=0.683)用天平（仪器误差）测某一物体的重量，数据如下：次数12345678重量／g6.476.266.526.506.406.256.306.31vi/g0.09-0.120.140.120.02-0.13-0.08-0.07vi2/g0.00810.01440.01960.01440.00040.01690.00640.0049最佳值：不确定度：平均值标准误差：相对误差：计算器统计计算功能(SD或stat)可方便计算Sx\n间接测量的最佳值\nxy测量矩型面积，直接测量量是长度xy间接测量的误差传递\n间接测量的误差传递而面积的误差应是：由于都是无穷小量\n标准误差传递公式（同样适用于不确定度的传递）常用函数的标准误差传递式见讲义P14间接测量的误差传递教材P.14对有限次测量:传递系数\n最佳值不确定度传递结果表示相对误差E<1.0%取一位E>=1.0%取二位间接测量量表述\n测量一天的温度差实例:（和差关系）——直接传递\n实例:两边取对数求全微分各项平方和开根号(方和根法则）——通过相对误差传递（乘除单项式)\n实例：导体电阻率的测量\n\n\n课堂练习1.2.3.,求,已知求N。,已知求N。解答解答解答继续\n,求返回直接求偏导数代入公式\n,已知,求N。返回注意求导式结果有效数字由误差位确定\n,已知,求N。返回将分化为弧度结果有效数字由误差位确定\n通知上课时间表第一单元（1－2节课）8:00~9:35第二单元（3－4节课）9:55~11:30第三单元（5－6节课）13:30~15:05第四单元（7－8节课）15:25~17:00第五单元（9－10节课）18:00~19:35请提前5分钟进入实验室\n通知请各班班长或学习委员在本周周一到周四8:00~16:30到实验六楼112室购买预习报告(5元/份)\n作业1、复习本次课内容；2、完成预习报告中误差与有效数字练习题1-7。\n祝大家学习愉快！欢迎访问202.120.99.174物理实验中心