石河子大学物理实验绪论.ppt

1,大学物理实验课程绪论,理学院物理系,2,内容提要,3,一、物理实验的作用和意义,1.什么叫实验？,实验是人们根据研究的目的，运用科学仪器，人为地控制、创造或纯化某种自然过程，使之按照预期的进程发展，同时在尽可能减少干扰的情况下进行观测（定性的和定量的），以探求自然过程变化规律的一种科学活动。,4,一、物理实验的作用和意义,2.实验对物理学的发展起了什么样的推动作用？,发现新事实，探索新规律检验理论，判定理论的适用范围测定常数推广应用，开拓新领域,5,一、物理实验的作用和意义,发现新事实，探索新规律,伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了重要依据；库仑通过滑板实验提出摩擦定律；胡克的弹性实验；玻意尔的空气压缩实验；波雷里的表面张力实验等为物理学提供了新事实和新规律。,6,一、物理实验的作用和意义,发现新事实，探索新规律,在电学方面如库伦定律的验证，欧姆定律的建立，奥斯特发现电流的磁效应，伽伐尼和伏打发现动物电和化学电源，法拉第发现电解定律和电磁感应现象等，都是通过大量实验得出的。,7,一、物理实验的作用和意义,发现新事实，探索新规律,光的干涉(牛顿环），衍射，偏振（旋光）以及双折射等现象也是首先在实验中发现的，这些实验说明了光的波动性。从色散到光谱学的发展，实验更是基本的认识途径，正是这一系列研究把人们带进了原子领域。,8,一、物理实验的作用和意义,发现新事实，探索新规律,19世纪末，经典物理学发展到了相当完善的地步，正是实验的新发现揭示了经典物理学的严重不足，把物理学推进到一个新阶段。,9,一、物理实验的作用和意义,检验理论，判定理论的适用范围,理论是物理学的主体，只有靠理性认识才能达到事物内部的规律性。然而，理论是否正确，又必须经受实践检验。实验是检验理论的重要手段。理论与实验是物理学的两大部分，相辅相成，缺一不可。,10,一、物理实验的作用和意义,检验理论，判定理论的适用范围,11,一、物理实验的作用和意义,2011年诺贝尔物理学奖于北京时间2011年10月4日揭晓，美国加州大学伯克利分校天体物理学家萨尔波尔马特、美国/澳大利亚物理学家布莱恩施密特以及美国科学家亚当里斯获得2011年诺贝尔物理学奖。奖项的原因是他们“通过观测遥远超新星发现宇宙的加速膨胀”。,12,一、物理实验的作用和意义,检验理论，判定理论的适用范围,一个理论的正确性，不仅在于它能说明多少现象，也不仅在于它的自洽性，更重要的是它能否得到实验的肯定，它所作的预言被后面的实验证实到什么程度。,13,一、物理实验的作用和意义,测定常数,在物理学的发展中，大量实验是围绕常数进行的。了解物质的物理特性要通过实验测量跟物质特性有关的各种常数，而基本物理常数的测定和研究，在物理学发展史中更占有极其重要的地位。,14,一、物理实验的作用和意义,测定常数,万有引力常数的数值，自牛顿发现万有引力定律以来，一直是人们力求测出和测准的对象。焦耳测热功当量，历时三四十年，用了多种方法，得到大量数据，为热力学第一定律的建立提供了确凿的依据。光速是测得最准的基本物理常数之一，以至于由光速来定义长度单位。,15,一、物理实验的作用和意义,推广应用，开拓新领域,电机和电气工业的发展，完全是在电磁理论建立之后，人们自觉运用理论作出各种发明和发现的。然而，电工技术离不开实验，其中包括许多物性学实验和电磁学实验。20世纪无线电电子学异军突起，从电子管到晶体管，从无线电报到雷达，都是实验室的产物。科学理论通过实验这一中间环节，不断起着改造世界的作用，包括补充和改造科学理论自身。,16,一、物理实验的作用和意义,从1901年伦琴因实验发现X射线而获奖以来，在110年（截止到2010年）总共有194位获奖者，其中实验获奖的共130人，占67%，这也充分说明了实验的重要地位。,17,二、大学物理实验的地位、目的和基本要求,1.物理实验的地位,物理实验课程是高等学校对学生进行科学实验基本训练的必修基础课程，是本科生进入大学后接受系统实验方法和实验技能训练的开端。,物理实验课程覆盖面广，具有丰富的实验思想、方法、手段，是培养学生科学实验能力、提高科学素质的重要手段。另外，它在培养学生严谨的治学态度、激发学生的创新意识和理论联系实际、综合应用科技知识的能力等方面具有其他课程不可替代的作用。,18,2.物理实验课程的目的,（1）通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验基础知识和设计思想，进一步加深对理论课程的理解。,(2)培养和提高学生的科学实验能力。(3)培养学生基本的科学实验技能，使学生初步掌握实验科学的思想和方法。,19,3.物理实验课程的基本要求,(1)借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；(2)运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断；(3)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。,20,3.1实验报告的基本要求,阅读实验教材、明确目的、写出预习报告。,预习报告要求（每人一份）：写实验目的、主要原理、公式（包括式中各量意义）、线路图或光路图及关键步骤。画好原始数据表格，单独用一张无格白纸。,教师检查预习情况并签字，作为评分依据。,21,3.2实验操作,根据资料和老师在实验课上的简要介绍、调整仪器、观察现象、记录测量数据。,重视实验能力培养，珍惜独立操作的机会。完成基本内容，争取做提高内容。记录数据时不得用铅笔，只有数据正确、仪器还原、教师签字后该次实验才有效（原始实验数据每小组共用一份）。提倡研究问题，注意安全操作。,22,3.3 实验报告,报告内容（每人一份）：预习报告中已有的原理、图、步骤等不必重写，可在讨论或小结里用自己的实验体会加以补充。数据处理时必须先重新整理原始记录，然后进行计算分析(应包含主要过程)、作图并给出结果。最后附上教师签字的原始记录(必须用胶水粘贴)。（每个小组粘贴在一起）交报告的时间、地点：下周上实验课时到上周所在实验室交给该实验任课教师。,23,3.4实验报告规格,1)实验名称。2）实验者姓名，学号，班级。3）实验目的：4)实验原理：应简明扼要、文理通顺，不要照抄教材（必要计算公式、原理图、电路图或光路图）。5)实验步骤：按实际操作情况简明扼要地写出。6)原始数据记录7)数据处理：含计算过程、作图等、写出测量结果并进行不确定度分析。8）问题讨论：可以是影响实验结果因素分析，改进实验的建议和心得体会，回答思考题。,24,3.4实验报告规格,实验步骤：,25,3.5实验报告成绩评定标准,26,3.5实验报告成绩评定标准,27,3.5实验报告成绩评定标准,实验有新发现，见解独特、有创新，实 验成绩评定后，提高一档；迟到时间超过10分钟成绩降一档，之后每10分钟为一档类推；无故缺席，不能补做，该次成绩记0分；无故迟交报告成绩降一档；篡改实验数据，成绩降一档；抄袭报告或数据、成绩为0分。,28,3.6物理实验课学生须知,所有实验不得无故迟到、缺席。无故缺席者按零分记。若因病、因事(要有医院证明或学院辅导员证明)而缺课，应提前请假，并及时到大学物理实验中心办理补课手续，报告仍交原实验教师批改，成绩由原实验教师登记。,29,三、大学物理实验课的教学计划与要求,1.教学计划,30,三、大学物理实验课的教学计划与要求,1.教学计划,31,三、大学物理实验课的教学计划与要求,1.教学计划,32,三、大学物理实验课的教学计划与要求,1.教学计划,本学期实验物理课程继续实行小班教学，具体办法为将一行政班级拆分为A、B两个实验教学班级；拆分原则依据学号，学号靠前的为A班，学号靠后的为B班。本学期继续网络教学。学生须在实验完毕后两周内到教务处网络教学平台提交网络作业；未提交网络作业者，没有成绩。,33,三、大学物理实验课的教学计划与要求,1.教学计划,请退出放映后双击打开,34,三、大学物理实验课的教学计划与要求,2.考核要求,实验物理：考试（闭卷）课程。总评成绩实验报告平均成绩*50%考试成绩*50%；考试成绩笔试（20%）+操作考试（80%）。实验物理B：考查课程。总评成绩实验报告平均成绩。,35,四、数据处理、运算与误差分析,4.1实验数据测量 4.2误差的定义、分类及简要处理方法 4.3常用的实验数据处理方法,36,物理量三要素：定义、单位、测量。,物理学中有七个基本物理量，其基本单位是：,长度的单位：米；质量的单位：千克；时间的单位：秒；电流的单位：安培；热力学温度的单位：开尔文；物质的量的单位：摩尔；发光强度的单位：坎德拉。,测量：包括测量工具、测量方法。例如：物理量质量(m)天平,37,测量是将预定的标准与未知量进行定量比较的过程和结果。在物理学发展史上，对物理现象、状态或过程的各种量的准确测量，是实验物理的关键工作。,测量的五个要素：1）观察者 2)测量对象 3)测量仪器 4)测量单位 5)测量条件,4.1 实验数据测量,38,直接测量：用已知的标准单位与待测量直接进行比较，或者从已用标准量校准的仪器仪表上直接读出测量值；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。,间接测量: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。,4.1 实验数据测量,39,物理实验离不开测量，但是任何测量结果都可能有误差。可以说任何测量不可能无限准确。,操作读数时的视差影响,4.1 实验数据测量,40,4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,测量误差的定义,由于真值的不可知，误差实际上很难计算。有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差。,41,表示被测对象的真值落在(x,x)范围内的概率很大，的取值与一定的概率相联。,测量对象,测量对象的量值,测量的不确定度,测量值的单位,以电阻测量为例,如何表述一个完整的测量结果？,42,另一类因为读数错误、操作失当等原因造成的明显超出规定条件下预期值的误差，称为粗大误差。测量应避免出现粗大误差。已被谨慎地确定为含有粗大误差的个别数据要剔除。,a)随机误差(可以由统计方法评定)b)系统误差(则要具体问题具体讨论),误差主要分为两类：,4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,43,随机误差,定义：重复测量中以不可预知方式变化的测量误差分量。,例如：电表轴承的摩擦力变动;螺旋测微计测力在一定范围内随机变化;操作读数时的视差影响;数字仪表末位取整数时的随机舍入过程等等，都会产生一定的随机误差分量。,4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,44,如何处理随机误差分量？,随机误差分量是测量误差的一部分，其绝对值大小和符号虽然不知道，但在相同条件下对同一量的多次重复测量中，它们的分布常常满足一定的统计规律。,简要处理方法,算术平均值 标准偏差不确定度,4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,45,大多数情况下，随机误差具有抵偿性。测量次数足够多时，符号为正的误差和符号为负的误差基本对称，能大致相消。,因此，用多次测得值的算术平均值作为被测量的估计值，能减小随机误差的影响。设对同一量作了 n 次重复测量，测得值为xi，平均值为：,算术平均值,46,随机误差使测得值xi有分散性，分散性用实验标准偏差s表征，s的值直接体现了随机误差的分布特征。,s大表示测得值分散，随机误差分布范围宽，测量精密度低；s小表示测得值密集，随机误差分布范围窄，测量精密度高。s可由贝塞耳公式算出:,标准偏差,47,系统误差,A.定义：测量中保持恒定或以可预知方式 变化的误差分量。,系统误差分类 已定系统误差 未定系统误差,4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,48,例如：电表、螺旋测微计的零点误差；伏安法测电阻时，电流表内接、外接，由于忽略表内阻引起的误差。,指符号和绝对值已知的系差分量。实验中应尽量消除已定系统误差，或对测量结果进行修正，修正公式为：,测得值(或其平均值)已定系差,B.已定系统误差要修正,4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,49,指符号或绝对值未被确定的系统误差分量。一般只能估计出未定系统误差的限值或分布特征值。,C.未定系统误差(须估计分布范围),4.2 误差的定义、分类及简要处理方法,50,对实验中的系统误差应如何处理？,D.系统误差分析的重要性：大量的一般测量的实践表明:系统误差分量对测量结果的影响常常显著地大于随机误差分量的影响。因此大学物理实验要重视对系统误差的分析处理，尽量减小它对测量结果的影响。,1）修正已定系统误差；2）评定B类不确定度分量（大致对应于未定系统误差分量）3）多环节减小系统误差影响，包括通过方案选择、参数设计、计量器具校准、环境条件控制、计算方法改进等,51,.列表法为使测量数据一目了然,避免混乱和丢失、便于查对和比较,常将数据按一定规律列入表格中.,（）列表要求：简单明了,便于看出有关量间的关系,便于数据处理 在表格标题栏中注明物理量的名称、符号和单位(单位不必重复记在各数据后面)表格中的数据要正确反映测量结果的有效数字,4.3常用的实验数据处理方法,52,（）列表法应用举例粘滞系数测定实验中，小球直径测量值的记录。,小球直径的测量主要仪器：外径千分尺，分度值为0.01mm，零点误差为0.002mm,图解法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用正规纸张作图。,图解法,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小 坐标分度值的选取应能反映测量值的有效位数，一般以 12mm对应于测量仪表的仪表误差。根据表数据U 轴可选1mm对应于0.10V，I 轴可选1mm对应于0.20mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围）约为130mm130mm。,作图步骤：实验数据列表如下.表1：伏安法测电阻实验数据,2.标明坐标轴：用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。,5.标出图线特征：在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点 A、B 的坐标就可求出 R 值。,电阻伏安特性曲线,6.标出图名：在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。,由图上A、B两点可得被测电阻R为：,至此一张图才算完成,57,3.逐差法,逐差法是在一些特定条件下,用简单的代数运算来处理一元线性问题的新方法。逐差法能充分利用多次测量的数据，减少误差在实验中经常使用。,58,例：测定杨氏模量实验中，等间距地(1千克)在钢丝下加砝码,共加7次,分别记下对应的钢丝下端位置：求每加一个砝码 钢丝的平均伸长量。,问题:只有第一和最后一个数据用上,其余全抵消,失去多次测量减少误差的作用!,一般处理数据方法,（1）问题的提出,59,1.将数据按顺序 分两组再逐差,2.再求平均值,对自变量等间隔变化且误差可忽略的测量,将因变量数据按顺序分两组,求两组中对应序号测值之差,再取平均,（2）逐差法处理数据,60,(3)应用举例用逐差法求电阻上单位电压变化 对应的电流变化.测量数据如下：,61,不确定度，反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差分量的联合分布范围。,五、不确定度基础知识和有效数字,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。,由于真值的不可知，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。,62,1)不确定度的概念,不确定度理论摈弃了传统的“系统误差”和“随机误差”的分类方法，而是将不确定度按照测量数据的性质分类：1）用数理统计方法处理，称为A类不确定度；2）用非数理统计方法处理,统称为B类不确定度。测量不确定度的理论保留系统误差的概念。,A 类分量 多次重复测量时与随机误差有关的分量；B 类分量 多数与未定系统误差有关的分量。,这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度：,63,2)A 类分量A 的估算（直接测量）,64,间接测量是利用已知函数关系式的转换测量。间接测量量：y直接测量量：x1,x2,xk函数关系形式为：,2)A 类分量A 的估算（间接测量）,a)间接测量的平均值,65,间接测量量 y 的不确定度与各直接测量量的不确定度有关，它们之间的关系由标准差传递公式表示为:,b)间接测量的不确定度传递公式,或称传递系数,66,3)B 类分量B的估算,普通物理实验中，计量器具主要包括仪器(仪表)，也包括量具和计量装置等，所以INS 也常叫仪器误差限。INS表征同一规格型号的合格产品，在正常使用条件下，可能产生的最大误差。它们可参照计量器具的有关标准，由准确度等级或允许误差范围得出，或从仪器说明书中得到。,B 类分量B=INS,认为 B 主要由仪器的误差特点来决定,67,4)不确定度的方合根合成,B=INS,68,直接测量量不确定度估算举例,例：用1级螺旋测微计测量某钢丝直径，9次测得值分别为 0.294，0.300，0.303，0.295，0.298，0.293，0.292，0.300，0.305，单位为mm。测量前螺旋测微计零点读数值(已定系差)为-0.003mm。1级螺旋测微计的示值误差限INS=0.004mm。,1)测得值的平均值,2)已定系统误差修正,69,3)用贝塞耳公式求出标准偏差,4)求不确定度A类分量A,70,5)求不确定度B类分量B,B=INS=0.004mm,6)不确定度的方合根合成,7)测量结果最后表示成,8)化整为(修约为),71,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,重视三个环节：,五、不确定度基础知识和有效数字,72,有效数字,有效数字的基本概念 有效数字=准确数字+存疑数字 有效数字来源于测量时所用的仪器有效数字的特点（1）位数与小数点的位置无关。35.76cm=0.3576m=0.0003576km（2）0 的地位 0.0003576 3.005 3.000 都是四位（3）科学计数法 3.57610-1 3.756102 h=6.62610-34 js,73,有效数字的读取：1、一般读数应读到最小分度，然后再估读一位。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，读到游标分度值。多数情况下不估读，特殊情况估读到游标分度值的一半。4、数字式仪表及步进读数仪器不需估读。5、特殊情况，直读数据的有效数字由仪器的灵敏阈决定。例如在“灵敏电流计研究”中，测临界电阻时，调节电阻箱“10”仪器才刚有反应，尽管最小步进值为“0.1”，电阻值只记录到“10”。6、若测量值恰为整数，必须补零，直补到可疑位。,74,刻度式量具,5.737mm,5.5000.237,75,游标类量具,49.000.8249.82mm,76,数显仪表及有十进步式标度盘的仪表,77,测量结果的表述规范：,（1）如果测量结果是最终结果，其不确定度可用一位或二位数字表示。本课程约定，当不确定度的第一位数字为1、2、3时取二位，其余取一位。如果是作为间接测量的中间结果，其不确定度位数可比正常截断多取一位以免造成截尾误差的累积。测量结果的相对不确定度一律用二位数的百分数表示。,78,测量结果的表述规范：,（2）不确定度数值截尾时，采取“只入不舍”的方法，以保证其置信概率不降低。例如计算得到不确定度为0.2412，截取两位为0.25。（3）测量结果的有效数字位数由不确定度来确定。测量结果的最末位应与不确定度末位对齐，数据截断时其尾数大于5入，小于5舍，遇5配偶。,79,修约规则：大于5入，小于5舍，遇5配偶。如：下列数要求保留4位有效数字 1.23360-1.234 12.8120-12.81 123.450-123.4 123.451-123.5 1235.50-1236,测量结果的表述规范：,80,有效数字的运算规则,总的原则是：准确数字与准确数字进行四则运算时，其结果仍为准确数字。准确数字数字进行四则运算时，其结果与欠准数字以及欠准数字与欠准均为欠准数字。在最后的结果中只保留一位欠准数字，其后的数字是无意义的，应按有效数字舍入规则截去。,81,以小数点后位数最少的为标准，中间运算多取1位：214.75、32.9451、0.015、4.3053 214.75 32.945 0.015+4.305_ 252.015-252.02,有效数字的运算规则,(1)加、减,82,以有效数字最少的位数为标准，中间运算多取1位：0.012125.6451.05872=0.012125.641.059=0.3285484=0.329,(2)乘、除、乘方、开方,83,(3)初等函数运算,四位有效数字，经正弦运算后得几位？,84,直接测量量不确定度估算过程（小结）,求测量数据列的平均值 修正已定系统误差y0，得出被测量值 y 用贝塞耳公式求标准偏差s 标准偏差s 乘以因子来求得A 当 5n10，置信概率为95%时，可简化认为A s 根据使用仪器得出B B=仪 由A、B合成总不确定度 给出直接测量的最后结果：,85,谢谢！,86,附录一：网络教学平台使用方法,主要讲述网络作业和论坛答疑,87,1.输入网址，进行登录 输入用户名（默认为自己的学号）和密码 默认为自己的学号或6 个0，或123456 登陆后请及时修改原始密码）,88,2.进入课程,89,3.1直接提交作业,90,3.2或者通过以下途径进入作业提交,91,4.打开课程作业,92,5.1作业提交,93,5.2完成和提交作业,94,6.在线提问,返回,