大学物理实验课程绪论.ppt

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1、1,大学物理实验（营口大学园）任课教师：王丽tel：,2,1.前言2.误差与数据处理的基本知识3.常用数据处理方法4.怎样上好物理实验课,3,1.前言,1.1 物理实验的作用1.2 物理实验课的目的1.3 常用物理实验方法,4,1.1 物理实验的作用,物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。,5,以诺贝尔物理学奖为例：,80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个

2、实验的检验。有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。,6,历届获得诺贝尔物理学奖的华裔科学家：No.1&2：李政道、杨振宁 1957年诺贝尔物理学奖获得者，“他们对所谓的宇称不守恒定律的敏锐地研究，该定律导致了有关基本粒子的许多重大发现”No.3：丁肇中 1976年诺贝尔物理学奖获得者，“他们在发现新的重基本粒子方面的开创性工作”,7,杨振宁 李政道 丁肇中,8,李政道杨振宁早年合影,9,历届获得诺贝尔物理学奖的华裔科学家：No.4：朱棣文 1997年诺贝尔物理学奖获得者，“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”No.5：崔琦 1998年诺贝尔物理学奖获得者，“发现一种带有分数带电激发的新

3、的量子流体形式”No.6：高锟 2009年诺贝尔物理学奖获得者，“在光学通信领域光在纤维中传输方面的突破性成就”,10,朱棣文 崔琦 高琨,11,1.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。,1.2 物理实验课的目的,12,2.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。,1.2 物理实验课的目的,13,3.提高实验素养培养理论联系实际和实事求是的科学作风；严谨求实的

4、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。,1.2 物理实验课的目的,14,1.3 常用物理实验方法,比较法：比较法是物理量测量中最普遍、最基本的测量方法。它是指将被测量与标准量具进行比较而得到测量的值的。比较法可以分为直接比较（如用天平测质量）和间接比较（利用电流表指针的偏转量测电流的大小）两类。,15,1.3 常用物理实验方法,放大法：在测量中，有时由于被测量过于小，以至于无法被实验者或者仪表直接感觉和反应，那么可以先通过某种途径，将被测量放大，然后再进行测量，放大被测量所用的原理和方法就称为放大法。根据放大方式的不同，分为累积放大法，机械放大法，电子

5、放大法，以及光学放大法。,16,1.3 常用物理实验方法,转换法：把被测对象依据物理规律转换为另一个被测对象的方法。例如：利用量筒中水面上升的高度测量不规则物理的体积；水银温度计利用热胀冷缩原理，把温度的测量转换为毛细管中水银高度的测量。,17,1.3 常用物理实验方法,替代法：将已知其值的同种量替代被测量，使这个同等量在指示装置上得到相同的效应，以确定被测量值的方法。例如：我们在电学实验中测量某一电表的内阻时，常用电阻箱来代替被测电阻。,18,1.3 常用物理实验方法,模拟测量法：根据相似性的原理，人为地制造一个类似于被测量的模型。通过测量这个模型来获得测量结果的方法称为模拟测量法。根据模拟

6、手段的不同又分为几何模拟法、替代模拟法和计算机模拟法。,19,小结：物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，可使同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能诸方面得到较为系统、严格的训练，是大学里从事科学实验的起步，同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。,20,2.误差与数据处理的基本知识,2.1 常用基本概念2.2 有效数字2.3 直接测量的数据处理2.4 间接测量的数据处理,21,2.1 常用基本概念,1.测量：为了获得被测物理量的量值而实施的一组操作称为测量。测量包含三个要素：实验操作，数据处理，实验结果

7、。测量的分类：按照获得测量值的方法分为直接测量和间接测量；按照测量条件分为等精度测量和非等精度测量。,22,2.1 常用基本概念,2.测量结果：由测量所得到的赋予被测量量的值称为测量结果。测量值=数值+单位注意：测量值只有赋予单位才有物理意义。,23,2.1 常用基本概念,3.误差：测量值与真值之间存在的差异称之为误差。（真值：物理量在一定实验条件下的客观存在值。是一个抽象的概念，一般无法得到。）误差的大小：绝对误差=测量值-真值 相对误差=（绝对误差/真值）100误差来源：仪器误差，测量方法误差，个人误 差，环境误差。误差的分类：随机误差，系统误差，粗大误差。,24,2.1 常用基本概念,4

8、.系统误差：指在同一被测量的多次测量的过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差的分量。系统误差的来源：仪器固有缺陷、环境因素、实验方法、个人因素如：电表、螺旋测微计的零位误差；测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。螺旋测微计制造时的螺纹公差等。,25,2.1 常用基本概念,5.随机误差：由随机效应导致的误差称为随机误差。来源：测量仪器、环境条件、测量人员等如：实验装置和测量机构在各次调整操作上的变动性；测量仪器指示数值的变动性；以及观测者本人在判断和估计读数上的变动性。如操作读数时的视差影响。,26,随机误差的特点：(1)小误差出现的概率比大误差出现的概率大；(2)无穷多次测量时服从正态

9、分布；(3)具有抵偿性。取多次测量的平均值有利于消减随机误差。,2.1 常用基本概念,27,2.1 常用基本概念,6.算术平均值：假定对一个物理量进行了n次测量测得的值为xi(i=1,2，n)，当n有限时xi 的算术平均值可以作为被测量的最佳估计值，当测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。,28,2.1 常用基本概念,7.实验标准差：当n有限测量时，测量值的实验标准差为：实验标准差的意义：实验标准差是表示测量结果分散度的物理量。标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,29,2.1 常用基本概念,8.算

10、术平均值的标准差：,30,9.测量不确定度：概念：不确定度是指由于误差的存在而对被测物理量不能确定的程度，是表征待测物理量的真值所处的范围的评定。A类评定：多次重复测量时，用统计学方法计算的分量。B类分量：用其他方法（非统计学方法）评定的分量。,2.1 常用基本概念,31,A类评定：B类评定：标准不确定度：,2.1 常用基本概念,32,扩展不确定度：相对不确定度：测量结果表达式：（k=2）,2.1 常用基本概念,33,1.有效数字的位数 有效数字=可靠数字+可疑数字（一般只有一位）15.2mm15.0mm,2.2 有效数字,34,2.直接测量的有效数字：有指针或者刻度的仪器，最小刻度下再估读一

11、位。游标类量具只读到游标分度值，一般不估读。在读取数据时，如果测量值恰好为整数，则必须补“0”一直补到可疑位。,2.2 有效数字,0500mA,35,2.直接测量的有效数字：数字显示仪表显示值均为有效数字不需要进行估读，仪器显示的末位就是欠准数字。,2.2 有效数字,36,3.有效数字的运算规则加、减法：诸量相加（相减）时，其和（差）数在小数点后所应保留的位数与诸数中小数点后位数最少的一个相同。4.178+21.3 25.478=25.5,2.2 有效数字,37,2.2 有效数字,3.有效数字的运算规则：乘、除法：诸量相乘（除）后其积（商）在小数点后所保留的有效数字，只须与诸因子中有效数字最少

12、的一个相同。4.178 10.1 4178 4178 42.1978=42.2,38,2.2 有效数字,3.有效数字的运算规则：,乘方开方:有效数字与其底的有效数字相同对数函数:运算后的尾数位数与真数位数相同 例：lg1.938=0.2973 lg1938=3+lg1.938=3.2973,39,2.2 有效数字,3.有效数字的运算规则：指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。例：100.0035=1.00809196=1.008 三角函数：取位随角度有效数字而定。例：Sin3000=0.5000 Cos2016=0.9381正确数不适用有效数字的运

13、算规则。,40,2.2 有效数字,41,例：将下列数字全部修约为四位有效数字1）尾数4，2.7172902.7172）尾数6，1.1186301.1193）尾数5，a)5前是奇数，进位 3.1415923.142b)5前是偶数，5后全为零，不进位 1.1425001.142C)5前是偶数，5后尚有非零数，进位1.1425011.143,2.2 有效数字,42,5.不确定度的有效数字。不确定度的有效数字一般只取一位，特殊情况可以取两位有效数字（不超过两位），一般如果不确定度第一位有效数字是1,2时，取两位有效数字，遵循只进不舍的原则。如：0.320.4测量结果中，测量量最佳值的有效数字与不确定度

14、有效数字对齐。,2.2 有效数字,43,6.常数和系数的有效数字：对运算中的某些常数或者倍数，有效数字可以认为是无限的，但是在实际的计算中一般比直接测量结果的有效数字多取12位！,2.2 有效数字,44,2.3 直接测量的数据处理,1.求测量数据的最佳估计值 在实际测量中，通常以测量值的算术平均值作为最佳估计值。（首先要判断有无应当剔除的异常数据，如有,剔除后重新计算）,45,2.3 直接测量的数据处理,2.计算标准差：实验值的标准差 算数平均值的标准差,46,2.3 直接测量的数据处理,3.计算测量的不确定度：,A类评定：B类评定：合成不确定度：,47,扩展不确定度：相对不确定度：,2.3直

15、接测量的数据处理,48,4.写测量结果表达式：（k=2）说明：1）被测物理量的量值以较大概率落于 区间之内。当k=2时，这一概率可以达到90以上。2）测量结果的表达式只有赋予了被测量的单位才有物理意义。3）不确定度本身是一个估计值，在一般情况下，表示最后结果的绝对不确定度一般取一位有效数字，相对不确定度一般取两位有效数字。,2.3 直接测量的数据处理,49,2.4 间接测量的数据处理,设待测量与各直接测量之间有函数关系：1：间接测量的最佳估算值将各直接测量量的最佳估算值（算术平均值）代入公式，算的的结果即为间接测量量的最佳估算值。,50,2.4 间接测量的数据处理,2.间接测量量不确定度的计算

16、间接测量量的合成标准不确定度与各直接测量量的合成标准不确定度的关系为：绝对合成标准不确定度 相对合成标准不确定度,51,2.4 间接测量的数据处理,常用公式,同学们可以利用微分知识自己推导这些公式,52,3.间接测量结果的表达式：说明：1）被测物理量的量值以较大概率落于 区间之内。当k=2时，这一概率可以达到90以上。2）测量结果的表达式只有赋予了被测量的单位才有物理意义。,2.4 间接测量的数据处理,53,2.4 间接测量的数据处理,例：,已测得金属环的外形尺寸如下，要求给出其体积的测量结果,解：,2.由于间接测量与直接测量量之间没有简单关系，故先推导出间接测量的合成不确定度,1.,54,2

17、.4 间接测量的数据处理,5.实验结果表示,3.求扩展不确定度,4.求相对不确定度,55,3.常用数据处理方法,3.1 列表法处理实验数据3.2 作图法处理实验数据3.3 逐差法处理实验数据3.4 最小二乘法处理实验数据,56,3.1 列表法处理实验数据,列表法：在记录和处理数据时，常常将数据列成表格，这就是列表法。列表法可以简单而明确的表示出有关物理量之间的对应关系，有助于找出有关物理量之间的规律，求出经验公式等。列表的要求如下：1.各栏目均应标明名称和单位，必要时加以说明。2.原始数据应该列入表中，计算过程中的中间结果和最后结果也可列入表中。3.对于栏目的顺序，应充分注意数据间的联系和计算

18、的程序，力求简明、齐全、有条理。4.若是函数关系测量的数据表，应按自变量由大到小的顺序或者由小到大的顺序。,57,3.1 列表法处理实验数据,举例：侧圆环直径 仪器：读数显微镜 表一：,58,作图法处理实验数据步骤：作图法可形象、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，并要用坐标纸作图。,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基本反映测量值的准确度或精密度。根据表数据U 轴可选1mm对应于0.10 V，I 轴可选1mm对应于0.20 mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围）约为13

19、0 mm130 m。,表1：伏安法测电阻实验数据,3.2 作图法处理实验数据,59,2.标明坐标轴：用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，在顺轴的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。,4.连实验图线：用直尺、曲线板等把点连成光滑的直线或曲线。一般不强求直线或曲线通过每个实验点。一定不要连成折线。,3.标实验点：实验点可用“”、“”、“”等符号标出（同一坐标系下不同曲线用不同的符号）。,60,5.标出图线特：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。,6.注解和说明：在图线

20、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：,61,不当图例展示：,不当：曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。,62,改正为：,63,不当：横轴坐标分度选取不当。横轴以3 cm 代表1 V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1 mm 代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。,64,改正为：,65,3.3 逐差法处理实验数据,逐差法:所谓逐差法就是多项等间隔求差的方法，是物理学中常用的一种处理实验数据的方法。它适合于两个被测量之间存在多项式函数关系，自

21、变量为等间距变化的情况。逐差法规定，在n对数据中任取两对数据都能利用公式 求出 值。说明：在选用数据时必须所有数据都用上；所选数据个数必须是偶数；任一数据不能重复使用。,66,3.4 最小二乘法处理实验数据,设此两物理量 x、y 满足线性关系 y=a+bx，等精度地测得一组互相独立的实验数据 xi，yi i=1,.,n当所测各yi 值与拟合直线上的 a+bxi之间偏差的平方和最小，即 所得系数a,b最好,拟合公式即为最佳经验公式。,67,68,解方程得:,69,相关系数r：最小二乘法处理数据除给出 a、b 外，还应给出相关系数 r，r 定义为 r 表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，r-

22、1，1。|r|1，x、y 间线性关系好，|r|0，x、y 间无线性关系，拟合无意义。物理实验中一般要求 r 绝对值达到0.999以上(3个9以上)。,其中,70,4.怎样上好物理实验课,三个主要教学环节实验预习实验能否取得主动的关键实验操作实验报告实验的总结,71,实验预习,明确实验目的，预习仪器使用及正确操作方法预习实验原理，实验内容或实验步骤，明确实验的重点和难点，回答预习思考题了解实验注意事项。预习报告是实验工作的前期准备，是写给自己参考用的，故要求简单明了。实验前应清楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方法和测量哪些数据才能实现实验的目的。,72,实验名称实验目的实验原理（需画图的画

23、出电路图或光路图）实验仪器 实验步骤5.列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。6.(回答）思考题7.注意事项,预习报告内容,73,实验操作要求,遵守实验室规则；了解实验仪器的使用及注意事项；正式测量之前可作试验性探索操作；仔细观察和认真分析实验现象；如实记录实验数据和现象;用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得改动6.实验结束后，实验结果（原始数据），实验记录本及设备完好情况经指导教师检查签字后方可离开实验室，仪器若有损坏，按教学仪器设备丢失损坏赔偿办法处理7.整理仪器，清扫实验室。,74,实验报告,实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平

24、，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电路图或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果，尤其是利用作图求得的一些物理量，必须使用坐标纸。每次实验报告都必须把原始数据（带有老师签字的数据表格）页粘在实验报告上。,75,实验报告内容（除物体密度测量外）,实验名称；实验目的；实验原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主 要计算公式等）；4.主要实验仪器设备；5.实验步骤6.实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；7.实验误差分析。,76,练习题,N=(11.80000.2)（cm）

25、R=9.750.0626（cm）L=(290008000)（mm）L=(1.2830.0002)（cm）h=27.3 2 000(km)d=12.4350.02()t=200.5（）8.5m=8500（mm）,77,练习题,写出下列公式的标准差传递公式：（1）（2）,78,物理学家言录,常常有同学问我做物理工作成功的要素是什么？我想要素可以归纳为三个P：Perception,Persistence,and Power。Perception-眼光，看准了什么东西，就要抓住不放；Persistence-坚持，看对了就要坚持；Power-力量，有了力量能够闯过关，遇到困难你要闯下去。-杨振宁,79,物理学家言录,希望你们年青的一代，也能象蜡烛为人照明那样，有一份热，发一份光，忠诚而踏实地为人类伟大事业贡献自己的力量。-法拉第A=X+Y+Z其中A代表成功，X代表艰苦的劳动，Y代表正确的方法，Z代表少说空话。-爱因斯坦自然界没有一样东西能保持永久性的。-伽利略人,在二十岁,意志支配一切；三十岁,机智支配一切；四十岁,判断支配一切。-富兰克林,