中德物理实验-绪论.ppt

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1、欢迎大家进入 物理实验室学习！,罗锻斌,分班：德环091（A、B）德电091（C、D）,A:示波器B:分光计,C:杨氏模量D:直流电桥,报告要求：电子档打印（1个绪论加4个实验）中英文均可。,实验体会（英文，长短不限）,交5个报告，第五周班长收集交至理学院106谢老师处。,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数据处理的基本方法实验报告学生实验守则通知,基础知识,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

2、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。,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。”,1905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,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

3、素养,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,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。,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。,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

4、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）,本学期实验内容,1、示波器2、电桥,3、分光计4、拉伸法杨氏模量,下周实验：,希望同学们能重视这门课程的学习，学有所得。,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,量具的精度,10.0063g,10.006g,量具的精度,1.1026cm,1.102cm,1.10cm,实验数据的有效位数确定,有效位数的确定，是为

5、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：,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,直接测量量保留一位欠准数,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=1.0 mm,?,0.100cm=1.00mm,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。

6、,有效数字取舍:4“舍”6“入”5“取偶”。,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+1.384 31.684 应为31.7,乘除:105.22 0.034 42088 31566 3.57748 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,误差=测量值-真值,误 差,（真值为客观存在量）,测 量 误 差,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,系统误差：同一条件，同一量，多次测量时 相同。,随机误差：同一条件，同一量，多次测

7、量时 不同,误 差 分 类,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),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）,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。,随机误差的统计规律,特性单峰性对称性有界性抵偿性,+,-,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

8、的可能性为68.3%(),置信概率,68.3%,测量结果的最佳值,算术平均值,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,标准误差：（测量次数为n）,标准误差的估算,教材P.10,标准误差的估算,教材P.10,平均值的标准误差：,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,示=量程准确度等级%,教材P.11,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。

9、努力找出和减小主要系统误差,提高实验准确度,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,P=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,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:,则,E1.0%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,直

10、接测量结果的表述,最佳值,1位或2位有效数字,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,用天平（仪器误差）测某一物体的重量，数据如下：,次数 1 2 3 4 5 6 7 8,重量g 6.47 6.26 6.52 6.50 6.40 6.25 6.30 6.31,vi/g 0.09-0.12 0.14 0.12 0.02-0.13-0.08-0.07,vi2/g 0.0081 0.0144 0.0196 0.0144 0.0004 0.0169 0.0064 0.0049,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

11、计算Sx,间接测量的最佳值,x,y,测量矩型面积，直接测量量是长度,间接测量的误差传递,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,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,最佳值不确定度传递结果表示相对误差,E=1.0%取二位,间接测量量表述,测量一天的温度差,实例:,（和差关系）直接传递,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),实例：,导体电阻率的测量,课 堂 练 习,1.,2.,3.,求,已知,求 N。,已知,求 N

12、。,解答,解答,解答,继续,求,返回,已知,求 N。,返回,已知,求 N。,返回,测量程序,记录仪器型号及误差,测量得x1(以有效数字记录),重复测量得x2、x3,是,被测物理量相对比较稳定,无需再测,存在随机误差,需追加测量次数,n 6,否,实验数据处理方法,列表法：按一定形式和顺序列成表格。图示法和图解法（例：弹簧拉伸）逐差法,用分度值为0.002cm的游标尺测量一空心园柱体，测得其内径d、外径D 及高H 的数值如下表所示。,原始数据表格,4.814,3.302,列表法,物理量的名称和单位,有效数字正确,注意:不合理数据判断和修改方法！不要乱涂乱改！,图线的种类：,物理量的关系曲线、元件的

13、特性曲线、仪器仪表的定标曲线等。这类曲线一般是光滑连续的曲线或直线。仪器仪表的校准曲线。这类图线的特点是两物理量之间并无简明的函数关系，其图线是无规则的折线。计算用图线。这类图线是根据较精密的测量数据经过整理后，精心地绘制在标准图纸上，以便计算和查对。,图示和图解法,作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求物理参数，因此是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并用坐标纸作图。,作图步骤与规则：,本课程中主要采用直角坐标纸（毫米方格纸）。应能包含所有的实验点。并且尽量不损失实验数据的有效数字位数 不扩大误差,图示和图解法-选择坐标纸,以横坐标表示自变量，纵坐标表示因

14、变量.注明坐标轴所代表的物理量的名称及单位。在坐标轴上每隔一定间距，标注坐标分度。,图示和图解法-确定坐标轴,Fg,L/cm,自变量,因变量,坐标轴的分度应使实验点的坐标值都能正确、迅速、方便地找到，用 3、6、7、9表示一个单位是不合理的。不损失有效数字。图线应充满整个图纸。坐标轴的起点不一定从零开始,图示和图解法-如何正确标注坐标分度？,用标志符号“+”标出各测量数据点的坐标位置。在一张图上同时画几条曲线时，各条曲线应采用不同的标志符号表示，如“”、“”、“”等。一般不用“”,使用削尖的HB铅笔,图示和图解法-正确标出测量标志点,用直尺、曲线板，根据实验点的分布趋势作光滑连续的曲线或直线（

15、除校准曲线外，一般都不连成折线）。不强求每个实验点都落在曲线或直线上，而只要使得实验点均匀地分布在曲线或直线的两侧。,图示和图解法-连接实验图线,在图纸的明显位置上标明图线的名称、作者、作图日期必要的简短说明（如实验条件、数据来源、数据表格、简单的计算等）。,图示和图解法-图注与说明,弹簧拉伸 LF关系曲线比例:横轴:1cm=10.0g 纵轴:1cm=1.00cm,若直线方程为：y=a+b x 则：斜率 b：截距a：,图示和图解法-计算直线的斜率和截距,两点式计算,在直线上取两点（解析点）,不能取用原始实验数据。用与实验点不同的记号标记，并在旁注明其坐标值。注意书写正确的有效数字。为减小误差，

16、所取两点应在实验范围内尽量彼此远离,图示和图解法-选取解析点,(35.0,21.90),(108.0,27.80),不当图例展示(一),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。,改正为：,不当图例展示(二),错 图,正确的图,Fg,L/cm,弹簧拉伸 LF关系曲线比例:横轴：1cm=10.0g 纵轴:1cm=1.00cm,20.0,(35.0,21.90),(108.0,27.80),=0.0808 cm/g,斜率,最小二乘法-常用数据处理软件,物理实验中心机房(237室)提供免费计算机作图与打印仅限教学要求内容(2个实验),每个实验1张/人,Orig

17、in,Excel,物理实验过程,课前：阅读实验讲义，明确实验原理，了解实验内容 清楚本次实验“做什么,怎么做,为什么这样做”预习课:上课前教师检查预习报告实验操作前：清楚实验注意事项，列出数据表格记录实验数据：实验结束：教师签字,整理实验仪器课后:书写实验报告,原始实验数据,实验的环境条件,仪器的型号,遇到的问题、故障及可疑现象,物理实验报告（主要部分）,实验目的实验原理：简明扼要，图、文、式实验仪器：规格、型号 实验方法或步骤：调整方法和技巧数据和数据处理：列表、解析式对实验过程和结果的分析与评价分析讨论题,实验工作的总结,学生实验守则（部分）,课前预习课中认真观察、思考和分析,严谨求实课后

18、总结遵守纪律,爱护公物，整理实验仪器。提前5分钟进实验室,主动性独立性,如何进行实验,期望什么结果,提出问题,因病、事假不能上课者，必须出具医院和院系办证明。事后主动联系老师在学期结束前补做实验。,进入实验室,1、阅读实验卡和实验要求，并观察黑板上的 提示，充分了解实验要求；2、先思考，后操作；3、回答问题要自信；4、把书包放到书包架上;5、请保持实验室整洁,垃圾不可以放在实验桌上或抽屉里，应自行清理。值日生自觉留下。,直接测量量,复习,最佳值,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,最佳值不确定度传递结果表示相对误差,E=1.0%取2位,间接测量,复习,祝大家学习愉快！,本节结束,同学们再见！,