实验绪论2014wangzh.ppt

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1、2023/10/12,1,热烈欢迎2013级同学来物理实验室学习,预祝同学们 学业有成 学途愉快,2023/10/12,2,2023/10/12,3,第一部分 物理实验课程的要求,2023/10/12,4,1 物理实验教学目标学习物理实验的基本知识、实验方法和实验技能；掌握基本测量仪器仪表的使用法；学习测量误差、不确定度的理论，掌握数据处理的基本方法；为后续的专业实验奠定基础。,2023/10/12,5,2 物理实验上课地点及选课要求 上课地点：物理实验楼(2,3,4层),2023/10/12,6,物理实验课要求,（1）每个学生均要在物理实验中心网上注册，否则教师无法登陆成绩！。平时要注意网上

2、的教学通知。,（3）每人每两周做一个实验，本学期每个学生上一次绪论课和做5个实验课，期末成绩是这 6 次成绩的平均值。,（2）上课时间：上午08:00-11:20，下午 14:00-17:20，晚上 18:10-21:30；,2023/10/12,7,（4）实验前必须预习讲义，写出预习报告。没有写预习报告的同学不允许做实验；,（6）上课前5-10 分钟到达实验室。不要迟到，迟到超过15分钟者，不允许上课；如生病不能如期上课，要有病假条跟上课教师请假，并由教师安排补课。,（5）每个实验的实验数据表格在网上下载，每次上课都要带上该实验的数据表格。,2023/10/12,8,（7）进入实验室请先在实

3、验名单上亲笔签名（不要代签）；实验结束后应将仪器及实验台面收拾整齐方可离开实验室。测量数据必须经老师签字。,（8）实验报告必须在课后一个星期内交到老师的报告箱中（老师的报告箱在良乡物理实验中心楼二层中厅，箱上写有教师的姓名）。上课教师姓名以物理实验中心网站上的为准，有别于教务处网站。,2023/10/12,9,3 物理实验教材,英汉大学物理实验（第二版），史庆藩主编，2010；以班为单位到教材发行科购买。实验数据表格、实验报告纸可以到教材发行科购买，也可以在网上下载。,2023/10/12,10,实验名称对照：,2023/10/12,11,5 对实验报告的要求,（1）实验报告应在实验报告纸上书

4、写；务必写上班级、学号、姓名、日期。（2）实验报告后面应附上有老师签字的原始测量数据，没有教师签字的报告为无效报告。（3）实验报告内容：实验名称，实验目的，实验仪器，实验原理（文字叙述、公式、必要的图），实验内容与主要步骤。在课前写好，作为预习报告，上课时教师要检查。,2023/10/12,12,（4）要将每页报告纸按报告的内容顺序装订在一起，以免丢失而影响成绩。装订顺序：预习报告，实验数据处理（数据表、计算、作图），回答思考题，教师签名的原始数据。,（5）实验报告应在实验结束后的一周内交到任课老师的报告箱中（老师报告箱在物理实验楼二层）。对迟交的报告要酌情扣分；,对实验报告的要求,2023/

5、10/12,13,6 实验成绩的评定,实验数据必须经教师签字实验报告才有效。实验成绩：预习报告10分实验操作和实验数据处理80分思考题10分,2023/10/12,14,通知（一）,课后同学要完成一套物理实验绪论练习题，练习题到物理实验中心网站下载并打印。一定写清楚班号、学号、姓名及上绪论课的时间和班次（如周二3，4节）绪论作业应在第四周周五前交到二层报告箱。不得交给别的老师，否则会导致没有成绩，迟交要扣分。,地点：23#报箱，王志，119#时间：第4周星期五（3月23日）下班 之前,2023/10/12,15,通知（二）,各班课代表第3周后到111房间找潘孟书老师领取本班报告箱的钥匙，须交十

6、元押金，到下学期末课程结束交回钥匙后归还押金。本班报告箱是教师发报告用的，一定不要将报告误交到该箱中。,选课出现问题，联系刘伟老师：，,2023/10/12,16,第二部分 测量误差不确定度测量结果的表示,2023/10/12,17,一 测量与测量误差,1 测量的定义与分类 测量的定义：测量是指用各种方法和器具对“被测量”进行尽量合理的赋值。,2023/10/12,18,测量的分类：直接测量：测量结果可以从测量仪器（或量具）上直接获得。间接测量：测量结果要借助某些直接测量结果再通过函数计算得到。,2023/10/12,19,等精度测量：在测量条件不变的情况下对同一物理量进行重复测量，所得的各次

7、测量值有相同的精度。不等精度测量：在测量条件有变化的情况下对同一物理量进行重复测量，所得的各次测量值精度不同。,这里提到的测量条件是指实验仪器、实验程序和方法、实验环境和实验人员等方面。今后在物理实验课上所涉及的测量均认为是 等精度测量。,2023/10/12,20,2 测量误差的定义与分类,测量误差定义为测量值与被测真值之差。真值：被测量在一定客观条件和状态下本身所存在的真实值。真值的特性：是个理想概念，确实客观存在，永远不能得到,2023/10/12,21,相对误差定义：,用测量值计算相对误差：,相对误差通常用百分数表示。,测量误差表示为：x=x-x0 这种形式表示的称为绝对误差。,202

8、3/10/12,22,误差的分类,误差按其性质可分为：“系统误差”和“随机误差”系统误差：指在测量前后可以确切知道的误差。(已定系统误差)随机误差：由偶然因素引起的、大小和方向不能预料、变化方式不可预知的误差。,2023/10/12,23,系统误差的来源（1）仪器误差 仪器本身有缺陷或使用不当。（2）理论和方法误差 理论公式的近似性、理论公式成立的条件不完全满足、实验方法不完善。（3）实验人员的误差 实验人员的操作习惯、熟练程度、分 辨能力、反应速度等。,2023/10/12,24,随机误差的特点：具有随机性,服从一定的统计规律，随机误差的分布有多种形式，不同的分布有不同形式的分布函数无论哪种

9、分布，最值得关注的是与随机变量x相关的数字特征。例如：数学期望E（x），方差D（x），标准偏差,2023/10/12,25,关于正态分布,正态分布的总体标准偏差,正态分布密度（概率密度）函数,正态分布的总体平均值,2023/10/12,26,正态分布曲线,2023/10/12,27,置信区间与置信概率曲线和 X 轴所包围的面积表示随机误差在一定范围（置信区间）内的概率P。区间内，P=68.3%，表明测量值落在（m-，m+）区间的概率P(可能性）为 68.3%2区间内，P=95.4%3区间内，P=99.7%扩大置信区间，置信概率就会相应提高。,2023/10/12,28,总体平均值和总体标准偏差

10、,总体平均值m是被测物理量真值的最佳估计值。当系统误差小到可以不考虑（忽略）时，m就是真值。是一个有概率意义的参量。它不是测量列中任一次测量的随机误差，而是表征测量分散性的一个参量。由于在实际测量中n不可能无穷大，所以 m 和都是理想值。置信概率P=68.3%也是理想值。,2023/10/12,29,对于有限次测量，表征测量分散性的参量是实验标准偏差，它是方差的正平方根。,方差：,实验标准偏差：(贝塞尔公式),2023/10/12,30,算数平均值的实验标准差,用贝塞尔公式计算的标准差“S”称为实验标准差，它是总体标准差的最佳估计值。S也是一个有概率意义的参量，他相应的置信概率接近68.3%，

11、但不等于68.3%。算数平均值是总体平均值 m 的最佳估计值。,2023/10/12,31,二 不确定度及其评定方法,不确定度是测量技术领域中的一个重要概念，是国际通用的评定测量质量的重要指标之一。不确定度小，测量结果的准确度高，测量的可信度就高。,2023/10/12,32,1 不确定度的定义与分类,不确定度的定义：不确定度是表征测量结果中合理赋予被测量值的一个分散性的参数。不确定度表示由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，表征被测量的真值所处量值范围的评定。,2023/10/12,33,不确定度的分类：,A类不确定度：指用统计方法计算的不确定度。B类不确定度：指用非统计方法计算的不

12、确定度。,标准不确定度，符号记为“u”（小写）扩展不确定度，符号记为“U”（大写）,不确定度的表示形式及符号,2023/10/12,34,标准不确定度是低概率的表示形式。它表示被测量的真值落在（x-u,x+u)区间内的概率约为68.3%。,扩展不确定度是高概率的表示形式。它表示被测量的真值在（x-U,x+U)区间内的概率约为90%以上。,合成标准不确定度，符号记为“uc”。它是由标准不确定度分量合成的不确定度。,2023/10/12,35,标准不确定度和扩展不确定度都可以用于测量结果的报告。约定1我们在物理实验中使用“标准不确定度”表示实验的测量结果。,2023/10/12,36,对于多次测量

13、来说，由于被测量的测量结果最终要用算术平均值表示，因此被测量的A类不确定度应该用被测量的算术平均值的实验标准差公式（贝塞尔公式）计算。,2 标准不确定度的评定方法,A类标准不确定度的评定方法：,2023/10/12,37,B类标准不确定度的评定,B类不确定度是由非统计方法得到的。评定的依据或信息来源：以前的测量数据或积累的经验；对有关技术资料和测量仪器的了解和经验；仪器生产部门提供的技术说明书或检定校准证书给出的数据、准确度等级或级别；由专业手册查得的参考数据等。,2023/10/12,38,B类不确定度的计算公式,仪器误差（极）限值,2023/10/12,39,仪器误差（极）限值的获得：,对

14、于标准计量器具或仪表，可参照国家计量部门颁布的技术指标或有关标准，由仪器准 确度等级或最大允许误差得到；对于其它仪器或仪表，可由仪器说明书、计量检定书得到；在缺乏必要的相关资料的情况下，一般可取仪器最小分度值的一半；有时可结合测量的具体情况给出一个估计值“估计”。,2023/10/12,40,正态分布包含因子k与概率p的对应值,“K”的取值：“K”是与分布形式有关、与置信水准相对应的包含因子。,2023/10/12,41,除已经给出了明确的分布形式外，约定：,约定2 我们在物理实验中使用均匀分布、P=100%的K值：来计算B类不确定度。,2023/10/12,42,计算B类不确定度时，K为什么

15、按均匀分布、P=100%取值？,因为在“国家计量规范”中明确指出服从均匀矩形）分布的测量有：数字切尾引起的舍入不确定度；数字化计数器的量化不确定度；数字示值的分辨力；平衡指示器调零引起的不确定度；在缺乏任何其它信息的情况下，一般假设 服从均匀矩形分布。而我们在实验中所使用的仪器以及测量的情况大多数符合上述条件。,2023/10/12,43,合成标准不确定度,如果有若干个彼此相互独立的标准不确定度分量对测量结果有影响，则测量结果最终的不确定度应该是由这些标准不确定度分量合成的合成标准不确定度。合成标准不确定度为：,2023/10/12,44,三 测量结果的表示,完整地表示一个测量结果应包括三个要

16、素：测量值、不确定度、单位 用合成标准不确定度表示测量结果通常有三种方式。,2023/10/12,45,例：对某长度进行测量，测量平均值 L=31.42mm，合成标准不确定度 uC=0.05mm，测量结果可表示为：,（1）L=31.42(5)mm（2）L=31.42(0.05)mm（3）L=(31.420.05)mm,2023/10/12,46,即测量结果表示为：,（单位）,约定3 我们在物理实验中使用“第二种格式”表示测量结果。,2023/10/12,47,1 直接测量的结果的表示,（1）单次测量结果的表示 测量次数n=1，不能计算A类不确定度，只能用非统计方法计算B类不确定度。测量值为x的

17、单次测量结果应表示为：,x=x(u)（单位）,（2）多次测量结果的表示,2023/10/12,48,2 间接测量结果的表示,设是直接测量量x,y,z,的函数：=F（x,y,z,）间接测量量的最佳估计值由各直接测量量的最佳估计值代入函数得到。直接测量结果的不确定度u(x)、u(y)、u(z)，影响间接测量结果的不确定度u()。,2023/10/12,49,计算间接测量结果标准不确定度的公式,此式称为标准不确定度“传递公式”间接测量结果表示为：=(u),2023/10/12,50,间接测量结果的标准相对不确定度,传递公式：,3 相对不确定度,标准相对不确定度定义：,2023/10/12,51,第三

18、部分,有效数字实验数据处理,2023/10/12,52,一 有效数字,1 有效数字的定义 有效数字是指可靠数字加上一位 可疑（存疑）数字的全体数字。可靠数字：在测量中能准确读出的数字 可疑数字：在测量中估计读出的数字,2023/10/12,53,例如：,用直尺测量长度,读数为72.4 mm,72是准确读出的，称可靠数字0.4是估计出来的，称可疑数字,有效数字,2,3,2023/10/12,54,2 关于有效数字的几点说明,（1）常数的有效数字 在进行有效数字运算时，经常遇到如“”等这样的常数。常数的有效数字是任意的，进行有效数字运算时可根据需要选取，但相比参与运算的其它数据的有效数字位数至少要

19、多取1位。,2023/10/12,55,（2）数据中的“0”,测量数据中第一个非零数字左边的“0”不是有效数字，右边的“0”是有效数字。作为有效数字的“0”不能随意添减 0.0406？0.04060,2023/10/12,56,（3）有效数字的位数与单位无关,进行单位变换时，有效数字的位数不能改变。例：235.4 mm=23.54 cm=0.2354 m 单位不同了，但都是四位有效数字。,2023/10/12,57,（4）有效数字的科学记数法,地球质量：太大了！m=5980000000000000000000吨电子电荷量：太小了！e=0.0000000000000000001602 C 有效数

20、字的科学记数法：用10的指数的形式记录测量数据指数的系数部分是有效数字，小数点一般放在第一位数字的后面，也就是说只取 一位整数。例如：电子电量,2023/10/12,58,（5）有效数字尾数的截取法则,“四舍五入”法则“四舍六入五凑偶”法则（偶数法则）,约定4 我们在物理实验中用“四舍六入五凑偶”的法则 截取有效数字的尾数。,2023/10/12,59,偶数法则,尾数小于“5”舍去（四舍），尾数大于“5”进“1”（六入），尾数等于“5”要保留的末位数是奇还是偶数，是偶数就舍去，是奇数就进“1”，把末位上的奇数凑成偶数（五凑偶）。,2023/10/12,60,例如：对=3.1415926进行尾数

21、截取,取三位有效数字：=3.14（四舍）取五位有效数字：=3.1416（六入）取四位有效数字：=3.142（五凑偶）,2023/10/12,61,对测量数据进行尾数截取也叫数字修 约，在进行数字修约时不许连续修约。,例如：根据给出的不确定度“1”对数据“325.4546”进行修约。正确修约：325.4546 325错误修约：325.4546 325.455 325.46325.5326,2023/10/12,62,（6）不确定度的位数及有效数字的确定,约定5 我们在物理实验中要求：不确定度的第一位非零数字为“1”或“2”时，不确定度位数取2位，为“3”或“3”以上时只取1位。,不确定度的位数允

22、许取1位或2位，3位以上是不允许的。,2023/10/12,63,确定测量结果的有效数字，关键是确定可疑数字的所在位，而它是由不确定度决定的。不确定度数字所在位就是测量结果有效数字的可疑位，它们具有相同的数量级。,对标明了不确定度的测量数据，不确定度数字所在位就是有效数字的可疑位。对没有标明不确定度的测量数据，则认为数据的最末一位是有效数字的可疑位。,2023/10/12,64,单次直接测量数据的有效数字由 确定。多次直接测量的平均值或间接测量值的有效数字由计算出的相应不确定度确定。,2023/10/12,65,3 有效数字的运算,有效数字运算遵循的总原则：可靠数字与可靠数字运算后仍是可靠数字

23、，可疑数字与可疑数字运算后仍是可疑数字，可靠数字与可疑数字运算后成为可疑数字，进位数字视为可靠数字。,2023/10/12,66,有效数字运算有两种情况：,情况一：给出了参与运算的各有效数字（测量值），同时也给出了其相应的不确定度值。情况二：只给出了参与运算的有效数字（测量值），没有给出其相应的不确定度。,对前者：先利用不确定度传递公式计算出运算结果的不确定度，再依此确定运算结果的有效数字。对后者：根据运算方式的不同遵循不同的运算原则，估计运算结果的有效数字位数。,2023/10/12,67,几种简单运算方式的规则,加减运算规则：多个有效数字相加减时，找出各量中可疑位最高的那个有效数字，最后运

24、算结果的可疑位应与该数的可疑位相同。乘除运算规则：多个有效数字相乘除时，运算结果的有效数字的位数等于这些数中有效数字位数最少的那个数的位数。,2023/10/12,68,乘方（开放）运算规则：在乘方或开方运算时，如果乘方或开方的运算次数不太高，其结果的有效数字的位数与原数的有效数字的位数相同。对数运算规则：对数运算时，其结果的有效数字位数可与原数的有效数字位数相同或者多取1位。,2023/10/12,69,二 实验数据的处理方法,1 列表法：列表法是记录数据的基本方法。它能简单明确地表示出有关物理量之间的对应关系，同时还为进一步用其它方法处理数据创造了有利条件。,（1）表格设计要简明、合理；（

25、2）标明物理量的名称或符号和单位；（3）表格中记录的测量数据应符合有效数字的要求；（4）测量数据的书写应整齐、清楚。,2023/10/12,70,2 作图法,把有相互对应关系的测量数据在坐标纸上用曲线表示出来，即用曲线描述物理量之间的变化关系。,作图法的优点：形象、直观地显示物理量之间的变化规律；容易发现异常（错误）的数据；可推测出在测量范围外的结果；对测量值有一定的修正作用。,2023/10/12,71,作图法的应用：,分析物理量之间的变化规律，建立经验公式；在曲线两点间或其延长线上求值；从实验曲线求相关的物理量；曲线改直。,2023/10/12,72,作图的要求：,（1）一定要用坐标纸；（

26、2）标明坐标轴所代表的物理量名称（或符号）及单位；（3）确定坐标单位长度所代表的量值；用“O”或“”等记号明显标出数据点的位置；（4）连成光滑的曲线；（6）标明曲线名称、绘图人姓名、绘图日期。,2023/10/12,73,3 逐差法,逐差法：把全部测量数据分为前后两组，并将这两组的对应项进行逐差，然后再求平均。应用逐差法的条件：因变量与自变量之间成线性关系；自变量按等间隔变化；自变量的误差远小于因变量的误差。,逐差法的优点：能够充分利用全部测量数据,2023/10/12,74,用逐差法（多项逐差）计算“P”变化1kg“L”的变化量：,例：弹性模量的测量实验P(kg)0 1 2 3 4 5 6

27、7 8 9L(mm）L0 L1 L2 L3 L4 L5 L6 L7 L8 L9,2023/10/12,75,用逐项逐差计算：,2023/10/12,76,4 最小二乘法原理与一元线性回归,最小二乘法原理：利用已获得的一组测量数据(xi，yi)，求出误差最小的最佳经验值，使测量值yi与用最佳经验公式计算出的 Y值之间的偏差平方和最小，即：,2023/10/12,77,一元线性回归：当因变量与自变量之间有线性关系时，用最小二乘法原理对实验数据进行处理，求出最佳的直线方程，这就是一元线性回归。一元线性回归方程：Y=a+bX式中a、b 称回归系数。,2023/10/12,78,计算回归系数的公式：,其

28、中各量的计算公式在教材中给出,2023/10/12,79,一元线性回归的相关系数,2023/10/12,80,重申应该记住并会使用的公式,2023/10/12,81,2023/10/12,82,2023/10/12,83,重申应该遵守的各种约定,约定1：我们在物理实验中使用“标准不确定度”来表示 实验的测量结果。约定2：我们在物理实验中使用“第二种格式 来表示测量结果。,2023/10/12,84,约定3：我们在物理实验中用 均匀分布、P=100%的K值：计算B类不确定度。约定4：我们在物理实验中使用“四舍六入五凑偶”的 偶数法则来表示测量结果。,2023/10/12,85,约定5：在物理实验

29、中我们要求：(1)不确定度的第一位数字为1”或“2”时，有效数字位数取2位，(2)不确定度的第一位数字为“3”或“3”以上时只取1位。,2023/10/12,86,通知（一）,课后同学要完成一套物理实验绪论练习题，练习题到物理实验中心网站下载并打印。一定写清楚班号、学号、姓名及上绪论课的时间和班次（如周二3，4节）绪论作业应在第四周周五前交到二层报告箱。不得交给别的老师，否则会导致没有成绩，迟交要扣分。,地点：23#报箱，王志，119#时间：第4周星期五（3月23日）下班 之前,2023/10/12,87,通知（二）,各班课代表第3周后到111房间找潘孟书老师领取本班报告箱的钥匙，须交十元押金，到下学期末课程结束交回钥匙后归还押金。本班报告箱是教师发报告用的，一定不要将报告误交到该箱中。,选课出现问题，联系刘伟老师：，,2023/10/12,88,感谢大家！希望能与各位在共同度过愉快时光！,