大學(xué)物理實驗學(xué)習(xí)培訓(xùn)課件

1、大學(xué)物理實驗1 物理實驗課的意義與任務(wù)2 測量誤差與數(shù)據(jù)處理3 物理實驗課的程序與考核1 物理實驗課的意義與任務(wù)物理實驗的意義物理實驗課的任務(wù)1.1 物理實驗的意義大學(xué)物理實驗課是高等理工科院校的一門必修基礎(chǔ)課程，是對學(xué)生進(jìn)行科學(xué)實驗基本訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題和解決問題能力的重要課程。物理實驗課和物理理論課具有同等重要的地位。諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、著名物理學(xué)家楊振寧教授曾經(jīng)說過，“物理學(xué)是以實驗為本的科學(xué)”，這充分說明了物理實驗的作用和重要性。80%以上的諾貝爾物理學(xué)獎給了實驗物理學(xué)家。20%的獎中很多是實驗和理論物理學(xué)家分享的。1.2 物理實驗課的任務(wù)通過對實驗現(xiàn)象的觀察、分析和對物理量的測

2、量，學(xué)習(xí)物理實驗知識，加深對物理學(xué)原理的理解培養(yǎng)和提高科學(xué)實驗的能力 培養(yǎng)和提高科學(xué)實驗的素養(yǎng) 希 望 物理實驗課程不同于一般的探索性科學(xué)實驗研究，每個實驗題目都經(jīng)過精心設(shè)計、安排，可使同學(xué)獲得基本的實驗知識，在實驗方法和實驗技能等諸方面得到較為系統(tǒng)、嚴(yán)格的訓(xùn)練，是大學(xué)從事科學(xué)實驗的起步，同時在培養(yǎng)科學(xué)工作者的良好素質(zhì)及科學(xué)世界觀方面，物理實驗課程也起著潛移默化的作用。 希望同學(xué)們能重視這門課程的學(xué)習(xí)，經(jīng)過一學(xué)年的時間，真正能學(xué)有所得。2 測量誤差與數(shù)據(jù)處理 2.1 測量與誤差2.2 測量結(jié)果的表述與不確定度2.3 有效數(shù)字及其運算2.4 數(shù)據(jù)處理的基本方法2.1 測量與誤差2.1.1 直接測

3、量與間接測量測量 測量是把待測量與選作計量單位的同類標(biāo)準(zhǔn)量比較，并確定其倍數(shù)的過程。比較與賦值過程一般：物理量=數(shù)值+單位 直接測量 間接測量 依據(jù)待測量和某幾個直接測量值的函數(shù)關(guān)系通過數(shù)學(xué)運算獲得測量結(jié)果 。 將待測量與預(yù)先選定好的儀器、量具比較，直接從儀器上讀出測量量的大小。hd圓柱體的體積2.1.1 直接測量與間接測量2.1.2 測量誤差真值(絕對)誤差測量結(jié)果X與待測量的真值A(chǔ)的差值。 在一定條件下，某一物理量所具有的客觀大小。 為了更全面地評價測量結(jié)果的優(yōu)劣，需考慮絕對誤差相對于測量值本身的大小產(chǎn)生的相對影響。相對誤差百分誤差2.1.2 測量誤差 真值是不可能確知的，實用中常用約定真

4、值代替真值，稱為百分誤差。誤差無處不在，無時不在2.1.3 測量誤差的分類系統(tǒng)誤差特點： 相同條件下，同一物理量多次測量時， X大小和符號不變或按一定規(guī)律變化。 來源： 儀器誤差、理論誤差 環(huán)境誤差、個人誤差減小或消除方法： 具體情況具體分析，對癥下藥。多次測量無法減小或消除系統(tǒng)誤差。具有規(guī)律性隨機(jī)誤差(偶然誤差)特點： 一定條件下，同一物理量多次測量，X時大時小，時正時負(fù)。 來源： 人感官判斷能力的隨機(jī)性 外界因素的起伏不定 儀器內(nèi)部存在的偶然因素具有隨機(jī)性2.1.3 測量誤差的分類隨機(jī)誤差的統(tǒng)計規(guī)律 正態(tài)分布圖單峰性對稱性有界性抵償性減小方法： 多次測量具有統(tǒng)計規(guī)律，可以減小隨機(jī) 誤差的影

5、響，但不能消除。2.1.3 測量誤差的分類過失誤差(粗大誤差)特點： 來源： 儀器使用不正確、觀察錯誤 數(shù)據(jù)記錄錯誤等處理方法： 分析后剔除2.1.3 測量誤差的分類與其它數(shù)據(jù)有明顯差異精密度：重復(fù)測量結(jié)果相互接近的程度。描述測量結(jié)果重復(fù)性的優(yōu)劣，反映了隨機(jī)誤差的大小描述測量結(jié)果正確性的高低，反映了系統(tǒng)誤差的大小反映了總的誤差情況2.1.4 精密度、正確度和精確度正確度：測量結(jié)果與真值接近的程度。精確度：對測量結(jié)果的精密性與正確性的綜 合評價。隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差的形象表示子彈著靶點分布圖（a）隨機(jī)誤差小，系統(tǒng)誤差大（b）隨機(jī)誤差大，系統(tǒng)誤差小（c）隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差都小2.1.4 精密度、正確

6、度和精確度2.1.5 隨機(jī)誤差的估計測量結(jié)果的最佳值n次等精度重復(fù)測量結(jié)果是待測量真值A(chǔ)的最佳估計值。每次測量的隨機(jī)誤差為算術(shù)平均值比任一測量值更有可能接近真值A(chǔ)2.1.5 隨機(jī)誤差的估計多次測量的隨機(jī)誤差估計 在有限次測量情況下，單次測量值的的標(biāo)準(zhǔn)偏差為測量列中任一測量值的隨機(jī)誤差落在區(qū)間 的概率P = 68.3%。(貝塞爾公式)偏差或殘差真值落在區(qū)間 的概率P = 68.3%。2.1.5 隨機(jī)誤差的估計 表示真值A(chǔ)在區(qū)間 的概率為P = 68.3%。2.1.5 隨機(jī)誤差的估計算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差從 表達(dá)式可知，n越大， 越小。物理實驗中，一般取值 。2.2 測量結(jié)果的表示與不確定度 2.2

7、.1 測量結(jié)果的表達(dá)形式與不確定度待測量測量結(jié)果測量總不確定度結(jié)果表達(dá)形式不確定度不確定度是對待測量的真值所處量值范圍的評定，即對測量誤差的一種評定方式。不確定度恒為正值，表示由于誤差存在，導(dǎo)致被測量的真值不能確定的程度。測量量以下標(biāo)表示 為了更準(zhǔn)確地反映測量結(jié)果的優(yōu)劣，還應(yīng)同時求出測量值的相對不確定度。結(jié)果表達(dá)形式的含義相對不確定度2.2.1 測量結(jié)果的表達(dá)形式與不確定度不確定度的分類2.2.1 測量結(jié)果的表達(dá)形式與不確定度不確定度A類分量：根據(jù)一列測量值的統(tǒng)計分布進(jìn)行評估，用標(biāo)準(zhǔn)偏差來表征，記為 。不確定度B類分量：根據(jù)經(jīng)驗或其他信息進(jìn)行評估，用非統(tǒng)計方法評定，記為 。2.2.2 直接測量

8、結(jié)果的不確定度總不確定度：多次測量結(jié)果的不確定度多次測量結(jié)果表示：算術(shù)平均值A(chǔ)，B兩類不確定度的方和根合成A類不確定度的估計稱為“ 因子”，它與測量次數(shù)和“置信概率”有關(guān)。 2.2.2 直接測量結(jié)果的不確定度n2345678910203040t0.6831.841.311.091.081.071.061.031.021.011.00本書約定：B類不確定度的估計是用非統(tǒng)計方法評定的不確定度的分量，一般應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗或其他非統(tǒng)計信息估計。 由實驗室給出，或近似地取為計量儀器的誤差，即 本書約定： 為儀器說明書上所標(biāo)明的“最大誤差”或“不確定度限值”，統(tǒng)稱為儀器誤差限值。 2.2

9、.2 直接測量結(jié)果的不確定度儀器誤差限值 指在正確使用儀器的條件下，儀器示值與被測量真值之間可能產(chǎn)生的最大誤差的絕對值。常見的儀器誤差限值見后表。 一般包含系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差兩種成分。2.2.2 直接測量結(jié)果的不確定度儀器種類規(guī)格儀器誤差限值游標(biāo)卡尺0.02mm0.05mm分度值螺旋測微計025mm2550mm0.004mm天平標(biāo)尺分度值的一半電表量程準(zhǔn)確度等級%數(shù)字式儀表末位數(shù)最小分度的一個單位電阻箱、電橋示值準(zhǔn)確度等級%+零值電阻示值誤差或準(zhǔn)確度等級未知儀器最小分度值的一半2.2.2 直接測量結(jié)果的不確定度多次測量的總不確定度單次測量結(jié)果的不確定度2.2.2 直接測量結(jié)果的不確定度2.2.

10、3 間接測量結(jié)果不確定度的合成間接測量結(jié)果與誤差的傳遞一組直接測量量微小變量分別為不確定度分別為間接測量結(jié)果為測量量以下標(biāo)表示兩邊求全微分誤差傳遞基本公式之一方法一：直接微分法2.2.3 間接測量結(jié)果不確定度的合成再求全微分方法二：兩邊先取自然對數(shù)對數(shù)微分法誤差傳遞基本公式之二2.2.3 間接測量結(jié)果不確定度的合成方和根合成法間接測量的不確定度為間接測量的相對不確定度為 ，各項方和根合成不確定度傳遞公式相對不確定度傳遞公式2.2.3 間接測量結(jié)果不確定度的合成間接測量值的不確定度合成例2.1解：兩邊求全微分方和根合成例 間接測量結(jié)果不確定度的合成例2.3解：兩邊求全微分方和根合

11、成例 間接測量結(jié)果不確定度的合成例2.5解：兩邊求全微分方和根合成再求全微分兩邊取自然對數(shù)對數(shù)微分法方和根合成2.2.3 間接測量結(jié)果不確定度的合成例2.6解：兩邊求全微分方和根合成再求全微分兩邊取自然對數(shù)對數(shù)微分法合并微分同類項方和根合成2.2.3 間接測量結(jié)果不確定度的合成對于和差形式的函數(shù)時用直接微分法計算較方便對于積商形式的函數(shù)時用對數(shù)微分法計算較方便。2.2.3 間接測量結(jié)果不確定度的合成 2.3.1 有效數(shù)字構(gòu)成：所有的準(zhǔn)確位+1位欠準(zhǔn)位。定義：正確和有效地表示測量結(jié)果的數(shù)字。如：0.08040kg2.3 有效數(shù)字及其運算有效數(shù)字的概念有效數(shù)字的意義有效數(shù)字既反映了

12、測量結(jié)果的大小，又反映了測量結(jié)果的不確定度。有效數(shù)字中欠準(zhǔn)位所在位置反映了不確定度的大小，有效數(shù)字的位數(shù)反映了相對不確定度的大小。 2.3.1 有效數(shù)字正確記錄和書寫有效數(shù)字在記錄測量數(shù)據(jù)時，應(yīng)使最后一位（欠準(zhǔn)）數(shù)字恰在儀器誤差所在位。 測量結(jié)果的數(shù)字中間與末尾的0，均算作有效數(shù)字。 有效數(shù)字位數(shù)反映了客觀測量結(jié)果，與小數(shù)點的位置無關(guān)，也與十進(jìn)制單位的變換無關(guān)。 采用科學(xué)表達(dá)式。 2.3.1 有效數(shù)字表示測量結(jié)果的末位數(shù)字（欠準(zhǔn)數(shù)）與不確定度的數(shù)字對齊，總不確定度取12位有效數(shù)字。 本書約定： 總不確定度只取一位有效數(shù)字； 相對不確定度一般也只取一位有效數(shù)字，但是當(dāng)相對不確定度的第一位數(shù)較小時

13、，如1、2或3時，建議取兩位有效數(shù)字。 2.3.1 有效數(shù)字2.3.2 有效數(shù)字的運算間接測量的結(jié)果總是通過一定的運算得到的。既然有效數(shù)字包括欠準(zhǔn)數(shù)字，則它的運算應(yīng)根據(jù)測量誤差或不確定度來確定有效數(shù)字位數(shù)。進(jìn)行運算的總原則為：由不確定度決定有效數(shù)字(即有效數(shù)字的位數(shù)及欠準(zhǔn)位位置)。進(jìn)位視為準(zhǔn)確數(shù)，運算結(jié)果的有效數(shù)字中只有一位欠準(zhǔn)位。2.1.3 有效數(shù)字的運算26.65-23.208=3.442 3.44133.45133133.55134加減運算可能會改變測量結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)加減運算：以最靠前的欠準(zhǔn)位為準(zhǔn)。122+10.5001=132.5001 133133.5132.5運算數(shù)據(jù)尾數(shù)的取舍

14、 本書約定以下規(guī)則 通用的規(guī)則是“四舍六入逢五湊偶法”。 1341322.1.3 有效數(shù)字的運算乘除運算：以參與運算的最少的有效數(shù)字為準(zhǔn)?？茖W(xué)計數(shù)法12310.45 =1285.351.29103 對既有加減、又有乘除運算的混合運算，則可逐步按上述有效數(shù)字運算規(guī)則處理，以確定最后的有效數(shù)字。對數(shù)運算：小數(shù)部分的位數(shù)與真數(shù)的位數(shù)相同。乘方、開方運算：與底數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)相同。 2.1.3 有效數(shù)字的運算函數(shù)運算：由不確定度決定有效數(shù)字位數(shù)角度化為弧度參與運算的常數(shù)，其有效數(shù)字位數(shù)均可認(rèn)為是無窮的，需要取幾位就可取幾位。一般情況下無理數(shù)在運算中可適當(dāng)多取一位有效數(shù)字。在中間運算過程中，為避免由于舍

15、入過多而造成不確定度進(jìn)位，一般可多保留一位欠準(zhǔn)數(shù)，但是作為最終結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)一定要由不確定度來決定，不得增減。 2.2 有效數(shù)字及其運算例簡化處理混合運算，按運算的優(yōu)先等級計算，按各自的規(guī)則決定有效數(shù)字位數(shù)。中間運算結(jié)果一般可多保留一位欠準(zhǔn)數(shù)，但是最終結(jié)果只保留一位欠準(zhǔn)數(shù)(不確定度所在位)。2.2 測量結(jié)果的完整表述例2-3 解：已知，且求的結(jié)果表達(dá)式。先求N的測量值再計算N相對不確定度、不確定度最后寫出N的結(jié)果表達(dá)式2.4 數(shù)據(jù)處理的基本方法2.4.1 列表法2.4.2 作圖法2.4.3 逐差法2.4.4 最小二乘法和直線擬合2.4.1 列表法 特點：數(shù)據(jù)表達(dá)清晰醒目，富于條理，有助于反

16、映數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系。遵循原則：各欄目標(biāo)明名稱和單位(單位寫在標(biāo)題欄中)表中主要為原始測量數(shù)據(jù)(重要中間結(jié)果可列入)欄目順序應(yīng)簡明、齊全、有條理表中數(shù)據(jù)正確反映結(jié)果的有效數(shù)字2.4.2 作圖法 特點：可直觀地表示出數(shù)據(jù)間的關(guān)系及變化情況。遵循原則：選擇合適的坐標(biāo)紙，畫出坐標(biāo)軸，標(biāo)明物理量符號、單位和刻度值，并寫明測試條件。適當(dāng)選擇坐標(biāo)軸的起點和比例。坐標(biāo)軸的選擇和坐標(biāo)軸單位的標(biāo)定要根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的有效數(shù)字來確定。標(biāo)點要分明，連線要光滑。標(biāo)明圖的名稱、作者和作圖日期，有時還要附上簡單的說明，如實驗條件等。可分為圖示法和圖解法。兩量有依賴關(guān)系的圖線兩量無依賴關(guān)系的圖線2.4.3 逐差法使用條件：對隨等間距

17、變化的物理量x進(jìn)行測量和函數(shù)可以寫成x的多項式時，可用逐差法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 方法：對應(yīng)項相減，即隔項求差。優(yōu)點：盡量利用了各測量量，而又不減少結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)， 在驗證函數(shù)的表達(dá)式的形式時，要用逐項逐差，不用隔項逐差。這樣可以檢驗每個數(shù)據(jù)點之間的變化是否符合規(guī)律。 在求某一物理量的平均值時，不可用逐項逐差，而要用隔項逐差；否則中間項數(shù)據(jù)會相互消去，而只到用首尾項，白白浪費許多數(shù)據(jù)。 使用逐差法時要注意以下問題 2.4.4 最小二乘法和直線擬合 特點：對同一組數(shù)據(jù)擬合可得到相同的完全客觀的結(jié)果。一元線性擬合經(jīng)驗公式： 可控制的物理量：應(yīng)變的物理量：對每一個 ，測量值 和在最佳直線上的對應(yīng)值 之

18、間存在一偏差：判據(jù)：最小二乘3 物理實驗課的程序與考核物理實驗課的程序物理實驗課的考核3.1 物理實驗課的程序課前做好實驗預(yù)習(xí)課堂完成實驗內(nèi)容課后撰寫實驗報告3.1.1 實驗課前的預(yù)習(xí)在統(tǒng)一的實驗報告紙上認(rèn)真書寫預(yù)習(xí)報告（名稱、器材、目的、原理、內(nèi)容和步驟、注意事項）。要求簡明扼要。準(zhǔn)備好實驗原始數(shù)據(jù)記錄紙，列出待測物理量，畫好數(shù)據(jù)記錄表格，表中要留有余地，以便有估計不到的情況發(fā)生時能夠記錄。 認(rèn)真閱讀實驗講義，以實驗?zāi)康臑橹行?，搞清楚實驗原?包括測量公式)、實驗內(nèi)容和操作要點、數(shù)據(jù)處理及其分析方法等。3.1.2 實驗中的操作與記錄 應(yīng)準(zhǔn)時到實驗室，首先簽到。對照講義檢查實驗儀器。禁止盲目動

19、手操作。聽老師的講解。根據(jù)資料和老師在實驗課上的簡要介紹，按照儀器操作規(guī)程安裝與調(diào)整實驗儀器，選擇測試條件，觀察實驗現(xiàn)象，實事求是地讀取實驗數(shù)據(jù)并記錄在原始數(shù)據(jù)記錄紙上。實驗數(shù)據(jù)需經(jīng)教師檢查簽字后，方可整理實驗儀器，簽署離開時間，離開實驗室。3.1.3 課后撰寫實驗報告 完整的實驗報告應(yīng)包含以下內(nèi)容：實驗名稱實驗?zāi)康膶嶒炘韺嶒瀮x器：補充記錄實驗所用主要儀器的編號和規(guī)格，便于以后對實驗進(jìn)行復(fù)查。 實驗內(nèi)容和步驟實驗報告書寫應(yīng)字跡工整、措詞簡練、步驟完整、數(shù)據(jù)真實、圖表齊全、書寫規(guī)范。數(shù)據(jù)記錄和處理回答問題或討論簽字的原始實驗數(shù)據(jù)記錄紙3.2 物理實驗課程的考核在完成規(guī)定數(shù)目的實驗并交齊實驗報告

20、后方可參加期末考核。實驗成績是平時成績和期末考試成績的綜合評價。平時成績占總分的60%，期末考試成績占總分的40%。平時成績是每次實驗得分的平均(含緒論)，總分低于36分者重修；期末考試為筆試，統(tǒng)一試卷，統(tǒng)一及格分?jǐn)?shù)線。每次實驗評分標(biāo)準(zhǔn) 預(yù)習(xí)報告 1 分實驗操作 34 分?jǐn)?shù)據(jù)記錄 12 分完成報告 4 分 每次實驗包括預(yù)習(xí)、實驗、完成報告，以完成報告為最后程序，總分為10分。期末考試成績本學(xué)期期末考試滿分為40分，考試形式為筆試。大學(xué)物理實驗A(多學(xué)時)兩個學(xué)期期末均有筆試；大學(xué)物理實驗B/C(少學(xué)時)本學(xué)期期末有筆試，第二學(xué)期直接以平時成績評分?？荚嚽绊殔㈤單锢韺嶒炛行木W(wǎng)站考試通知中的復(fù)習(xí)內(nèi)

21、容、考試樣卷。物理實驗中心網(wǎng)站：http:/作業(yè)復(fù)習(xí)P5-23自學(xué)P34-47完成習(xí)題P32-33 第2題、第3題 (1) (3) (4) (6) (8) 第4題(1) (2) (3) (5)、第5題(1) (4) 第6題(1) (2) (5)注意：第6題(5)只有本部多學(xué)時才要求做。Thank You科學(xué)實驗?zāi)芰ψ詫W(xué)能力能自行閱讀實驗教材和參考資料，理解實驗原理和內(nèi)容，作好實驗前的準(zhǔn)備；對實驗中出現(xiàn)的基本問題，能夠通過查閱資料而得到解決。 動手實踐能力能借助實驗教材或儀器說明書，正確地使用儀器，進(jìn)行各種基本操作；培養(yǎng)一定的動手操作能力，能夠解決實驗中的一般性技術(shù)問題，排除簡單故障；在一定的儀器設(shè)備條件下，通過努力，