大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課

作業(yè)：P341,2,3,5第一次上實(shí)驗(yàn)課，交給實(shí)驗(yàn)課教師。1大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)緒論課第一章概述第二章物理實(shí)驗(yàn)的基本測量方法第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)2第一章概述§1大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的地位與作用1.實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的拓展推動(dòng)（檢驗(yàn)）理論的變革力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、量子大自然的最奇妙之處在于可以被理解2.實(shí)驗(yàn)是理論與應(yīng)用學(xué)科間連接的橋梁理論知識(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?第一章概述§1大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的地位與作用3.物理實(shí)驗(yàn)：接觸實(shí)驗(yàn)、提高能力的第一站1.

選定目標(biāo)，設(shè)計(jì)方案科學(xué)實(shí)驗(yàn)的環(huán)節(jié)：2.

制作或準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備3.

實(shí)驗(yàn)操作：現(xiàn)象觀察與數(shù)據(jù)記錄4.

數(shù)據(jù)結(jié)果的分析整理，做出結(jié)論4第一章概述§2大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)目的和任務(wù)1.加強(qiáng)對理論知識(shí)的理解2.培養(yǎng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的素質(zhì)3.掌握實(shí)驗(yàn)的知識(shí)4.提高實(shí)驗(yàn)的能力

實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ簩W(xué)生使用恰當(dāng)?shù)姆椒ㄟ_(dá)到簡單的物理學(xué)目的，并對結(jié)果進(jìn)行解釋和分析的能力。

自學(xué)能力、動(dòng)手能力、客觀觀察與思維判斷能力、表達(dá)書寫能力、初步的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力5第一章概述§3本課程有關(guān)規(guī)定1.必須預(yù)習(xí)數(shù)理系－大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)－大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室－課程資料下載6§3本課程有關(guān)規(guī)定2.課堂規(guī)定帶計(jì)算器提前5分鐘到實(shí)驗(yàn)室，遲到15分鐘以上者，不得進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。對號入座愛護(hù)儀器，違章?lián)p壞要賠償誠實(shí)原始數(shù)據(jù)必須有任課老師簽字，否則實(shí)驗(yàn)報(bào)告無效打掃衛(wèi)生學(xué)生請假須有院系蓋章、輔導(dǎo)員簽字假條；補(bǔ)做實(shí)驗(yàn)課必須有補(bǔ)課條。7§3本課程有關(guān)規(guī)定3.成績評定總成績=平時(shí)操作成績+平時(shí)報(bào)告成績＋考試成績平時(shí)操作成績40%；平時(shí)報(bào)告成績30％；考試成績30%（緒論筆試）優(yōu)、良、中、及格、不及格操作：10－6分報(bào)告：10－2分8§3本課程有關(guān)規(guī)定4.實(shí)驗(yàn)報(bào)告網(wǎng)上有范例①實(shí)驗(yàn)名稱；②實(shí)驗(yàn)?zāi)康?；③儀器設(shè)備、用具；④實(shí)驗(yàn)原理；（簡寫）

⑤數(shù)據(jù)記錄；（以下詳寫）⑥數(shù)據(jù)處理過程：計(jì)算過程、圖示、圖解處理、誤差與不確定度分析計(jì)算；寫出完整明確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表達(dá)式或作出明確的結(jié)論；⑦必要時(shí)簡要討論；

⑧思考題。9第二章物理實(shí)驗(yàn)基本測量方法1.比較法直接比較法間接比較法（比較法測電阻）2.放大法機(jī)械放大法（螺旋測微法）光學(xué)放大法（顯微鏡，光杠桿）電子放大法（三極管）累積放大法（紙張厚度）10第二章物理實(shí)驗(yàn)基本測量方法3.補(bǔ)償法平衡電橋測電阻、補(bǔ)償法測電動(dòng)勢、天平測質(zhì)量4.干涉法5.非電量電測法（傳感器）熱電轉(zhuǎn)換（溫差電動(dòng)勢熱電偶、熱敏電阻）力電轉(zhuǎn)換（話筒，揚(yáng)聲器）（力敏電阻）光電轉(zhuǎn)換（光電效應(yīng)）磁電轉(zhuǎn)換（霍爾效應(yīng)）11第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)科學(xué)數(shù)據(jù)：物理實(shí)驗(yàn)以測量為基礎(chǔ)，測量就一定存在誤差。三要素：數(shù)值、所得量值的可靠程度、單位12第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§1測量與誤差一.

測量確定被測物理量的量值數(shù)值單位直接測量：間接測量：將待測量直接與標(biāo)準(zhǔn)物理量比較用卡尺測長度利用一定的函數(shù)關(guān)系由一個(gè)或幾個(gè)直接測量量得到的物理量測量運(yùn)動(dòng)物體的動(dòng)量大小13二.誤差1.真值的不可知性等精確度重復(fù)測量，結(jié)果也不完全相同。誤差存在于任何測量中真值、誤差值，不可知只能估計(jì)其范圍真值的相對性，誤差的絕對性14二.誤差真值：2.誤差(error)的定義與表達(dá)方式測量值：誤差：（絕對誤差）（相對誤差）約定真值誤差有正負(fù)之分。測量值減真值所得的差值。15二.誤差3.系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差系統(tǒng)誤差（systematicerror）：隨機(jī)誤差（randomerror）：多次測量中保持恒定或以特定規(guī)律變化的誤差分量。多次測量中以“不可預(yù)知的方式”變化的誤差分量。16第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§2誤差的分析與處理一.誤差來源1.理論與方法引起的誤差模型：輕繩、擺角、阻力修正17一.誤差來源儀器的示值誤差2.測量儀器本身帶來的誤差刻度的不均勻天平的兩個(gè)臂長不嚴(yán)格相等3.環(huán)境干擾引起的誤差4.其它因素環(huán)境溫度、濕度、氣壓、觀測者的個(gè)人傾向引起的誤差、……電磁場干擾、……18第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§2誤差的分析與處理二.誤差處理方法1.在確定實(shí)驗(yàn)方案時(shí)避免其產(chǎn)生2.在實(shí)驗(yàn)過程中直接消除合理選擇實(shí)驗(yàn)方法改進(jìn)實(shí)驗(yàn)裝置事先校準(zhǔn)儀器……例如：用自組電橋測電阻時(shí)采用“交換法”19二.誤差處理方法3.在數(shù)據(jù)處理時(shí)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正修正值：測量值：誤差：避免舍入誤差：運(yùn)算過程，不過多地“舍位”4.若無法修正（未定系統(tǒng)誤差或隨機(jī)誤差），應(yīng)評估測量不確定度。20第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§3不確定度的概述測量結(jié)果的不確定度；被測量值的分散性不確定度是測量質(zhì)量的量度。任何測量都存在不確定度一.不確定度的概念21第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§3不確定度的概述二.不確定度的分類評定方式：A類評定：對觀測列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析做出的評定。數(shù)字表達(dá)方式：標(biāo)準(zhǔn)不確定度：68.3%（2/3）擴(kuò)展不確定度：90%B類評定：由其它方法做出的評定。置信區(qū)間22第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§4標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定一.基本概念1.觀測列獨(dú)立重復(fù)測量隨機(jī)分布隨著n的無限增大正態(tài)分布、均勻分布、……用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，研究規(guī)律，對大小和范圍做出恰當(dāng)?shù)脑u定或估計(jì)。23一、基本概念可理解為“真值”2.數(shù)學(xué)期望值、標(biāo)準(zhǔn)偏差方差標(biāo)準(zhǔn)差表征測量值相對真值的離散性誤差測量值24第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§4標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定二.正態(tài)分布高斯分布

概率密度函數(shù)：n→∞，測量值出現(xiàn)在各個(gè)取值范圍內(nèi)的概率將趨于穩(wěn)定值，此概率相對各取值的分布函數(shù)。25二.正態(tài)分布26二.正態(tài)分布δ：[a，b]歸一性x：

[μ-a，μ+b]27標(biāo)準(zhǔn)差增大正態(tài)分布離散性增大28二.正態(tài)分布置信概率置信區(qū)間[μ-2σ，μ+2σ]

[μ-3σ，μ+3σ]

[μ-σ，μ+σ]29第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§4標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定三.均勻分布Δ:誤差限值標(biāo)準(zhǔn)差：30三.均勻分布置信區(qū)間[μ-σ，μ+σ]

置信概率31第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§4標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定四.有限次測量下的最佳估值真值:算術(shù)平均值有限次測量下的最佳估值:32第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§4標(biāo)準(zhǔn)不確定度的A類評定五.有限次測量下的最佳估值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差A(yù)類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

貝塞爾公式

33第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§5標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定一.B類評定的依據(jù)實(shí)驗(yàn)條件、操作測量、環(huán)境等因素儀器34第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§5標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定二.儀器的最大允許誤差誤差限值儀器誤差誤差取值必處于之間。35二.儀器的最大允許誤差（誤差限值）例1：精度等級為0.5級、量程為100mA的電流表，其允差例2：精度等級為1級的螺旋測微計(jì)（千分尺），其允差36第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§5標(biāo)準(zhǔn)不確定度的B類評定三.教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的處理方法B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度372.因條件所限，只能進(jìn)行單次測量，無法得出s（x）1.重復(fù)測量的數(shù)據(jù)離散性很小，以至s（x）<<u（x），可忽略s（x）

一.直接測量不確定度的合成第三章誤差與不確定度的基本知識(shí)§6不確定度的合成38§6不確定度的合成二.間接測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度若有：為相互獨(dú)立的直接測量。取全微分：其中將dxi換成則y的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：39§6不確定度的合成獨(dú)立變量二.間接測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度傳播系數(shù)（靈敏系數(shù)）即：xi變化單位量引起的y的變化。40§6不確定度的合成三.最終測量結(jié)果的表達(dá)1.直接測量結(jié)果的修正與間接測量結(jié)果的計(jì)算若對直接測量值x

，存在δ修正：若為多次重復(fù)測量，則可直接修正測量平均值：對于間接測量量，應(yīng)代入修正后直接測量量進(jìn)行計(jì)算：41§6不確定度的合成三.最終測量結(jié)果的表達(dá)2.測量結(jié)果的表達(dá)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)不確定度:被測量的最佳值標(biāo)準(zhǔn)不確定度被測量y大約有2/3的概率落在區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)方式：

（相對不確定度）42例題欲測圓柱形實(shí)心鋁管的體積，先用螺旋測微計(jì)（儀器誤差限Δ儀=0.004mm）測其截面直徑D共6次，得如下測量列：

D1=18.142mm，D2=18.139mm，D3=18.139mm，D4=18.146mm，D5=18.142mm，D6=18.145mm。螺旋測微計(jì)零點(diǎn)誤差為0.002mm。再用1/50游標(biāo)卡尺（儀器誤差限Δ儀=0.002cm）單次測得管的長度l=7.022cm。求出鋁管的體積V

及其標(biāo)準(zhǔn)不確定度。解：圓柱體體積公式：故應(yīng)先求直徑D

和長度l的最佳值和不確定度。43例題1.計(jì)算Da.平均值：c.A類不確定度：(貝塞爾公式)b.誤差修正：44例題d.B類不確定度：e.不確定度合成：45例題2.計(jì)算la.平均值：c.A類不確定度：單次測量不計(jì)A類不確定度b.誤差修正：無誤差修正單次測量d.B類不確定度：e.不確定度合成：46例題3.求體積4.不確定度47例題5.標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)方式48第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)與要求§1有效數(shù)字及其表示一.有效數(shù)字的基本概念左起第一個(gè)非零數(shù)字一直到最后一個(gè)數(shù)（不管是否為0）直接測量的有效數(shù)字位數(shù)取決于測量過程用千分尺測圓柱直徑得：17.753mm——-5位而用1/50游標(biāo)卡尺則得：17.76mm——-4位存疑數(shù)字49§1有效數(shù)字及其表示一.有效數(shù)字的基本概念1.有效數(shù)字后邊不可任意添0。0.000000176mm17.76與17.7600的物理意義差別很大。后者的測量精度遠(yuǎn)高于前者前者的不確定度遠(yuǎn)大于后者2.對小于零的小數(shù)：小數(shù)點(diǎn)后面的0，可采用“科學(xué)記數(shù)法”。47.60km或：4.760×104m=47.60×103m=1.76×10-7mm50§1有效數(shù)字及其表示二.有效位數(shù)的判定規(guī)則間接測量量不確定度的數(shù)量級決定數(shù)值的有效位數(shù)。直接測量的不確定度決定間接測量的不確定度1.不確定度的有效位數(shù)據(jù)國際計(jì)量組織的規(guī)定，不確定度一般保留2位數(shù)字。51§1有效數(shù)字及其表示二.有效位數(shù)的判定規(guī)則2.最終測量結(jié)果的有效位數(shù)的判定末位數(shù)字一般應(yīng)與不確定度的末位數(shù)對齊。3.未給出不確定度，按如下規(guī)則判定位數(shù)加減運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果的末位數(shù)字與各項(xiàng)中末位數(shù)字最靠左的取齊。乘除運(yùn)算運(yùn)算結(jié)果的有效位數(shù)與各項(xiàng)中有效位數(shù)最少的相等。乘方開方乘方開方后的有效位數(shù)不變。52§1有效數(shù)字及其表示二.有效位數(shù)的判定規(guī)則4.中間運(yùn)算結(jié)果對于數(shù)學(xué)推導(dǎo)過程中引入的常數(shù)，如圓周率π、自然對數(shù)底e、應(yīng)認(rèn)為其有效位數(shù)均為無窮大。π和e在計(jì)算時(shí)直接從計(jì)算器上取值即可。不確定度、被測量值均比上述規(guī)則所規(guī)定的多取1-2位53§1有效數(shù)字及其表示三.有效數(shù)字的修約規(guī)則1.

<

0.5，則該末位不變（四舍）2.

>

0.5，則該末位加1（六入）3.=0.5，則該末位湊成偶數(shù)（五湊偶）若末位為偶數(shù)，則不變；若末位為奇數(shù)，則加1。四舍六入五湊偶五下舍去五上進(jìn)，單收雙棄指五整。54§1有效數(shù)字及其表示三.有效數(shù)字的修約規(guī)則取2位：對同一數(shù)值不可連續(xù)修約，只能一次完成修約。12.5385取5位：12.538取4位：12.54125.4546—5.455—5.46（錯(cuò)誤）應(yīng)為：—5.45（正確）4.615取3位：4.62取2位：4.655第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)與要求§2列表與作圖列表：表名、物理量、單位、有效位數(shù)

Is(mA)V1(mVV2(mV)

V3(mV)V4(mV)

VH(mV)0.000.000.000.000.000.00002.000.18-0.140.30-0.260.27754.000.34-0.300.59-0.550.56256.000.50-0.450.90-0.840.84508.000.65-0.591.21-1.141.130010.000.80-0.711.55-1.461.4175簡化處理過程表一：計(jì)算霍爾電壓

VH=（V1―V2+V3―V4）/4

56第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)與要求§2列表與作圖作圖：圖名、物理量、單位、描點(diǎn)標(biāo)示符號坐標(biāo)紙的選擇：毫米刻度與有效數(shù)字的倒算第二位對應(yīng)坐標(biāo)比例的選擇應(yīng)便于讀數(shù)原點(diǎn)的選擇應(yīng)使圖線大致均勻的充滿全圖57第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)與要求§2列表與作圖58第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)與要求§2列表與作圖擬合曲線

（光滑曲線）校準(zhǔn)曲線（折線）59第四章數(shù)據(jù)處理的基本知識(shí)與要求

Is(mA)V1(mV