大学物理实验课程绪论.ppt

1、大学物理实验课绪论大学物理实验课绪论一、物理实验的重要作用一、物理实验的重要作用 1.实验可以发现新事实，实验结果可以为实验可以发现新事实，实验结果可以为物理规律的建立提供依据物理规律的建立提供依据2.实验又是检验理论正确与否的重要判据实验又是检验理论正确与否的重要判据二、二、物理实验课程的目的物理实验课程的目的1.加深大家对理论的理解加深大家对理论的理解;2.使同学获得基本的实验知识，在实验方法和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、严格的训练实验技能诸方面得到较为系统、严格的训练;3.培养科学工作者的良好素质及科学世界观培养科学工作者的良好素质及科学世界观三、物

2、理实验课的三个环节三、物理实验课的三个环节1.实验预习实验预习看懂讲义、明确目的、写出预习报告。看懂讲义、明确目的、写出预习报告。预习报告要求：预习报告要求：写实验题目写实验题目,实验目的实验目的,主要原理主要原理,公式公式(包括包括式中各量意义式中各量意义),),线路图或光路图及关键步骤。线路图或光路图及关键步骤。画好原始数据表格画好原始数据表格.课上教师要检查预习情况，记录预习分。课上教师要检查预习情况，记录预习分。2.实验操作实验操作阅读资料、调整仪器、观察现象、获取数据、阅读资料、调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原。仪器还原。重视实验能力、作风培养。珍惜独立操作的重视实验能力、作风

3、培养。珍惜独立操作的机会，完成基本内容，争取做提高内容。教师机会，完成基本内容，争取做提高内容。教师在评分上予以鼓励。在评分上予以鼓励。强调记录数据时不得用铅笔，只有数据正确、强调记录数据时不得用铅笔，只有数据正确、仪器还原、教师签字后该次实验才有效。仪器还原、教师签字后该次实验才有效。提倡研究问题，注意安全操作。提倡研究问题，注意安全操作。3.实验报告实验报告实验报告要用实验报告要用中南民族大学实验报告纸中南民族大学实验报告纸。报告内容：报告内容：实验题目、实验目的、实验原理实验题目、实验目的、实验原理、实验仪器、实验步骤、实验数据、数据处理、实验仪器、实验步骤、实验数据、数据处理及实验结果

4、、分析讨论及实验结果、分析讨论交报告的时间、地点：交报告的时间、地点：一周后交给一周后交给上课教师。上课教师。逾期未交报告，酌减报告分，逾期未交报告，酌减报告分，二周不交，二周不交，按无按无报告处理。报告处理。1 测量与误差测量与误差误差误差 测量值测量值 真值真值 误差特性：普遍性、误差是小量误差特性：普遍性、误差是小量由于真值的不可知，误差实际上很难计算由于真值的不可知，误差实际上很难计算（有时可以用准确度较高的结果作为约定（有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差）真值来计算误差）测量误差与数据处理的基础知识测量误差与数据处理的基础知识 一、测量误差的概念一、测量误差的概念1.绝

5、对误差绝对误差 测量结果与被测量的真值的差为测量误差，又测量结果与被测量的真值的差为测量误差，又称绝对误差。称绝对误差。实际运用中实际运用中,将测量的算术平均值当作约定真值将测量的算术平均值当作约定真值.2.相对误差相对误差E3.偏差偏差 xi4.标准误差标准误差 测量列中某次测量的标准误差测量列中某次测量的标准误差.为测量次数无穷时的平均值。为测量次数无穷时的平均值。5.标准偏差标准偏差此式称为贝塞耳公式。此式称为贝塞耳公式。假定对一个量进行了假定对一个量进行了n次测量，测得的值为次测量，测得的值为xi，可以可以用多次测量的算术平均值作为被测量的用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值最

6、佳估计值单次单次测量的标准偏差为测量的标准偏差为用标准偏差用标准偏差 Sx 表示测得值的分散性表示测得值的分散性Sx大，表示测得值很分散，测量的精密度低；大，表示测得值很分散，测量的精密度低；Sx小，表示测得值很密集，测量的精密度高；小，表示测得值很密集，测量的精密度高；6.平均值的标准偏差平均值的标准偏差多次测量的算术平均值多次测量的算术平均值 也是随机变量，也有误差也是随机变量，也有误差例：例：用用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量结次测量结果如下（单位果如下（单位mm）：250.08，250.14，250.06,250.10,250.06,250.1

7、0。求该测量列的最佳估计值和标准偏差。求该测量列的最佳估计值和标准偏差。解：解：测得值的最佳估计值为测得值的最佳估计值为测量列的标准偏差为测量列的标准偏差为7.仪器误差限仪器误差限仪器的最大允许误差。仪器的最大允许误差。长度测量工具取其最小分度值的一半长度测量工具取其最小分度值的一半(游标卡尺，游标卡尺，螺旋测微器有另外的约定螺旋测微器有另外的约定)；取天平的最小分度为仪器误差限；取天平的最小分度为仪器误差限；取秒表的最小分度为仪器误差限；取秒表的最小分度为仪器误差限；指针式电压表、电流表指针式电压表、电流表电阻箱近似取为电阻箱近似取为水银、酒精温度计的仪器误差限取最小分度的值一半；水银、酒精

8、温度计的仪器误差限取最小分度的值一半；是表的准确度等级是表的准确度等级,可从仪器面板或铭牌上找可从仪器面板或铭牌上找到到.Am是测量时所用量程是测量时所用量程.R为电阻测量值为电阻测量值.例例.用用0.2级电压表级电压表,量程量程10V,则则若量程用若量程用100V,则则量程不同量程不同,仪仪不同不同.为减小误差影响为减小误差影响,选用量程选用量程时时,应尽量使指针偏转达满度值的应尽量使指针偏转达满度值的2/32/3以上以上.仪仪仪仪二、测量误差的分类二、测量误差的分类定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限次测量定义：在重复性条件下，对同一被测量进行无限次测量过程中所得结果的平均值与被测量

9、的真值之差。过程中所得结果的平均值与被测量的真值之差。1.系统误差系统误差特征：系统误差以确定性规律表现出来。特征：系统误差以确定性规律表现出来。产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入分类及处理方法：分类及处理方法：已定系统误差：已定系统误差：必须修正必须修正。如：如：电表、螺旋测微计电表、螺旋测微计的零位误差；的零位误差；伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起的误差。略表内阻引起的误差。未定系统误差：未定系统误差：要估计出分布范围要估计出分布范围。如：螺旋测微如：螺旋测微计的螺纹公差等（大致与计的螺纹公差

10、等（大致与 B 类不确定度类不确定度UB 相当）相当）。2.随机误差随机误差 产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，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。引起测量值围绕真值发生涨落的变化。测量结果与测量平均值之差。测量结果与测量平均值之差。在多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变化。在多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变化。特点：特点：例如：例如：电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化；操作读数时的视差影响。一定范围内随机变化；操作读数时的视差影响。小误差出现的概率比大误差出现的

11、概率大；小误差出现的概率比大误差出现的概率大；多次测量时分布对称，具有抵偿性多次测量时分布对称，具有抵偿性因此因此取取多次测量的平均值有利于消减随机误差。多次测量的平均值有利于消减随机误差。三、随机变量的分布三、随机变量的分布 f(x)x小小大大正态分布正态分布：大量相对独立因素共同作用下得到的随：大量相对独立因素共同作用下得到的随机变量服从正态分布。物理实验中多次独立测量得机变量服从正态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作服从正态分布。到的数据一般可以近似看作服从正态分布。表示表示x 出现概率最大的值，消除系统误差后，出现概率最大的值，消除系统误差后，通常就可以得到通常就可

12、以得到 x 的真值。的真值。称为标准称为标准误差误差，决定了决定了f(x)曲曲线的宽窄。线的宽窄。置信概率置信概率P表示随机变量表示随机变量 x 在在x1，x2区间出现的概区间出现的概率，称为置信水平或置信概率。率，称为置信水平或置信概率。实际测量的任务是通过测量数据求得实际测量的任务是通过测量数据求得 和和 的值的值2 不确定度和测量结果的表示不确定度和测量结果的表示 不确定度的权威文件是国际标准化组织不确定度的权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际测量局国际测量局(BIPM)等七个国际组织等七个国际组织19931993年联合推出的年联合推出的 测量不确定度表示指南测量不确定度表示指南IS

13、O1993(E)不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。能确定的程度。不确定度是一定概率下的误差限值不确定度是一定概率下的误差限值。不确定度反映了可能存在的误差分布范围，即随不确定度反映了可能存在的误差分布范围，即随机误差分量和未定系统误差的联合分布范围。机误差分量和未定系统误差的联合分布范围。由于真值的不可知，误差一般是不能计算的，它由于真值的不可知，误差一般是不能计算的，它可正、可负也可能十分接近零；而不确定度总是不为可正、可负也可能十分接近零；而不确定度总是不为零的正值，是可以具体评定的。零的正值，是可以具体评定的。一、一、不确定

14、度不确定度总不确定度分为两类不确定度：总不确定度分为两类不确定度：标准不确定度标准不确定度：置信概率为：置信概率为68%时的不确定度；时的不确定度；扩展不确定度扩展不确定度：其它置信概率时的不确定度。：其它置信概率时的不确定度。（实验教学中一般用总不确定度，置信概率取（实验教学中一般用总不确定度，置信概率取95%）A类分量类分量UA：多次重复测量时与随机误差有关的分量；：多次重复测量时与随机误差有关的分量；B类分量类分量UB：未定系统误差有关的未定系统误差有关的分量。分量。这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成：这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成：不确定度的不确定度的简化处理方法简

15、化处理方法由于测量次数小，数据离散度大，测量结果将不符合正由于测量次数小，数据离散度大，测量结果将不符合正态分布，而是符合态分布，而是符合t 分布分布（t 分布也叫学生分布，分布也叫学生分布，n 小时，小时，t 分布偏离正态分布较多。分布偏离正态分布较多。n 大时趋于正态分布大时趋于正态分布）。）。UA与与t 分布的关系分布的关系:当当 5 n 10时，可简化认为时，可简化认为 UA=Sx（置信概率置信概率95%）B 类分量类分量UB 主要由仪器的误差特点来决定主要由仪器的误差特点来决定.均匀分布，置信概率为均匀分布，置信概率为95%时时不确定度的合成：不确定度的合成：二、测量结果的评价二、测

16、量结果的评价（x=x0 U 表示被测对象的真值落在表示被测对象的真值落在(x0 U，x0 U)范围内的概率很大，范围内的概率很大，U的取值与一定的取值与一定的概率相联系。的概率相联系。)完整的测量结果应表示为：完整的测量结果应表示为：包括：包括：测量对象测量对象 测量对象的量值测量对象的量值 测量的不确定度测量的不确定度 测量值的单位测量值的单位测测 量的分类量的分类测量分为直接测量和间接测量测量分为直接测量和间接测量直接测量指无需对被测的量与其它实测的量直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算而可直接得到被测进行函数关系的辅助计算而可直接得到被测量值的测量；量值的测量；间接测量指利用直接测量的量与被测量之间间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系经过计算从而得到被测量值的已知函数关系经过计算从而得到被测量值的测量。的测量。任何测量都可能存在误差（测量不可能无限准任何测量都可能存在误差（测量不可能无限准确确)。1 1.直接测量结果的评价直接测量结果的评价结果表示：结果表示：以测量列以测量列 x 的平均值的平均值 再再修正掉已定系统修正掉已定系统误差项误差