物理实验的基本测量方法系统误差的分析与处理设计性实验.ppt

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1、1,物理实验的基本测量方法 系统误差的分析与处理 设计性实验,此资料来源于互联网,2,将待测的物理量直接或间接地与作为基准的同类物理量进行比较，得到比值的过程，叫做测量。,模拟法,比较法,积累和放大法,转换法,物理实验的基本测量方法,3,就是把待测的物理量直接或间接地与作为基准(或标准单位)的同类物理量进行比较，得到比值的过程。,直接比较测量法,水银的热膨胀去测量温度、用弹簧的形 变去测力等均为这类测量，此种测量称间 接比较测量法。,1比 较 法,间接比较测量法,比较系统,4,0 10,X,比较法：如：米尺.电表都是根据比较法设计而成的仪器。,50,100,200,mA,0,200,5,比较系

2、统 有些比较要借助于或简或繁的仪器设备，经过或简或繁的操作才能完成，此类仪器设备称为比较系统。天平、电桥、电位差计等均是常用的比较系统。 为了进行比较，常用以下方法：,(1)直读法 (2)均衡法、补偿法或示零法 (3)比率测量法 (4) 交换法和替代法,6,在物理实验中我们常常可能遇到这样一些问题，即受测量仪器精度的限制，或受人的反应时间的限制，单次测量的误差很大或无法测出待测量的有用信息，这就需要采用累积放大法来进行测量。,2.积累和放大法,单摆的物理模型,7,机械放大法：通过某种方法将被测量 放大后，再进行测量。,如：螺旋测微计测长-,20,0,把螺纹细分而进行放大。,8,电学放大法 电子

3、学的放大电路将微弱的电信号放大后进行测量，这就是电学放大法。随着微电子技术和电子器件的发展，各种电信号的放大都很容易实现，因而这一方法在电子仪器上应用十分普遍。,光学放大法 光学放大法分为视角放大和微小变化量(微小长度、微小角度)放大两种。放大镜、显微镜和望远镜等都属于视角放大的仪器。,9,光杠杆放大,放大倍数=2S/d 取S=2m，d=80mm， 放大50倍,10,转换测量法是根据物理量之间的各种效应和定量函数关系，利用变换原理将不能或不易测量的待测物理量转换成能测或易测的物理量进行测量，然后再求待测物理量。,参量转换法 能量转换法两大类。,3 转换法,11,转换法：对无法直接测量的量，转换

4、为对该量所产生的某种效应进行测量。 如：测酸、碱、盐溶液的浓度.,I,12,用压电传感器 测驾驶员座椅的 受力分布。,待测粮食,传送带,粮食烘干装置,待测粮食的含水量与反射光强 I 有关,13,非光量的光测,地球,月球,直角反射器,通过测发射与接收两光信号的时 间间隔 ，在C已知的条件 下，可知地球、月球之间距离为38万 公里。激光具有良好的方向性。故制 成各种激光测距仪。,14,利用声波反射，判断前方障碍物 （冰山、暗礁、船只、鱼群等）。,非电量电测,15,2. 能量转换法传感器转换法 与参量转换不同，能量转换是利用种运动形式转换为另一种运动形式时物理量之间的对应关系进行的间接测量。,(1)

5、热电转换,(2)压电转换,(3)光电转换,(4)磁电转换,(5)几何变化量与电学参量的转换,16,用压电传感器 测驾驶员座椅的 受力分布。,待测粮食,传送带,粮食烘干装置,待测粮食的含水量与反射光强 I 有关,17,干涉计量法:现代精密计量的基础。,18,2.2.4模拟法 模拟测量法是根据相似性原理，人为地制造一个类似于被研究的对象或运动过程的模型，用模型的测试代替对实际对象的测试的实验方法。,1. 几何模拟法,2. 物理模拟法,3. 数学模拟法,19,模拟法：对不易测量的量，用对模型的测量代替对原型的测量。,20,物理实验的 基本操作技术,21,1仪器初态和安全位置 所谓“初态”是指仪器设备

6、在进入正式调整、实验前的状态。正确的初态可保证仪器设备安全，保证实验工作顺利进行。,2零位(零点)调整,零位校准有二种情况，一种是测量仪器本身有零位校准器，如电表等，则可进行调整，使仪器在测量前处于零位。另外一种，仪器虽然零位不准，但无法调整、校准，如磨损了的米尺、螺旋千分尺等，则需在测量前记录最初读数，以备在测量结果中修正。,22,3水平、铅直调整 物理实验所用的仪器或装置中，有些需在水平或铅直状态下才能正常工作。大部分需调整的仪器自身就装有水准仪或悬锤，底座有二个或三个(排成等边或等腰三角形)可调节的螺钉,23,4消除视差的调整 当刻度标尺与指示器或标识物不在同一平面时，眼睛从不同方向观察

7、会出现读数有差异或物与标尺刻线有分离的现象，称为视差现象。为了测量正确，实验时必须消除视差。消除视差的方法有二：一是使视线垂直标尺平面读数。二是使标尺平面与被测物密合于同一平面内。,24,5调焦 在使用望远镜、显微镜和测微目镜等光学仪器时，为了进行正确的测量或看清目的物，均需进行调焦.例如望远镜要调节叉丝到物镜的距离使之处于透镜的焦面上；使用显微镜要使被观察对象处于物镜的工作距离处，而测微目镜则要使叉丝在目镜的焦距内作适当的调节。这种调节统称为调焦。,25,6等高共轴调整 在由两个或两个以上的光学元件组成的实验系统中，为获得好的像质，满足近轴光线条件，必须进行共轴调整，即：使所有光学元件的光轴

8、重合，且其物面、屏面垂直于光轴。调整一般分为两步，第一步进行粗调(目测调整)，第二步根据光学规律进行细调，常用的方法有自准法和二次成像法。,蜡烛成像,26,7消除空程误差 由丝杠、螺母构成的转动与读数机构，由于螺母与丝杠之间有螺纹间隙，往往在测量刚开始或刚反向转动丝杠时，丝杠需转过一定角度才能与螺母啮合。结果，与丝杠联结在一起的鼓轮已有读数改变，而由螺母带动的机构尚未产生位移，造成虚假读数而产生空程误差。,保持整个读数过程继续沿同一方向前进 切勿忽正忽反旋转,27,8逐次逼近调整 依据一定的判据，逐次缩小调整范围，使系统较快地收敛于所需状态的方法称为逐次逼近调节法。判据在不同的仪器中是不同的，

9、如天平是看天平指针是否指零，平衡电桥是看检流计指针是否指零。,逐次逼近调节法在天平、电桥，电位差计等仪器的平衡 调节中都要用到，,28,9先定性、后定量原则,10回路接线法,11跃接法,29,在示零法测量中，经常采用瞬间(而不是较长时间)接通示零电路的方法来对平衡状态或平衡偏离的方向作出判断。这样做的好处是，在远离平衡状态时保护仪表(例如电位差计实验中的标准电池和光点检流计)，使其免受长时间的大电流冲击；在接近平衡时，通过电路的瞬间通断比较，提高检测灵敏度,30,系统误差的分析与处理,31,误差的分类,系统误差,随机误差,仪器误差,方法误差,环境误差,人员误差,装置误差,32,天平不等臂所造成

10、的 系统误差,仪器误差,1. 系统误差,33,由于理论推导中的近似,产生的 系统误差,理论,34,人为,心理作用，读数（估计）偏大或偏小。,35,环境,市电的干扰,输入,光点检流计,接近时，静 电干扰，使 光斑移动等 。,36,方法,内接,V,VR,VA,V,IR,IV,用V作为VR的近似值 时，求,外接,37,公式 （忽略了空气阻力等）,38,下降时受空气 阻力f与下落速度v 乃至 成正比，则 v增大一定值 f=mg 物体将作匀速直线 运动，下落物体的 极限速度约为,39,系统误差的特征与规律,线形(累进)变化 非线形变化 周期性变化 复杂规律变化,变值系统误差,定值系统误差,40,消除系统

11、误差产生的根源,消除系统误差,用修正值修正测量结果,应用测量技术消除系统误差,41,(1)替代法 是在一定的测量条件下，对某一被测量进行测量，使在仪器上得到某一状态(如指针指示零位、天平平衡等)；再以同样性质的标准量代替被测量，调整标准量值的大小，使在仪器上呈现出与前者相同的状态，则此时的标准量值等于被测量量值。,42,(2)交换法 这种方法就是将测量中的某些条件相互交换，使产生系统误差的原因对测量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。例如，用天平称衡物体质量时用复称法，焦距测定实验中将物与屏的位置互换进行测量等。,43,(3)抵消法 当已知有某种产生恒定系统误差的因素存在，而又无法从根源上消除，且难以确定其大小时，可以考虑能否去抵消它。,例如，霍尔法测磁场实验，为了附加电压的影响，将电流正反方向，进行两次测量取平均值。,A,44,4周期性系统误差消除法 消除周期性系统误差的基本方法是半周期法。周期性系统误差一般出现在有圆盘或转动的情况下(如度盘等)，多呈正弦形式，若每相隔半个周期进行一次测量，两次读数取平均值，即可以有效地消除周期性系统误差。,45,A,O,B,b,