最新大学物理实验数据处理ppt课件.ppt

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1、测量测量就是以确定被测量对象的量值为目就是以确定被测量对象的量值为目的的所有操作。的的所有操作。同时记录同时记录测量结果的大小和单位测量结果的大小和单位，二者，二者缺一不可。缺一不可。直接测量量的直接测量量的A类和类和B类不确定度类不确定度 按不确定度的数值评定方式，可分为两类：按不确定度的数值评定方式，可分为两类： A类类不确定度不确定度：用统计方法确定的量：用统计方法确定的量 B类类不确定度不确定度：用其他方法确定的量：用其他方法确定的量21()( )(1)niiAxxuxn n使用此式时使用此式时, 测量次数测量次数n应充分多应充分多, 要求要求n6。1. 根据经验确定。根据经验确定。2

2、. 如果已知被测量的测量值如果已知被测量的测量值xi分散区间的半宽分散区间的半宽为为a，且落在且落在 区间的概率为区间的概率为100%，通过对，通过对其分布规律的估计可得出其分布规律的估计可得出B类不确定度为：类不确定度为：( )Bauxkk是是包含因子包含因子，取决于测量值，取决于测量值的分布规律的分布规律.,xa xaB类不确定度的计算类不确定度的计算 3k 物理实验中物理实验中没有特别说明时，没有特别说明时，使用矩形分布使用矩形分布(平均平均分布分布)计算计算B类不确定度，此时类不确定度，此时 。 包含因子包含因子k的确定的确定 分散区间半宽度的确定分散区间半宽度的确定 1. 如果检定证

3、书、说明书等资料明确给出了不确如果检定证书、说明书等资料明确给出了不确定度定度U(x)及包含因子及包含因子k时，则时，则a=U(x)，B类不确类不确定度为定度为( )( )aU xu xkk例题例题 校准证书上给出标称值为校准证书上给出标称值为1kg的砝码质量的砝码质量m=1000.00032g，包含因子，包含因子k=3，不确定度为，不确定度为U =0.24 mg，由此可确定砝码的，由此可确定砝码的B类不确定度类不确定度 ( )( )/0.24/30.080u mU mkmg2. 在缺乏任何信息的情况下，一般使用均匀分在缺乏任何信息的情况下，一般使用均匀分布，布， ，而，而a则取仪器的则取仪器

4、的最大允许误差最大允许误差(误差限误差限)(x) ，所以，所以B类不确定度为类不确定度为 3k ( )( )3axu xk例题例题 知道某游标卡尺的仪器最大允许误差为知道某游标卡尺的仪器最大允许误差为 =0.05mm =0.05mm，使用矩形分布计算不确定度。，使用矩形分布计算不确定度。 0.050.029 mm3ukB类不确定度的计算类不确定度的计算1 仪器的示值误差限通常可以仪器的示值误差限通常可以在仪器说明书或技术在仪器说明书或技术标准中查标准中查到，讲义中第到，讲义中第13页列出了几种常用仪器页列出了几种常用仪器的示值误差限，需要时可查阅。的示值误差限，需要时可查阅。2 电测量指示仪表

5、电测量指示仪表的最大允许误差与仪表的准确度的最大允许误差与仪表的准确度级别有关。电测量仪表的准确度级别分为七级：级别有关。电测量仪表的准确度级别分为七级：0.1，0.2,0.5，1.0，1.5，2.5，5.0。由仪表的准确。由仪表的准确度级别与所用量程可以推算出仪表的示值误差限：度级别与所用量程可以推算出仪表的示值误差限： =量程量程准确度等级准确度等级/100 电学仪表的准确度等级通常都刻写在度盘上，使电学仪表的准确度等级通常都刻写在度盘上，使用时应记下其准确度等级，以便计算。用时应记下其准确度等级，以便计算。仪器最大允许误差（误差限）的确定方法仪器最大允许误差（误差限）的确定方法2.5级=

6、52.5/100=0.125V 3. 数字显示仪表数字显示仪表在缺乏说明的情况下，取其在缺乏说明的情况下，取其最小分度值作为其仪器的示值误差限。最小分度值作为其仪器的示值误差限。0.01mA 4.未加说明的仪器未加说明的仪器， 如果无法得知其误差如果无法得知其误差限，一般取仪器最小分度的一半作为其仪限，一般取仪器最小分度的一半作为其仪器误差限。器误差限。 =0.5mm A类和类和B类不确定度的合成不确定度类不确定度的合成不确定度uc(x)： 22( )( )( )cABu xuxux( )0Aux ( )( )cBuxuxl 说明：当进行的说明：当进行的测量只有测量只有1次次时，取时，取 则则

7、 如果一个测量量的如果一个测量量的B B类不确定度有多个部类不确定度有多个部分构成，则分构成，则B B类不确定度的合成不确定度类不确定度的合成不确定度为为2212( )( )( ).BBBuxuxux例题例题 用螺旋测微计测某一钢丝的直径，用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值次测量值 分别为：分别为：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 单单位位mm，已知螺旋测微计的仪器误差为，已知螺旋测微计的仪器误差为仪仪=0.004 mm，请给出测量的合成不确定度。，请给出测量的合成不确定度。解：解：测量最佳估计值测量最佳估计值 1(0.2490.2500

8、.2470.2510.2530.250)0.2506ymmA类标准不确定度类标准不确定度 21()0.00082mm(1)niiAyyun nB B类标准不确定度类标准不确定度 0.0040.002333Bumm仪合成不确定度合成不确定度 22( )0.0024mmcABuyuu间接测量量间接测量量 ， 其中其中 为直接测量量为直接测量量12(,)NYf XXX12,NXXX Y的估计值的估计值y 的不确定度，要由的不确定度，要由X1, X2, X3, Xn的不确定度适当合成求得，称的不确定度适当合成求得，称为估计值为估计值y 的的合成不确定度合成不确定度, 记为记为uc(y)。间接测量量的不

9、确定度计算（续）间接测量量的不确定度计算（续）12123(,)NYf XXXaXbXcX对于形如对于形如的函数形式（的函数形式（和差关系和差关系）, , 合成标准不确定度合成标准不确定度的计算方法为的计算方法为: : 222123123( )()()().cfffuyu xu xu xxxx【例题】【例题】某实验的测量式为某实验的测量式为Y=4X1+3X2，X1, X2为直接测量量，其中为直接测量量，其中u(x1)=0.03g, u(x2)=0.05g ,则间接测量量的合成不确定度为则间接测量量的合成不确定度为 22( )(4 0.03)(3 0.05)0.19cuygg间接测量量的不确定度计

10、算（续）间接测量量的不确定度计算（续）对于形如对于形如 的函数形式（的函数形式（积商关系积商关系），则先求其），则先求其相对相对合成不合成不确定度：确定度： NpNppNXXcXXXXfY212121),(222312123123( )()()()( ).creluyu xu xu xuypppyxxx说明：说明：对于被测量对于被测量Y Y的平均值的平均值 ，按如下方式计算：，按如下方式计算： y12( ,)yf x x合成不确定度合成不确定度 ( )( )creluyy uy间接测量量的不确定度计算（续）间接测量量的不确定度计算（续）【例题】【例题】圆柱体的体积公式为圆柱体的体积公式为 。设

11、已经测。设已经测得得 ， ，写出体积的相对合成，写出体积的相对合成不确定度表达式。不确定度表达式。214Vd h)(duddc)(huhhc 解：此体积公式形如解：此体积公式形如 其中其中 ， ， ， 。 1Xd2Xh12p 21p 121212(,)NpppNNYf XXXcXXX体积的相对合成不确定度表达式为体积的相对合成不确定度表达式为22( )21( )( )( )crelccu VuVu du hVdh222312123123( )()( )()( ).creluyu xu xu xuypppyxxx根据根据物理实验中，用扩展不确定度报告测量结果物理实验中，用扩展不确定度报告测量结果

12、 单位单位 单位单位 ( )yyU y( )yyU y( )( )y y U yy y U y -单位单位单位单位 仪器的读数规则仪器的读数规则 首先读出能够从仪器上直接读出的准确数字，对余下首先读出能够从仪器上直接读出的准确数字，对余下部分再进行估计读数。即将读数过程分为直读和估读。部分再进行估计读数。即将读数过程分为直读和估读。 0 1 2 3 4 5 6 7 直读直读准确数字准确数字7.4cm可靠数字可靠数字 估读估读余下部分约为余下部分约为0.03cm存疑数字存疑数字物体的长度即为物体的长度即为7.43cm l 有效数字：有效数字：物理实验中的有效数字是针对测量中的数据物理实验中的有效

13、数字是针对测量中的数据 定义的概念定义的概念, ,是一个有单位的数据是一个有单位的数据, ,由若干位由若干位可靠数字可靠数字及及 末尾一位末尾一位存疑数字存疑数字组成。组成。7 7正确理解和使用有效数字正确理解和使用有效数字1.实验中的数字与数学上的数字是不一样的。如实验中的数字与数学上的数字是不一样的。如 数学的数学的 8.35=8.350=8.3500 实验的实验的 8.358.3508.3500 2.有效数字的位数与被测量的大小及仪器的精密度有关。有效数字的位数与被测量的大小及仪器的精密度有关。 3.第一个非零数字前的零不是有效数字，第一个非零数字第一个非零数字前的零不是有效数字，第一个

14、非零数字 开始的所有数字都是有效数字。如开始的所有数字都是有效数字。如 2.327kg有有4位有效数字位有效数字,其中其中7是存疑数字是存疑数字; 220v有有3位有效数字位有效数字,其中其中0是存疑数字是存疑数字; 0.002cm有有1位有效数字位有效数字,其中其中2是存疑数字是存疑数字; 0.00mm有有1位有效数字位有效数字,其中末位其中末位0是存疑数字是存疑数字.4.单位的变换不能改变有效数字的位数。如单位的变换不能改变有效数字的位数。如 2.327kg=2.32710-3t=2327g= 2.327106mg5.实验中要求尽量使用科学计数法（小数点前仅写出一位实验中要求尽量使用科学计

15、数法（小数点前仅写出一位 非零数字）表示数据。非零数字）表示数据。 数学上数学上 改变了有效数字的位数改变了有效数字的位数 科学计数法科学计数法 不改变有效数字的位数不改变有效数字的位数 100.210020100200mcmmm2141.002 101.002 101.002 10mkmcm1.采用四舍五入法对有效数字进行取舍采用四舍五入法对有效数字进行取舍.2.加减法加减法: 结果的可疑位与参与运算数据中结果的可疑位与参与运算数据中存疑位数量级存疑位数量级最高最高的对齐的对齐. 例如例如: 2.327+10.8=13.127 2.327+10.8=13.13.乘除法乘除法: 结果的有效数字

16、的位数与参与运算数据中有效结果的有效数字的位数与参与运算数据中有效数字数字位数最少位数最少的相同的相同. 例如：例如：2327108=251316 2327108=2.511054.、g等或者在公式中出现的等或者在公式中出现的常数常数可视为无穷多位，使可视为无穷多位，使用时所取的位数不少于参与运算数据中位数最少的。用时所取的位数不少于参与运算数据中位数最少的。 例如：例如：S =D2/4 =3.142 2.32724 或者或者 =3.14162.32724直接测量量有效数字的确定直接测量量有效数字的确定 如如:1/50mm:1/50mm的游标卡尺的游标分度值的游标卡尺的游标分度值0.02mm,

17、0.02mm,因此因此, ,记录测量结果时记录测量结果时, , 最后一位有效数字应记录到最后一位有效数字应记录到1/100mm1/100mm位位. .1游标类游标类量具，有效数字量具，有效数字最后一位与游标分度值对齐最后一位与游标分度值对齐.2数显仪表数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读直接读取仪表的示值取仪表的示值。3. 米尺、指针式仪表这类的米尺、指针式仪表这类的刻度式仪器刻度式仪器，估读估读到最小分度值的到最小分度值的1/10（不能估读到（不能估读到0.1分度以分度以下，

18、即不能估读到下，即不能估读到0.01分度）分度）.5.737mm4. 如下图，尺子如下图，尺子只标出整刻度和半刻度线只标出整刻度和半刻度线时时, 则则认为半刻度线没有认为半刻度线没有标出，仍然按照标出，仍然按照3中的方中的方式估读。因为图中的最小分度值为式估读。因为图中的最小分度值为1，红色部，红色部分的长度估读为分的长度估读为1.1或或1.2都可以。都可以。 1 2 3测量结果有效数字的取舍测量结果有效数字的取舍 对于测量结果（对于测量结果（ 单位）的有效单位）的有效数字，要数字，要先确定先确定不确定度的有效数字，不确定度的有效数字，再确再确定定最佳估计值的有效数字。最佳估计值的有效数字。

19、按国家技术规范按国家技术规范, 测量不确定度的有效数字最多测量不确定度的有效数字最多不超过不超过2位。在学生实验中，由于测量次数有限位。在学生实验中，由于测量次数有限及其它因素，结果的准确性有限，故可以只及其它因素，结果的准确性有限，故可以只取取1位有效数字位有效数字，多余数字按照，多余数字按照1/3 (3舍舍4入入)法则法则进进行取舍。行取舍。 如：扩展不确定度如：扩展不确定度U为为0.324mm， 保留两位有效数字，保留两位有效数字，U = 0.33 mm； 保留一位有效数字，保留一位有效数字，U = 0.3 mm1.1.不确定度的有效数字不确定度的有效数字( )yyU y2.最佳估计值的

20、有效数字最佳估计值的有效数字最佳估计值的最后一位必须和不确定度的末最佳估计值的最后一位必须和不确定度的末位对齐。多余的数字，按位对齐。多余的数字，按4舍舍5入入规则进行取规则进行取舍。如：舍。如： V=5836.340l mm3，U = 4.2 mm3 则最后结果的表达式应为则最后结果的表达式应为 5836.34.2Vmm3. 作为作为中间计算结果中间计算结果时时，直接测量量的不确定，直接测量量的不确定度，可以取度，可以取不少于不少于3位有效数字或者全部保留位有效数字或者全部保留,以避以避免积累舍入误差。免积累舍入误差。五 综合举例【例题】【例题】用单摆测重力加速度的公式为用单摆测重力加速度的

21、公式为 。现用。现用最小读数为最小读数为1/100s1/100s的电子秒表测量周期的电子秒表测量周期T T五次，其周期的测五次，其周期的测量值为量值为2.0012.001，2.0042.004，1.9971.997，1.9981.998，2.0002.000（单位：（单位：s s）；）；用用级钢卷尺测摆长级钢卷尺测摆长L L一次，一次，L L = 100.00 cm = 100.00 cm 。试求重力。试求重力加速度加速度g g及合成不确定度及合成不确定度 ，并写出结果表达式。，并写出结果表达式。注：每次周期值是通过测量注：每次周期值是通过测量100100个周期获得，每测个周期获得，每测100

22、100个周个周期要按两次表，由于按表时超前或滞后造成的最大误差是期要按两次表，由于按表时超前或滞后造成的最大误差是0.5s0.5s；级钢卷尺测量长度级钢卷尺测量长度L L的示值误差为的示值误差为 （L L是以米为单位得到的数值），由于卷尺很难与摆的两端是以米为单位得到的数值），由于卷尺很难与摆的两端正好对齐，在单次测量时引入的误差极限为正好对齐，在单次测量时引入的误差极限为2 mm2 mm。224TLg)(guc(0.3 0.2)L mm1.1.计算直接测量量的最佳估计值计算直接测量量的最佳估计值T T的估计值：的估计值： 5112.0012.004 1.9971.9982.0002.0005

23、5iiTTsL L的估计值：的估计值：1.0000Lm2.2.计算间接测量量计算间接测量量g g 的最佳估计值的最佳估计值2222244 3.14161.00009.86972.000Lgm sT3.3.计算直接测量量的不确定度计算直接测量量的不确定度（1 1）计算摆长）计算摆长L L的测量不确定度的测量不确定度1( )0.5( )0.2933Lu Lmm仪相应的不确定度为相应的不确定度为( )2Lmm对不准 测量时卷尺不能对准测量时卷尺不能对准L L两端造成的仪器误差两端造成的仪器误差2( )2( )1.233LuLmm对不准相应的不确定度为相应的不确定度为222212( )( )( )0.

24、31.21.2cu LuLuLmmL L的合成不确定度为的合成不确定度为 ( )0.30.2 10.5Lmm 仪仪器的示值误差仪器的示值误差L L的相对不确定度的相对不确定度rel1.2( )0.00121000cu (L)uLL摆长只测了一次，只考虑摆长只测了一次，只考虑B B类不确定度类不确定度, , 有两个分量。有两个分量。521()( )0.00125 (5 1)iiATTuTs（2 2）计算周期）计算周期T T的测量不确定度的测量不确定度 T T的的A A类不确定度类不确定度(T)仪(T)按T的的B类不确定度有两个分量，一个与仪器误差类不确定度有两个分量，一个与仪器误差对应，一个与按

25、表超前或滞后造成的误差对应，一个与按表超前或滞后造成的误差对应对应)(1Tu)(2Tu22222( )( )( )0.00120.00290.0031cAu Tu TuTs因因比比小得多，可略去，故合成不确定度为小得多，可略去，故合成不确定度为rel( )0.0031( )0.00162.000cu TuTTT的相对不确定度的相对不确定度11000.01 100( )0.00005833u Ts仪21000.5 100( )0.002933u Ts按分别是分别是2( )2 0.0340.068cUm ugm s扩展不确定度为扩展不确定度为4. 4. 计算间接测量量计算间接测量量g g的不确定度

26、的不确定度由于由于 是积商关系，根据相对合成不确定公式是积商关系，根据相对合成不确定公式224gL T222312123123( )()()()( ).creluyu xu xu xuypppyxxx22rel( )( )( )( )2cccugu Lu TugLgT22(0.0012)(2 0.0016)0.0034有有2rel( )( )9.8697 0.00340.034cu ggugm sg g的不确定度为的不确定度为5.5.写出结果表达式写出结果表达式 29.8700.068gm s或或 29.870.07gm s六六 记录实验数据的基本要求记录实验数据的基本要求 使用使用表格表格记

27、录实验数据记录实验数据列表法列表法 要在表的上方注明表的名称；要在表的上方注明表的名称； 结构要尽量简单，表格线条要清晰，便于记录结构要尽量简单，表格线条要清晰，便于记录运算和检查；运算和检查； 要注明各物理量的符号和单位；要注明各物理量的符号和单位； 数据的有效数字要能正确反映测量的误差。数据的有效数字要能正确反映测量的误差。 数据表格一般需要自己设计。数据表格一般需要自己设计。 序号 12345678910U/ V 0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0I/mA0.02.04.06.17.99.711.813.816.017.9表一表一 电阻伏安特性数据表电阻伏安特性

28、数据表七 处理实验数据的几种方法 作图法作图法 伏安曲线伏安曲线 要求：要求：1.1.正确标注数据点正确标注数据点 一般同一条曲线上的数据点一般同一条曲线上的数据点 用同一种符号标注，不同曲用同一种符号标注，不同曲 线上的坐标点选用不同的符线上的坐标点选用不同的符 号，如号，如“、+”+”等。等。2.2.要有图名和说明要有图名和说明 应在图纸上标出图的名称，应在图纸上标出图的名称， 有关符号的意义和特定实验有关符号的意义和特定实验 条件。条件。3.3.可以使用一些数学、统计软可以使用一些数学、统计软 件进行作图。件进行作图。12120 在进行测量电阻实验时，测得数据中电压和电流的最大值均在进行

29、测量电阻实验时，测得数据中电压和电流的最大值均不超过不超过2，其中有一组数为，其中有一组数为U=1.81V，I=1.52mA。要求作出电阻的。要求作出电阻的 I U 曲线，并给你如下一张坐标纸。如何充分、合理地利用坐标曲线，并给你如下一张坐标纸。如何充分、合理地利用坐标纸？如何正确地表示这一组纸？如何正确地表示这一组U，I值？值？I(mA)U(V)+1.81.5+ IU曲线曲线2112U(V)I(mA)0(1.81,1.52) 逐差法就是将逐差法就是将2q(q2)2q(q2)个测量数据按如下的方式个测量数据按如下的方式分为前后两组：分为前后两组： x x1 1,x,x2 2,x,xq q； x

30、 xq+1q+1,x,xq+2q+2xx2q2q 然后相隔然后相隔q q项求差值：项求差值：y yj j = x = xj+qj+q - x - xj j 最后求平均值：最后求平均值：l 逐差法逐差法 逐差法的适用条件：逐差法的适用条件： 1.1.物理量物理量y y与与x x间的函数关系是线性的；间的函数关系是线性的； 2.2.自变量是等间距变化的；自变量是等间距变化的； 3.3.要有偶数个测量数据。要有偶数个测量数据。X(g) 1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00Y(cm) 2.004.016.057.859.7011.8313.7516.021

31、7.8519.94iXii+5Xi+5X11.0066.005.0022.0077.005.0033.0088.005.0044.0099.005.0055.001010.005.00iYii+5Yi+5Y12.00611.839.8324.01713.759.7436.05816.029.9747.85917.8610.0159.701019.9410.24下表记录了测量弹簧倔强系数的数据，试用逐差法求算弹簧下表记录了测量弹簧倔强系数的数据，试用逐差法求算弹簧的倔强系数。表中的倔强系数。表中X X代表砝码质量，代表砝码质量，Y Y代表弹簧的伸长量。代表弹簧的伸长量。 逐差法举例逐差法举例1 1）对）对X X进行分组并求逐差进行分组并求逐差2 2）对）对Y Y进行分组并求逐差进行分组并求逐差YXkY 5.009.9581.9916X3 3）求倔强系数）求倔强系数 逐差法举例逐差法举例八 实验报告常见问题