实验误差与数据处理精品文稿.ppt
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1、实验误差与数据处理第1页,本讲稿共47页内容:内容:一、实验误差与数据处理的基础知识一、实验误差与数据处理的基础知识二、课程安排二、课程安排第2页,本讲稿共47页实验误差与数据处理实验误差与数据处理n第一节 测量及其有效数字n第二节 实验误差与不确定度n第三节 不确定度的评定n第四节 实验数据处理的基本方法第3页,本讲稿共47页第一节第一节 测量及其有效数字测量及其有效数字一、测量与单位一、测量与单位n测量的单位采用国际单位(测量的单位采用国际单位(SI)制)制。n测量的量值用有效数字表示。测量的量值用有效数字表示。实验误差与数据处理实验误差与数据处理测量:待测量与一标准量进行比较,其倍数为该
2、量的测量:待测量与一标准量进行比较,其倍数为该量的量值量值,该标准量即为测量的,该标准量即为测量的单位单位。第4页,本讲稿共47页第一节第一节 测量及其有效数字测量及其有效数字二、有效数字二、有效数字1.定义:由测量得到的定义:由测量得到的数位可靠数字数位可靠数字和和最后一位可疑数字最后一位可疑数字统称统称为有效数字为有效数字n有效数字的有效数字的位数位数应应从左边第一个不为零的数字算起。从左边第一个不为零的数字算起。如如 2.0020有有5位有效数字,位有效数字,0.00021有两位有效数字有两位有效数字。n有效数字的位数愈多,测量的精确度愈高有效数字的位数愈多,测量的精确度愈高实验误差与数
3、据处理实验误差与数据处理用米尺测得:用米尺测得:4.23cm 估读值估读值可疑数字可疑数字第5页,本讲稿共47页二、有效数字二、有效数字实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字2.注意:注意:1.定义:由测量得到的定义:由测量得到的数位可靠数字数位可靠数字和和最后一位可疑最后一位可疑数字数字统称为有效数字统称为有效数字n有效数字的有效数字的位数位数应应从左边第一个不为零的数字算起。从左边第一个不为零的数字算起。如如 2.0020有有5位有效数字,位有效数字,0.00021有两位有效数字有两位有效数字。n有效数字的位数愈多,测量的精确度愈高有效数字的位数愈多,测量的精确度愈高n最小刻
4、度以下的估读位最小刻度以下的估读位可疑位可疑位可疑位可疑位 (1)仪器读数有效位数的确定仪器读数有效位数的确定第6页,本讲稿共47页二、有效数字二、有效数字实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字2.注意:注意:(1)仪器读数有效位数的确定仪器读数有效位数的确定n最小刻度以下的估读位最小刻度以下的估读位可疑位可疑位可疑位可疑位 0 1 2 3 4 5 cm3.63(cm),0.0363(m)n游标最小读数属于估读,最小刻度值所在位游标最小读数属于估读,最小刻度值所在位可疑位可疑位可疑位可疑位 0 1 2 3 4 5 cm2.19(cm),0.0219(m)(2)有效位数的舍入规则有
5、效位数的舍入规则4 4舍舍舍舍6 6入入入入5 5凑偶凑偶凑偶凑偶 12.405 12.40,1.535 1.54 特别注意:特别注意:有效数字的位数和小数的位有效数字的位数和小数的位有效数字的位数和小数的位有效数字的位数和小数的位数的概念不可等同!数的概念不可等同!数的概念不可等同!数的概念不可等同!第7页,本讲稿共47页二、有效数字二、有效数字实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字2.注意:注意:(1)仪器读数有效位数的确定仪器读数有效位数的确定n最小刻度以下的估读位最小刻度以下的估读位可疑位可疑位可疑位可疑位 0 1 2 3 4 5 cm3.63(cm),0.0363(m)
6、n游标不估读,最小刻度值所在位游标不估读,最小刻度值所在位可疑位可疑位可疑位可疑位 0 1 2 3 4 5 cm2.19(cm),0.0219(m)(2)有效位数的舍入规则有效位数的舍入规则4 4舍舍舍舍6 6入入入入5 5凑偶凑偶凑偶凑偶 12.405 12.40,1.535 1.54 特别注意:特别注意:有效数字的位数和小数位有效数字的位数和小数位有效数字的位数和小数位有效数字的位数和小数位数的概念不可等同!数的概念不可等同!数的概念不可等同!数的概念不可等同!第8页,本讲稿共47页二、有效数字二、有效数字实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字0 1 2 3 4 5 cm2.
7、19(cm),0.0219(m)(2)有效位数的舍入规则有效位数的舍入规则4 4舍舍舍舍6 6入入入入5 5凑偶凑偶凑偶凑偶 12.405 12.40,1.535 1.54 特别注意:特别注意:有效数字的位数和小数有效数字的位数和小数有效数字的位数和小数有效数字的位数和小数的位数的概念不可等同!的位数的概念不可等同!的位数的概念不可等同!的位数的概念不可等同!运算规则:运算规则:3.有效数字的运算有效数字的运算第9页,本讲稿共47页实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字运算规则:运算规则:n可靠数字与可靠数字运算,结果仍为可靠数字;可靠数字与可靠数字运算,结果仍为可靠数字;n可靠
8、数字与可疑数字或可疑数字与可疑数字进行可靠数字与可疑数字或可疑数字与可疑数字进行运算,结果为可疑数字;运算,结果为可疑数字;n为避免舍、入误差的积累,建议中间结果应多保为避免舍、入误差的积累,建议中间结果应多保留留1位可疑数字。位可疑数字。二、有效数字二、有效数字3.有效数字的运算有效数字的运算了了解解第10页,本讲稿共47页基本运算规律基本运算规律 (1)加减法)加减法有效数字相加减时,所得结果中可疑有效数字相加减时,所得结果中可疑数字的位置与所有参与运算的各个数字的位置与所有参与运算的各个有效数有效数有效数有效数字中可疑数字位数最高的一个相同字中可疑数字位数最高的一个相同字中可疑数字位数最
9、高的一个相同字中可疑数字位数最高的一个相同。上述上述计算结果分别为计算结果分别为103.6,22.3。掌握掌握实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字第11页,本讲稿共47页(2)乘除)乘除法法 有效数字相乘(或相除),结果的有有效数字相乘(或相除),结果的有效位数与参与运算的各有效数字中效位数与参与运算的各有效数字中有效位有效位有效位有效位数最少者相同数最少者相同数最少者相同数最少者相同,上式结果取上式结果取22(本法与实(本法与实际有一定偏差)。际有一定偏差)。1 3.6 1.68 1 6 1 3 6 2 1.7 6 2 3.6 6.12 3 6 1 4 1 6 1 4 3.9
10、 6 掌握掌握实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字第12页,本讲稿共47页(3)函数运算:函数运算:乘方、开方、三角函数、自然对数等函数的有效位数与自变乘方、开方、三角函数、自然对数等函数的有效位数与自变量的有效位数相同。量的有效位数相同。(角度为(角度为60进制,进制,206应视为应视为2006,有四位有四位有效数字)有效数字)(4)混合运算:混合运算:按各步骤对应的运算方法逐步进行。按各步骤对应的运算方法逐步进行。掌握掌握实验误差与数据处理实验误差与数据处理有效数字有效数字第13页,本讲稿共47页第一节第一节 测量及其有效数字测量及其有效数字三、测量的分类三、测量的分类实验
11、误差与数据处理实验误差与数据处理测量可分为:测量可分为:直接测量直接测量用仪器能直接得到测量结果的测量用仪器能直接得到测量结果的测量间接测量间接测量通过函数关系得到测量结果的测量通过函数关系得到测量结果的测量如用米尺测长度,用秒表测时间就是直接测量。如用米尺测长度,用秒表测时间就是直接测量。而用单摆法测量重力加速度时,通过测长度、时间得而用单摆法测量重力加速度时,通过测长度、时间得为间接测量为间接测量第14页,本讲稿共47页第二节 实验误差与不确定度一、实验误差(测量误差)的概念一、实验误差(测量误差)的概念1.测量总是伴随着误差测量总是伴随着误差实验误差与数据处理实验误差与数据处理实验误差是
12、实验结果与被测量的真值之间的差值实验误差是实验结果与被测量的真值之间的差值.任何测量都受环境条件、实验的方法、仪器的精度、实验者任何测量都受环境条件、实验的方法、仪器的精度、实验者的素质等因素的限制,使测量不可能无限精确。的素质等因素的限制,使测量不可能无限精确。用用螺旋测微计螺旋测微计测量测量小球直径三次:小球直径三次:3.160mm3.163mm3.159mmRAVK用用伏安法伏安法测量电阻测量电阻电流表内阻影响结果电流表内阻影响结果例如:例如:第15页,本讲稿共47页一、实验误差的概念一、实验误差的概念2.实验(测量)误差分类实验(测量)误差分类说明:说明:1.比较测量准确度时比较测量准
13、确度时,不仅看绝对误差不仅看绝对误差,更重要的是更重要的是相对误差。相对误差。2.在实验中在实验中,x0是测量的目标,是测量的目标,x0和这两项误差难和这两项误差难以获得。为更科学地描述实验结果,我们将采用以获得。为更科学地描述实验结果,我们将采用不确定度反映误差。不确定度反映误差。(有一定可靠程度的真值范围)(有一定可靠程度的真值范围)n绝对误差绝对误差n相对误差相对误差第二节 实验误差与不确定度实验误差实验误差与数据处理与数据处理x测量值测量值 x0真值真值第16页,本讲稿共47页一、实验误差的概念一、实验误差的概念二、实验误差分析二、实验误差分析实验误差产生的原因主要有以下几个方面:实验
14、误差产生的原因主要有以下几个方面:1.测量仪器测量仪器2.测量方法测量方法3.实验者实验者4.测量环境测量环境第二节 实验误差与不确定度实验误差实验误差与数据处理与数据处理第17页,本讲稿共47页一、实验误差的概念一、实验误差的概念二、实验误差分析二、实验误差分析任何的实验结果都存在一定的不确定性,为表征测量结任何的实验结果都存在一定的不确定性,为表征测量结果的不确定程度,引入不确定度的概念。果的不确定程度,引入不确定度的概念。1.不确定度不确定度不确定度是表征被测量真值在某个量值范围的一个评定不确定度是表征被测量真值在某个量值范围的一个评定不确定度的估计值用不确定度的估计值用“标准偏差标准偏
15、差”表示,记为表示,记为u,则,则测量结果测量结果xu三、不确定度三、不确定度表明被测量的真值包含在表明被测量的真值包含在(x+u,x-u)范围内的概率为范围内的概率为0.683第二节 实验误差与不确定度实验误差实验误差与数据处理与数据处理第18页,本讲稿共47页相对不确定度相对不确定度2.置信概率(略)置信概率(略)测量结果测量结果xu表明被测量的真值包含在表明被测量的真值包含在(x+u,x-u)范围内的概率为范围内的概率为0.6831.不确定度不确定度不确定度是表征被测量真值在某个量值范围的一个评定不确定度是表征被测量真值在某个量值范围的一个评定不确定度的估计值用不确定度的估计值用“标准偏
16、差标准偏差”表示,记为表示,记为u,则,则即测量值的可信程度,即测量值的可信程度,相应地相应地(x+u,x-u)为置信区间。为置信区间。第二节 实验误差与不确定度实验误差实验误差与数据处理与数据处理第19页,本讲稿共47页测量结果测量结果xu相对不确定度相对不确定度2.置信概率(略)置信概率(略)即测量值的可信程度,即测量值的可信程度,相应地相应地(x+u,x-u)为置信区间。为置信区间。用标准不确定度表示测量结果时,其置信概率为用标准不确定度表示测量结果时,其置信概率为0.683。若。若取其它的置信概率,则必须用扩展不确定度取其它的置信概率,则必须用扩展不确定度。(略)。(略)第二节 实验误
17、差与不确定度实验误差实验误差与数据处理与数据处理约定:实验结果用标准不确定度表示,约定:实验结果用标准不确定度表示,第20页,本讲稿共47页测量结果的不确定度一般包含若干个分量,按其数值评定方法,测量结果的不确定度一般包含若干个分量,按其数值评定方法,这些分量可归为两类:这些分量可归为两类:(1)A类评定不确定度类评定不确定度 由测量列的统计分析评定的不确由测量列的统计分析评定的不确定度,也称为统计不确定度定度,也称为统计不确定度uA。(2)B类评定不确定度类评定不确定度 由非统计分析评定的不确定度,也由非统计分析评定的不确定度,也称为非统计不确定度称为非统计不确定度uB。测量结果的总不确定度
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