大学物理实验课程绪论ppt课件.ppt
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1、大学物理实验课程绪论ppt课件 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 目录目录1.1.为什么要上物理实验课2.测量、误差和不确定度估计3.实验数据处理方法4.怎样上好物理实验课21.1.为什么要上物理实验课1.1 物理实验的作用1.2 物理实验课的目的31.1 物理实验的作用 物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学,是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学,物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作
2、用。凡物理学的概念、规律及公式等都是以客观实验为基础的。因此物理学绝不能脱离物理实验结果的验证,实验是物理学的基础。4伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。诺贝尔奖得主丁肇中教授在国内大学演讲时曾经说:我是学实验物理的,实验是自然科学的基础,理论如果没有实验的证明,是没有意义的。当实验推翻了理论以后,才可能创建新的理论,理论是不可能推翻实验的。5以诺贝尔物理学奖为例以诺贝尔物理学奖为例:80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中
3、很多是实验和理论物理学家分享的。实验成果可以很快得奖,而理论成果要经过至少两个实验的检验。有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖(如:凝聚态物理)。6物理实验与诺贝尔奖物理实验与诺贝尔奖 在实验物理学方面取得伟大成功者:1.1901年首届诺贝尔物理学奖得主德国人伦琴(W.C.Rentegen),为奖励他于1895年发现X射线。2.1902年的得主是荷兰人塞曼,奖励他在1894年发现光谱线在磁场中会分裂的现象。3.1903年得主是法国人贝可勒尔(H.A.Becquerel),他于1896年发现了天然放射性。71997:发明了用激光冷却和俘获原子的方法 朱棣文 科恩、塔诺季 菲利普斯 19
4、98:量子霍耳效应,电子能够形成新型粒子 苏克林 施特默 崔琦82001:玻色-爱因斯坦凝聚态 康 奈 尔 克 特 勒 维 曼92009年诺贝尔物理学奖 得主英国华裔科学家英国华裔科学家高高锟锟光纤通信光纤通信美国科学家威拉德美国科学家威拉德博伊尔和乔治博伊尔和乔治史密史密斯斯半导体成像器件半导体成像器件电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)图像传感图像传感器器 10 1.2 物理实验课的目的学习实验知识培养实验能力提高实验素养11 学习实验知识通过对实验现象的观察,分析和对物理量的测量学习物理实验知识和设计思想,掌握和理解物理理论。12培养实验能力借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器;运用物理学
5、理论对实验现象进行初步的分析判断;正确记录和处理实验数据,绘制实验曲线,说明实验结果,撰写合格的实验报告;能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。13提高实验素养培养理论联系实际和实事求是的科学作风;严肃认真的工作态度;主动研究和创新的探索精神;遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。14 物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究,每个实验题目都经过精心设计安排,可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,是大学里从事科学实验的起步,同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面,物理实验课程也起着潜移默化的作用。希望同学们能重视这门课程的学习,经过
6、半年或一年的时间,真正能学有所得。152.测量、误差和不确定度估计2.1 测量与有效数字2.2 测量误差和不确定度估算的基础知识162.1 测量与有效数字测量有效数字的读取有效数字的运算有效数字尾数的舍取规则171.测 量 物理实验以测量为基础,所谓测量,就是用合适的工具或仪器,通过科学的方法,将反映被测对象某些特征的物理量(被测物理量)与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程,其比值即为被测物理量的测量值。测量的结果:数值(即度量的倍数),单位(即所选的物体或物理量)以及不确定度(结果可信赖的程度)。直接测量间接测量测量可分为测量可分为:18直接测量:直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准
7、直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到测量值;如单位相比较直接得到测量值;如:m,l,I,V间接测量:利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系,求得该被测物理量。系,求得该被测物理量。v=s/t,杨氏模量杨氏模量E,禁带宽度禁带宽度测量值=读数值读数值(有效数字有效数字)+)+单位单位有效数字 可靠数字可靠数字 可疑数字可疑数字(一位)(一位)(能读准的数字能读准的数字)(估读的一位数字估读的一位数字)它包含了一个测量数据的读出与所用仪器的精度。它包含了一个测量数据的读出与所用仪器的精度。如如:14.5mm,x:14.5mm,x米尺
8、米尺=1mm=1mm 有效数字的位数愈多,相对误差愈小。有效数字的位数愈多,相对误差愈小。192.有效数字的读取15.2mm15.0mm20说明:(1)有效位的多少,是测量实际的客观反映,不能随意增减测得值的有效位。(2)有效数字只有最后一位是存疑数字。(3)有效数字的位数与小数点的位置无关;1.25(3位)1.250(4位)0.0125(3位)1.0025(5位)(4)有效数字中数值中间的“0”与末尾的“0”均为有效数字;0.2870mm(4位);3.00V(3位);数字前面的“0”不是有效数字 例:0.0012m(2位)(5)在单位换算或变换指数幂时,不能改变有效数字位数;1.35g=1.
9、3510-3kg=1.35103mg 6371km6731000m637100000cm 3.6min=2.16102s (误差0.1min)21(6 6)要用科学计数法表示)要用科学计数法表示;632.8mm=6.32810-1m(7 7)测量结果有效数字位数由绝对误差(合成不确)测量结果有效数字位数由绝对误差(合成不确定度)决定,一般地定度)决定,一般地,绝对误差只取绝对误差只取1 1位有效数字的位有效数字的最末一位应与误差所在位对齐;最末一位应与误差所在位对齐;223.有效数字的运算加加、减减法法:诸诸量量相相加加(相相减减)时时,其其和和(差差)数数在在小小数数点点后后所所应应保保留留
10、的的位位数数与与诸诸数数中中小小数数点后位数点后位数最少的一个相同。最少的一个相同。4.178 37.9 +21.3 -5.76 25.478=25.5 32.14=32.123乘、除法:诸诸量量相相乘乘(除除)后后其其积积(商商)所所保保留留的的有有效效数数字字,只只须须与与诸诸因因子子中中有有效效数数字字最最少少的的一一个个相相同同,有有进进位位或退位时可多或少一位。或退位时可多或少一位。4.178 4.36 10.1 121 5280 4178 -484 4178 440 421978=42.2 -363 770 -726 44024乘方开方:有效数字与其底数的有效数字相同。有效数字与其
11、底数的有效数字相同。22525.06 104对数函数:运算后的尾数位数与真数位数相同。运算后的尾数位数与真数位数相同。例:例:lg1.938=0.2973指数函数:运运算算后后的的有有效效数数字字的的位位数数与与指指数数的的小小数点后的位数相同(包括紧接小数点后的零)。数点后的位数相同(包括紧接小数点后的零)。例:例:106.25=1.8 106 100.0035=1.008三角函数:取位随角度有效数字而定。取位随角度有效数字而定。例:例:Sin3000=0.5000 Cos2016=0.938125正确数不适用有效数字的运算规则。lg1938=3+lg1.938=3.2973取常数与测量值的
12、有效数字的位数相同。圆周长圆周长L=2,当,当R=2.356mm时,时,此时此时应取应取3.14264.有效数字尾数的舍入规则数值修约规则(按国家标准文件:GB8170-87)在进行具体的数字运算前,按照一定的规则确定一致的位数,然后舍去某些数字后面多余的尾数的过程被称为数字修约,指导数字修约的具体规则被称为数字修约规则。口诀:4舍6入5看右,5后有数进上去,尾数为0向左看,左数奇进偶舍弃。27有效数字尾数的舍入规则例:将下列数字全部修约为四位有效数字例:将下列数字全部修约为四位有效数字1)尾数)尾数4,1.118400001.1182)尾数)尾数6,1.118600001.1193)尾数)尾
13、数5,a)5右面还有右面还有不为不为0的数的数 1.118599991.119 1.118500011.119 b)5右面尾数右面尾数为为0则凑偶则凑偶1.117500001.118 1.118500001.11828一次性修约到指定的位数,不可以进行数次修约,一次性修约到指定的位数,不可以进行数次修约,否则得到的结果也有可能是错误的。否则得到的结果也有可能是错误的。例:将数字例:将数字10.2749945001修约为四位有效数字。修约为四位有效数字。一步到位:一步到位:10.274994500110.27(正确)。(正确)。错误结果:错误结果:10.2749945001 10.274995
14、10.275 10.28有效数字尾数的舍入规则29举例:举例:0.01082mm的有效位为的有效位为5位。位。应为应为 4 位位q=(1.612480.28765)kg 10-10 C改为:改为:q=(1.610.29)10-10 C98.754+1.3=100.0400 2500/(12.605-11.6)=1.00 106/1.0=1.00 10638cm=380mm 38cm=3.8 102mm302.2 测量误差和不确定度估算的基础知识误差随机误差的处理测量结果的不确定度表示间接测量不确定度的合成31对一待测物理量 x 误差dx 测量结果 x 真值 真值:物理量在一定实验条件下的客观物
15、理量在一定实验条件下的客观 存在值存在值1.误 差32 测量误差存在于一切测量过程中,可以控制得越来越小,不可能为零。误 差两种不同的误差采取不同的处理方法来给予消除和两种不同的误差采取不同的处理方法来给予消除和估计。估计。33测量的精度准确度准确度:表示测量结果系统误差的大小程度。结果比较接近客观实际的测量准确度高精密度精密度:表示测量结果随机误差的离散程度。结果彼此相近的测量精密度高精确度:精确度:综合反映出测量的系统误差与随机误差的大小程度。既精密又正确的测量精确度高 注意:注意:准确度,精密度,精确度三者的含义是不同的,使用时不能混淆。34测量的准确度、精密度、精确度测量的准确度、精密
16、度、精确度精密度高精密度高(随机误差小随机误差小)准确度差准确度差(系统误差大系统误差大)精密度低精密度低(随机误差大随机误差大)准确度高准确度高(系统误差小系统误差小)精确度高精确度高35举例:(P.37)2(2).0.008g的测量精度比8.0g的高。2(6).两个长度,甲用米尺测一个,乙用千分尺 测一个,结果肯定是乙测量的精度高。(P.12)相对不确定度更全面反映测量的精确度相对不确定度更全面反映测量的精确度36系统误差定 义:在对同一被测量的多次测量过程中,绝对在对同一被测量的多次测量过程中,绝对值和符号保持恒定或随测量条件的改变而按确定的值和符号保持恒定或随测量条件的改变而按确定的规
17、律变化。规律变化。(可以消除或尽可能减小的)可以消除或尽可能减小的)产生原因:由于测量仪器、测量方法、环境、个由于测量仪器、测量方法、环境、个人误差带入。人误差带入。分类及处理方法:1.1.已定系统误差:必须修正如:如:电表、螺旋测微计的零位误差;电表、螺旋测微计的零位误差;测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。2.2.未定系统误差:要估计出分布范围 如:螺旋测微计制造时的螺纹公差等。如:螺旋测微计制造时的螺纹公差等。37随机误差定定 义:义:在对同一量的多次重复测量中绝对值和符号在对同一量的多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。
18、(不能消除)以不可预知方式变化的测量误差分量。(不能消除)产生原因:产生原因:实验条件和环境因素无规则的起伏变化,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。例如:l电表轴承的摩擦力变动l螺旋测微计测力在一定范围内随机变化l操作读数时的视差影响38(1)有界性;(2)单峰性小误差出现的概率比大误差出现的概率大;(3)对称性无穷多次测量时服从正态分布;(4)抵偿性取多次测量的平均值有利于消减随机误差;随机误差特点39算术平均值 假定对一个物理量进行了n次测量,测得的值为xi (i=1,2,n)测量次数n为无穷大时,算术平均值等于真值。随
19、机误差的处理 (P.7)用多次测量的用多次测量的算术平均值算术平均值作为被测量的最佳结果作为被测量的最佳结果40教材教材P.361、米尺刻度不均匀。、米尺刻度不均匀。系统误差系统误差2、测质量时天平没有调水平。、测质量时天平没有调水平。系统误差系统误差3、用单摆测重力加速度时摆角过大。、用单摆测重力加速度时摆角过大。系统误差系统误差4、测量时对最小分度后一位的估读。、测量时对最小分度后一位的估读。随机误差随机误差41 有限测量时,算术平均值不等于真值,它的标准偏差为:的意义可以理解为:待测物理量处于置信区间待测物理量处于置信区间 内的概率为内的概率为68.3%。(贝塞尔公式贝塞尔公式)偏差偏差
20、测量值与平均值的差42 标准差小:表示测得值很密集,随机误差分布范围窄,测量的精密度高;标准差大:表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量的精密度低。标准差表示测量值的离散程度43 这个概率叫置信概率,也称为置信度。对应的区间叫置信区间,置信区间的半宽度 。表示为:任意一次测量值落入区间 的概率为44扩大置信区间,可增加置信概率 因此,一般将2称为极限误差。测量列中若某一测量值与平均值之差大于2时,应将其当作坏值粗差而舍去。45在测量次数n较小的情况下,测量将呈t 分布;n 较小时,偏离正态分布较多,n 较大时,趋于正态分布。t t 分布时,置信区间和置信度的计算需要对特殊函数积分,且不同的
21、测量次数对应不同的值,计算很繁。46 物理实验中,置信度一般取作0.95,这时t 分布相应的置信区间可写为:一般,我们取测量次数为6次。n345672.481.591.241.050.92647测量结果的不确定度表示 概念:不确定度不确定度 是由于测量误差存在而对是由于测量误差存在而对 被测量值不能确定的程度。被测量值不能确定的程度。意义:不确定度是一定不确定度是一定置信概率置信概率下的下的误差误差 限值限值,反映了可能存在的误差分布范围。反映了可能存在的误差分布范围。置信概率一般取0.9548 A 类分量 :可以用统计学方法估算的分量,一般指可以用统计学方法估算的分量,一般指随机误差随机误差
22、。不确定度组成A类、B类分量49B 类分量 :不能用统计学方法估算的分不能用统计学方法估算的分 量,一般指量,一般指系统误差系统误差。若不特别说明 c 叫置信因子,置信度取0.95时,c=1.05不确定度组成50 计量器具最大允许误差或允许基本误差,计量器具最大允许误差或允许基本误差,简化称为仪器的误差,用简化称为仪器的误差,用仪仪表示。它代表在表示。它代表在正确使用仪器的条件下,仪器示值与被测量真正确使用仪器的条件下,仪器示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。一般用值之间可能产生的最大误差的绝对值。一般用仪器的最小刻度值的一半作为仪器的最小刻度值的一半作为 仪仪,或着根据仪或着根据
23、仪器的级别进行计算器的级别进行计算:仪仪=量程量程级别(级别(%)一般的精密仪器一般的精密仪器:仪器误差仪器误差511 1 游标卡尺,仪器示值误差一律取卡尺分度值。游标卡尺,仪器示值误差一律取卡尺分度值。0.02mm0.02mm2 2 螺旋测微计,量程在螺旋测微计,量程在025mm025mm及及2550mm2550mm的一级千分尺的仪的一级千分尺的仪 器示值误差均为器示值误差均为 0.004mm0.004mm。3 3 在使用机械停表和电子停表时,其误差主要来源于启动和制在使用机械停表和电子停表时,其误差主要来源于启动和制动停表时的操作误差,其极限误差约为动停表时的操作误差,其极限误差约为0.2
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