实验绪论12秋.ppt
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1、实验绪论12秋 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。有生命必有希望注意:v严禁随意调换实验分组、实验时间,(会影响实验成绩);v病、事假须凭医生或有关学院加盖公章的证明及时与有关老师联系,尽早补做。超过时限则该次实验没有分数。1.物理实验的重要作用物理实验的重要作用 物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构的物理实验是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学,它必须以客观事实为基础,必须依靠观察和实验。科学,它必须以客观事实为基础,必须依靠观察和实验。归根结底物理
2、学是一门实验科学,无论物理概念的建立还归根结底物理学是一门实验科学,无论物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础,并通是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础,并通过今后的科学实验来证实。过今后的科学实验来证实。物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的物理实验在物理学的发展过程中起着重要的和直接的作用。作用。我们的物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研我们的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,实验结果也比较究,每个实验题目都经过精心设计、安排,实验结果也比较有定论,但它是对学生进行基础训练的一门重要课程。有定论,但它
3、是对学生进行基础训练的一门重要课程。它不仅可以加深大家对理论的理解,更重要的是可使同它不仅可以加深大家对理论的理解,更重要的是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。验课程也起着潜移默化的作用。物理实验课程的目的物理实验课程的目的2.测量误差和数据处理的基础知识测量误差和数据处理的基础知识2-
4、1 测量与误差测量与误差2-2不确定度估算不确定度估算2-3测量结果的表示测量结果的表示2-4实验数据有效位数的确定实验数据有效位数的确定测测 量量v物理实验以测量为基础物理实验以测量为基础v测量,就是将待测的物理量与一个选来作为标准的测量,就是将待测的物理量与一个选来作为标准的同类量进行比较,得出它们的倍数关系的过程。同类量进行比较,得出它们的倍数关系的过程。v选来作为标准的同类量称之为选来作为标准的同类量称之为单位单位,倍数称为,倍数称为测量测量数值数值。v一个物理量的测量值一个物理量的测量值(结果结果)包含包含:数值和单位数值和单位。完整的测量结果应表示为:完整的测量结果应表示为:v以电
5、阻测量为例以电阻测量为例 单位单位测量结果测量结果测量的量值测量的量值测量的不确定度测量的不确定度p 被测对象的真值落在被测对象的真值落在 范围内的范围内的概率很大,概率很大,的取值与一定的概率相联系。的取值与一定的概率相联系。直接测量直接测量指用测量仪器能直接得到结果的测量;指用测量仪器能直接得到结果的测量;直接测量量。直接测量量。间接测量间接测量指利用若干直接测量的量与被测量之间指利用若干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结果的测量;的已知函数关系经过计算从而得到结果的测量;间接测量量。间接测量量。直接测量和间接测量直接测量和间接测量测量的分类测量的分类等精度测量与不等
6、精度测量等精度测量与不等精度测量等精度测量:是指在测量条件(包括量仪、测量人员、测量方法及环境条件等)不变的情况下,对某一被测几何量进行的多次测量。相反,在测量过程中全部或部分因素和条件发生改变,称为不等精度测量。u任何测量都可能存在误差任何测量都可能存在误差(测量不可能无限准确(测量不可能无限准确)误误 差差真值:被测物理量真值:被测物理量具有的客观的真实数值,具有的客观的真实数值,用用 X 表示。表示。v测量的最终目的都是要获得物理量的真值。测量结果与客观真值有一定的差异,这种差异测量结果与客观真值有一定的差异,这种差异称之为称之为误差误差:xi=xi-Xu在误差必然存在的条件下,物理量的
7、真值是不可知的。通常所说的真值有如下几种类型:通常所说的真值有如下几种类型:v(1)理论真值理论真值v(2)公认值公认值v(3)计量约定真值计量约定真值 v(4)标准器相对真值(或实际值)标准器相对真值(或实际值)测量误差及分类测量误差及分类 误差误差 xi=xi-X v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v误差的表示方法:误差的表示方法:绝对误差绝对误差xi 相对误差相对误差v误差分类:误差分类:系统误差系统误差 随机误差随机误差 粗大误差粗大误差系统误差系统误差v定义:定义:在对同一被测量的多次测量过程中,绝对值和符号在对同一被测量的多次测量过程中,绝对
8、值和符号保持恒定或以可预知的方式变化的测量误差的分量。保持恒定或以可预知的方式变化的测量误差的分量。v产生原因:产生原因:由于测量仪器、测量方法、环境带入由于测量仪器、测量方法、环境带入v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:必须修正必须修正电表、螺旋测微计的零位误差;电表、螺旋测微计的零位误差;伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起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。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过失误差(粗大误差)过失误差(粗大误差)v 由
9、突发性因素造成的,实验者粗心大意或由突发性因素造成的,实验者粗心大意或突突 然的外界干扰等。然的外界干扰等。v 处理:剔除处理:剔除随机误差(偶然误差)随机误差(偶然误差)定义:定义:在对同一量的多次重复测量中绝对值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。和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。产生原因:产生原因:实验条件和环境因素无规则的起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。伏变化,引起测量值围绕真值发生涨落的变化。例如:电表轴承的摩擦力变动、外界干扰、操作、例如:电表轴承的摩擦力变动、外界干扰、操作、读数时的影响等等。读数时
10、的影响等等。特点:特点:v随机误差的特点是随机性。随机误差的特点是随机性。也就是说在相同条件下,也就是说在相同条件下,对同对同 一物理量进行多次重复测量,每次测量的误差的一物理量进行多次重复测量,每次测量的误差的大小和正负无法预知,纯属偶然。但是如果测量次数大小和正负无法预知,纯属偶然。但是如果测量次数足够多的话,大部分测量的随机误差都服从一定的统足够多的话,大部分测量的随机误差都服从一定的统计规律。计规律。v遵从正态分布的随机误差有以下几点特征:遵从正态分布的随机误差有以下几点特征:1)单峰性)单峰性;2)对称性)对称性;3)有界性)有界性;4)抵偿性)抵偿性:随机误差的处理随机误差的处理1
11、.近真值:近真值: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(i=1,2,n),可以,可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值(假定无系统误差假定无系统误差)2.误差估算:误差估算:1)算术平均绝对误差:)算术平均绝对误差:n次测量,每次的偏差次测量,每次的偏差 算术平均绝对误差:算术平均绝对误差:任一次测量任一次测量的误差落在的误差落在(-,+)区)区间内的可能性内的可能性为57.5%2)标准误差(方均根误差)标准误差(方均根误差)用标准误差用标准误差表示测得值的分散性表示测得值的分散性按贝塞耳公式求出:
12、按贝塞耳公式求出:(n有限时)有限时)Sx大,表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量大,表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量的精密度低;的精密度低;Sx小,表示测得值很密集,随机误差分布范围窄,测量小,表示测得值很密集,随机误差分布范围窄,测量的精密度高;的精密度高;n不很小时,测量列中任一测量值的误差落在不很小时,测量列中任一测量值的误差落在(-Sx,+Sx)内的概率在内的概率在68%左右左右Sx 为为测量测量的的标准偏差,它标准偏差,它是测量次数有是测量次数有限多时,标准限多时,标准误差的一个估误差的一个估计值。计值。随机误差的处理举例随机误差的处理举例例:例:用用50分度的游标
13、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次测量次测量 结果如下(单位结果如下(单位mm):):250.08,250.14,250.06,250.10,250.06,250.10则:则:测得值的最佳估计值为测得值的最佳估计值为 测量列的标准偏差测量列的标准偏差3)算术平均值的标准误差)算术平均值的标准误差v算术平均值算术平均值 的标准误差为的标准误差为:上上式式说说明明算算术术平平均均值值的的标标准准误误差差小小于于标标误误差差差差,因因为为算算术术平平均均值值是是测测量量结结果果的的最最佳佳值值,它它比比任意一次测量值任意一次测量值xi更接近真值,误差要小。更接近真值,误差要小。在
14、在多多次次测测量量的的随随机机误误差差遵遵从从正正态态分分布布的的条条件件下,真值处于该区间内的概率为下,真值处于该区间内的概率为68.3%。仪器误差仪器误差仪v 在正确使用仪器的条件下,测量所得结果和真值在正确使用仪器的条件下,测量所得结果和真值之间可能产生的最大误差。之间可能产生的最大误差。v 长度测量类:长度测量类:1)说明书;)说明书;2)查有关标准和规定;)查有关标准和规定;3)不可估读:最小分度值;可估读:最小分度值的一半。)不可估读:最小分度值;可估读:最小分度值的一半。v质量测量类质量测量类:天平天平v时间测量类时间测量类:秒表(不可估读),最小分度值秒表(不可估读),最小分度
15、值v温度测量类温度测量类:温度计最小分度值的一半温度计最小分度值的一半v-等价标准差等价标准差测量误差与不确定度测量误差与不确定度v 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、国际 测量局测量局(BIPM)等七个国际组织联合推出的等七个国际组织联合推出的 不确定度:不确定度:Uncertaintyv 不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能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。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。v 不确定度反映了可能存在的误差分布范围,即随机不确定度反映了可能存在的误差分
16、布范围,即随机 误差分量和未定系统误差的联合分布范围。误差分量和未定系统误差的联合分布范围。v 由于真值的不可知,误差一般是不能计算的,它可由于真值的不可知,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。不确定度与测量结果的不确定度与测量结果的 表示表示v测量不确定度测量不确定度 由于测量误差的存在,难以确定被测量的真值。由于测量误差的存在,难以确定被测量的真值。测量不确定度是表征测量真值在某一个量值范围内测量不确定度是表征测量真值在某一个量值范围内不能肯定程度的一个
17、评定。不能肯定程度的一个评定。测量不确定度包含测量不确定度包含A类标准不确定度和类标准不确定度和B类标类标准不确定度。准不确定度。v1)不确定度的)不确定度的A类评定(类评定(A类分量)类分量)由于偶然因素,在同一条件下对同一物理量由于偶然因素,在同一条件下对同一物理量X进行多次进行多次重复测量的值,将是分散的,从分散的测量值出发用统计的重复测量的值,将是分散的,从分散的测量值出发用统计的方法评定标准不确定度,就是标准不确定度的方法评定标准不确定度,就是标准不确定度的A类评定类评定v不确定度的不确定度的A类分量就取为算术平均值的标准偏差,类分量就取为算术平均值的标准偏差,即即 按按误误差差理理
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