物理实验误差分析培训讲学.ppt
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1、物理实验误差分析(三)培养科学精神,提高科学素养,逐步具(三)培养科学精神,提高科学素养,逐步具备理论联系实际和实事求是的科学作风,严肃备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。认真的工作态度。(四)培养和提高学生的科学实验能力,其中(四)培养和提高学生的科学实验能力,其中(四)培养和提高学生的科学实验能力,其中(四)培养和提高学生的科学实验能力,其中包括:包括:包括:包括:自学能力自学能力自学能力自学能力动手操作能力动手操作能力动手操作能力动手操作能力综合分析综合分析综合分析综合分析能力能力能力能力科技写作能力科技写作能力科技写作能力科技写作能力设计能力设计能力设计能力设计能力
2、 绪论绪论 三、上课时间按单双周进行,上课地点三、上课时间按单双周进行,上课地点二实验楼五楼。二实验楼五楼。二、二、二、二、每班按课表排定时间,按实验循环表每班按课表排定时间,按实验循环表上课。上课。下一次课开始做实验下一次课开始做实验。一、实验课程一、实验课程总学时总学时5050学时,分两学期完学时,分两学期完成,每学期做成,每学期做8 8个实验,每次实验三学时。一次个实验,每次实验三学时。一次误差理论。误差理论。物理实验课程教学安排 物理实验基本程序与要求物理实验基本程序与要求1.1.1.1.实验课前预习实验课前预习实验课前预习实验课前预习(十分重要)(十分重要)(十分重要)(十分重要)(
3、1)(1)(1)(1)预习讲义中与本实验相关的全部内容。预习讲义中与本实验相关的全部内容。预习讲义中与本实验相关的全部内容。预习讲义中与本实验相关的全部内容。(2)(2)(2)(2)写出预习报告(实验题目、目的、原理、主要写出预习报告(实验题目、目的、原理、主要写出预习报告(实验题目、目的、原理、主要写出预习报告(实验题目、目的、原理、主要计算公式、原理简图)计算公式、原理简图)计算公式、原理简图)计算公式、原理简图),准备原始实验数据记录表准备原始实验数据记录表准备原始实验数据记录表准备原始实验数据记录表格。格。格。格。3.3.3.3.课堂实验操作课堂实验操作课堂实验操作课堂实验操作(1)(
4、1)(1)(1)上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。2.2.提前五分钟进入实验室,按组号入座,不要提前五分钟进入实验室,按组号入座,不要擅自动手,以免造成仪器损坏或发生事故擅自动手,以免造成仪器损坏或发生事故。(2)(2)仪器安装调试后经教师检查无误后方可仪器安装调试后经教师检查无误后方可仪器安装调试后经教师检查无误后方可仪器安装调试后经教师检查无误后方可进行实验操作。进行实验操作。进行实验操作。进行实验操作。(4)(4)(4)(4)实验后请将使用的仪器整理好,归回原处。实验后请将使用的
5、仪器整理好,归回原处。实验后请将使用的仪器整理好,归回原处。实验后请将使用的仪器整理好,归回原处。经教师允许后方可离开实验室。经教师允许后方可离开实验室。经教师允许后方可离开实验室。经教师允许后方可离开实验室。(3 3)操作完毕应主动请教师审核实验记录并)操作完毕应主动请教师审核实验记录并签字。签字。不经教师签字的记录无效不经教师签字的记录无效。(5)(5)(5)(5)课后按要求完成实验报告课后按要求完成实验报告课后按要求完成实验报告课后按要求完成实验报告,并在下次实验时交并在下次实验时交并在下次实验时交并在下次实验时交来。来。来。来。绪论绪论实验测量误差理论以实验测量误差理论以数据处理方法数
6、据处理方法 绪论绪论一、一、测量与误差的基本概念测量与误差的基本概念 二、测量结果不确定度评定二、测量结果不确定度评定三、有效数字及其运算三、有效数字及其运算四、结果表示四、结果表示五、实验数据处理五、实验数据处理常用方常用方法法一一.测量与误差的基本概念测量与误差的基本概念 1.测量的定义与分类测量的定义与分类分类分类分类分类直接测量直接测量:可以用测量仪器或仪表直接读出可以用测量仪器或仪表直接读出测量值的测量。测量值的测量。间接测量:间接测量:依据待测量和某几个直接测量值的函依据待测量和某几个直接测量值的函数关系求出,这样的测量称为间接测量。数关系求出,这样的测量称为间接测量。测量测量测量
7、测量:就是通过物理实验的方法,把被测量就是通过物理实验的方法,把被测量与作为标准的同类单位量进行比较的过程。与作为标准的同类单位量进行比较的过程。测量测量是物理实验的基础。是物理实验的基础。长度、质量、温度等。体积、密度、粘度等。2.2.2.2.2.2.真值、算术平均值真值、算术平均值真值、算术平均值真值、算术平均值真值、算术平均值真值、算术平均值真值真值:某物理量在一定客观条件下真实大小。某物理量在一定客观条件下真实大小。(真值是个理想的概念,一般不可能准确知道。)真值是个理想的概念,一般不可能准确知道。)算术平均值:算术平均值:算术平均值:算术平均值:多次测量的算术平均值可作为真值的最佳近
8、似值多次测量的算术平均值可作为真值的最佳近似值 3.3.3.3.误差、偏差误差、偏差误差、偏差误差、偏差误差误差误差误差:被测物理量的测量值与真值之差:被测物理量的测量值与真值之差:被测物理量的测量值与真值之差:被测物理量的测量值与真值之差偏差偏差偏差偏差:被测物理量的测量值与算术平均值之差:被测物理量的测量值与算术平均值之差:被测物理量的测量值与算术平均值之差:被测物理量的测量值与算术平均值之差 4.4.4.4.4.4.误差的分类误差的分类误差的分类误差的分类误差的分类误差的分类由测量产生的原因与性质可分为系统误差和随机误差由测量产生的原因与性质可分为系统误差和随机误差系统误差:系统误差:在
9、同一条件下多次测在同一条件下多次测量同一物理量时,其量同一物理量时,其结果的符号和大小按结果的符号和大小按一定规律变化的误差一定规律变化的误差 来源来源仪器误差仪器误差仪器误差仪器误差仪器误差仪器误差方法误差方法误差方法误差方法误差方法误差方法误差环境误差环境误差环境误差环境误差环境误差环境误差人为误差人为误差人为误差人为误差人为误差人为误差 特点特点:倾向性、方向性(或者都偏大或者都偏小)倾向性、方向性(或者都偏大或者都偏小)消除方法消除方法:改进、修正、矫正。改进、修正、矫正。产生原因:产生原因:仪器,理论推导,实验方法,操作,环境等。仪器,理论推导,实验方法,操作,环境等。随机误差:随机
10、误差:在消除或修正系统误差之后,测量在消除或修正系统误差之后,测量结果仍会出现一些无规律的起伏。结果仍会出现一些无规律的起伏。这种绝对值和符号随机变化的误差,这种绝对值和符号随机变化的误差,称为随机误差称为随机误差 来源来源主观方面主观方面主观方面主观方面测量仪器方面测量仪器方面测量仪器方面测量仪器方面环境方面环境方面环境方面环境方面特点:特点:随机性(忽大忽小,忽正忽负,没有规律),但随机性(忽大忽小,忽正忽负,没有规律),但当测量次数比较多时服从统计规律。最常见的就是正态当测量次数比较多时服从统计规律。最常见的就是正态分布(高斯分布)。分布(高斯分布)。消除方法:消除方法:多次测量取平均值
11、多次测量取平均值 随测量次数的增加随测量次数的增加,偶然(随机)误差遵从统计规律偶然(随机)误差遵从统计规律,其分布函数:其分布函数:小小大大 x x:表示测量误差(测量值与真值之表示测量误差(测量值与真值之表示测量误差(测量值与真值之表示测量误差(测量值与真值之差)差)差)差):可以表示测量值偏离真值大小的程度,可以表示测量值偏离真值大小的程度,可以表示测量值偏离真值大小的程度,可以表示测量值偏离真值大小的程度,可以表示测量值偏离真值大小的程度,可以表示测量值偏离真值大小的程度,被称为标准误差被称为标准误差被称为标准误差被称为标准误差被称为标准误差被称为标准误差f f(x x):表示测量误差
12、表示测量误差表示测量误差表示测量误差 x x出现的概率出现的概率出现的概率出现的概率 当当当当当当6 6 6 6 6 6n10n10n10时,服从时,服从时,服从时,服从时,服从时,服从t t t分布,分布,分布,分布,分布,分布,的最佳估计值的最佳估计值的最佳估计值的最佳估计值的最佳估计值的最佳估计值样本的样本的样本的样本的样本的样本的标准偏差:标准偏差:标准偏差:标准偏差:标准偏差:标准偏差:绪论绪论当当n趋于无穷大,服从正态分布,其中标准误差:趋于无穷大,服从正态分布,其中标准误差:二二.测量结果的不确定度评定测量结果的不确定度评定(一)、不确定度的概念(一)、不确定度的概念(一)、不确
13、定度的概念(一)、不确定度的概念(一)、不确定度的概念(一)、不确定度的概念 (三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤 (四)、间接测量量的不确定度评定步骤(四)、间接测量量的不确定度评定步骤(四)、间接测量量的不确定度评定步骤(四)、间接测量量的不确定度评定步骤(四)、间接测量量的不确定度评定步骤(四)、间接测量量的不确定度评定步骤(二)、不确定度的分类(二)、不确定度的分类(二)、不确定度的分类(二)、不确定度的分类
14、 1、为什么要引入不确定度?、为什么要引入不确定度?误差概念的局限性一一般般来来说说,真真值值是是无无法法得得到到的的,误误差差是是测测量量值值与与真真值值之之差差,所所以以也也就就无无法法得得到到。我我们们只只能能通通过过一一定定的的方方法法对对测测量量误误差差进进行估计。行估计。(一)、不确定度的概念(一)、不确定度的概念(一)、不确定度的概念(一)、不确定度的概念 2、不确定度、不确定度含义:所所谓谓测测量量不不确确定定度度,是是指指由由于于测测量量误误差差的的存存在在而而对对测测量量值值不不能能肯肯定定的的程程度度。实实际际上上是是对对测测量量的的真真值值在在某某个个量量值值范范围围的
15、的一个评定。一个评定。表征测量结果具有分散性的一个参数。表征测量结果具有分散性的一个参数。(二)、不确定度的分类(二)、不确定度的分类(二)、不确定度的分类(二)、不确定度的分类不确定度的两类分量不确定度的两类分量不确定度的两类分量不确定度的两类分量 (1)A类评定不确定度类评定不确定度A:统计方法得到的。:统计方法得到的。这类不确这类不确定度被认为是服从正态分布规律的定度被认为是服从正态分布规律的。绪论绪论(2)类)类 非统计不确定度非统计不确定度是指用非统计方法求出或评定的不确定度是指用非统计方法求出或评定的不确定度 对类不确定度的估计作简化处理,只讨论因仪器不准对类不确定度的估计作简化处
16、理,只讨论因仪器不准对应的不确定度。仪器不准确的程度主要用仪器误差来对应的不确定度。仪器不准确的程度主要用仪器误差来表示表示,即:,即:(3 3)合成不确定度)合成不确定度)合成不确定度)合成不确定度补充补充常见仪器的示值误差的大小常见仪器的示值误差的大小1.米尺米尺 2.卡尺卡尺 3.千分尺千分尺 4.天平天平 5.温度计温度计 6.数显仪器数显仪器 7.电表类仪器电表类仪器 绪论绪论(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评定步骤(三)、直接测量量的不确定度评
17、定步骤 (3 3)计算测量列的样本标准偏差)计算测量列的样本标准偏差)计算测量列的样本标准偏差)计算测量列的样本标准偏差(1 1)修正测量数据中的可定系统误差;)修正测量数据中的可定系统误差;)修正测量数据中的可定系统误差;)修正测量数据中的可定系统误差;(2 2)计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳值)计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳值)计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳值)计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳值 (4 4)样本标准偏差作为不确定度类分量)样本标准偏差作为不确定度类分量)样本标准偏差作为不确定度类分量)样本标准偏差作为不确定度类分量(5 5)计算不确定度
18、的类分量)计算不确定度的类分量)计算不确定度的类分量)计算不确定度的类分量(6 6)求合成不确定度)求合成不确定度)求合成不确定度)求合成不确定度 (7 7)写出最终结果表示)写出最终结果表示)写出最终结果表示)写出最终结果表示例:用米尺测量一物体长度,测量了六次,其测量值分别是:例:用米尺测量一物体长度,测量了六次,其测量值分别是:例:用米尺测量一物体长度,测量了六次,其测量值分别是:例:用米尺测量一物体长度,测量了六次,其测量值分别是:l l=51.37=51.37;51.3551.35;51.3451.34;51.3951.39;51.3451.34;51.3851.38;(单位单位单位
19、单位cmcm)。试计算合成不确定度,并写出测量结果。试计算合成不确定度,并写出测量结果。试计算合成不确定度,并写出测量结果。试计算合成不确定度,并写出测量结果。解解解解:1 1)修正测量数据中可定系统误差(如零点修正,本题不用)修正测量数据中可定系统误差(如零点修正,本题不用)修正测量数据中可定系统误差(如零点修正,本题不用)修正测量数据中可定系统误差(如零点修正,本题不用)2 2)计算)计算)计算)计算 l l的最佳值的最佳值的最佳值的最佳值;3)3)计算类不确定度计算类不确定度计算类不确定度计算类不确定度:4)4)类不确定度类不确定度类不确定度类不确定度:5 5)合成不确定度:)合成不确定
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