大学物理实验预备知识.ppt
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1、郑州大学物理州大学物理实验中心中心物理物理实验的地位、作用的地位、作用物理物理实验课的目的的目的测量与有效数字量与有效数字测量量误差及差及处理方法理方法测量量结果的不确定度表示果的不确定度表示数据数据处理的基本方法理的基本方法怎怎样上好物理上好物理实验课实验成成绩的的评定定上上课须知及本学期知及本学期课程安排程安排 内内容容1.物理学是一物理学是一门实验科学。科学。许多物理学理多物理学理论和和规律都是以律都是以实验的新的新发现为依据被依据被提出来提出来,并并进一步由一步由实验所所检验。物理物理实验的地位、作用的地位、作用物理学研究方法物理学研究方法理理论物理物理实验物理物理物理学物理学发展展过
2、程中程中积累了丰富的累了丰富的实验方法、方法、创造了众多的精密造了众多的精密仪器,它器,它们在工程技在工程技术和生和生产实践的各行各践的各行各业中得到广泛的中得到广泛的应用。如用。如计量技量技术、激光技激光技术、半、半导体技体技术、真空技、真空技术、航空航天技、航空航天技术等等。等等。2.现代理代理论物理学与物理学与实验物理物理学的学的发展展,哺育哺育着着现代高新技代高新技术的成的成长和和发展。展。现代信息技代信息技术的的发展与展与物理学物理学发展的渊源:展的渊源:1947年,年,贝尔实验室的巴丁提出室的巴丁提出结晶表面晶表面理理论;1948年,巴丁和布拉年,巴丁和布拉顿发明第一个双点接触式明
3、第一个双点接触式晶体三极管晶体三极管;1949年,年,贝尔实验室的肖克利提出室的肖克利提出p-n结理理论,发明明结型晶体管型晶体管;1958年,杰克年,杰克基基尔比比发明第一明第一块集成集成电路路;1967年,年,大大规模集成模集成电路路产生;生;1977年,年,超超大大规模集成模集成电路路诞生。由此奠定生。由此奠定现代信息技代信息技术发展的基展的基础。高新技高新技术的的发展需要不断地探索新理展需要不断地探索新理论、新材料、新材料、新方法、新工新方法、新工艺,为此此进行的科学行的科学实验在在实验设计、实验方法、方法、仪器器选择、数据、数据处理等方面都是物理理等方面都是物理实验的移植与推广。的移
4、植与推广。3、“物理物理实验课”是是独立独立于于“大学物理大学物理”的一的一门基基础课。物理。物理实验能使学生在能使学生在实验方法与方法与实验技技能上得到系能上得到系统的的训练,使学生的科学,使学生的科学实验素素质与与素养得到培养与提高。素养得到培养与提高。物理实验课使用案例教学,每一个实验就是一个案例。其内容或是对一些物理量进行测量,或是对某一物理规律进行研究。学习一个实验包含了一般科学实验的全过程:提出任务、研究实验原理、设计实验方案、选择仪器设备、安装调试、按照设计方案步骤进行实验、观察现象、记录数据、处理数据、分析结果、写出实验报告。实验的过程往往存在许多随机因素的干扰,同学们要正确运
5、用理论知识、实验技能在实验中发现问题、分析问题、解决问题,观察现象、归纳结论。返回返回物理物理实验课的目的的目的学学习实验知知识培养培养实验能力能力提高提高实验素养素养 通通过对实验现象的象的观察、分析和察、分析和对物理量的物理量的测量,学量,学习物理物理实验知知识和和设计思想,掌握和理解物理理思想,掌握和理解物理理论。学学习实验知知识借助教材或借助教材或仪器器说明明书正确使用常用正确使用常用仪器;器;运用物理学理运用物理学理论对实验现象象进行初步的分析判行初步的分析判断;断;正确正确记录和和处理理实验数据,数据,绘制制实验曲曲线,说明明实验结果,撰写合格的果,撰写合格的实验报告;告;能能够根
6、据根据实验目的和目的和仪器器设计出合理的出合理的实验。培养培养实验能力能力培养理培养理论联系系实际和和实事求是的科事求是的科学作学作风;严肃认真的工作真的工作态度;度;主主动研究和研究和创新的探索精神;新的探索精神;遵守遵守纪律、律、团结协作和作和爱护公共公共财产的的优良品德。良品德。提高提高实验素养素养返回返回测量与有效数字量与有效数字测量量有效数字的有效数字的读取取有效数字的运算有效数字的运算有效数字尾数的舍取有效数字尾数的舍取规则物理物理实验以以测量量为基基础,所,所谓测量,就量,就是用合适的工具或是用合适的工具或仪器,通器,通过科学的方法,科学的方法,将反映被将反映被测对象某些特征的物
7、理量(被象某些特征的物理量(被测物理量)与物理量)与选作作标准准单位的同位的同类物理量物理量进行比行比较的的过程,其比程,其比值即即为被被测物理量的物理量的测量量值。测量直接直接测量量:将待将待测物理量与物理量与选定的同定的同类物理量的物理量的标准准单位直接相比位直接相比较,得到的比,得到的比值就是就是被被测物理量的物理量的测量量值;间接接测量量:利用待利用待测物理量物理量与某些可直接与某些可直接测量量之量量之间的的已知函数关系,求得已知函数关系,求得该待待测物理量物理量的的测量量值。测量量测量有效数字的有效数字的读取取测量量值=读数数值(有效数字有效数字)+单位位有效数字有效数字可靠数字可疑
8、数字(可靠数字可疑数字(一位一位)35 35 36(cm)3 3 36.036.00 0cmcm32 35.40cm211 1 35.635.66 6cmcm 有效数字的有效数字的读取取一位存疑数字一位存疑数字有效数字的有效数字的读取取1、一般、一般读数数应读到最小分度以下到最小分度以下再估一位再估一位。2、有、有时读数的估数的估计位,就取在位,就取在最小分度位最小分度位。例例如,如,仪器的最小分度器的最小分度值为0.5,则都是估都是估计的,的,不必估到下一位。不必估到下一位。3、游、游标类量具,量具,读到卡尺分度到卡尺分度值。多不估多不估读。4、数字式、数字式仪表及步表及步进读数数仪器器不需
9、估不需估读。1 1、加加加加、减减减减法法法法:经加加、减减运运算算后后,计算算结果果中中小小数数点点后后面面应保保留留的的位位数数和和参参与与运运算算的的诸数数中中小小数数点点后后位位数数最少的一个相同。最少的一个相同。4.178+21.3 25.478=25.5有效数字的运算有效数字的运算2 2、乘乘乘乘、除除除除法法法法:经乘乘、除除运运算算后后,计算算结果果的的有有效效数数字字与与诸因因子子中中有有效效数数字字最最少的一个相同。少的一个相同。4.178 10.1 4178 4178 421978=42.2有效数字的运算有效数字的运算3 3、乘方开方、乘方开方、乘方开方、乘方开方:有效数
10、字与其底的有效数字相同。:有效数字与其底的有效数字相同。4 4、对对数函数数函数数函数数函数: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 lg1938=3+lg1.938=3.29735 5、指数函数、指数函数、指数函数、指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同(包括小数点后的位数相同(包括紧接接小数点后的零)。小数点后的零)。例:例:106.25=1.8 106 100.0035=1.008有效数字的运算有效数字的运算6 6、三角函数、三角函数、三角函数、三角函数:取位随角度有效数字而定。取
11、位随角度有效数字而定。例:例:Sin3000=0.5000 Cos2016=0.93817、取取常数常数与与测量量值的有效数字的位数相同。的有效数字的位数相同。有效数字尾数的舍取规则例:将下列数字全部修例:将下列数字全部修约为四位有效数字四位有效数字1)尾数)尾数 4,1.118400001.1182)尾数)尾数 6,1.118600001.1193)尾数)尾数5,a)5右面右面还有不有不为0的数的数 1.118599991.119 1.118500011.119 b)5右面尾数右面尾数为0则凑偶凑偶1.117500001.118 1.118500001.118 口口诀:4舍舍6入入5看右,看
12、右,5后有数后有数进上去,上去,尾数尾数为0向左看,左数奇向左看,左数奇进偶舍弃。偶舍弃。返回返回测量量误差及差及处理方法理方法l测量量误差差l系系统误差差l随机随机误差差大学物理实验212、误差的分差的分类偶然偶然误差:在差:在对同一被同一被测量量进行多次行多次测量量时,误差的大小和符号以不可差的大小和符号以不可预知的方式知的方式变化的化的误差分量。差分量。测量误差 误差存在于一切差存在于一切测量之中,量之中,消除或减小消除或减小误差、差、对误差作出估差作出估计是是测量的不可缺少的量的不可缺少的组成部分。成部分。误差差系统误差:在在对同一被同一被测量量进行多次行多次测量量时,误差的大小和符号
13、保持恒差的大小和符号保持恒定或以某种可定或以某种可预知的方式知的方式变化化的的误差分量。差分量。系统误差仪器器误差差天平不等臂所造成的天平不等臂所造成的系系统误差差1、系统误差的来源系统误差公式公式(忽略了空气阻力)(忽略了空气阻力)理理论误差差方法方法误差差内接内接AVVRVAAVIRIV 用用V作作为VR的近似的近似值时,求,求外接外接系统误差个人个人误差差 心理作用,心理作用,读数(估数(估计)偏大或偏小)偏大或偏小。生理因素生理因素听听觉嗅嗅觉色色觉视觉对音域(音域(20HZ-20KHZ)的辨的辨别。对音色的辨音色的辨别。系统误差环境境误差差市市电的干的干扰输输入入入入光点光点光点光点
14、检检流流流流计计接近接近接近接近时时,静,静,静,静电电干干干干扰扰,使,使,使,使光斑移光斑移光斑移光斑移动动等等等等。系统误差系统误差已定系已定系统误差:在差:在测量量结果中引入修正量果中引入修正量对误差差进行消除。行消除。如伏安法如伏安法测电阻阻时要要计算出算出电表内阻表内阻产生的修正量生的修正量。未定系未定系统误差:可采用合适的差:可采用合适的测量方法量方法对误差差进行行补偿和消除。和消除。如交如交换法、法、补偿法、异号抵消法等法、异号抵消法等。不可消除的不可消除的误差要估差要估计出分布出分布范范围。2、系、系统误差的差的处理方法理方法随机误差 随机随机误差差对每一次每一次测量量结果的
15、影响具有随机性特果的影响具有随机性特点。但在多次点。但在多次测量中表量中表现出确定的出确定的规律律-统计规律。律。因此,可用因此,可用统计规律律对随机随机误差的影响程度作出客差的影响程度作出客观的估的估计和和评价。价。1、产生原因生原因:实验条件和条件和环境因素无境因素无规则的起伏的起伏变化,引起化,引起测量量值围绕真真值发生生涨落的落的变化。随机化。随机误差无差无法消除。法消除。大学物理实验30随机误差 标准准误差小:差小:表示表示测得得值很很密集,随机密集,随机误差分布范差分布范围窄,窄,测量的精密度高;量的精密度高;标准准误差大:差大:表示表示测得得值很很分散,随机分散,随机误差分布范差
16、分布范围宽,测量的精密度低。量的精密度低。标准准误差表示差表示测量量值的离散程度的离散程度大学物理实验32随机误差 扩大置信区大置信区间,可增加置信概率,可增加置信概率大学物理实验34大学物理实验35随机误差4、平均、平均值的的标准偏差准偏差测量列量列单次次测量的量的标准偏差:准偏差:测量列平均量列平均值的的标准偏差:准偏差:待待测量的量的值处于置信区于置信区间内的内的置信概率置信概率为0.683。大学物理实验37测量量结果的不确定度表示果的不确定度表示l不确定度的基本概念不确定度的基本概念l直接直接测量不确定度估量不确定度估计与表示与表示l间接接测量不确定度的合成量不确定度的合成不确定度的基
17、本概念不确定度的基本概念概念概念:不确定度不确定度是指由于是指由于测量量误差存在而差存在而对被被测量量值不能确定的程度。不能确定的程度。意意义:不确定度是不确定度是对一定一定置信概率置信概率下被下被测量的量的真真值所所处的量的量值范范围的的评定。定。置信概率一般取置信概率一般取0.95大学物理实验40大学物理实验41大学物理实验42大学物理实验43零点零点误差差d0=+0.004 mm,螺旋测微计的仪器误差为螺旋测微计的仪器误差为仪=0.004mmn123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250例例1:用螺旋:用螺旋测微微计测某一某一钢丝的直径,原始的直径,原
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