大学物理实验基础.ppt
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1、大学物理实验课程 基础知识(二)1-5间接测量结果的表示间接测量结果的表示一一.间接测量的最佳估计值间接测量的最佳估计值设:设:x x、y y、zz各自独立,误差理论可以证明间接测量各自独立,误差理论可以证明间接测量量的最佳值为:量的最佳值为:二二.间接测量的不确定度间接测量的不确定度U UN N估算估算设:设:x x、y y、zz各各自独立。自独立。已知已知已知已知或或或或 误差理论可以证明,间接测量的误差理论可以证明,间接测量的 不确定度不确定度U UN N(或(或E EN N)的传递)的传递 公式为:公式为:三三.间接测量的结果表示间接测量的结果表示S=(8.050.05)cm2 几种错
2、误认识:几种错误认识:1 1)认为真值为)认为真值为8.05cm8.05cm2 2 ()()2)2)认为测量值与真值的差为认为测量值与真值的差为0.05cm0.05cm2 2 ()()3)3)认为此物体的面积是认为此物体的面积是8.00cm8.00cm2 2或或8.10cm8.10cm2 2 ()()举例举例1.和差关系和差关系若若 不确定度传递公式不确定度传递公式则则举例举例2.乘除关系乘除关系和差关系和差关系先求先求U UN N较方便较方便乘除关系(含幂次关系)乘除关系(含幂次关系)先求先求E EN N较方便。较方便。由由可求出可求出由由可求出可求出如果变量各自独立,如果变量各自独立,如果
3、变量各自独立,如果变量各自独立,k k、mm、n n均为常数均为常数均为常数均为常数如函数关系式为如函数关系式为混合运算混合运算则由不确定度的传递公式推导。则由不确定度的传递公式推导。间接测量间接测量用米尺测量一正方形的边长用米尺测量一正方形的边长6 6次测量值次测量值a a分别为分别为:2.012.01、2.002.00、2.04 2.04、1.98 1.98、1.97 1.97、2.00 2.00 单单位位cmcm,已知米尺的仪器误差为,已知米尺的仪器误差为 仪仪=0.5mm=0.5mm,试用不确定度试用不确定度表示面积表示面积S S的测量结果。的测量结果。有效数字的基本知识vv误差存在于
4、误差存在于误差存在于误差存在于 一切测量之中,因此测量值只是一切测量之中,因此测量值只是一切测量之中,因此测量值只是一切测量之中,因此测量值只是近似数值,它与数学上的数应该有不同的意近似数值,它与数学上的数应该有不同的意近似数值,它与数学上的数应该有不同的意近似数值,它与数学上的数应该有不同的意义和表示方法。义和表示方法。义和表示方法。义和表示方法。vv 测量值都称为有效数字,它有特殊的表示方测量值都称为有效数字,它有特殊的表示方测量值都称为有效数字,它有特殊的表示方测量值都称为有效数字,它有特殊的表示方法和运算规则。法和运算规则。法和运算规则。法和运算规则。vv测量结果应保留数字的位数多少,
5、决定被测测量结果应保留数字的位数多少,决定被测测量结果应保留数字的位数多少,决定被测测量结果应保留数字的位数多少,决定被测量的大小和所有仪器的精度量的大小和所有仪器的精度量的大小和所有仪器的精度量的大小和所有仪器的精度1 1 有效数字及其运算有效数字及其运算一有效数字的定义一有效数字的定义 由由于于测测量量存存在在误误差差,必必须须用用不不确确定定度度评评价价测测量量结结果果,因因而而测测量量值值应应有有一一定定位位数数有效数字。有效数字。定义:有效数字定义:有效数字可靠数字可靠数字1 1位可疑数字位可疑数字1位欠准数字位欠准数字若干位准确数字若干位准确数字(1 1)以刻度为依据)以刻度为依据
6、 可准确读到可准确读到最小刻度最小刻度所在位。所在位。(2 2)在最小刻度)在最小刻度 之间可之间可估计一位估计一位。有效数字来源有效数字来源于测量时所用的于测量时所用的仪器。我们的任仪器。我们的任务是使测量值尽务是使测量值尽可能准确地反映可能准确地反映出它的真实值。出它的真实值。有两个特征:有两个特征:有效数字的特征:有效数字的特征:0 01 12 23 34 4分度值分度值1 1mm L=3.25cm 三位三位0 01 12 23 34 4分度值分度值1 1cm L=3.2cm 二位二位15.2mm15.0mm二、关于有效数字的几点说明:二、关于有效数字的几点说明:(1 1 1 1)非测量
7、值(如公式中的常数,实验次)非测量值(如公式中的常数,实验次)非测量值(如公式中的常数,实验次)非测量值(如公式中的常数,实验次数等)不是有效数字,如数等)不是有效数字,如数等)不是有效数字,如数等)不是有效数字,如 ,e e e e等不是有效等不是有效等不是有效等不是有效数字。数字。数字。数字。(2 2 2 2)在测量数据中,左边第一位非零数字)在测量数据中,左边第一位非零数字)在测量数据中,左边第一位非零数字)在测量数据中,左边第一位非零数字之前的零不是有效数字,但数据中间和末之前的零不是有效数字,但数据中间和末之前的零不是有效数字,但数据中间和末之前的零不是有效数字,但数据中间和末尾的零
8、应算为有效数字。尾的零应算为有效数字。尾的零应算为有效数字。尾的零应算为有效数字。例:例:0.0021(二位),(二位),0.00201(三位),(三位),0.002010(四位)(四位)(3 3 3 3)记录数据时,不可随便增(减)零。)记录数据时,不可随便增(减)零。)记录数据时,不可随便增(减)零。)记录数据时,不可随便增(减)零。对测量数据而言,尽管它们在数字上相对测量数据而言,尽管它们在数字上相对测量数据而言,尽管它们在数字上相对测量数据而言,尽管它们在数字上相等,等,等,等,8.605cm8.6050cm8.605cm8.6050cm8.605cm8.6050cm8.605cm8.
9、6050cm。(4 4 4 4)在换算单位时应保持有效)在换算单位时应保持有效)在换算单位时应保持有效)在换算单位时应保持有效数字位数不变。数字位数不变。数字位数不变。数字位数不变。(5 5)注意科学计数法的正确形式。)注意科学计数法的正确形式。N N中小数点在第中小数点在第1 1、2 2位之间。位之间。(6 6)有效数字的位数与小数点的位置无)有效数字的位数与小数点的位置无关关例如:例如:12.3mm 1.23cm 0.0123m12.3mm 1.23cm 0.0123m都是都是3 3位有效数字位有效数字 有效数字的运算规则有效数字的运算规则几个运算原则:几个运算原则:有效数字与有效数字运算
10、有效数字与有效数字运算 =有效数字有效数字可疑数字与可疑数字运算可疑数字与可疑数字运算=可疑数字可疑数字(进位数可视为可靠数)(进位数可视为可靠数)可疑数字与可靠数字运算可疑数字与可靠数字运算=可疑数字可疑数字可靠数字与可靠数字运算可靠数字与可靠数字运算=可靠数字可靠数字四四 间间 接接 测测 量量 结结 果果 的的 有有 效效 数数 字字 有有 效效 数数 字字 的的 运运 算算 规则规则1 1加加、减减运运算算计计算算结结果果的的小小数数点点后后应应保保留留的的位位数数与与所所有有参参加加运运算算中中小小数数点点后后位位数数最最少少的的那那个相同。例:个相同。例:41.41.8 815.4
11、15.41 18.378.372 2 41.8+15.41 57.21 57.21 8.372 48.838 48.848.8 有效数字运算规则有效数字运算规则只保留一位欠准确数字只保留一位欠准确数字例:例:397.87.625312.419893.0(1)用计算器得:用计算器得:93.0052(2)确定小数点后的位数:确定小数点后的位数:1位位(3)结果:结果:93.02.2.乘除运算乘除运算1.1111 1.111111111111+111111.233321乘除结果的有效数字位数和参与运乘除结果的有效数字位数和参与运算各数中有效数字位数最少的相同算各数中有效数字位数最少的相同例:(例:(
12、2147.2810.0452147.2810.045)18.3018.30(1 1)用计算器:)用计算器:1178.6572461178.657246 (2 2)确定结果的位数:)确定结果的位数:4 4位位 (3 3)结果:)结果:11791179乘除结果的有效数字位数和参与运乘除结果的有效数字位数和参与运算各数中有效数字位数最少的相同算各数中有效数字位数最少的相同混合运算混合运算3.3.乘方、立方、开方乘方、立方、开方有效数字位数与底数的相同有效数字位数与底数的相同4 4三角函数三角函数 已知已知 求求 解:解:5.5.对数运算对数运算 对数函数对数函数:运算后的尾数位数与真数位数相运算后的
13、尾数位数与真数位数相同。同。例:例:lg1.93lg1.938 8=0.297=0.2973 3 lg1938=3+lg1.938=3.297 lg1938=3+lg1.938=3.2973 3 6.6.常数、常数、e e(有效数字可以认为是无限(有效数字可以认为是无限多)多)常数常数不影响原来位数不影响原来位数、ee取至比结果多保留一位参与运算。取至比结果多保留一位参与运算。五五.舍入法舍入法 尾数尾数44舍舍 尾数尾数66入入 尾数尾数5 5前位为奇数时入前位为奇数时入 前位为偶数时舍前位为偶数时舍4 4舍舍6 6入入5 5凑偶凑偶 数字取舍规则:数字取舍规则:“四舍六入五凑偶”六测量结果
14、最终由不确定度定位六测量结果最终由不确定度定位方法:方法:先先由由运运算算规规则则暂暂定定,最最终终由由不不确确定定度度定定位。位。1 1不确定度的有效位数不确定度的有效位数 在运算过程中可取在运算过程中可取在运算过程中可取在运算过程中可取1 1 1 12 2 2 2位位位位 取一位取一位取一位取一位n U U在在结果表示式中只取结果表示式中只取1位位。n E:可取可取12位。位。E10%取一位取一位 E10%可取可取2位位2 2 2 2结果的最后一位与不确定度所在位结果的最后一位与不确定度所在位结果的最后一位与不确定度所在位结果的最后一位与不确定度所在位对对对对 齐齐齐齐,用舍入法舍入多余位
15、数。,用舍入法舍入多余位数。,用舍入法舍入多余位数。,用舍入法舍入多余位数。3.3.3.3.在任何情况下在任何情况下在任何情况下在任何情况下S S S Sx x x x、U UU U、E E E EU UU U都都都都不允许不允许不允许不允许取取取取3 3 3 3位位位位以上。以上。以上。以上。例如:例如:测量重力加速度,算得测量重力加速度,算得 g=978.4cm/s g=978.4cm/s2 2 U Ug g=5cm/s=5cm/s2 2 结果:结果:g g(978.45)cm/s(978.45)cm/s2 2 (错)错)说明测量误差较大,降低了测量值有效说明测量误差较大,降低了测量值有效
16、数字的位数。数字的位数。g g(9.780.05)10(9.780.05)102 2cm/scm/s2 2(对)(对)g g(9785)cm/s(9785)cm/s2 (对)(对)注:不确定度注:不确定度U U取一位取一位改错:改错:1.N=(2.586 0.036)2.N=(23.9560.0201)3.N=(2.36105 1000)4.N=1.231.235=1.519N=(2.59 0.04)N=(23.960.02)N=(2.36 0.01)105 N=1.231.235=1.52正确表示实验结果:正确表示实验结果:例例1):已知:已知 x=(71.30.5)cm2y=(6.2620
17、.002)cm2 z=(0.7350.001)cm2求求:N=x+y-z及测量结果的表示形式及测量结果的表示形式例例 2)已知:)已知:r=(8.440.03)cm T=(1.13730.0002)s g=980.12 cm/s2 求:求:及测量结果的表示式及测量结果的表示式间接测量结果的计算步骤:间接测量结果的计算步骤:v 正确表示各直接测量量的结果;正确表示各直接测量量的结果;v 将各直接量最佳值代入原理公式计将各直接量最佳值代入原理公式计 算;算;v 推导不确定度公式,并将各直接测量推导不确定度公式,并将各直接测量 量代入计算;量代入计算;v 正确表示结果,结果的末位与不确定正确表示结果
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