物理普通物理实验资料课件.ppt
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1、1 1普通物理实验综述(1)(3课时)2012年10月2 2主要内容主要内容一、测量的基本概念二、有效数字及其处理三、测量误差的基本概念 四、直接测量量的误差处理过程五、间接测量量的误差处理过程实验内容实验一 基本测量实验二 固体、液体密度的测量实验三 单摆法测量重力加速度实验四 验证牛顿第二定律实验五 用三线摆测定刚体转动惯量实验六 落球法测量液体粘滞系数实验七 梁弯曲法测量杨氏模量 3 3一、测量的基本概念一、测量的基本概念n测量是指为确定被测对象的量值而进行的一组操作。n直接测量直接从仪器或量具上读出待测量的大小。n间接测量待测量的量值由若干直接测量量经过一定的函数运算获得n等精度测量在
2、相同的测量条件下进行的一系列测量,在物理实验中的测量都是等精度测量。n不等精度测量在不同的测量条件下进行的一系列测量。4 4二、有效数字二、有效数字n可靠数字由测量仪器上直读获得的准确数字。n存疑数字由测量仪器上通过估读得到的那部分数字。n有效数字测量结果中能够反映被测量大小的带有一位存疑数字的全部数字。n实验中记录的数字与数学上的数字具有不同含义:n在数学上 8.35=8.350=8.3500 n在实验测量中 8.358.3508.35005 5n有效数字的估读方法n刻度类量具(如直尺、米尺、千分尺)n通常估读到最小分度的下一位。有时可根据情况(如分度的间距、刻线、指针的粗细及分度的数值等)
3、估读到最小分度值的 1/5、1/4 或 1/2。n某些量具只估读到最小分度值。如一些物理天平,仪器的最小分度值为0.5,则 0.1、0.2、0.3、0.4 及 0.6、0.7、0.8、0.9 都是估计的,不需要再估读下一位。n游标类量具(如游标卡尺)只读到游标分度值,一般不估读,特殊情况估读到游标分度值的一半。6 6n数字式仪表、步进读数仪器(如电阻箱)不需要估读,仪器显示的末位就是欠准数字。n常数(如、e 等)具有无限位数的有效数字,根据运算需要适当截取。n特殊情况直读数据的有效数字由仪器的灵敏阈决定。例如,在测量灵敏电流计临界电阻时,调节电阻箱的“10”挡,仪表上才刚刚有反应,所以尽管电阻
4、箱的最小步进值为 0.1,测量值也只能记录到“10”。在读取数据时,如果测量值末尾包括存疑位均为0,则不可舍去,例如用米尺:31cm 需记为 31.00 cm,31.2 cm 需记为 31.20 cm。7 7n有效数字与单位变换单位的变换不能改变有效数字的位数。因此,实验中要求尽量使用科学计数法表示数据。如100.2 m=0.1002 km10020 cm100200 mm采用科学计数法就不会产生这个问题:100.2 m=0.1002 km=1.002104 cm=1.002105 mmn有效数字截取规则:四舍六入五成双n第 n 位后的数字小于等于 4 时舍去,大于等于 6 时进位。n第 n
5、位后的数字为 5,而其后数字非零则第 n 位数加 1。n第 n 位后的数字为 5,而其后数字全部为零时,则第 n 位数为偶数时不变,为奇数时加 1。8 8n有效数字运算规则n四则运算:将运算结果按照小数点后有效数字最少的数据对齐小数部分进行截取。n乘方、开方:其结果的有效数字位数与被乘方、开方数的有效数字位数相同。n对数函数:运算结果小数点后的位数与真数的位数相同。n指数函数:运算结果小数点后的位数与指数中小数点后的位数相同。n三角函数:可采用试探法,将自变量欠准位上、下波动一个单位,观察结果在哪一位上波动,结果的欠准位就取在该位上。9 9三、测量误差的基本概念三、测量误差的基本概念 n误差来
6、源n随机误差(偶然误差、A类误差、A类不确定度)n测量过程中人为因素造成的误差,如读数的习惯、过失。是主要计算量,n通常采取多次测量的方法减小A类误差。n过失误差可能带来坏值,必须剔除。n系统误差(B类误差、B类不确定度)n仪器精度的影响:是主要来源。主要计算量。n实验原理与方法的影响:研究更好的方法来减小它。n周围环境的影响:建设更好的实验室。n后两类误差不进行计算,但可用于对结果的分析。1010n真值与误差测量结果与标准值(真值)的差称为误差:误差 由随机误差与系统误差两部分组成。n最佳值(最可信赖值)对于无真值的测量量,n 次测量值的平均值即最佳值:n测量结果的表示n偏差某次测量值与最佳
7、值的差称为该次测量值的偏差:1111四、直接测量量的误差处理过程四、直接测量量的误差处理过程 对某个物理量的测量,重复测量次数 n=6,对于n个测量数据,进行数据处理的过程如下:1.计算最可信赖值(算术平均值)2.计算实验标准偏差(实验标准差)3.剔除坏值:测量次数多于5 次,使用肖维涅准则。方法如下:n在附表中查找对应测量次数 n 的系数 n计算最小允许测量值:n计算最大允许测量值:n检查 n 次测量值,剔除不在 之内的数据。n重复 13 步直到没有坏值。1212附:肖维涅准则数据表nC(n)nC(n)nC(n)51.65142.10232.3061.73152.13242.3171.801
8、62.15252.3381.86172.17302.3991.92182.20402.49101.96192.22502.58112.00202.24752.71122.03212.261002.81132.07222.282003.0213134.确定 A 类误差(A类不确定度即算术平均值的实验标准差):5.确定 B 类误差(系统误差、B类不确定度):式中,根据仪器的示值误差限、基本误差或仪器的灵敏阈确定。对于刻度仪器,通常取最小刻度的一半。6.计算合成不确定度(误差)7.表示测量结果1414n直接测量量的数据处理示例例:用千分尺对一小球直径测量 8 次,测量结果见下表 ,千分尺的零点读数为
9、 0.008 mm,试处理这组数据并给出测量结果。次数12345678Dmm2.1252.1312.1212.1272.1242.1262.1232.129Dmm2.1172.1232.1132.1192.1162.1182.1152.1211515n修正零点误差:,填入上表 D 行。n直径的最佳值 n实验标准差为(中间运算,多取一位)n剔除坏值:按肖维涅准则,当 n=8 时,系数n最小值:2.188-1.860.0033=2.111(mm)n最大值:2.118+1.860.0033=2.124(mm)n经检查,无坏值。1616nA类不确定度计算:nB类不确定度计算:(中间运算,有效数字位数暂
10、多取一位)n合成不确定度:n表示结果:注意误差的计算与有效数字的处理不同,一律向前进位。1717五、间接测量量的误差处理过程五、间接测量量的误差处理过程 设间接测量量 V 与直接测量量 x、y、z 函数关系为1.按直接测量量的不确定度计算方法分别计算直接测量量 x、y、z 的最佳值 及不确定度2.计算间接测量量的最佳值3.根据误差传递规则计算间接测量量结果的不确定度4.表示测量结果参看讲义参看讲义P18-24页的有关说明和页的有关说明和示例。示例。1818实验一实验一 基本测量基本测量n预习内容n使用游标卡尺注意事项n游标卡尺读数规则n使用螺旋测微器注意事项n螺旋测微计的测量方法及读数n使用读
11、数显微镜的注意事项与读数方法n了解实验内容和基本步骤及误差处理方法。1919n游标卡尺构造内侧量爪 紧固螺栓 主刻度尺 深度尺外侧量爪 游标刻度尺 2020n游标卡尺读数规则n看清卡尺精确度。n以游标零刻线位置为准,在主尺上读取整毫米数。n看游标上哪条刻线与主尺上的某一刻线对齐,由游标上读出毫米以下的小数。n总的读数为主尺毫米整数加上游标毫米小数。n游标卡尺注意事项n根据被测对象情况,决定使用外量爪、内量爪、深度尺。n游标卡尺在读数时不需向后估读一位。n应记录游标卡尺零点位置,以便对测量值进行修正。2121n千分尺结构 固定测砧 活动测砧 锁紧装置 固定套管 微分筒 测力装置2222n螺旋测微
12、器读数规则 n以可动尺边缘为准在固定刻度上读出整毫米数。n从可动刻度上读出毫米以下的小数 n测量长度为上述二者之和。n螺旋测微器注意事项n先用粗测旋钮使测头小砧接近被测物,后用微调旋钮使测头小砧接触被测物。听到“喀”、“喀”止动声后停止旋转。n读数时注意固定刻度尺上表示半毫米的刻线是否露出n螺旋测微器读数时必须估读一位,即估读到 0.001mm 这一位上。2323n螺旋测微计的测量方法及读数结果:5+0.033-0.015=5.018mm2424n螺旋测微计的测量方法及读数结果:结果:5+0.5+0.033+0.025=5.558mm2525n实验目的n学习游标卡尺、螺旋测微器、读数显微镜的正
13、确使用。n学会实验数据处理方法。n实验仪器n游标卡尺、螺旋测微器、读数显微镜、待测空心柱体、小钢球、金属丝等2626n实验原理1)使用游标卡尺测量空心柱体的高度H、外径D、深度h、内径d,根据柱体的体积公式可得2)使用螺旋测微计测量钢球的直径D,根据球体的体积公式可得3)使用读数显微镜测量钢球的直径的起点S与终点E,则其直径为2727n实验步骤n用游标卡尺测量给定空心圆柱体的体积并计算其不确定度n用螺旋测微器测量给定球体的体积并计算其不确定度n用读数显微镜测量给定细丝的直径并计算其不确定度2828实验二实验二 固体、液体密度的测量固体、液体密度的测量n预习内容n物理天平的操作规则与注意事项n水
14、平调节n零点调节n称衡方法n理解直接称衡法测定固体密度的方法。n理解流体静力称衡法测定固体(不溶于水)密度的方法。n理解比重瓶法测定液体密度的方法。2929n物理天平的构造原理3030n物理天平的操作规则与注意事项n天平的负载不得超过其最大称量,以免损坏刀口和横梁。n在调节天平、取放物体、取放砝码(包括游码)以及不用天平时,都必须将天平止动,以免损坏刀口。只有在判断天平是否平衡时才将天平启动。n待测物体和砝码要放在称盘正中。砝码不许直接用手拿取,只准用镊子夹取。n高温物体、液体及带腐蚀性的化学药品,不得直接放在称盘内称量。n各台天平均附有本台的称盘和砝码,相互间不得混淆。3131n实验目的n熟
15、悉物理天平的结构,掌握物理天平的使用方法。n掌握用静力称衡法测量固体和液体密度。n实验仪器n物理天平(含砝码组)n游标卡尺、烧杯、待测样本、细线、蒸馏水等 n实验原理物质密度的定义式为 ,因此,密度的测定一般归结为物体质量和体积的测定。1)直接称衡法测量固体密度用天平测量样品质量 ,对形状规则的样品测量其线度,然后根据有关公式计算它的体积。对不规则的均匀物体用量杯测量它的体积 V,然后按照定义计算其密度。32322)流体静力称衡法设 为待测样品质量,为把物体挂在天平挂钩上分别在空气和全部浸没在水中称得的质量,根据阿基米德定理可得待测样品的密度为:3)比重瓶法测量液体密度若空比重瓶的质量为 ,装
16、满待测液体时质量为 ,装满同温度蒸馏水时质量为 ,则根据阿基米德原理可得待测液体的密度为:3333n实验步骤n直接称衡法测量固体样本密度用天平测量样品质量 ,用量杯测其体积 V,各 6 次。n用流体静力称衡法测定固体样本的密度将固体样本挂在天平挂钩上测得质量 ,再将其全部浸没在蒸馏水中称其质量 ,各测 6 次。n用比重瓶法测定液体样本的密度用天平测量空比重瓶的质量 ,将比重瓶装满待测液体样本后测其质量 ,将比重瓶中待测液体倒回并冲洗干净,装满蒸馏水后测其质量 ,各测 6 次。3434n注意事项n天平调整平衡之后不要移动位置,以免破坏平衡。n每次使用天平之前一定要注意观察天平是否平衡。n用量杯测
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