普通物理实验章节程绪论.ppt
《普通物理实验章节程绪论.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《普通物理实验章节程绪论.ppt(46页珍藏版)》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。
1、普通物理实验课程绪论普通物理实验课程绪论1.1.物理实验的重要作用物理实验的重要作用物理实验的重要作用物理实验的重要作用2.2.测量误差和不确定度估计的基础知识测量误差和不确定度估计的基础知识测量误差和不确定度估计的基础知识测量误差和不确定度估计的基础知识3.3.怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课 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。归根结底物理学是一门实验科学
2、,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。1.物理实验的重要作用经典物理学(力学、电磁学、光学)规律是经典物理学(力学、电磁学、光学)规律是由以往的无数实验事实为依据来总结出来的。由以往的无数实验事实为依据来总结出来的。X射线、放射性和电子的发现等为原子物理学、射线、放射性和电子的发现等为原子物理学、核物理学等的发展
3、奠定了基础核物理学等的发展奠定了基础。卢瑟福从大角度卢瑟福从大角度粒子散射实验结果提出了原粒子散射实验结果提出了原子核基本模型。子核基本模型。J 实验可以发现新事实,实验结果可以为实验可以发现新事实,实验结果可以为 物理规律的建立提供依据物理规律的建立提供依据1.物理实验的重要作用J 实验又是检验理论正确与否的重要判据实验又是检验理论正确与否的重要判据l1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论,年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论,能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果,但是直到能很好地解释勒纳德等人的光电效应实验结果,但是直到1916年当密年当密
4、立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后,光的粒子性立根以极其严密的实验证实了爱因斯坦的光电方程之后,光的粒子性才为人们所接受。才为人们所接受。l1974年年J/粒子的发现更进一步证实盖尔曼粒子的发现更进一步证实盖尔曼1964年提出的夸克理论。年提出的夸克理论。电磁场理论的提出与公认电磁场理论的提出与公认电磁场理论的提出与公认电磁场理论的提出与公认假说假说库仑定律库仑定律安培定律安培定律高斯定律高斯定律法拉第定律法拉第定律麦克斯韦在麦克斯韦在18651865年提出年提出电磁场理论电磁场理论麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组统一了电、磁、光现象统一了电、磁、光现象,预言了电磁波的存在并预预言了
5、电磁波的存在并预见到光也是一种电磁波见到光也是一种电磁波1879年赫兹实验发现了年赫兹实验发现了电磁波的存在并证实电电磁波的存在并证实电磁波的传播速度是光速磁波的传播速度是光速电磁场理论电磁场理论才得到公认才得到公认二十多年后二十多年后 理论物理与实验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受理论物理与实验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受实践检验。只有经受住实验的检验,由实验所证实,才会得到公认。实践检验。只有经受住实验的检验,由实验所证实,才会得到公认。1.物理实验的重要作用 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
6、都经过精心设计、安排,实验结果也研究,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。比较有定论,但它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较为系统、严格的训练,是大学里从事科学实验的起得到较为系统、严格的训练,是大学里从事科学实验的起步,同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面,步,同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面,物理实验课程也起着
7、潜移默化的作用。物理实验课程也起着潜移默化的作用。希望同学们能重视这门课程的学习,经过一年的时间,希望同学们能重视这门课程的学习,经过一年的时间,真正能学有所得。真正能学有所得。物理实验课程的目的物理实验课程的目的1.物理实验的重要作用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2-1 2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识测量误差和不确定度估算的基础知识测量误差和不确定度估算的基础知识测量误差和不确定度估算的基础知识2-2 2-2 实验数据有效位数的确定实验数据有效位数的确定实验数据有效位数的确定实验数据有效位数的确定2-3 2-3 作图法处理实验数据作图法处理实验数据作图
8、法处理实验数据作图法处理实验数据2-4 2-4 数据的直线拟合(最小二乘法处理实验数据)数据的直线拟合(最小二乘法处理实验数据)数据的直线拟合(最小二乘法处理实验数据)数据的直线拟合(最小二乘法处理实验数据)测测 量量物理实验以测量为基础物理实验以测量为基础完整的测量结果应表示为完整的测量结果应表示为:以电阻测量为例以电阻测量为例包括:包括:测量对象测量对象 测量对象的量值测量对象的量值 测量的不确定度测量的不确定度 测量值的单位测量值的单位 (Y=y 表示被测对象的真值落在(表示被测对象的真值落在(y ,y )范围内的概率很大,范围内的概率很大,的取值与一定的概率相联系。)的取值与一定的概率
9、相联系。)2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识测测 量量测量分为直接测量和间接测量测量分为直接测量和间接测量直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算而可直接得到被测量值的测量;系的辅助计算而可直接得到被测量值的测量;间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数间接测量指利用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被测量值的测量。关系经过计算从而得到被测量值的测量。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)。2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识测量误差的定义和
10、分类测量误差的定义和分类 误差误差dy测量值测量值 y 真值真值 Yt误差特性:普遍性、误差是小量误差特性:普遍性、误差是小量由于真值的不可知,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(有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差)(有时可以用准确度较高的结果作为约定真值来计算误差)误差的表示方法:误差的表示方法:绝对误差绝对误差 dy 相对误差相对误差误差分类误差分类 系统误差系统误差 随机误差随机误差 2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识系统误差系统误差定义:定义:在对同一被测量的多次测量过程中,绝对值和符号保持恒定在对同一被测量的多次测量过程中,绝对值和符号保持恒定
11、 或以可预知的方式变化的测量误差的分量。或以可预知的方式变化的测量误差的分量。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的误差。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。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(大致与(大致与 B 类不确定度类不确定度 B 相当)相当)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2-1 测量误
12、差和不确定度估算的基础知识随机误差随机误差定义:定义: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。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伏变化,引起测量值围绕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。例如:真值发生涨落的变化。例如:电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化、电表轴承的摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化、操作读数时的视差影响。操作读数时的视差影响。特点:特点:小误差出现的概率比大误差出现的概率大;小误差出现的概率比大
13、误差出现的概率大;多次测量时分布对称,具有抵偿性多次测量时分布对称,具有抵偿性因此因此取多次测量的平取多次测量的平 均值有利于消减随机误差。均值有利于消减随机误差。2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识随机误差的处理随机误差的处理 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yi(i=1,2,n),可,可以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)用标准偏差用标准偏差 s 表示测得值的分散性表示测得值的分散性s按贝塞耳公式求出:按贝塞耳公式求出:s大,表示测得值很分散,随机误差分布范
14、围宽,测量的精密度低;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;s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;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;s可由带统计功能的计算器直接求出。可由带统计功能的计算器直接求出。2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识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
15、为 测量列的标准偏差测量列的标准偏差2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识测量误差与不确定度测量误差与不确定度 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)等七个国际组织等七个国际组织1993年联合推出的年联合推出的 Guide to the expression of Uncertainty in measurement 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。不确定度反映了可能存在的误
16、差分布范围,即随机不确定度反映了可能存在的误差分布范围,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。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。2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识随机变量的分布随机变量的分布 正态分布正态分布:大量相对独立因素共同作用下得到的随机变量服从:大量相对独立因素共同作用下得到的随机变量服从正态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般
17、可以近似看正态分布。物理实验中多次独立测量得到的数据一般可以近似看作服从正态分布。作服从正态分布。表示表示 x 出现概率最大的值,消除系统误差后,出现概率最大的值,消除系统误差后,通常就可以得到通常就可以得到 x 的真值。的真值。称为标准差,决定了称为标准差,决定了线型的宽窄。线型的宽窄。表示随机变量表示随机变量 x 在在x1,x2区间出现的概率,称为置信水平。区间出现的概率,称为置信水平。实际测量的任务是通过测量数据求得实际测量的任务是通过测量数据求得 和和的值。的值。P(x)x小大2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识 t 分布分布实际测量次数有限,可用实际测量次数有限,可用 n 次测量
18、值的次测量值的 来估算来估算、:可以证明平均值的标准偏差可以证明平均值的标准偏差 是单次测量的是单次测量的 sx 值的值的 倍倍 此时可用此时可用 来表示实验结果来表示实验结果但是由于测量次数小,数据离散度大,测量结果将不符合正态分但是由于测量次数小,数据离散度大,测量结果将不符合正态分布,而是符合布,而是符合t 分布分布(t 分布分布是从是从 的性质得到的一种分布。的性质得到的一种分布。其中自由度其中自由度=n1。n 小时,小时,t 分布偏离正态分布较多。分布偏离正态分布较多。n 大时趋大时趋于正态分布)。于正态分布)。此时,此时,的置信水平不是的置信水平不是0.683,需乘以与置信水平,需
19、乘以与置信水平、自自由度由度有关的系数有关的系数 ,得到置信水平为,得到置信水平为的结果:的结果:的值可查表的值可查表2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识直接测量量不确定度的估算直接测量量不确定度的估算总不确定度分为两类不确定度:总不确定度分为两类不确定度:A 类分量类分量 多次重复测量时多次重复测量时 与随机误差有关的分量;与随机误差有关的分量;B 类分量类分量 与与未定系统误差有关的未定系统误差有关的分量。分量。这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度:不确定度:(我校物理实验教学中一般用总不确定度,置信概率取为(我校物理实验教学
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 普通 物理 实验 章节 绪论
限制150内