物理实验设计性实验测量方法.pptx

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1、物理实验的基本测量方法系统误差的分析与处理设计性实验1 1将待测的物理量直接或间接地与作为基准的将待测的物理量直接或间接地与作为基准的同类物理量进行比较，得到比值的过程，叫同类物理量进行比较，得到比值的过程，叫做做测量测量。模拟法比较法积累和放大法转换法物理实验的基本测量方法物理实验的基本测量方法2 2就是把待测的物理量直接或间接地与作为基准(或标准单位)的同类物理量进行比较，得到比值的过程。直接比较测量法 水银的热膨胀去测量温度、用弹簧的形 变去测力等均为这类测量，此种测量称间 接比较测量法。1比比 较较 法法间接比较测量法比较系统比较系统3 3 0 10 X比较法比较法：如如：米尺：米尺.

2、电表都是根据比较法设计而成电表都是根据比较法设计而成的仪器。的仪器。50505050100100100100200200200200mAmAmAmA0 02002002002004 4比较系统比较系统有些比较要借助于或简或繁的仪器设备，经过或简或繁的操作才能完成，此类仪器设备称为比较系统。天平、电桥、电位差计等均是常用的比较系统。为了进行比较，常用以下方法：(1)直读法(2)均衡法、补偿法或示零法(3)比率测量法(4)交换法和替代法5 5在物理实验中我们常常可能遇到这样一些问题，即受测量仪器精度的限制，或受人的反应时间的限制，单次测量的误差很大或无法测出待测量的有用信息，这就需要采用累积放大法

3、来进行测量。2.积累和放大法积累和放大法1m单摆的物理模型6 6机械放大法机械放大法：通过某种方法将被测量通过某种方法将被测量 放大后，再进行测量。放大后，再进行测量。如如：螺旋测微计测长：螺旋测微计测长-200把螺纹细分而进行放大。把螺纹细分而进行放大。7 7电学放大法 电子学的放大电路将微弱的电信号放大后进行测量，这就是电学放大法。随着微电子技术和电子器件的发展，各种电信号的放大都很容易实现，因而这一方法在电子仪器上应用十分普遍。光学放大法光学放大法分为视角放大和微小变化量(微小长度、微小角度)放大两种。放大镜、显微镜和望远镜等都属于视角放大的仪器。8 8q光杠杆放大光杠杆放大光杠杆望远镜

4、竖尺DSS0S1d2d1DLqqqq放大倍数放大倍数=2S/d取取S=2m，d=80mm，放大放大50倍倍9 9转换测量法是根据物理量之间的各种效应和定量函数关系，利用变换原理将不能或不易测量的待测物理量转换成能测或易测的物理量进行测量，然后再求待测物理量。参量转换法能量转换法两大类。3 转换法转换法1010转换法转换法：对无法直接测量的量，转换为：对无法直接测量的量，转换为对该量所产生的某种效应进行测量。对该量所产生的某种效应进行测量。如如：测酸、碱、盐溶液的浓度：测酸、碱、盐溶液的浓度.I1111 用压电传感器用压电传感器测驾驶员座椅的测驾驶员座椅的受力分布。受力分布。待测粮食待测粮食待测

5、粮食待测粮食传送带传送带传送带传送带粮食烘干装置粮食烘干装置待测粮食的含水量与待测粮食的含水量与反射光强反射光强 I I 有关有关F F1212非光量的光测非光量的光测地球地球月球月球直角反射器直角反射器 通过测发射与接收两光信号的时通过测发射与接收两光信号的时通过测发射与接收两光信号的时通过测发射与接收两光信号的时间间隔间间隔间间隔间间隔 ，在，在，在，在C C C C已知的条件已知的条件已知的条件已知的条件下，可知地球、月球之间距离为下，可知地球、月球之间距离为下，可知地球、月球之间距离为下，可知地球、月球之间距离为38383838万万万万公里。激光具有良好的方向性。故制公里。激光具有良好

6、的方向性。故制公里。激光具有良好的方向性。故制公里。激光具有良好的方向性。故制成各种激光测距仪。成各种激光测距仪。成各种激光测距仪。成各种激光测距仪。1313 利用声波反射，判断前方障碍物利用声波反射，判断前方障碍物（冰山、暗礁、船只、鱼群等）。（冰山、暗礁、船只、鱼群等）。非电量电测非电量电测14142.能量转换法传感器转换法与参量转换不同，能量转换是利用种运动形式转换为另一种运动形式时物理量之间的对应关系进行的间接测量。(1)热电转换(2)压电转换(3)光电转换(4)磁电转换 (5)几何变化量与电学参量的转换 1515 用压电传感器用压电传感器测驾驶员座椅的测驾驶员座椅的受力分布。受力分布

7、。待测粮食待测粮食待测粮食待测粮食传送带传送带传送带传送带粮食烘干装置粮食烘干装置待测粮食的含水量与待测粮食的含水量与反射光强反射光强 I I 有关有关F F1616干涉计量法干涉计量法:现代精密计量的基础现代精密计量的基础。待测平面待测平面平晶平晶待测平面待测平面平晶平晶17172.2.4模拟法模拟测量法是根据相似性原理，人为地制造一个类似于被研究的对象或运动过程的模型，用模型的测试代替对实际对象的测试的实验方法。1.几何模拟法2.物理模拟法 3.数学模拟法1818模拟法模拟法：对不易测量的量，用对模型的对不易测量的量，用对模型的测量代替对原型的测量。测量代替对原型的测量。+q-q1919

8、物理实验的物理实验的基本操作技术基本操作技术2020 1仪器初态和安全位置 所谓“初态”是指仪器设备在进入正式调整、实验前的状态。正确的初态可保证仪器设备安全，保证实验工作顺利进行。2零位(零点)调整零位校准有二种情况，一种是测量仪器本身有零位校准器，如电表等，则可进行调整，使仪器在测量前处于零位。另外一种，仪器虽然零位不准，但无法调整、校准，如磨损了的米尺、螺旋千分尺等，则需在测量前记录最初读数，以备在测量结果中修正。21213水平、铅直调整物理实验所用的仪器或装置中，有些需在水平或铅直状态下才能正常工作。大部分需调整的仪器自身就装有水准仪或悬锤，底座有二个或三个(排成等边或等腰三角形)可调

9、节的螺钉 22224消除视差的调整当刻度标尺与指示器或标识物不在同一平面时，眼睛从不同方向观察会出现读数有差异或物与标尺刻线有分离的现象，称为视差现象。为了测量正确，实验时必须消除视差。消除视差的方法有二：一是使视线垂直标尺平面读数。二是使标尺平面与被测物密合于同一平面内。23235调焦 在使用望远镜、显微镜和测微目镜等光学仪器时，为了进行正确的测量或看清目的物，均需进行调焦.例如望远镜要调节叉丝到物镜的距离使之处于透镜的焦面上；使用显微镜要使被观察对象处于物镜的工作距离处，而测微目镜则要使叉丝在目镜的焦距内作适当的调节。这种调节统称为调焦。24246等高共轴调整 在由两个或两个以上的光学元件

10、组成的实验系统中，为获得好的像质，满足近轴光线条件，必须进行共轴调整，即：使所有光学元件的光轴重合，且其物面、屏面垂直于光轴。调整一般分为两步，第一步进行粗调(目测调整)，第二步根据光学规律进行细调，常用的方法有自准法和二次成像法。蜡烛成像25257消除空程误差由丝杠、螺母构成的转动与读数机构，由于螺母与丝杠之间有螺纹间隙，往往在测量刚开始或刚反向转动丝杠时，丝杠需转过一定角度才能与螺母啮合。结果，与丝杠联结在一起的鼓轮已有读数改变，而由螺母带动的机构尚未产生位移，造成虚假读数而产生空程误差。保持整个读数过程继续沿同一方向前进切勿忽正忽反旋转26268逐次逼近调整依据一定的判据，逐次缩小调整范

11、围，使系统较快地收敛于所需状态的方法称为逐次逼近调节法。判据在不同的仪器中是不同的，如天平是看天平指针是否指零，平衡电桥是看检流计指针是否指零。逐次逼近调节法在天平、电桥，电位差计等仪器的平衡调节中都要用到，27279先定性、后定量原则 10回路接线法11跃接法2828在示零法测量中，经常采用瞬间(而不是较长时间)接通示零电路的方法来对平衡状态或平衡偏离的方向作出判断。这样做的好处是，在远离平衡状态时保护仪表(例如电位差计实验中的标准电池和光点检流计)，使其免受长时间的大电流冲击；在接近平衡时，通过电路的瞬间通断比较，提高检测灵敏度 2929系统误差的分析与处理3030误差的分类误差的分类系统

12、误差系统误差随机误差随机误差仪器误差方法误差环境误差人员误差装置误差3131天平不等臂所造成的天平不等臂所造成的 系统误差系统误差仪器误差仪器误差1.1.系统误差系统误差3232 螺线管为无限长，管壁磁漏可螺线管为无限长，管壁磁漏可忽略。忽略。如：如：由于理论推导中的近似由于理论推导中的近似,产生的产生的系统误差系统误差理论理论3333人为人为 心理作用，读数（估计）偏大或偏小。心理作用，读数（估计）偏大或偏小。生理因素生理因素听觉听觉嗅觉嗅觉色觉色觉视觉视觉对音域（对音域（2020HZ-20KHZHZ-20KHZ）的辨别。的辨别。对音色的辨别。对音色的辨别。3434环境环境市电的干扰市电的干

13、扰输入输入输入输入光点检流计光点检流计光点检流计光点检流计接近时，静接近时，静接近时，静接近时，静电干扰，使电干扰，使电干扰，使电干扰，使光斑移动等光斑移动等光斑移动等光斑移动等。3535方法方法内接内接A AV VV VR RV VA AA AV VI IR RI IV V 用用V V作为作为V VR R的近似值的近似值时，求时，求外接外接3636公式公式 （忽略了空气阻力等）（忽略了空气阻力等）意大利科学意大利科学意大利科学意大利科学家伽利略在比家伽利略在比家伽利略在比家伽利略在比萨斜塔上做的萨斜塔上做的萨斜塔上做的萨斜塔上做的铁球落地实验铁球落地实验铁球落地实验铁球落地实验。两个不同重。

14、两个不同重。两个不同重。两个不同重量的铁球从高量的铁球从高量的铁球从高量的铁球从高处落下，同时处落下，同时处落下，同时处落下，同时着地。说明理着地。说明理着地。说明理着地。说明理论在一般情况论在一般情况论在一般情况论在一般情况下都能较准确下都能较准确下都能较准确下都能较准确地反映物体真地反映物体真地反映物体真地反映物体真实的运动规律实的运动规律实的运动规律实的运动规律3737 下降时受空气下降时受空气阻力阻力f f与下落速度与下落速度v v乃至乃至 成正比，则成正比，则v v增大一定值增大一定值 f=mgf=mg物体将作匀速直线物体将作匀速直线运动，下落物体的运动，下落物体的极限速度约为极限速

15、度约为3838 系统误差的特征与规律系统误差的特征与规律 线形(累进)变化非线形变化周期性变化 复杂规律变化变值系统误差定值系统误差3939消除系统误差产生的根源消除系统误差消除系统误差用修正值修正测量结果用修正值修正测量结果应用测量技术消除系统误差应用测量技术消除系统误差4040 (1)替代法 是在一定的测量条件下，对某一被测量进行测量，使在仪器上得到某一状态(如指针指示零位、天平平衡等)；再以同样性质的标准量代替被测量，调整标准量值的大小，使在仪器上呈现出与前者相同的状态，则此时的标准量值等于被测量量值。4141(2)交换法 这种方法就是将测量中的某些条件相互交换，使产生系统误差的原因对测

16、量结果起相反的作用，从而抵消系统误差。例如，用天平称衡物体质量时用复称法，焦距测定实验中将物与屏的位置互换进行测量等。4242(3)抵消法 当已知有某种产生恒定系统误差的因素存在，而又无法从根源上消除，且难以确定其大小时，可以考虑能否去抵消它。例如，霍尔法测磁场实验，为了附加电压的影响，将电流正反方向，进行两次测量取平均值。A43434周期性系统误差消除法 消除周期性系统误差的基本方法是半周期法。周期性系统误差一般出现在有圆盘或转动的情况下(如度盘等)，多呈正弦形式，若每相隔半个周期进行一次测量，两次读数取平均值，即可以有效地消除周期性系统误差。4444AOBb b 不偏心时，由于不偏心时，由于 ，所以，所以可用弧长反映角度的可用弧长反映角度的大小。大小。由于偏心，使之用由于偏心，使之用弧长反映角度弧长反映角度 时产时产生的系统误差。如：生的系统误差。如：这是由偏心这是由偏心造成的。造成的。4545