95大学物理实验课程绪论

1大学物理实验21.前言2.误差与数据处理的基本知识3.常用数据处理方法4.怎样上好物理实验课31.前言1.1物理实验的作用1.2物理实验课的目的1.3常用物理实验方法41.1物理实验的作用物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。5以诺贝尔物理学奖为例：•80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。•实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。•有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。6历届获得诺贝尔物理学奖的华裔科学家：No.1&2：李政道、杨振宁1957年诺贝尔物理学奖获得者，“他们对所谓的宇称不守恒定律的敏锐地研究，该定律导致了有关基本粒子的许多重大发现”No.3：丁肇中1976年诺贝尔物理学奖获得者，“他们在发现新的重基本粒子方面的开创性工作”7杨振宁李政道丁肇中8李政道杨振宁早年合影9历届获得诺贝尔物理学奖的华裔科学家：No.4：朱棣文1997年诺贝尔物理学奖获得者，“发展了用激光冷却和捕获原子的方法”No.5：崔琦1998年诺贝尔物理学奖获得者，“发现一种带有分数带电激发的新的量子流体形式”No.6：高锟2009年诺贝尔物理学奖获得者，“在光学通信领域光在纤维中传输方面的突破性成就”10朱棣文崔琦高琨111.学习实验知识：通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识和设计思想，掌握和理解物理理论。1.2物理实验课的目的122.培养实验能力：•借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；•运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断；•正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告；•能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。1.2物理实验课的目的133.提高实验素养•培养理论联系实际和实事求是的科学作风；•严谨求实的工作态度；•主动研究和创新的探索精神；•遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。1.2物理实验课的目的141.3常用物理实验方法比较法：比较法是物理量测量中最普遍、最基本的测量方法。它是指将被测量与标准量具进行比较而得到测量的值的。比较法可以分为直接比较（如用天平测质量）和间接比较（利用电流表指针的偏转量测电流的大小）两类。151.3常用物理实验方法放大法：在测量中，有时由于被测量过于小，以至于无法被实验者或者仪表直接感觉和反应，那么可以先通过某种途径，将被测量放大，然后再进行测量，放大被测量所用的原理和方法就称为放大法。根据放大方式的不同，分为累积放大法，机械放大法，电子放大法，以及光学放大法。161.3常用物理实验方法转换法：把被测对象依据物理规律转换为另一个被测对象的方法。例如：利用量筒中水面上升的高度测量不规则物理的体积；水银温度计利用热胀冷缩原理，把温度的测量转换为毛细管中水银高度的测量。171.3常用物理实验方法替代法：将已知其值的同种量替代被测量，使这个同等量在指示装置上得到相同的效应，以确定被测量值的方法。例如：我们在电学实验中测量某一电表的内阻时，常用电阻箱来代替被测电阻。181.3常用物理实验方法模拟测量法：根据相似性的原理，人为地制造一个类似于被测量的模型。通过测量这个模型来获得测量结果的方法称为模拟测量法。根据模拟手段的不同又分为几何模拟法、替代模拟法和计算机模拟法。19小结：物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，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，物理实验课程也起着潜移默化的作用。202.误差与数据处理的基本知识2.1常用基本概念2.2有效数字2.3直接测量的数据处理2.4间接测量的数据处理212.1常用基本概念1.测量：为了获得被测物理量的量值而实施的一组操作称为测量。测量包含三个要素：实验操作，数据处理，实验结果。测量的分类：按照获得测量值的方法分为直接测量和间接测量；按照测量条件分为等精度测量和非等精度测量。222.1常用基本概念2.测量结果：由测量所得到的赋予被测量量的值称为测量结果。测量值=数值+单位注意：测量值只有赋予单位才有物理意义。232.1常用基本概念3.误差：测量值与真值之间存在的差异称之为误差。（真值：物理量在一定实验条件下的客观存在值。是一个抽象的概念，一般无法得到。）误差的大小：绝对误差=测量值-真值相对误差=（绝对误差/真值）×100％误差来源：仪器误差，测量方法误差，个人误差，环境误差。误差的分类：随机误差，系统误差，粗大误差。242.1常用基本概念4.系统误差：指在同一被测量的多次测量的过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差的分量。系统误差的来源：仪器固有缺陷、环境因素、实验方法、个人因素如：电表、螺旋测微计的零位误差；测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。螺旋测微计制造时的螺纹公差等。252.1常用基本概念5.随机误差：由随机效应导致的误差称为随机误差。来源：测量仪器、环境条件、测量人员等如：实验装置和测量机构在各次调整操作上的变动性；测量仪器指示数值的变动性；以及观测者本人在判断和估计读数上的变动性。如操作读数时的视差影响。26随机误差的特点：(1)小误差出现的概率比大误差出现的概率大；(2)无穷多次测量时服从正态分布；(3)具有抵偿性。取多次测量的平均值有利于消减随机误差。的分布函数为为标准差为真值xxf)(1)(21exp21122nxxxxfnii+小xf(x)2.1常用基本概念272.1常用基本概念6.算术平均值：假定对一个物理量进行了n次测量测得的值为xi(i=1,2，…，n)，当n有限时xi的算术平均值可以作为被测量的最佳估计值，当测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。nxxnii/)(1nxuni/)(282.1常用基本概念7.实验标准差：当n有限测量时，测量值的实验标准差为：实验标准差的意义：实验标准差是表示测量结果分散度的物理量。标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。1)(2nxxxSii292.1常用基本概念8.算术平均值的标准差：nxSnnxxxSii)(1)(2309.测量不确定度：概念：不确定度是指由于误差的存在而对被测物理量不能确定的程度，是表征待测物理量的真值所处的范围的评定。A类评定：多次重复测量时，用统计学方法计算的分量。B类分量：用其他方法（非统计学方法）评定的分量。2.1常用基本概念31A类评定：B类评定：标准不确定度：)(xSuA仪31Bu22BAuuu+2.1常用基本概念32扩展不确定度：相对不确定度：测量结果表达式：（k=2）uU2Uxx%100xuE2.1常用基本概念331.有效数字的位数有效数字=可靠数字+可疑数字（一般只有一位）15.2mm15.0mm510152051015202222/8.9/00980.0/80.9/980smskmsmscm科学记数法：6328063286328107...nmmm2.2有效数字342.直接测量的有效数字：有指针或者刻度的仪器，最小刻度下再估读一位。游标类量具只读到游标分度值，一般不估读。在读取数据时，如果测量值恰好为整数，则必须补“0”一直补到可疑位。2.2有效数字0~500mA352.直接测量的有效数字：数字显示仪表显示值均为有效数字不需要进行估读，仪器显示的末位就是欠准数字。2.2有效数字363.有效数字的运算规则加、减法：诸量相加（相减）时，其和（差）数在小数点后所应保留的位数与诸数中小数点后位数最少的一个相同。4.178+21.325.478=25.52.2有效数字372.2有效数字3.有效数字的运算规则：乘、除法：诸量相乘（除）后其积（商）在小数点后所保留的有效数字，只须与诸因子中有效数字最少的一个相同。4.178×10.14178417842.1978=42.2382.2有效数字3.有效数字的运算规则：乘方开方:有效数字与其底的有效数字相同对数函数:运算后的尾数位数与真数位数相同例：lg1.938=0.2973lg1938=3+lg1.938=3.2973392.2有效数字3.有效数字的运算规则：指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。例：100.0035=1.00809196=1.008三角函数：取位随角度有效数字而定。例：Sin30°00′=0.5000Cos20°16′=0.9381正确数不适用有效数字的运算规则。404.数值修约规则（按国家标准文件：GB8170-87）在进行具体的数字运算前，按照一定的规则确定需要保留的有效数字和位数，然后舍去某些数字后面多余的尾数的过程被称为数字修约。修约规则一般为：“4舍6入5凑偶”。尾数小于5则舍，尾数大于5则入，尾数恰好等于5则把尾数凑成偶数。2.2有效数字41–例：将下列数字全部修约为四位有效数字–1）尾数≤4，2.717290→2.717–2）尾数≥6，1.118630→1.119–3）尾数＝5，–a)5前是奇数，进位3.141592→3.142–b)5前是偶数，5后全为零，不进位1.142500→1.142–C)5前是偶数，5后尚有非零数，进位1.142501→1.1432.2有效数字425.不确定度的有效数字。不确定度的有效数字一般只取一位，特殊情况可以取两位有效数字（不超过两位），一般如果不确定度第一位有效数字是1,2时，取两位有效数字，遵循只进不舍的原则。如：0.32→0.4测量结果中，测量量最佳值的有效数字与不确定度有效数字对齐。2.2有效数字436.常数和系数的有效数字：对运算中的某些常数或者倍数，有效数字可以认为是无限的，但是在实际的计算中一般比直接测量结果的有效数字多取1~2位！2.2有效数字442.3直接测量的数据处理1.求测量数据的最佳估计值在实际测量中，通常以测量值的算术平均值作为最佳估计值。（首先要判断有无应当剔除的异常数据，如有,剔除后重新计算）nxxi/)(452.3直接测量的数据处理2.计算标准差：实验值的标准差算数平均值的标准差nxSnnxxxSiix)(1)(21)(2nxxxSiix462.3直接测量的数据处理3.计算测量的不确定度：A类评定：B类评定：合成不确定度：)(xSuA仪31Bu22BAuuu+47扩展不确定度：相对不确定度：uU2%100xuurx2.3直接测量的数据处理484.写测量结果表达式：（k=2）说明：1）被测物理量的量值以较大概率落于区间之内。当k=2时，这一概率可以达到90％以上。2）测量结果的表达式只有赋予了被测量的单位才有物理意义。3）不确定度本身是一个估计值，在一般情况下，表示最后结果的绝对不确定度一般取一位有效数字，相对不确定度一般取两位有效数字。2.3直接测量的数据处理Uxx),(UxUx+492.4间接测量的数据处理设待测量与各直接测量之间有函数关系：1：间接测量的最佳估算值将各直接测量量的最佳估算值（算术平均值）代入公式，算的的结果即为间接测量量的最佳估算值。nxxxxfy,,,,321nxxxxfy,,,,321502.4间接测量的数据处理2.间接测量量不确定度的计算间接测量量的合成标准不确定度与各直接测量量的合成标准不确定度的关系为：绝对合成标准不确定度相对合成标准不确定度2)(ixiciuxfyuixiciuxfyyu