大学物理实验绪论课(2011)

大学物理实验绪论课第一章概述第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法第三章数据处理的基本知识与要求第一章概述§1大学物理实验课的地位与作用一、实验是物理学的基础二、物理实验是推动科技发展的有力工具实验是对自然的积极探索检验和修正物理理论其作用具体体现在：通过发现新现象，推动物理理论的发展物理实验的方法和技术广泛渗透到自然科学各个学科，成为其发展的有力工具物理实验产生的成果广泛应用于工程技术的各个领域，直接造福人类第一章概述§1大学物理实验课的地位与作用三、物理实验课是大学学习阶段接触科学实验、提高实验动手能力的开端和基础1)选定目标，设计方案科学实验的几个环节：2)制作或准备实验装置和设备3)实验操作：现象观察与数据记录4)数据结果的分析整理，做出结论（软件准备）（硬件准备）第一章概述§1大学物理实验课的地位与作用三、物理实验课是大学学习阶段接触科学实验、提高实验动手能力的开端和基础本课程作为一门基础实验课，其主要作用：为同学们打好实验基础；通过较为系统、严格的训练，逐步提高学生的科学素养和动手能力。第一章概述§2大学物理实验课的教学目的与要求一、领会和掌握理论联系实际的思维方法二、学习各种实验方法，培养能力在系统理解和掌握相关物理概念、规律的基础上，着重对实验设计思想、采用的实验方法、对实验中具体问题的处理技巧等方面要用心体会，在实际操作中要积极思考。如：基本实验技能、动手操作能力、尽快熟悉并熟练操作使用实验仪器和测具、准确判断和解决实验中出现的问题，等等……第一章概述§2大学物理实验课的教学目的与要求三、提高科学素养有强烈的求知欲。科学素养几个表现：在科学思维的基础上独立观察思考，培养创新意识。培养严谨的科学作风和坚韧不拔的苦干精神。第一章概述§2大学物理实验课的教学目的与要求四、教学中的几点具体要求：遵守实验规则，养成良好的实验习惯；熟悉本课程的基本程序并按要求执行；掌握物理实验基本测量方法；能够正确合理地处理实验数据，能够撰写完整规范的科学实验报告；了解误差与不确定度、有效数字的基本知识和处理方法，并能适当应用于数据处理过程。第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明1.认真阅读实验讲义，研究和熟悉的相关实验内容，注意在理解实验原理的基础上，熟悉实验方法和步骤，以及相关仪器操作使用问题。一、课前预习上网方式：从校园网直接输入IP地址：或校园网/理学院/物理实验中心/大学物理实验室/关于实验步骤和仪器操作，还可在校园内进入“大学物理实验教学辅导系统”帮助预习。第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明二、课前预习点击“大学物理实验教学辅导系统”第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明一、课前预习根据提示点击相关实验题目即可。注意：要正常浏览页面，微机中需安装“Flash_mx”软件第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明一、课前预习注意：要正常浏览页面，微机中需安装“Flash_mx”软件第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明一、课前预习画出数据表格（关于列表的规范，请参阅讲义）注意：上实验课必须有预习报告册在交实验报告时要把预习报告须附在后面2.按照预习报告册要求写预习报告预习报告册请到网上下载从校园网直接输入IP地址：或校园网/理学院/物理实验中心/大学物理实验室/第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明三、本课程的有关规定实验课严格执行学校上课考勤制度学生请假须有院系盖章、辅导员签字假条。补做实验课和任课教师协商上实验课须提前5分钟到实验室，迟到15分钟以上者，不得进入实验室无故缺2次实验课学生，不得参加期末考试进入实验室后按照老师指定的位置就座，注意要独立完成实验内容，同时注意爱护实验仪器设备，且不准擅自更换仪器；损坏仪器酌情赔偿。实验结束前须请指导教师检查实验及数据情况，教师签字后，整理好自己所用的仪器用具方可离开实验室；每次最后做完实验的两个同学还要完成清扫实验室的任务，经教师允许后方可离开。第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明三、本课程的有关规定§3本课程的教学程序及有关问题的说明四、实验报告撰写规范①实验名称；②实验目的；③仪器设备、用具；④实验原理；⑤数据记录；⑥数据处理过程：计算过程、图示、图解处理、误差与不确定度分析计算；写出完整明确的实验结果表达式或作出明确的结论；⑦必要时简要讨论；⑧回答课上布置的思考题。关于详细要求的说明，请参阅讲义。一份完整规范的实验报告通常包括以下部分：注意：①、②、③、④要简写⑤、⑥、⑦、⑧要详细写。第一章概述第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明关于实验报告的收发每次上实验课，交上一次实验的实验报告，迟交要扣分注意：必须将教师签过字的原始数据表同时上交，否则不予认可二3次不交实验报告学生不得参加期末考试第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明五、关于成绩评定总成绩=平时成绩+考试成绩平时成绩60%；考试成绩40%平时成绩：预习、操作、实验报告期末考试（笔试、操作）实验报告评分、平时操作评分采取十分制六、其它问题实验讲义：到石大书店购买。《大学物理实验》孙为等主编中国石油大学出版社出版。物理实验经常需处理大量数据，上实验课须自备计算器（须带“统计计算”功能）。第一章概述§3本课程的教学程序及有关问题的说明第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§1测量与误差一、测量(MEASUREMENT)1、目的：2、手段：确定被测物理量的量值数值单位将待测量与相应的标准进行比较直接测量：间接测量：将待测量直接与标准物理量比较如：用卡尺测长度利用一定的函数关系由一个或几个直接测量量得到的物理量如：测量运动物体的动量大小ptsm第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§1测量与误差二、误差1、真值（truevalue）的不可知性对待测物理量用同一种方法、使用同样仪器、在同样环境下进行多次重复测量，所谓“等精度测量”结果也不完全相同。——误差(error)存在于任何测量中因此，科学的测量还要给出结果的准确度或误差范围。真值是不可知的，故误差的值从根本上也是不可知的。——只能估计其范围或限度真值：第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§1测量与误差二、误差2、误差(error)的定义与表达方式测量值：x误差：x（绝对误差）（相对误差）E%100在实际操作中（尤其在教学实验中），常常用十分接近于真值的所谓“约定真值”代替真值。误差有正负之分。第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§1测量与误差二、误差3、系统误差与随机误差系统误差（systematicerror）：随机误差（randomerror）：在多次测量过程中保持恒定或以特定规律变化的误差分量。传统上，一般将各种误差分量按性质分为两大类：在多次测量过程中以“不可预知方式”变化的误差分量。第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§2误差的分析与处理一、误差的来源1、理论与方法引起的误差例如，利用测量单摆自由摆动周期的方法测定重力加速度的实验，在摆角足够小的情况下，周期：glT2但若摆角不是很小，以上公式就会带来很大误差，必须修正。若要求的测量精度很高，可能还应考虑到摆线的质量、摆球的体积、空气的浮力和阻力等因素，加以修正。第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§2误差的分析与处理一、误差的来源仪器的示值误差2、测量仪器本身带来的误差仪器使用时未满足规定的条件所引起的误差通过刻度显示测值的仪器因刻度的不均匀带来固定的误差；天平的两个臂长不严格相等导致被测质量与砝码质量不严格相等；等等……第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§2误差的分析与处理一、误差的来源3、环境干扰引起的误差4、其它因素环境温度、湿度、气压、电磁场干扰、……观测者的个人倾向引起的误差、……第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§2误差的分析与处理二、误差的处理方法1、在确定实验方案时避免其产生2、在实验过程中直接消除合理选择实验方法改进实验装置事先校准仪器……例如：用自组电桥测电阻时采用“交换法”第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§2误差的分析与处理二、误差的处理方法3、在数据处理时对实验数据进行修正若因条件或能力所限，不能直接避免或消除，尽量设法求出误差，在结果的数据中消除。修正值：cx测量值：x误差：x在数据处理时还应注意：避免在运算过程中对中间结果过多地“舍位”，人为造成“舍入误差”第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§2误差的分析与处理二、误差的处理方法4、若无法消除或修正（未定系统误差或随机误差），应评估其对测量结果可靠性的影响或误差范围。——测量不确定度由此给出引起测量值的离散性的合理指标。（Uncertaintyofmeasurement）第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§3不确定度的概念一、测量结果的不确定度科学实验要求不仅给出被测量的值，而且要同时给出该量值的准确程度或不确定程度。根据国内外有关计量部门和组织的规定，应引入不确定度（uncertaintyofmeasurement）这一参数，定量表征被测量值的分散性。不确定度是测量结果不能肯定的程度，是测量质量的量度。任何测量都存在不确定度——不确定度存在原理。第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§3不确定度及其评定二、不确定度的分类将不确定度的评定分为两类：A类评定：对观测列进行统计分析做出的评定。B类评定：由不同于观测列统计分析的其它方法做出的评定。根据评定结果的数字表达方式分类：标准不确定度（standarduncertainty）：以标准差表示的不确定度。扩展不确定度（expandeduncertainty）：第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§4标准不确定度的A类评定一、统计方法的基本概念对同一被测量x，独立重复测量n次，得到如下数据：、1x、2x、3xnx称为一个观测列——其数值呈现出离散性，而且是随机分布的。但随着n的无限增大，该测量列的数值分布呈现出越来越趋于稳定的规律性，即表现为一定的“概率分布”。故称被测量x为随机变量（一般为连续型）常见的概率分布有正态分布、均匀分布、投影分布……第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§4标准不确定度的A类评定为表征概率分布特征，须引入两个重要的特征量：数学期望值：nxxniinn1limlim方差：nxxVniinn122)(lim)(lim（可理解为“真值”）一、统计方法的基本概念方差的平方根称为总体标准偏差（简称标准差）：nxVniin12)(lim以下介绍两种最常用的概率分布及以上两个量的含义。第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§4标准不确定度的A类评定二、正态分布（normaldistribution）大量的、独立的、均匀小的随机变量的叠加所构成的随机变量服从正态分布（又称高斯分布）。1、正态分布的概率密度函数222)(21)(xexf其中：x为被测量（随机变量）令x亦有：22221)()(exfp可理解为“误差”第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§4标准不确定度的A类评定二、正态分布（normaldistribution）2、概率密度函数的意义22221)(ep分布曲线：)(p0abδ落在区间[a，b]中的概率P=？Pdp)(badp)(思考：1——归一性概率密度函数表示随机变量在单位区间内的概率。第二章误差与不确定度的基本概念与处理方法§4标准不确定度的A类评定二、正态分布（normaldistribution）3、正态分布的基本性质22221)(ep对称性：)(p0nniin1limdp)(0以数学式表达：抵偿性：等值反