普通物理实验绪论(用)

2020/1/20普通物理实验1普通物理实验主讲:孙婷雅长江师范学院物电系2020/1/20普通物理实验2绪论§1.实验的意义及要求§2.测量与误差§3.测量不确定度§4.实验报告的写法2020/1/20普通物理实验3§1.物理实验的意义及基本要求1.物理实验的意义及目的物理实验的意义物理学是以实验为基础的自然科学。物理学理论的建立和规律的发现都离不开实验，并不断地受到实验的检验。物理实验课与物理讲授课有着紧密的联系，但又是独立的课程。物理实验的目的1.学习实验的基本知识、掌握实验的基本方法、培养基本的实验技能。2.通过实验的观察和分析,加深对物理概念和规律的认识。3.培养学生认真严肃和实事求是的科学态度和作风。2020/1/20普通物理实验42.物理实验的基本要求课前要进行预习。实验操作要认真。课后要写实验报告。其中实验报告内容包括：(1)实验名称；(2)实验目的；(3)实验仪器；(4)实验原理；(5)实验内容(简单步骤)及原始数据；(6)数据处理及结论；(7)结果的分析讨论。2020/1/20普通物理实验53.实验室规则（1）课前完成指定的预习内容。（2）遵守课堂纪律，一般不允许迟到、早退。（3）仪器使用只可用自己小组的，未经许可不得相互借用。（4）爱护仪器，如有损坏照价赔偿。（5）做完实验，经老师审查测量数据，学生应该将仪器整理还原，将桌面和凳子收拾整齐。经老师审查仪器还原情况并签字后，方能离开实验室。（6）实验报告在下一次实验时交到实验室。2020/1/20普通物理实验61.测量：为确定被测量的量值而进行的待测物与仪器相比较的实验过程。§2.测量与误差测量方法有两种（1）直接测量将待测物与仪器直接比较，得出被测量量值的测量。2020/1/20普通物理实验7（2）间接测量：被测量的量是几个可直接测量的物理量的函数，则被测量的量值可根据直接测量的量值通过函数计算得出。例：22244(,,)(,)mlfmdhgflTdhT2020/1/20普通物理实验8真值：待测物理量所具有的客观值的大小。（它不会因测量手段而改变）2.误差2020/1/20普通物理实验9(1).测量误差：它是个理想的概念，一般不可能准确得到。只能通过一定的计算方法对它进行估计。测量值真值xa测量误差2020/1/20普通物理实验10原理、方法仪器、装置环境、条件被测量本身的起伏测量仪器对被测量的扰动(2)误差的来源：2020/1/20普通物理实验11(3)误差的分类根据产生误差的原因和误差所表现出的性质，将误差分为两类：在相同条件下，多次测量同一物理量，其误差的大小和方向保持不变，或随着测量条件的变化有规律的变化。返回系统误差偶然误差在相同条件下，多次测量同一物理量，其误差时大时小,测量结果不尽相同，完全是随机的。2020/1/20普通物理实验12§3测量不确定度1.不确定度的定义由于误差的存在，使得测量结果具有一定程度的不确定性。因此，对某一物理量进行测量，我们只能知道测量值x与真值a之差的绝对值以一定概率分布在某一数值u范围内，用公式表示为：其中u值可以通过一定的方法进行估算，称为不确定度。xau2020/1/20普通物理实验131992年10月1日，我国开始执行国家计量技术规范JJG1027-91《测量误差及数据处理〈施行〉》的规定,测量结果的最终表示形式用总不确定度或相对不确定度表示。测量的结果应包括多次测量的算术平均值(近似真值)、不确定度和相对不确定度。E100%xxxxxuux(单位)2020/1/20普通物理实验14直接测量量的不确定度分为二类。2.直接测量量不确定度分类A类不确定度;B类不确定度.2020/1/20普通物理实验15a.A类不确定度在同一条件下多次重复测量，即由一系列测量结果的统计分析评定的不确定度为A类不确定度.也就是:平均值的标准偏差。()Aux21()()()1niiAxxuxsxnn2020/1/20普通物理实验16b.B类不确定度用其它非统计分析评定的不确定度为B类不确定度.()Bux对B类不确定度的估计只作简化处理:仪器误差确定的不确定度为B类不确定度:单次测量的B类不确定度⑴对连续读数的仪器可取仪器最小刻度值的一半。⑵对无法进行估计的非连续读数的仪器，如数字式仪表，则取其最末位数的一个最小单位。()Bux仪2020/1/20普通物理实验17c.合成标准不确定度某测量值的A类与B类不确定度按一定规则算出的测量结果的标准不确定度，成为合成不确定度。22()()()CABuxuxux2020/1/20普通物理实验18d.直接测量结果表示E100%xxxxxuux（单位）上式的物理意义：1）表示直接测量量的平均测量结果。2）评定测量结果的测量质量。3）表示测量值包含真值的不确定范围：,且置信概率68.3%。xxuxxxux~xxxuxu2020/1/20普通物理实验193.间接测量量的合成不确定度间接测量的近似真值和合成不确定度可由直接测量结果通过函数式和公式计算出来。设间接测量的函数式为:(1)间接测量的近似真实值:(2)间接测量量的合成不确定度:12(,,...,)myyxxx12(,,...,)myyxxx21()()miiiyuyuxx2020/1/20普通物理实验20当间接测量的函数表达式为积和商（或含和差的积商形式）的形式时，间接测量的相对不确定度为:222123123lnlnlnyuyyyyEuxuxuxyxxx合成不确定度为yuyEy2020/1/20普通物理实验21间接测量结果表示：()()E100%yyyuyuyy（单位）上式的物理意义：1）表示间接测量量的平均测量结果。2）评定测量结果的测量质量。3）表示测量结果包含真值的不确定范围。y()uyy()yuyy2020/1/20普通物理实验22例1．采用感量为0.1g的物理天平称量某物体的质量，其读数值为35.41g,求物体质量的测量结果。[解]：单次测量的读数即为近似真值:A类不确定度：因为是单次测量（n＝1）A类不确定度为零。B类不确定度:因为是单次测量（n＝1）B类不确定度通常取感量的一半。即35.41mg0.05Bug2020/1/20普通物理实验23xS测量结果为在例1中，因为是单次测量（n＝1）,合成不确定度即单次测量的合成不确定度等于非统计不确定度。35.410.05()mg22mABBuuuu2020/1/20普通物理实验24例2．已知电阻,求它们串联的电阻和合成不确定度。150.20.5()R2149.80.5()RR2150.2149.8200.0()RRR1212222212220.50.50.7()()RRRRRRuuuuRRuR[解]：串联电阻的阻值为合成不确定度2020/1/20普通物理实验25相对不确定度测量结果为()0.7100200.0RuRER200.00.7()R2020/1/20普通物理实验26例3．测量金属环的内径外径厚度试求环的体积和测量结果。12.8800.004()Dcm23.6000.004()Dcm2.5750.004()hcmV22214VhDD（1）环体积的近似真值为222122342.5753.6002.88049.436()VhDDcm[解]：环的体积公式为D1D2h2020/1/20普通物理实验27（2）相对不确定度为212222122222121122222222220.0042306000.00422.8800.0042.5753.6002.8803.6002.8800.00810.81DDhVDuDuuVuEVhDDDD（3）总合成不确定度为39.4360.00810.08()VuVVEcm（4）环体积的测量结果为39.440.08()Vcm2020/1/20普通物理实验28§4.实验报告的写法正规的实验报告，应包含以下六个方面的内容:(1)实验目的；(2)实验仪器；(3)实验原理；(4)实验内容(简单步骤)及原始数据；(5)数据处理及结论；(6)结果的分析讨论2020/1/20普通物理实验29一、实验目的不同的实验有不同的训练目的，通常如讲义所述。但在具体实验过程中，有些内容未曾进行，或改变了实验内容。因此，不能完全照书本上抄，应按课堂要求并结合自己的体会来写。2020/1/20普通物理实验30二、实验仪器仪器的名称、型号、规格和数量(根据实验时实际情况如实记录，没有用到的不写，更不能照抄教材).如：实验1:用电位差计校准毫安表实验仪器:HD1718-B型直流稳压电源(0-30V/2A)，UJ36a型直流电位差计(0.1级、量程230mV)，BX7D-1/2型滑线变阻器(550Ω、0.6A)，C65型毫安表(1.5级、量程2-10-50-100mA)，ZX93直流电阻器，ZX21旋转式电阻箱，UT51数字万用表，导线若干。2020/1/20普通物理实验31三、实验原理实验原理是科学实验的基本依据。1．必须有简明扼要的语言文字叙述。通常教材可能过于详细，目的在便于学生阅读和理解。书写报告时不能完全照书本上抄，应该用自己的语言进行归纳阐述。文字务必清晰、通顺。2．写出所用的公式及其来源，简要的推导过程。3．为阐述原理而必要的原理图或实验装置示意图。如图不止一张，应依次编号，安插在相应的文字附近。2020/1/20普通物理实验32四、实验内容及原始数据概括性地写出实验的主要内容或步骤，特别是关键性的步骤和注意事项。拟出原始数据表格。如：实验1:固体密度测量2020/1/20普通物理实验33如：实验1:固体密度测量(铜环)实验内容及原始数据1．用游标卡尺测量铜环内、外径，用螺旋测微计测量厚度。螺旋测微计零位读数0.003(mm)n1234567外径D(mm)29.9629.9429.9829.9429.9629.9229.96内径d(mm)10.0210.0410.0010.0210.0610.0410.08厚h测量读数(mm)9.6479.6499.6489.6449.6469.6469.645测量值(mm)9.6449.6469.6459.6419.6439.6439.6422．用天平测量铜环质量53.980.05()mg2020/1/20普通物理实验34五、数据处理及结论1．测量所得的原始数据必须如实代入计算公式，不能在公式后立即写出结果；2．对结果需进行不确定度分析(个别不确定度估算较为困难的实验除外)；3．写出实验结果的表达式(近似真值、不确定度、单位)，实验结果的有效数字必须正确。2020/1/20普通物理实验35如：实验1:固体密度测量数据处理及结论1(29.9629.9429.96)29.95mm7D222()(29.9629.95)(29.9629.95)()0.019mm77176iADDuD()0.02()BuDmm仪22220.0190.020.03(mm)DABuuu29.950.03mmD∴2020/1/20普通物理实验361(10.0210.0410.08)10.04mm7d222()(10.0210.04)(10.0810.04)()0.027mm77176iAddud∴2222()0.0270.020.04mmdAuud仪10.040.04mmd1(9.6449.6469.642)9.643mm7h