12大学物理实验绪论

大学物理实验--绪论华东理工大学大学物理实验教学中心实验中心网站202.120.99.174§1.物理实验的作用、目的和基本要求§2.误差分析和不确定度的基础知识§3物理实验的基本测量方法§4实验数据的处理方法§5物理实验过程提纲§1.物理实验的作用、目的和基本要求物理实验的作用物理学是一门实验科学,其任何规律和理论都从实践和实验中来，并受到实践的反复检验，由此而不断发展。•伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。•经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。•近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。•很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。§1.物理实验的作用、目的和基本要求密立根在1923年获诺贝尔奖时说：“科学靠两条腿走路，一是理论，一是实验。有时一条腿在前面，有时另一条腿走在前面。但只有使用两条腿，才能前进。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。”1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒和波动之间的争论，很好地解释了光电效应的实验结果。但是直到1916年当密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。1974年J/ψ粒子发现更进一步证实盖尔曼1964年提出夸克理论。假说库仑定律安培定律高斯定律法拉第定律麦克斯韦在1865年提出电磁场理论麦克斯韦方程组统一了电、磁、光现象,预言了电磁波的存在并预见到光也是一种电磁波1887年赫兹实验发现了电磁波的存在并证实电磁波的传播速度是光速电磁场理论才得到公认二十多年后实验是检验理论正确与否的重要判据•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。以诺贝尔物理学奖为例：物理实验课程的目的•学习实验知识•培养实验能力•提高实验素养学习实验知识•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。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。提高实验素养•培养理论联系实际和实事求是的科学作风；•严肃认真的工作态度；•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。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。希望同学们能重视这门课程的学习，真正能学有所得。物理实验课程的基本要求物理实验课的三个环节1.实验预习2.实验操作3.实验报告•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。§2.误差分析和不确定度的基础知识§2.1物理量与测量§2.2误差的定义、分类及简要处理方法§2.3测量结果的不确定度评定§2.4实验数据的有效位数确定§2.1物理量与测量概念是反映客观事物本质属性的一种抽象，是大量观察、实验的基础上，运用逻辑思维方法，把一切事物本质的、共同的特性集中起来加以概括而形成的。物理概念大体分为两类：一是定性反映客观事物本质属性的概念。如机械运动、分子运动、热平衡、磁场、交流电等；二是定量反映客观事物本质属性的概念，这种概念就是物理量。如长度、速度、热量、功、电流强度等。量度物质的属性或描述物质的运动状态所用的各种量值叫做物理量。物理学中有七个基本物理量，其基本单位是：长度的单位：米；质量的单位：千克；时间的单位：秒；电流的单位：安培；热力学温度的单位：开尔文；物质的量的单位：摩尔；发光强度的单位：坎德拉。在物理学发展史上，对物理现象、状态或过程的各种量的准确测量，是实验物理的关键工作。什么是测量？定义：以确定被测对象量值为目的的全部操作。或者说，测量是将待测量与选作标准的同类量进行比较，得出倍数值。该标准量为单位，倍数值为数值。3.15cmL数值单位3.15L要明确对象，选择方法、实现测量各步骤，给出完整的测量结果。2979.20.8cm/sggg对象量值误差单位u不确定度测量过程的四要素：对象、单位、方法、（误差）不确定度按测量方法进行分类直接测量：可以用测量仪器或仪表直接读出测量值的测量。间接测量：依据待测量和某几个直接测量值的函数关系求出，这样的测量称为间接测量。长度、质量、温度等。体积、密度、粘度等。hdM42hdVhdMVM24物理实验是以测量为基础的，但是测量结果都可能存在误差。可以说任何测量不可能无限准确。操作读数时的视差影响测量误差的来源（1）仪器、装置引入的误差；（2）原理、方法引入的误差；（3）环境、条件引入的误差；（4）实验者引入的误差；§2.2误差的定义、分类及简要处理方法测量误差的定义测量结果y和被测量真值Yt之差称误差，记作dy误差dy＝测量值y－真值Yt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。误差特性普遍性,小量误差的普遍性要求必须重视对测量结果的误差分析和不确定度评定，完整地表示测量结果。如何表述一个完整的测量结果？表示被测对象的真值落在(yU,yU)范围内的概率很大，U的取值与一定的概率相联。yYyU测量对象测量对象的量值测量的不确定度测量值的单位4.13.910＝R以电阻测量为例完整的测量结果应表示为误差的分类及简要处理方法另一类因为读数错误、操作失当等原因造成的明显超出规定条件下预期值的误差，称为粗大误差。测量应避免出现粗大误差.已被谨慎地确定为含有粗大误差的个别数据要剔除。a)随机误差(可以由统计方法评定)b)系统误差(则要具体问题具体讨论)误差主要分为两类：系统误差•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或随测量条件的改变而按确定的规律变化。•产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入。•分类及处理方法：(1)已定系统误差：必须修正电表、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。(2)未定系统误差：要估计出分布范围如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。对实验中的系统误差应如何处理？系统误差分析的重要性：大量的一般测量的实践表明，系统误差分量对测量结果的影响常常显著地大于随机误差分量的影响。因此大学物理实验要重视对系统误差的分析，尽量减小它对测量结果的影响。1）对已定系统误差进行修正；2）合理评定系统误差分量对应的B类不确定度分量；3）通过方案选择、参数设计、计量器具校准、环境条件控制、计算方法改进等环节减小系统误差影响。随机误差•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式变化的测量误差分量。•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操作读数时的视差影响•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。(4)有界性()fxx为真值为标准误差为的分布函数1)(21exp21122nxxxxfnii小xf(x)标准误差表示测量值的离散程度标准差小：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。小小xf(x)•任意一次测量值落入区间的概率为这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应的区间叫置信区间，表示为。683.0dxxfP],[xf(x)x如何处理随机误差分量？随机误差分量是测量误差的一部分，其绝对值大小和符号虽然不知道，但在相同条件下对同一量的多次重复测量中，它们的分布常常满足一定的统计规律。简要处理方法算术平均值标准偏差不确定度11niixxn大多数情况下，随机误差具有抵偿性。测量次数足够多时，符号为正的误差和符号为负的误差基本对称，能大致相消。因此，用多次测得值的算术平均值作为被测量的估计值，能减小随机误差的影响。设对同一量作了n次重复测量，测得值为xi，平均值为：算术平均值随机误差使测得值Yi有分散性，分散性用实验标准误差s表征，s的值直接体现了随机误差的分布特征。s大表示测得值分散，随机误差分布范围宽，测量精密度低；s小表示测得值密集，随机误差分布范围窄，测量精密度高。s可由贝塞耳公式算出:21ixxsn标准误差•标准误差：（测量次数为n）)(nnΔσix2)6(n112nvSniixnxxσS∞iivxx•平均值的标准误差：)1(12nnvnSSniixxiivxx区间内包含真值的概率为0.683。[,]xxxSxS•仪器误差（属于系统误差）：•仪器的最大误差：（厂方给出）仪没有规定的,取最小刻度的一半21仪仪3仪仪仪器的标准误差:随机误差的处理举例例：用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，6次测量结果如下（单位mm）：250.08，250.14，250.06,250.10,250.06,250.10则：测得值的最佳估计值为:0.03mm16)(612iiLLLs测量值的标准偏差mm09.2506161iiLLL两点注意1.在任何一次测量中，一般系统误差和随机误差是同时存在的。系统误差对应测量的不准确度；随机误差对应测量的不精密度；测量结果的总误差则对应测量结果的不确定度。2.因操作不当，仪器故障或设计错误而造成的测量错误，不应称为测量误差，在数据处理中应作为坏值予以剔除。§2.3测量结果的不确定度评定1)不确定度的概念2)不确定度的A类分量3)不确定度的B类分量4)总不确定度的合成研究不确定度的意义•科学地反映测量结果的数值和可靠程度。•根据对测量不确定度的要求,确定实验方案,选择仪器和环境。•努力找出和减小主要系统误差,提高实验准确度。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分量的联合分布范围。1)不确定度的概念不确定度，表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度。•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零的正值，是可以具体评定的。不确定度理论摈弃了传统的“系统误差”和“随机误差”的分类方法，而是将不确定度按照测量数据的性质分类：1）用数理统计方法处理，称为A类不确定度；2）用非数理统计方法处理,称为B类不确定度。测量不确定度的理论保留系统误差的概念。A类分量—多次重复测量时与随机误差有关的分量；B类分量—多数与未定系统误差有关的分量。•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：2121uSUiSju2121uSUA类:用统计方法计算出的标准误差,B类:用其他方法估计出的“等价标准误差”,合成不确定度:P=0.683,B类为均匀分布2)仪2)1(683.0(][ΔxnPStU置信因子可查P15表2)直接测量不确定度估算（假设物理量为y）)1(12nnvnSSniixxiivyy单次测量多次测量（）6n0.683yU仪22(1)[](0.683)yPnxUtS仪最后结果：yyU（）单位（P=0.683）3)间接测量不确定度的估算间接测量是利用已知函数关系式的转换测量。间接测量量：y直接测量量