大学物理实验基础知识

1基础理论作业：在预约系统中，注册成功后就能看到，将理论作业下载后打印，独立完成后以班级为单位统一上交(4＃报告箱，或基础实验楼D216)。实验课上课地点：基础实验楼D区主讲教师：张亚萍联系方式：[e-mail]86983418（办公室）135893671202大学物理实验基础理论关于大学物理实验课误差理论与不确定度基础知识有效数字与几种数据处理方法本次课主要内容3关于大学物理实验预约一.预约点击中国石油大学主页教学院部选择理学院进入学院主页就会看到下面的网页。网址二.本学期要求从20个实验项目中至少完成6个实验项目(基础理论作业成绩单独计算）。45工科开放时间62-1开放54次；2-1预约安排如下：3月6号（周日）12:00开始预约，总数限制为3个，每周只允许预约1个实验，3月8号12:00之后，自由预约。强调：保证实验选课系统中学生信息与教务系统中的一致性，如不一致或出现变动请一定到306登记，否则成绩将无法上报。特别注意物理实验室大开放时间：第一周的周日上午，按时间节点来实验室。预约：实验第一轮预约在第一周周日12点；第二轮审查预约安排注意看一楼通知。以班级为单位到306购买全年的实验报告册0.5元/册；预约实验个数:24学时6个实验;36学时做8个实验。期末成绩计算：2-1:基础理论A*0.15+0.85*实验项目综合成绩B；B=所完成各实验项目排序分数总和/预约个数;完成数小于最低要求的按不及格处理。2-2:以课程论文成绩C替代A。上课纪律:旷课补做者--70%;请假补做者90%。抄袭数据、抄袭实验报告者，该实验项目成绩按0分记，对于替做实验者，则取消本学期的课程成绩（不良记录在案）。7学生实验感悟9一.地位和作用大学物理实验是一门重要的实验基础课，涉及的内容丰富，具有广泛的应用性。大学物理实验是理工科学生进行基础实验训练的重要实践性环节，是从事科学实验的起步。其目的是学习获得基本的实验知识，在实验方法、实验技能、实验数据处理和实验设计等方面受到较为系统和严格的训练，培养学生严肃认真的科学态度和实事求是的科学精神，提高科学素养和创新能力。对于理工科学生来说，不仅要具有一定的基础理论知识，更应具备较强的实践操作技能。本课程将通过2学期的时间训练大学生基本的实验能力，并初步具有完成设计性和创新性实验的能力，为培养学生从事科学实验的素质，打下坚实的基础。关于大学物理实验课101.实验能力包括：实验构思、设计、组织、进行；仪器的制作、安装、调试；数据的测量、读取、记录、处理；结果的分析、表达、推理、论断；报告的撰写与发表等。2.物理实验课培养学生通过实验手段去发现问题、分析问题和解决问题的能力。要求学生在每个实验中必须做到既动手、又动脑，将理论知识与实验技能很好地结合起来。113.物理实验的构思、实验方法、测量过程中的误差分析和测量结果的可靠性评定、数据处理方法等适用于一切实验。4.与中学物理实验的区别：中学物理实验课以演示为主，加深对物理学概念的理解；大学物理实验课每人一套实验仪器，独立操作，独立测量，重点培养物理实验思想、实验技能与创新能力。5.本次课内容作为大学物理实验课的预备知识，对于顺利完成该课程非常必要。本次理论课所讲的内容贯穿于整个实验课的始终，希望同学们珍惜机会。12二.物理实验的分类1.观察物理现象的实验(演示实验)2.测量物理量的实验3.验证性实验三.物理实验课的任务(自学)1.掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能加深对物理原理的理解。2.培养提高从事科学实验的素质，严肃认真，遵守操作规程，爱护公物，相互协作，讲究科学方法，注意安全等科学习惯。3.获得必要的实验知识和操作技能的训练，培养学生初步具有自学能力、动手能力、书写表达能力、初步实验设计能力、创新能力等科学实验能力。大学物理实验课主要内容13四.物理实验课的程序1.关于大学物理实验预约实行开放式教学、计算机管理、网上预约。中国石油大学（主页）－教学院部－理学院开放实验－学习网站－开放实验管理系统重点浏览学习网站内容有：使用说明、预约查询、上课须知、预约指南、预习辅导等等。2.课前预习(必要性)，写出预习报告，列出数据记录表格。（合格的预习报告可作为实验报告的前半部分）3.进行实验时，爱护实验仪器。实验完毕，教师检查数据。实验地点：基础实验楼D区。4.课后完成实验报告，一周内交上。实验报告通常由以下几部分组成：实验名称、实验目的、简要的实验原理计算公式必要的线路图、仪器设备型号量程级别等、实验内容和数据、数据处理过程、结果的评定及分析、问题讨论、教师签名的原始数据。14五.怎样写好预习报告预习报告要求在正式实验前写好，内容包括（1）实验名称（不可缺少实验序号）；（2）实验目的：说明本实验的目的；（3）原理摘要：在理解的基础上，用简短的文字扼要阐述实验原理，切忌整篇照抄。力求做到图文并茂，图指原理图、电路图、光路图等。写出实验所用的主要公式，说明式中各量的意义、单位以及适用条件等；（4）实验器材：说明仪器设备型号量程级别等；（5）实验内容与要求，遇到的问题及关键；（6）设计好数据记录表格：（另起一页）。15六.物理实验课注意事项根据自己的情况自由预约，原则上约了必做，记住密码。至少做6个，基础理论（2-1）总成绩占15％。1.认真预习（实验成绩分数由三部分组成：预习、实验、实验报告）；2.按时到实验室上课；3.做实验时态度要严肃认真，积极思考；4.操作仪器、联结线路必须按有关规程进行，人为原因损坏仪器要赔偿；5.实验完毕应经教师检查数据、签字后，方可离开实验室。原始数据附在实验报告后，不能丢失。6.注意个人修养，衣帽整齐。16七.物理实验报告基本框架17八.说明注册账号密码的使用期为一学期，每学期都必须重新注册设定密码，注意保密并记牢，防止丢失或被他人窃取。由于密码原因导致的个人数据破坏，责任自负。“大学物理实验（2-1）”中“基础理论”为固定项目（即基础理论课作业），由系统自动加入每人的预约项目中，无法删除，必做。对于抄袭数据、实验报告、作业的同学，实验成绩记为“抄袭”字样，一经输入系统将自动锁定，其他教师无法更改，并将自动识别采取相应惩罚措施，严重影响期末成绩。18一.测量（Measurement)在科学研究和实验过程中，一切物理量都是通过测量获得的，测量是物理实验中最基本和最重要的手段。1.定义：利用仪器确定待测量大小的过程。2.分类：（1）按照测量结果获得方式不同，测量可分为直接测量和间接测量。直接测量：用测量仪器或仪表直接读出测量值的测量。如：用米尺测量长度、用秒表测时间。间接测量：通过测量某些直接测量值,再根据某一函数关系而获得被测量数据的测量。如：用单摆实验测量重力加速度，公式为误差理论与不确定度基础知识直接测量量是L和T，间接测量量是g224TLg90.70cm19（2）按测量次数分为：单次测量和多次测量。单次测量：对待测量测量了一次。多次测量：在相同的测量条件下对待测量测量次数较多，一般多于5次。为使测量结果准确，减小随机误差，一般要进行多次测量。单次测量的情况：（1）精度要求不高时（如体检称体重、测身高）；仪器精密度较低，多次测量数据相同；（2）无法进行多次测量时（对地震过程的测量）；一个测量值（数据）不同于一个数值，必须由数值和单位两部分组成，两者缺一不可，一个数值有了单位才具有物理意义，才可以被称为物理量。单位通常采用国际单位制。测量的四要素：测量对象、测量单位、测量方法和测量准确度。20二.误差（Error）测量结果的可靠性到底有多大，影响测量结果和客观真值之间产生差异的因素有那些？这就是“误差与不确定度理论”所要研究的问题。误差与不确定度理论主要解决测量过程中的误差分析和测量结果可靠性评定等问题。物理量在客观上具有确定的数值，称为真值。在测量过程中，由于实验方法和实验设备的不完善，周围环境的影响，以及受人们认识能力所限等，测量所得数据和被测量的客观真值之间，不可避免地存在差异，这在数值上表现为误差。１.误差的定义误差＝测量值－真值21几点说明：（1）误差是普遍存在的（或者说任何测量都存在误差），误差存在于一切测量之中——误差公理。（2）误差可正可负。它的正负取决于测量值偏离真值的方向。（3）误差的具体大小是不可知的。真值：在某一时刻、位置或状态下，某量的客观值或实际值，它是一个理想的概念，测量值永远不是真值，真值一般是不可知的，特殊情况下是已知的（理论真值、约定真值、相对真值等）。根据误差的定义，误差是无法求得的。通常用x作为作为真值的最佳估算值称为近真值。22２.误差的分类根据误差的性质，分为系统误差、随机误差、粗大误差（1）系统误差：在多次测量同一物理量时,符号和绝对值保持不变的误差，或按某一确定规律变化的误差。其特征是它确定的规律性。产生原因：某一突出因素（仪器、方法、环境等）。零点差将摆球简化为质点，存在系统误差23按照测量者掌握的程度系统误差可分为已定系统误差：大小和符号都知道的系统误差。如千分尺和电表的零点差，可引入修正量修正。未定系统误差：大小、符号或大小与符号都不知道的系统误差。一般只能给出它的限值或范围，具体大小是得不到的，如表级误差（电压表、电流表等）。难以作出修正，只能估算，尽量减小。无论哪种系统误差，根据其特点可知不可能通过多次测量来减小或消除误差。注意消除零点差零线在准线上方或下方24（2）随机误差：在相同的测量条件下，多次测量同一个量值时，绝对值和符号以不可预知的方式变化的误差，即误差时大时小、时正时负，“无法预测”。随机误差的特点就是：随机性。无规律可循吗？多次测量的结果又符合一定的统计规律性。对大量的事件的统计结果概率论与数理统计产生原因：测量过程中多种因素微小变化综合引起。随机误差正态分布曲线上图说明随机误差具有如下特点：（1）单峰性：（绝对值小，概率大）（2）对称性：（正负误差概率相同）（3）有界性：（误差绝对值在一定范围内）（4）抵偿性：（测量值误差的算术平均值随测量次数的增加而趋于零）误差概率密度25（3）粗大误差（粗差）在测量过程中，由于测量仪器工作失常，或观测者疲劳、大意等因素造成的误差，如读取数据、记录数据发生的错误等。这种误差性质上与以上两种误差不太一样，属于测量坏值，一旦发现，应及时剔除。研究误差的意义主要在于（1）正确认识误差的性质，分析其产生原因，以减小误差；（2）正确处理测量和实验数据，合理计算所得结果，以便得到更接近真值的数据；（3）正确组织实验过程，合理设计或选用仪器，采用适当的测量方法，在最经济的条件下得到理想的结果。26根据误差的来源（产生的原因）可分为：仪器误差、方法误差、环境误差、人为误差等。3.误差的表示形式绝对误差、相对误差和引用误差。（1）绝对误差(Absoluteerror)被测量的测量值与其真值之差；或者为用绝对大小给出的误差为该量的绝对误差。简称误差。绝对误差=测量值-真值0xx27说明：①一般所说的误差就是绝对误差；②绝对误差具有确定的大小、计量单位和“+”、“-”号。反映测量值偏离真值的大小与方向，通常用于同一量级同种量的测量结果的误差比较。③绝对误差数值大小与所取单位有关。（2）相对误差(Relativeerror)绝对误差与被测量真值的比值(Er)。相对误差=绝对误差/真值0xEr28说明：①相对误差是一个比值，其数值与被测量所取单位无关，因而是无名数（即无量纲数），通常用百分数“%”表示。②对于相同的被测量，绝对误差可以评定其测量精度的高低，对于不同被测量以及不同的物理量，采用相对误差来评定较为确切。（3）引用误差(Fiducialerror)绝对误差与测量范围上限（或量程）的比值。引用误差=绝对误差/测量范围上限mmxr29说明：引用误差适用于具有连续刻度和多挡量程的测量仪器的误差。去掉%