物理实验绪论课张国才

基本问题1.为什么要上物理实验课(意义、目的)2.怎样上好物理实验课（程序、要求）3.基础知识（测量、误差和不确定度估计、有效数字、数据处理基本方法）物理实验的意义•物理学是一门实验科学•物理实验是系统实验方法和技能训练的开始•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：•1997：激光制冷StevenChuCohen-TannoudjiWilliamD.Phillips•1998：量子霍耳效应RobertB.LaughlinHorstL.StormerDanielC.Tsui•2001：玻色-爱因斯坦凝聚EricA.CornellWolfgangKetterleCarlE.Wieman•2002：探测宇宙中微子发现宇宙X射线源KasatoshiKoshibaRiccardoGiacconiRaymondDavisJr•2003：量子物理学超导体和超流体AlexeiA.AbrikosovAnthonyJ.LeggettVitalyL.Ginzburg•2004：夸克粒子理论FrankWilczekH.DavidPolitzerDavidJ.Gross物理实验课的目的•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1.通过阅读教材或资料,做好实验的准备。2.正确使用常用仪器,掌握基本物理量的测量方法和技术。3.运用物理理论对实验现象进行初步分析判断。4.正确记录和处理实验数据、分析实验结果、撰写合格的实验报告。5.完成简单的具有设计性内容的实验。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。物理实验课的基本程序(三个环节)•实验预习报告—实验能否顺利进行的关键•实验操作•实验报告—实验的总结·阅读实验教材、明确目的、写出预习报告。·预习实验原理·了解实验注意事项·写好实验预习报告实验预习①实验名称、目的、主要仪器；②原理简述（主要公式（包括式中各量意义）、原理图）；③列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。预习报告内容：★写明姓名、学号、班级、实验日期等.★预习报告是实验工作的前期准备,课上教师要检查预习情况，记录预习分。预习分占本次实验的30分。①遵守实验室规则；②了解实验仪器的使用及注意事项；③仔细观察和认真分析实验现象；④如实记录实验数据和现象；⑤实验后整理仪器实验操作要求实验报告●写实验报告是对实验全过程进行总结和深入理解的一个重要步骤；●实验报告在预习报告的基础上进行数据处理，并在本次实验课后交指导老师批阅；●实验报告未按时交，要扣实验分；●单次实验课为两节课，每次实验报告以一页交上来。物理实验课学生须知：所有实验不得无故迟到、缺席。无故迟到者按迟到时间相应扣分。迟到10分钟扣当次实验成绩30分，无故缺席者按零分记。若因病(要有医生证明)、因事（要有学院证明)而缺课，并要补做实验。教学安排大学物理实验课分两学期完成本学期：需做6个实验下学期：按所排课表成绩统计（本课程为公共必修课）平时成绩占70％，实验操作考试占30％。实验操作考试时间安排在下学期，以抽签形式，独自完成。单次实验按100分记录。测量误差和不确定度•测量与误差•不确定度及其计算•有效数字测量与误差测量的概念和常用词汇测量和测量单位测量的实质就是将待测物体的某物理量与相应的标准做定量比较。测量的结果应包括数值（即度量的倍数）、单位以及结果可信赖的程度（用不确定度来表示）直接测量、间接测量、等精度测量直接测量：把待测物理量直接与作为标准的物理量进行比较。例如用米尺测物体的长度，用电流计测线路中的电流间接测量：指利用直接测量的量与被测的量之间已知的函数关系，从而得到该被测量的量。例如测物体密度时，先测出该物体的体积和质量，再用公式算出物体的密度。等精度测量：同一个人，用同样的方法，使用同样的仪器，并在相同的条件下，对同一物理量进行的多次测量。物理实验中所说的多次测量通常指等精度测量。测量方法•比较法、补偿法、放大法、模拟法、平衡测量法•振动与波动方法•光学实验方法：干涉法、衍射法、光谱法、光测法•非电量的电测法被测量传感器测量电路指示仪表数据处理仪器记录仪表图：非电量电测法误差（绝对误差、相对误差）与真值•误差：测量误差就是测量结果与被测量的真值（或约定真值）之间的差值，测量误差的大小反映了测量结果的准确程度。测量误差可以用绝对误差表示，也可以用相对误差表示。•绝对误差(δ)＝测量结果（x）－被测量的真值（a）•相对误差（Er）＝绝对误差（δ）/真值（a）×100%•真值：是一个理想概念，一般说来实验者对真值是不知道的。通常用算术平均值来代替真值，称为约定真值。最佳值和偏差•最佳值：多次测量的算术平均值•偏差（残差）：•相对误差：•是评价测量值准确与否的客观标准niixnx11xxii%100xEr系统误差和随机误差•系统误差：在相同条件下，对同一被测量的多次测量中，误差的绝对值和符号（正、负）保持恒定或在条件改变时，误差的绝对值和符号（正、负）按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。天平不等臂所造成的系统误差仪器误差1.系统误差AOBBAabb不偏心时，由于，所以可用弧长反映角度的大小。aabb由于偏心，使之用弧长反映角度时产生的系统误差。如：这是由偏心造成的。AABBaBnI0螺线管为无限长，管壁磁漏可忽略。如：由于理论推导中的近似,产生的系统误差理论人为心理作用，读数（估计）偏大或偏小。生理因素听觉嗅觉色觉视觉对音域（20HZ--20KHZ）的辨别。对音色的辨别。环境市电的干扰输入光点检流计接近时，静电干扰，使光斑移动等。方法内接VVRVAAVIRIV用V作为VR的近似值时，求RVIVVIVIVIVIRARARRVIVIIVIRVRA用I作为IR的近似值时，求系统误差特点是：增加测量次数误差不能减少，只能从方法、理论、仪器等方面的改进与修正来实现。表现出恒偏大、恒偏小或周期性的特点。系统误差和随机误差•随机误差：在相同条件下多次重复测量同一个量时，每次测量出现的误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化。这类误差称为随机误差。•随机误差的特点：是单个测量误差表现为不可预知的随机性，而从总体来看这类误差服从统计规律。•误差=随机误差+系统误差系统误差和随机误差•精密度：反映随机误差的大小程度•正确度：反映系统误差的大小程度•准确度：随机误差与系统误差综合大小•精度：物理意义不明确，有时指精密度，也有时指准确度测量结果准确程度与射击打靶的类比精密度高，正确度底正确度高，精密度底精密度和正确度均高误差的处理方法•处理系统误差的一般知识•随机误差的处理•仪器误差•不确定度的概念处理系统误差的一般知识•发现系统误差的方法：理论分析法实验对比法数据分析法•系统误差的减小与消除：误差根源：减小、消除实验技巧：交换法、替代法、异号法等。随机误差的处理任一次测量结果的随机误差具有随机性特点。但多次测量的随机误差表现出确定的规律，即统计规律。随机误差的正态分布规律在相同的测量条件下，对某一被测量进行多次重复测量，假设系统误差已经消除如果该被测量的真值为a，则根据误差的定义，各次测量的误差为（i＝1，2，…，n）实验和统计理论都证明，当重复测量次数足够多时，随机误差服从或接近正态分布（或称高斯分布）规律。axii随机误差正态分布的性质：①单峰性：绝对值小的误差出现的可能性（概率）大，绝对值大的误差出现的可能性小。②对称性：大小相等的正误差和负误差出现的机会均等，对称分布于真值的两侧。③有界性：非常大的正误差或负误差出现的可能性几乎为零。④抵偿性：当测量次数非常多时，正误差和负误差相互抵消，于是，误差的代数和趋向于零。22221)(ef式中的是一个与实验条件有关的常数，称之为正态分布的标准误差。±是曲线两个拐点的横坐标位置。标准误差与标准偏差※测量次数n为有限次时用贝塞尔公式计算直接测量量的实验标准差。n)ax(imniin121111221nn)xx(Sniiniix标准误差（标准差)：标准偏差－贝塞尔公式：标准误差的物理意义21)0(f若测量的标准误差很小，则测得值的离散性小，重复测量所得的结果相互接近，测量的精密度高；如果很大，误差分布的范围就较宽，说明测得值的离散性大，测量的精密度低。算术平均值的标准偏差与测量次数的影响)1(12nnnSSniixxs0510n15051015sn平均值的标准偏差比任何一次测量的实验标准差小,增加测量次数,可以减少平均值的标准偏差,提高测量的准确度.但是,n10以后,n再增加,平均值的标准偏差减小缓慢,因此,在物理实验教学中一般取n为6～10次置信区间和置信概率%3.68)(1dfP222%5.95)(dfP333%7.99)(dfp],[]2,2[]3,3[置信概率置信区间坏值的剔除仪器误差1.仪器的示值误差（限）国家技术标准或检定规程规定的计量器具最大允许误差或允许基本误差，经适当的简化称为仪器的误差（限），用Δ仪表示。它代表在正确使用仪器的条件下，仪器示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。仪器误差（限）举例1游标卡尺，仪器示值误差一律取卡尺分度值。2螺旋测微计，量程在0—25mm及25—50mm的一级千分尺的仪器示值误差均为0.004mm。3在使用机械停表和电子停表时，其误差主要来源于启动和制动停表时的操作误差，其极限误差约为0.2s。4物理实验常用的水银温度计，其极限误差为温度计的最小分度值。5指针式电流表和电压表的仪器误差限由量程和准确度等级决定。6数字式仪表，误差示值取其末位数最小分度的一个单位。7电阻箱、电桥等，示值误差用专用公式计算2仪器的灵敏阈a:定义，指足以引起仪器示值可察觉变化的被测量的最小变化值。例，人眼察觉到的指针改变量为0.2分度值，0.2为指针仪表的灵敏阈。b:灵敏阈越小，仪器的灵敏度越高。c:仪器的灵敏阈＜示值误差限＜最小分度值。由于多次使用，仪器的灵敏阈变大，超过仪器示值误差限时，仪器示值误差应由灵敏阈来代替。误差与不确定度不确定度的定义：测量不确定度是测量结果必须具有的一个参数。测量不确定反映了对被测量真值不能肯定的程度，或者说测量值作为被测量真值和估计值可能存在的一个分布范围，并在这个分布范围内以一定的概率（如P=95%）包含被测量真值。这个范围可表述为测量结果(P=95%)式中：是测量平均值；△是测量不确定度；P是包含真值的概率。xxx不确定度与误差的比较•不确定度和误差是两个不同的概念。误差是指测量值和真值之差，一般情况下，它是未知的、确定的、可正可负的量；•不确定度是表示误差可能存在的范围，它的大小可以按一定的方法计算（或估计）出来。不确定度大，不一定误差的绝对值也大。两者不应混淆。•测量结果表示区间以一定的概率包含真值。•要完整地表示一个物理量，应该有数值、单位、不确定度（△）这三个要素。xx,xx定义相对不确定度:测量不确定度一般包含几个分量，按其数值评定的方法，可分为两大类：采用统计方法评定的A类不确定度分量和采用其他方法评定的B类不确定度分量。100%rUx直接测量结果的总不确定度的估计总不确定度△从估计方法上也可分为两类分量：A类分量△A：代表多次重复测量用统计方法计算出的分量；B类分量△B：代表用其他方法估计出的分量，它们可用“方、和、根”合成总不确定度总不确定度22BA有关的计算表明，在5n≤10时作△A=S