北邮绪论2012秋季绪论

物理实验绪论物理实验中心2012年9月14日一、物理实验课程的安排和要求二、物理实验课的作用和目的三、测量误差和数据处理四、实验数据有效位数的确定物理实验绪论课的主要内容*必修实验的安排，请查看课表和课程通知单。*请提前买教材(教材科），并到主楼308室买数据表格和空白报告，4元/套。*实验内容1（主421）2（主425）3（主413）单臂电桥（惠斯登）+双臂电桥（凯尔文）示波器的使用+声速测量霍尔效应测磁场+集成霍尔元件与简谐振动4(主418)5（主407）6（主321/320）分光计的调整与使用LabVIEW入门和简单测量波尔共振仪实验（17-32）压力传感器+液压杨氏模量（1-16）7（主301/303）非线性电路与混沌夫兰克-赫兹实验*考试:*总成绩=平时成绩+考试成绩*实验室开放时间:主楼308办公室旁边的橱窗里。预习和补做实验。周六上午：8：30-11：50。*物理实验课的相关通知贴在主楼308办公室旁边的橱窗里，请及时察看。物理实验(选修)介绍:上课时间：周三晚上，第一次课上课地点：第4周教3-408。正式上课地点：实验室。到教务处网站选课。物理实验(选修)是为全校各专业本科生开设的一门现代综合性实验课，是在物理实验的基础上，尽一步扩大学生眼界，充实学生的物理思想，培养学生敏锐的观察问题，分析问题，归纳问题的综合能力，使学生掌握近代物理主要的基本实验方法与技术，了解现代高新技术而开设的一门选修课。学生在完成32学时（8个实验）的实验并提交实验报告即可获得2个学分。物理实验课学生须知物理实验中心网站*上课必须准时，不得无故迟到、缺席。若因病（要有医生证明）假条、因事（要有院系教学主管院长签字并盖章）而缺课，应提前请假，后补不算，并在规定时间补做实验。*课上未完成实验需要补做的，应由任课教师在数据表上签字注明，补做数据需要教师签字，报告仍交原班教师批改。*有旷课1次或者缺2次实验报告的学生，不得参加期末考试，重修本课程。*上课要求：（1）原始数据不得用铅笔记录，实验完毕原始数据需经任课教师签字认可；预习报告中的电路及光路要求铅笔直尺作图，文字部分不得用铅笔；实验报告应格式规范，书写工整；（2）课前必须写预习报告，没写预习报告，扣除该实验成绩20分。预习报告马虎或不规范的扣5-10分。（3）每次实验的报告应在下次实验时交给任课教师，不按时交实验报告的，扣除该实验成绩10-20分。（4）上课迟到5分钟以内的扣10分，5-10分钟的扣20分；迟到10分钟以上的扣30分，并要求在实验室开放的时间里重做该实验。※为什么要上物理实验课＊物理实验课的作用＊物理实验课的目的物理实验的作用物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。物理学以实验为本l理论与实验的关系一切物理概念的确立、物理规律的发现、物理理论都来源生产实践和科学实验，最终又要受到实验的检验。历史上，一切错误理论的推翻、旧理论适用范围的界定及新理论的诞生往往是和一些著名实验相联系的。杨氏干涉实验———光的波动学说得以确立密立根油滴实验———证明了电荷的不连续性l实验课的作用物理实验课在培养学生的动手能力，提高实验技能和素养，以及学生对物理理论的理解都起到非常重要的作用。实验教学是培养学生体会“渗透式”学习方法的重要手段，开发学生的创新潜力。“我觉得学习有两种方法。一个办法是按部就班的；一个办法是渗透性的。什么叫渗透性的呢？就是在你还不太懂的时候，在好像乱七八糟的状态之下，你就学到了很多东西。”——摘自《杨振宁文录》以诺贝尔物理学奖为例：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。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.通过阅读实验教材和仪器说明书，能够正确使用常用的实验仪器。2.能够独立完成课程要求的实验内容。3.能够正确记录和处理实验数据，绘制曲线，并对实验结果进行误差分析，撰写合格的实验报告。4.能够运用所学物理理论知识对实验现象进行分析判断。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(实验竞赛)；遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。*怎样上好物理实验课三个主要教学环节实验预习—实验能否取得主动的关键实验操作实验报告—实验的总结实验预习•明确实验目的，任务。•预习实验原理。•了解实验注意事项。预习报告是实验工作的前期准备，是写给自己参考用的，故要求简单明了。实验前应清楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方法和测量哪些数据才能实现实验的目的。实验操作要求1.遵守实验室规则；2.了解实验仪器的使用及注意事项；3.正式测量之前可作试验性探索操作；4.仔细观察和认真分析实验现象；5.如实记录实验数据和现象:用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得改动。6.整理仪器，把垃圾放入纸篓。*实验时爱护仪器设备，实验时一定要注意人身安全！实验报告的要求(见空白报告)实验目的实验原理与操作步骤基本物理思想、实验设计原理、物理公式及其意义、电路图（光路图）等；主要操作步骤。实验仪器名称实验数据处理与分析实验数据计算、不确定度公式推导与计算、结果表示、误差分析、结果讨论。回答问题与实验总结测量误差和数据处理1.测量与误差基本概念2.测量的不确定度和结果表达3.有效数字及其运算法则4.常用数据处理方法一.误差理论(一）测量与误差基本概念1.测量测量是以确定被测对象量值为目的的全部操作，它是物理实验的基础。测量glT2直接测量间接测量等精度测量：在测量条件相同的情况下进行的一系列测量。不等精度测量：测量条件不同或部分不同的情况下进行的一系列测量。2.真值:物理量自身客观存在的量值称为该物理量的真值.3.误差与偏差:测量误差可以用绝对误差和相对误差来表示绝对误差=测量结果-真值相对误差=真值绝对误差测量值与真值之间总存在差异。误差存在于一切测量值中，并贯穿测量的始终。（二）误差的分类：根据基本性质和特点分为3大类系统误差：在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预知的方式变化的测量误差分量。随机误差：在同一量的多次测量中以不可预知的方式变化的测量误差分量。系统误差的特点是具有确定性。随机误差的特点是单个具有随机性，而总体服从统计规律。粗大误差：超出在规定条件下预期的误差。它可能是随机误差的某种极端情况，也可能是由于测量过程中人为过失而产生的错误。仪器误差—如标尺的刻度偏差、指针的安装偏心等；理论误差—如伏安法测电阻中欧姆定律的使用；观测误差—如动态测量时，记录信号有滞后的倾向。（三）测量结果的评价精密度反映随机误差大小的程度，它是对测量结果的重复性的评价。精密度高是指测量的重复性好，各次测量值的分布密集，随机误差小。但是，精密度不能确定系统误差的大小。正确度反映系统误差大小的程度。正确度高是指测量数据的算术平均值偏离真值较小，测量的系统误差小。但是正确度不能确定数据分散的情况，即不能反映随机误差的大小。准确度反映系统误差与随机误差综合大小的程度。准确度高是指测量结果既精密又正确，即随机误差与系统误差均小。现以射击打靶的结果为例说明以上三个术语的意义。图1-1中（a）（b）（c）图正确度、精密度和准确度（a）正确度好而精密度低，即系统误差小，而随机误差大。（b）精密度高而正确度低，即系统误差大而随机误差小。（c）准确度高，系统误差和随机误差都小。（四）如何发现和消除系统误差发现系统误差消除系统误差理论分析实践对比数据分析测量结果加修正值消去误差源采用适当测量方法(天平称重悬臂长度不一致）（五）随机误差的统计处理对某一物理量进行等精度测量，得一测量列：.,,,21nxxx当时，误差的概率分布如图，这种分布称为（高斯）正态分布n222exp21axxp正态分布的特点：①单峰性：绝对值小的误差出现的概率大。②对称性：大小相等，符号相反的误差出现的概率相同。④抵偿性：③有界性：误差出现在区间的概率为68.3%，出现在区间的概率为99.7%。称为极限误差。,3,33niinnx10lim（六）多次测量结果的最佳值——算术平均值设在误差符合正态分布的情况下，一系列等精度测量值为：.,,,21nxxxaxx11axx22……axxnn两边取和niniiinaxx11根据正态分布的特点niinx10lim当测量次数时，有nniiaxn11即（测量列的算术平均值等于真值）ax假设相应的真值为a偏差=测量值-近真值(通常把算术平均值作为近真值)nniaixn12)(lim称为标准差：112)()(nnixixxs标准偏差:无限次测量有限次测量（七）标准偏差它可反映随机误差的大小，或是一列测量值的精密度。物理实验中，测量次数都是有限的，且真值也不可知，σ不易得到，一般用s(x)作为其估计值。用均方根对残差进行统计得到的结果为标准偏差，可以用贝塞尔法估算为：nxsnnxxxsnii)1()()(12n/1)(xs平均值的标准偏差是测量列的n次测量中任意一次测量值标准偏差的。显然小于s(x)。x有一个可以进行重复测量的物理量，且是稳定的，它的次独立测量结果是，我们把它的平均值作为的最佳估计，x平均值的标准偏差xnnxxx,,,21nxxix二．测量不确定度和结果的表达（一）测量结果的评定：②从误差分类上看——界限不清。①从误差的定义来看——不易操作；表示测量结果的基本要素:测量值计量单位测量值可信赖程度的指标——误差——不确定度)4.13.910(＝R由于实际取得实验结果的过程是复杂的，在实际测量中很难界定系统误差和随机误差，因此，用误差评定测量结果是困难的。为了以最佳方式评价测量结果引入不确定度概念。(二)不确定度概念：是与测量结果相联系的参数，表征测量结果不能被肯定的程度，是恰当描述测量值的分散程度的物理量。可以定量表示。为了避免误差分类时界限不清的问题，不确定度可以按测量者是否采用统计分析而划分为两类：A类不确定度——测量者对观测列进行统计分析，且用标准不确定度进行估算。B类不确定度——测量者对观测列不进行统计分析，且用标准不确定度进行估算。合成不确定度——A、B两类不确定度相互独立，A、B两类不确定度的方和根合成称为合成不确定度，)()()(22xuxuxuBAA类不确定度—测量者采用统计方法评定的不确定度A类不确定度是用统计分析法进行评定的。当测量列误差满足正态分布时，我们可以视为一系列观测值的平均标准偏差。)1()()(1)(2nnxxxsnxsi将s(x)直接作为A类不确定度。（置信概率为0.95）)()()(xsxstAup)()()(xsxsntxstpp)(Au)(AuT分布当测量次数较少时，误差分布偏离正态分布而服从T分布。分布曲线比正态分布曲线低而宽，当n时，T分布趋于正态分布。B类不确定度—测量者采用非统计方法得到的不确定度BuB类不确定度（）是测量者不采用统计分析法得出的，是所有不同于统计分析方法给出的不确定度的统称。实验中常用的评定方法是：通过仪器给定或实验室约定的估计概率分布来评定标准偏差，从而计算不确定度的B类分量。在我们的实验中做简化处理：只考虑仪器误差对应的不确定度作为B类分量：仪)(xuB(1)游标卡尺：根据游标的刻线得到，例如游标上有50