大学物理实验教材绪论讲课用(2013)

大学物理实验绪论课教师：白光富办公室：博学楼一楼102S交代事项1.从第3周开始进入实验室上课。地点：新校区西实验楼，物理实验室（2楼）,注意下午的课是从2:00开始。2.提前查看实验课表和分班情况。（网址：210.40.18.142通知公告栏，或班长直接拷贝文档）3.来做实验前根据课表安排提前写好预习报告！带好作图工具/计算器/坐标纸等。（预习报告要求：实验目的/仪器设备/实验原理/实验步骤/数据表格等，没有预习报告不能做实验！）4.实验报告纸（按实验室提供的模板自行复印装订，实验老师不接受其它形式的报告纸。)5.成绩考核（预习报告，实验操作，数据处理三部分组成)6.请各班班长在上课老师处登记电话，便于联系。1.实验按实验分组和排定的实验顺序表进行。实验前必须认真预习，按要求写好预习报告。无预习报告者，不得做实验。2.实验在规定的时间内完成，不得无故缺席、迟到或早退，迟到时间超过15分钟按缺旷处理。无故缺旷不补课。因公、因病、因事缺课者，须由所在院系出具证明，由指导教师安排补课。3.按实验编组与实验仪器编号对号做实验。实验前按仪器清单检查仪器，明确仪器使用方法和注意事项后方能进行实验。爱护仪器，未经允许不得动用或调换其他仪器。仪器如有损坏，应立即报告指导教师进行登记，按学校有关规定处理。如发现实验仪器丢失，追查当事人和实验班责任，并做赔偿。4.进入实验室应保持安静，不准抽烟和随地吐痰。保持实验室清洁，做完实验后由轮值同学打扫实验室卫生。5.在实验室应服从教师和实验室工作人员的指导，严格按操作规程使用仪器。注意安全，防止损坏仪器或发生人身事故。6.实验完毕，整理好仪器，经教师检查认可后，方可离开实验室。按要求在规定时间内完成实验报告。物理实验室实验规程一.物理实验课的地位和作用人类认识自然界的三种基本方法：理论方法、实验方法、计算机模拟。物理实验是联系现实世界与理论知识的桥梁。物理学本质是实验科学，任何物理理论的建立，都要经过实验的验证。“实践是检验真理的唯一标准”，“物理学是以实验为本的科学”，这充分说明了物理实验的作用和重要性。2/3物理诺贝尔奖颁给实验科学。二.物理实验课的功能通过观察，测量的分析，加强对物理概念和理论的认识；学习物理实验的基本知识，基本方法和基本技能；培养严肃认真，实事求是的科学态度与工作作风。二.物理实验课的目标1.测量误差和不确定度的基本知识；对测量结果进行评估。2.处理实验数据的常用方法；列表法；作图法；逐差法；最小二乘法。3.基本物理量的测量方法；长度；质量；时间；电流；电压；电阻；磁感应强度；电子电荷；谱朗克常数；里德堡常数等。4.正确使用实验室常用仪器；长度测量仪；光学仪器；电表；电桥；示波器等。5.掌握常用的实验操作技术；零位调整；水平和铅直调整；逐次逼近调整；简单电路故障检查和排除等。6.学会撰写完整的实验报告。0.实验名称、日期、姓名等等1.实验目的2.实验仪器3.实验原理（主要概念、公式、图；简要）4.实验步骤和注意事项（简要）5.数据表格以上为预习报告；以下为课后完成：6.记录和处理实验数据写出测量结果7.思考与讨论模板实验报告的写法三.绪论课的内容测量与误差1数据处理2实验数据处理的基本方法3测量：借助一定的仪器、量具将待测的物理量，与选定的标准量进行比较的过程。结果包括数值和单位（SI：m,kg,s,A,K,mol,cd）+结果可靠程度评估（不确定度）根据测量结果得到方式的不同，可以将测量分为两类：直接测量和间接测量。1.1测量与误差b间接测量是通过待测物理量与一个或几个直接测量量的函数关系式计算出来的。（用米尺测球的体积；通过单摆测重力加速度等）测量与误差直接测量和间接测量a直接测量是通过仪器将物理量的大小直接表示出来。单次测量和多次测量(单次：温度；多次：直径)测量与误差1.2误差误差定义：测量是人类主观认识客观的过程，必然与客观值之间有一定的偏差，这称为误差。分析误差的意义：1）认识与改造客观2）精确的组织实验3）评价与确保质量4）促进理论的发展绝对误差：Δx=x-a误差=测量值-真值Δx称为绝对误差。相对误差Er=|Δx/a|×100%（没有量纲）测量与误差误差分类按定义分类：（真值又可以分为理论真值、计量真值、标准器真值等，给出值可分为测得值，实验值，标称值、示值等）引用误差：仪器示值的绝对误差与测量范围的上限或量程之比。（仪器仪表上标出的级数指的就是引用误差，因此我们可以通过仪器上的级次判断仪器的引用误差。）分贝误差：比如：输入、输出电压为u1、u2，α=u1/u2，A=20lgα(dB)，α变化δα时，引起A变化δAA+δA=20lg（α+δα）(dB)或δA=20lg（1+δα/α）(dB)，δA为绝对分贝误差。测量与误差误差分类例1：量程为10A的电流表，标定为2.75A对应的实际值为2.50A。%5.21050.275.2表示仪器的级次为2.5级常用级次：0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,7.0。引用误差：装置误差（装置误差又可分为：标准器误差、附件误差、仪器误差、变化性误差）、环境误差、人员误差、方法误差。按误差的来源分类：测量与误差ba确定性误差随机性误差异常性误差按误差表现形式分类：误差分类1)系统误差：在偏离规定条件下多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或在该测量条件改变时，按确定的规律改变的误差。系统误差又可以分为：已定系统误差（误差的方向已知，绝对值已知）和未定系统误差（误差的方向未知，绝对值未知）。测量与误差误差分类a）可定系统误差；对物理量同条件多次测量时误差的大小和正负可确定，可直接消除；零点不准(电表)，理论近似(单摆、伏安法测电阻）（可以调整可以修正）等等不可修正的误差，但有初读数，称为已定系统误差（如螺旋测微器）。AV(Rx=U/I–RA)测量与误差误差分类b）未定系统误差；由仪器本身不精确造成。仪器允许出现的最大误差称为仪器误差限。误差限：仪器由于精度的限制，正常使用下产生的最大误差。构成不确定度的B类分量[-，]→1仪仪仪测量与误差误差分类2）随机误差：在实际测量条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号的变化时大、时小、时正、时负，以不可预定的方式变化着的误差。3）粗大误差：超出在规定条件下的预期误差（过失误差）。在误差分析时通常只考虑系统误差和随机误差。误差的相互转化：在不同的场合，误差不是恒定不变的，会相互转化。如：尺子测量与制造尺子。测量与误差误差分类由于真值无法得到，绝对和相对误差都不可知，因此，实验任务是去寻找最靠近待测物理量的最佳测量值，并去考察最佳值的可信程度（不确定度Uncertainty）！从而估计误差。并思考如何去减小误差，让测量值更加接近真值，同时相对误差也达到最小。测量与误差22221)ax(e)x(p（2）随机误差（偶然误差）特点：同一条件下对某物理量多次测量，误差的大小和方向呈统计规律变化。即误差的不确定性。即随机性。随机误差服从高斯(正态)分布：σ:标准差（特征量）P(x)x单峰性有界性：对称性：抵偿性：[-σ，σ][-2σ，2σ][-3σ，3σ]68.3%95.4%99.7%置信区间；置信概率这样，通常采用多次测量取平均的方法减小随机误差。σ:标准差的讨论σ越小，曲线越尖锐，测量列的离散性小，测量结果接近，精度高，误差小。σ越大，曲线越平坦，测量列的离散性大，测量结果分散，精度低，误差大。标准差反映了测量值的集中程度，也反映了随机误差的大小。粗大误差是实验者不正确操作造成的误差，应给与剔除，随机误差在[-3σ,3σ]的概率为99.7%，一般的，我们可以认为在这个范围以外的测量值为过失误差。应给与剔除。这种方法也称为剔除数据的“3σ”准则。粗大误差1．精确度；2．正确度；3．准确度。几个重要的术语a）最佳测量值根据随机误差的性质，可以知道当测量次数n→∞时，最佳测量值为：b）用标准偏差来反映测量值的离散程度。例如：两组数据为28.2,28.3,28.1,28.3,28.4,28.1(单位：mm)，28.233，28.232，28.234，28.233，28.235，28.233两组数据的算术平均值相等，但第二组数据很明显要更为集中，每一个值都更接近算术平均值。用标准偏差来反映测量值的离散程度。niixnx112.1测量结果表示112n)xx(SniixSx为测量列的标准差，不能说明平均值的离散程度。平均值的标准差为：意义：Sx表示测量值的落在的概率为68.3%.表示平均值的落在的概率为68.3%.xxSnS1),(xxSxSxxS),(xxSxSx平均值的标准差有限次测量的t分布对于有限次测量，这种离散程度（可靠程度）应该会更大一点（更不可靠一点），即如果要保持相同的置信概率，就要扩大置信区间，乘以一个t因子：niixxxxnntStS12)()1(1n34567……15∞t1.321.201.141.111.09……1.041约定：当n≥6,t=1,2.1测量不确定度与误差结果表示1.不确定度u由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度。用u（uncertainty）来表示，分为A类（uA）和B类(uB)不确定度.△22BAuuuA类分量和B类分量合成，保持相同的置信概率。A类分量：由统计方法估计B类分量：非统计方法估计测量结果表示：单位物理意义：测量量落在概率68.3％],[uxuxuxx%100xuE)n(n)xx(uniitA1121）A类分量（随机统计，置信概率为68.3%）2.1测量不确定度与误差结果表示带有t因子的平均值标准差，称为A类标准不确定度2）B类分量（非统计方法估算）CuB仪C置信系数由误差限及其分布决定仪2.1测量不确定度与误差结果表示],[仪仪正态分布1]3,3[1系数由来：3C6C2C正态分布C=3，均匀分布，三角分布，反正弦分布。误差限获得的三种方法(1)由仪器说明书、计量标准给出，或由特定的测量条件进行合理估计。(2)由特定的公式计算，例如电表、电阻箱、电桥等都有具体的计算方法。电表(3)根据仪器的最小分度值（即仪器的最小测量单位）进行评估。%KNm仪千分尺：＝0.004mm仪50分度游标卡尺：＝0.02mm仪Nm:电表量程K:电表级别常见仪器误差分布仪器名称千分尺游标卡尺米尺物理天平秒表电表电阻箱误差分布类型正态分布均匀分布正态分布正态分布近似均匀分布近似均匀分布近似均匀分布•3）总不确定度22BAuuu2.1测量不确定度与误差结果表示测量结果表示（多次测量）n1iixn1xCuB仪22BAuuuuxx(单位))1()(12nnxxtniiuA物理意义：最佳测量量落在概率68.3％],[uxux直接测量数据处理的基本步骤ixn1x)(xuA)(xuB)()(22cxuxuuBA0)(xuACxuxuB仪)()(c))((单位xuxxc1）以测量列Xi为样本求算术平均值2）进行A类评定，求出3）根据测量的性质进行B类评定，求出求综合不确定度对于单次测量：写出测量结果))(()(单位单位xuxxc或例2：用量程为1.5V,级别为0.5的电压表单次测量某一电压U=1.434V,设电表零位已校准,试表示测量结果。解：电压U为单次测量,uA=0,故只需考虑B类分量uB。仪=Um×K%=1.5×0.5％=0.0075(V)73.1uuB仪仪C=0.00514=0.005(V)(电表仪器误差为均匀分布,C=1.73)最佳测量值例2：用量程为1.5V,级别为0.5的电压表单次测量某一电压U=1.434V,设电表零位已校准,试表示测量结果。测量结果U=U±u=1.434±0.005(V)U=U－系=1.434(V)(电表零位已校准,系=0)例3：3.间接测量量的误差:),,(zyxfw),