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文檔簡介

1、大學物理實驗緒 論理學院應用物理系 李麗 8/13/20221通 知 大學物理實驗課從第五周開始上課,地點耘慧樓114.405.102.103.104。物理實驗中心2009.03.098/13/202223、實驗課是一門自學性較強的課程,實驗目的、實驗原理要求學生必須在課前進行自學,課堂上不可能有足夠的時間仔細看,否則會影響實驗的正常操作。 提示:1、大學物理實驗與中學物理實驗的區(qū)別,中學物理實驗是幫助學生理解物理概念;大學物理實驗是要求學生學會實驗方法、原理、認識實驗儀器等。2、本次所講述的內容是整個大學物理實驗課的基礎知識,貫穿于所有實驗課全部,并不是其它課程的一般的緒論課,因此這次課非常

2、重要希望大家務必重視。8/13/202231 、必須按時上課,上課遲到扣分,無故不上課者,該實驗無成績。病、事假需正當手續(xù)(醫(yī)生診斷書或蓋有院、系公章并經(jīng)院、系主任簽字的請假條),口頭帶信無效。遲到超過20分鐘者取消該次實驗成績。2 、實驗前必須預習,進實驗室后馬上交預習報告,教師抽查提問學生預習情況,根據(jù)預習情況打分,沒寫預習報告的不許做實驗。3 、進入實驗室后,未了解儀器性能前不準亂動儀器。4 、離開實驗室前必須整理好儀器,凳子放好,經(jīng)教師驗收后離開實驗室。5 、實驗報告按班級學號排好于下次實驗時交指導教師,不接收單獨交報告。學生實驗守則8/13/20224 第一節(jié) 大學物理實驗的重要性、

3、目的和任務第二節(jié) 物理量的測量及分類第三節(jié) 測量的誤差一、大學物理實驗的重要性二、大學物理實驗的目的和任務三、大學物理實驗基本過程四、大學物理實驗報告內容一 、 測量的分類二、測量的有效數(shù)字一、真值與誤差二、誤差的種類三、測量結果的質量評價四、不確定度8/13/20225 第一節(jié) 大學物理實驗的重要性、目的和任務一、大學物理實驗的重要性1.重要性 物理實驗在物理科學的創(chuàng)立和發(fā)展中占有十分重要的地位。物理學就其本質來講是一門實驗的科學。 物理實驗的范圍大至宇宙,小至原子、分子,物理實驗已涉及到各個學科的方方面面。例如:地震勘探、放射性測井、電法測井、原油電脫水、電法采油、注蒸汽采油等油田開采領域

4、,其他領域也同樣如此。 而且歷屆獲得諾貝爾物理學獎的科學家中,80%以上是實驗物理學家,由此可以看出,物理實驗的重要性和學習物理實驗的必要性。 8/13/202262.基礎性 物理實驗是其它實驗的基礎。如果我們把現(xiàn)代高精尖的實驗拆分成獨立部件,絕大部分是常見的物理實驗內容。3.必要性 物理實驗是一門重要的必修科目。8/13/20227(一)基功訓練 1 .基本儀器的使用天平、卡尺、氣軌、示波器、記時器、分光計、顯微鏡、各種電表等。 2.基本測量方法的運用倍測法、放大法、補償法、模擬法等。 3 .基本實驗技能的掌握方案設計、方法選擇、數(shù)據(jù)處理、誤差分析、實驗報告撰寫等。(二)素質培養(yǎng)實事求是的作

5、風、嚴肅認真的態(tài)度、不怕困難的精神、遵守紀律愛護公物的品德、相互合作的協(xié)同心理。二、大學物理實驗的目的和任務8/13/20228四、大學物理實驗報告內容1.實驗目的2.實驗儀器3.實驗原理4.實驗步驟5.實驗數(shù)據(jù)記錄6.實驗數(shù)據(jù)處理過程8.分析討論7.最后結果表示三、大學物理實驗基本過程1.預習2.觀測與記錄3.數(shù)據(jù)處理8/13/20229 第二節(jié) 物理量的測量及分類測 量 測量就是使用一定的量具或儀器,通過一定的數(shù)學方法,用同類量的單位把待測量表示出來的過程。 或者說,測量就是借助儀器用某一計量單位把待測量的大小表示出來,即待測量是計量單位的多少倍。數(shù)據(jù)包括數(shù)值的大小和單位,兩者缺一不可,否

6、則沒有物理意義。8/13/202210一 、 測量的分類直接測量:間接測量:能直接從儀器上讀出待測量的量值。 長度、 時間、 質量、 溫度、 電流、 電壓等。通過直接測量的計算得出結果。面積、 速度、 密度等。等精度測量:非等精度測量:對某一量在同一條件下進行的 測量。對某一量在不同條件下進行的測量。實驗者儀 器方 法環(huán) 境* 大學物理實驗所做的都是等精度的直接測量或間接測量。按方法分按條件分8/13/202211 2 cm0.5 cm+ = 2.5 cm2.5 cm0.05 cm+ = 2.55 cm任何測量結果都有誤差二、測量的有效數(shù)字有效數(shù)字可以反映測量的準確程度8/13/202212(

7、一)有效數(shù)字及其一般規(guī)則能夠完整表達測量結果的必須數(shù)字。 7.2 cm 7.20cm 7.200cm* * * 測量結果的有效數(shù)字位數(shù)的多少與待測量的大小和 儀器的精度有關。當待測物一定時,有效數(shù)字位數(shù)的多少 反映測量儀器的精度,因此:有效數(shù)字的位數(shù)不能隨意改動有效數(shù)字的規(guī)則(一位存疑位和其他可靠位組成)1、第一個非“0”數(shù)字后面及其間的“0”為有效數(shù)字。0.1030 第一個非“0”數(shù)字的前面的“0”不為有效數(shù)字。0.0010302、有效數(shù)字的位數(shù)不因單位變換而增減。3、有效數(shù)字位數(shù)不變,用科學記數(shù)法表達數(shù)量級。 1.0kg=1.0 g1000g=1.000kg 1000g=1kg(對)(錯)

8、8/13/202213(二)直接測量的有效數(shù)字刻度類(米尺)顯示類(電子秒表)精密類(游標卡尺)電表類(電壓表)最小刻度是單位值,存疑位取在最小刻度的十分 位。最小刻度不是單位值,存疑位取在最小刻度位。存疑位為最小顯示位存疑位為儀器的最小單位 (例如:1/50mm卡尺,記到0.02mm)由表級計算出誤差,存疑位與誤差同位。141 + = 15(單位)(定準存疑位)8/13/202214(三)單位換算時的有效數(shù)字1.5 kg= 1500 g2.4 0 mm= 0.00240 m(有效數(shù)字位數(shù)不變,用科學記數(shù)法表達數(shù)量級)=(四)有效數(shù)字的運算規(guī)則任何運算結果的有效數(shù)字都應符合有效數(shù)字的特點,即由

9、準確數(shù)字和最后一位存疑數(shù)字組成??傇瓌t:運算結果保留一位可疑數(shù)字8/13/202215和差運算計算結果的存疑位與參加運算的各量中存疑位最高的相同(定有效數(shù)字存疑位)積商運算(定有效數(shù)字位數(shù))其他運算形式的有效數(shù)字各有規(guī)定(見講義27頁) 計算結果的有效數(shù)字的位數(shù)與參加運算的各量中有效數(shù)字位數(shù)最少的相同。50.1 + 3.278 - 0.45 =52.92899(單位)(單位)4.178 x 10.1 = 42.1978 = 42.2= 52.8/13/202216D =5.8 + 5.7 + 5.8 + 5.84= 23.14= 5.775= 5.78 (單位)整數(shù)(準確數(shù))在運算時不參加結果

10、的定位。常數(shù)的位數(shù)隨決定結果的測量量而定。注意3.14 5.78= 26.225994= 26.2(單位)=41412DSp28/13/202217第三節(jié) 測量的誤差 任何測量都有誤差,問題在于怎樣:減少測量誤差;求出待測量的最近真值;對最近真值的可靠程度進行評價。一、真值與誤差1、真值 ( A) 真值是客觀存在的。是一個理想的概念,不可能準確測得的。2、測量誤差(絕對誤差)測量值與真值之差定義為誤差,數(shù)學表達方式: X (測量誤差)= X(測量值)- A(真值)反映測量量偏離客觀真值的大小和方向,有正負之分。8/13/202218系統(tǒng)誤差隨機誤差過失誤差1.系統(tǒng)誤差特點:來源:同一測量條件下

11、,多次測量同一物理量時,其誤差的絕對值和符號不變或按某一規(guī)律變化。儀器誤差儀器不完善,狀態(tài)不標準。方法誤差環(huán)境誤差人員誤差實驗狀況不能滿足理論條件。溫度 氣壓 電磁場等環(huán)境因素與要求不符。由于人的生理心理和固有習慣而產(chǎn)生。二、誤差的種類8/13/202219(1)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法分析法A、分析理論公式所要求的條件是否滿足B、分析儀器所要求的條件是否滿足C、分析數(shù)據(jù)a 觀察法b 計算法c 逐差法d 統(tǒng)計規(guī)律 對比法A、實驗方法對比法(單擺測重力加速度、自由 落體測重力加速度)B、儀器對比法(例如兩塊電表接入同一電路)C、改變測量方法對比(例如用正反電流測量等)D、改變實驗條件對比(例如改變電路

12、元件的位置)E、換人對比8/13/202220(2)消除系統(tǒng)誤差的方法消除根源A、采用更符合實際的理論公式(近似程度)B、嚴格保證儀器裝置的實驗條件C、嚴格控制客觀環(huán)境實驗方法A、比較法(通過與標準量在同一條件下比較而得)B、補償法(例如邁克爾遜干涉儀的光程補償)C、代替法(用標準量代替進行測量)D、交換法(惠斯登電橋)E、倒號法(楊氏模量實驗)F、消去法(牛頓環(huán))G、線性觀測法H、半周期偶數(shù)法(分光計)I、一次倍測法(單擺實驗)8/13/2022212.隨機誤差特點:在相同實驗條件下,多次測量同一物理量,所得誤差大小、符號隨機變化,不可預知。來源:1.人類感官的靈敏度和儀器精度所限。2.受起

13、伏條件的干擾(溫度不均勻、氣流、噪聲等)。隨機誤差無法避免和消除,但多次測量可以減小隨機誤差。幾個概念:(1)真值 A (2) 測量值 Xi (3) 平均值 (4)誤差Xi = (Xi-A)=niiXnX11(5)偏差Xi =( Xi - X ) (6)樣本標準差S = 8/13/202222(1)隨機誤差的正態(tài)分布xD+-3-3+以絕對誤差x為橫軸,以誤差出現(xiàn)的概率為縱軸,即得正態(tài)分布。正態(tài)分布函數(shù)正態(tài)分布曲線標準差極限誤差8/13/202223(1)單峰性絕對值小的誤差出現(xiàn)的概率比絕對值大的誤差出現(xiàn)的概率大。(2)有界性在一定的條件下,誤差的絕對值不會超過一定限度。3Dx(3)對稱性絕對值

14、相等的正負誤差出現(xiàn)的概率是相同的。lim1=D=iinx0(2)正態(tài)分布的規(guī)律性8/13/202224(a) 由對稱性導出的結論(算數(shù)平均值接近真值)有限次測量的算數(shù)平均值是最近真值= 0=X1 , X2 , X3 , X4, XnX1 =(X1 - A), X2 =(X2 - A), X3 =(X3 - A),X4 =(X4 - A), Xn =(Xn - A) = (X1 - A)+(X2 - A)+(X3 - A)+ (X4 - A)+ +(Xn - A) 8/13/202225(b) 值是反映誤差大小分布特點的特征量 之間測量數(shù)據(jù)很集中,約占總數(shù)據(jù)的68.3%。值越小,小誤差出現(xiàn)的概率

15、越大,各測量值的分散性小、重復性好。值越大,小誤差出現(xiàn)的概率越小,各測量值的分散性大、重復性差。(曲線的拐點),用于描述測量數(shù)據(jù)的離散程度。8/13/202226(3)標準差的三種表示方式N趨近無窮大時,測量值對真值的偏離程度。描述有限次測量值偏離平均值的程度。描述平均值偏離真值的程度。平均值標準差樣 本標準差總 體標準差8/13/2022273.置信度、極限誤差 測量值在給定誤差范圍內的幾率為該測量數(shù)據(jù)在此誤差區(qū)間內的置信度。誤差落在-2 到+2間的可能性為95.4% 測量值誤差超過 范圍內的幾率是極小的,故稱 3 為極限誤差。其誤差落在- 到+ 間的可能性為68.3%誤差落在-3 到+3

16、間的可能性為99.7%8/13/2022284.過失誤差特 點:來 源:看錯、 記錯、 算錯數(shù)據(jù)。消除方法:將有過失誤差的測量值(壞值)舍去不用。數(shù)值過大。8/13/2022291.準確度: 指測量值與真值符合的程度。準確度高,表示測量結果接近真值的程度好,系統(tǒng)誤差小。所以常用準確度反映系統(tǒng)誤差的大小。2.精密度:3.精確度: 指重復測量結果相互接近的程度。精密度高,表示測量重復性好,各次測量誤差的分布密集,隨機誤差小。所以常用精密度反映隨機誤差的大小。 指綜合評定測量結果的重復性與接近真值的程度。準確度高,精密度不一定高;精密度高,準確度不一定高。精確度高是精密度與準確度都高。所以精確度反映

17、系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合效果。三、測量結果的質量評價8/13/202230準確度8/13/202231精密度8/13/202232精確度8/13/202233 準確度 精密度 精確度 由于實驗中,利用各種方式盡可能消除或減小系統(tǒng)誤差,所以評價測量結果的質量主要是估算隨機誤差。因此,往往不再嚴格區(qū)分準確度與精密度,而泛稱為精度。 在實驗中用精度說明實驗結果,是指相對誤差的數(shù)量級,如:Er = 1.0%可籠統(tǒng)講精度為10-2 ;對于所使用的儀器來講,精度又指儀器的最小分度值。8/13/202234四、不確定度1.引入不確定度的意義誤差是一理想概念,它本身是不確定的,所以不能用確定的數(shù)值來表示誤差,

18、現(xiàn)行的方法只能求得誤差的估計值,我們稱這一估計值為不確定度。引入不確定度可以對測量結果的準確程度作出科學合理的評價。 不確定度越小,表示測量結果越接近真值,可信度高。不確定度越大,表示測量結果與真值差別越大,可信度低。測量結果表示為:(單位)其中U稱為不確定度或同時表示為:Ur稱為相對不確定度8/13/2022352.不確定度的概念表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能確定的程度,它是被測量的真值在某個量值范圍內分布的一種評定。不確定度反映了可能存在的誤差分布范圍,即隨機誤差分量和未定系統(tǒng)誤差分量的聯(lián)合分布范圍。(2)不確定度的評定A類分量:在同一條件下多 次測量,用統(tǒng)計學方法計算的分量,用U

19、A表示。(1)定義B類分量:用其他方法(非統(tǒng)計學方法)評定的分量,用UB表示。8/13/202236(3)不確定度與誤差的關系綜述:誤差可用于定性地描述理論和概念的場合。不確定度則用于給出具體數(shù)值或進行定量運算、分析的場合。 (a)兩個不同的概念 誤差-理想概念,一般無法表示測量結果的誤差?!皹藴收`差”、“極限誤差”等詞,并不是指具體的誤差值,而是用來描述誤差分布的可信范圍的。 不確定度-表證被測量的真值所處的量值范圍的評定,能更準確地用于測量結果的表示。 (b)二者相互聯(lián)系二者同根同源,不確定度是在誤差理論的基礎上發(fā)展起來的。8/13/2022371.設法把測量的誤差減至最小。2.求出待測量

20、的最近真值(平均值)。3.對近真值進行不確定度估計。4.正確表示出測量結果。測量前:選擇儀器,調節(jié)儀器,對操作者進行培訓。測量中:運用相應的方法減小或消除確定的系統(tǒng)誤差。測量后:對已確定誤差的數(shù)據(jù)進行修正。條件允許時盡量做多次測量,取其平均值。計算不確定度和相對不確定度結果表達式:數(shù)據(jù)處理整個實驗安排過程(單位)8/13/202238單擺實驗單擺的等時性斜面實驗 1、初速度為0的等加速度運動的物體,其位 移與時間的平方成正比。2、一個初速度不為0的物體,如果沒有外部 的作用,它將始終保持這種速度。第谷的大量觀察資料開普勒的三大定律光的干涉和衍射光的波動性光電效應、康普頓效應光的粒子性黑體輻射量子力學現(xiàn)代實驗科學的始祖伽利略8/13/202239近 代 物 理 學 之 父愛因斯坦評論伽利略:“伽利略的發(fā)現(xiàn)以及他所用的科學方法,是 人類思想史上最偉大的成就之一,而且標志 著物理學真正的開端。8/13/202240生平 1564年2月15日生于意大利的比薩。出生前3天米開朗其羅去世、藝術轉向科學的象征。 新時代的阿基米德 1589年,比薩大學數(shù)學教授 1592年,帕多瓦大學 1610年回到佛羅倫薩 1624年163

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