大學物理實驗緒論1公開課一等獎省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎課件

大學物理試驗緒論1錢萍北京科技大學物理學與普通物理試驗物理學是一門試驗科學，沒有試驗理論是空洞理論，沒有理論試驗是盲目標試驗。“我國古代科學技術遠遠領先于西方，這種輝煌成就是全世界公認。不過，近三百年來，卻遠遠落后于西方。我認為主要原因是：西方自伽俐略和牛頓等人提倡科學試驗以來，大力發(fā)展了科學試驗，而我們依然未動，輕視科學試驗是我們不良傳統(tǒng)之一，也是幾千年封建思想，尤其是一千多年科舉制度遺毒。這是科學不發(fā)達主要原因”。－－－－核物理學家張文裕教授物理試驗課主要目標1.在物理試驗基本知識、基本方法、基本技能方面受到較系統(tǒng)訓練。

包含：相關儀器選擇和使用、基本測量技能和方法、試驗數(shù)據(jù)處理、對結果誤差做出分析和判斷、完成試驗匯報等。2.培養(yǎng)和提升科學試驗能力。

包含：自學能力、動手實踐能力、創(chuàng)新思維能力、書面表示能力、和簡單設計能力等。3.培養(yǎng)和提升從事科學試驗素質(zhì)，為后續(xù)試驗課程以及社會工作打好基礎。

包含:培養(yǎng)學生實事求是科學態(tài)度嚴謹踏實工作作風勇于探索、堅韌不拔鉆研精神恪守紀律、團結協(xié)作、愛護公物優(yōu)良品德。物理試驗基本程序和要求1.試驗課前預習(1)預習講義中與本試驗相關全部內(nèi)容。(2)寫出預習匯報預習匯報應簡明扼要地寫出：1）試驗名稱；2）試驗任務；3）測量公式（包含式中各物理量含義和單位）；4）原理圖、線路圖或光路圖；5）關鍵試驗步驟（提要性）等內(nèi)容，并單獨用一張試驗匯報紙做好原始試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計表格。

物理試驗基本程序和要求2.課堂試驗操作(1)上課需帶試驗講義、筆、尺、計算器等。(2)必須在了解儀器工作原理、使用方法、注意事項基礎上，方可進行試驗。

(3)儀器安裝調(diào)試后經(jīng)教師檢驗無誤后方可進行試驗操作。(4)注意觀察試驗現(xiàn)象，認真統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)填入試驗統(tǒng)計表格,數(shù)據(jù)須經(jīng)指導老師檢驗及簽字。(5)試驗后請將使用儀器整理好，歸回原處。經(jīng)教師允許后方可離開試驗室。(6)課后按要求完成試驗匯報,并在下次試驗時交上來。完成試驗匯報試驗匯報內(nèi)容5、內(nèi)容及操作步驟6、注意事項7、數(shù)據(jù)統(tǒng)計表8、數(shù)據(jù)處理

1、實驗題目2、目3、原理4、儀器9、試驗結果（或結論）10、思索題11、試驗小結

要求1、原理要整理總結2、儀器要注明型號3、匯報中數(shù)據(jù)要與原始統(tǒng)計數(shù)據(jù)一致4、數(shù)據(jù)處理包含：

公式、計算過程、誤差及不確定度分析、圖線等5、試驗結果（或結論）6、試驗小結7、匯報中必須附有指導教師簽字原始統(tǒng)計試驗課評分標準試驗匯報：（滿分為5分）1、（5分）試驗匯報內(nèi)容完整且沒有任何錯誤，其原理部分系采取自己語言寫。2、（4.5分）試驗匯報內(nèi)容完整且沒有任何錯誤，但原理部分沒有采取自己語言寫。3、（3分～4分）試驗匯報中有錯誤，一個大錯扣一分，一個小錯扣零點五分。4、錯誤：a．特大錯：匯報中缺原理和數(shù)據(jù)處理部分按匯報沒有完成處理，如缺前者最高分不超出二點五分，后者最多一分。匯報中無數(shù)據(jù)表格視為兩個大錯。抄匯報者按兩分處理（雙方一樣對待）。4、錯誤：b．大錯：匯報內(nèi)容不全、缺項（不含缺原理和數(shù)據(jù)處理），試驗結果超出要求范圍，表述錯誤，有效數(shù)字及誤差計算不符和要求，作圖不規(guī)范，無計算過程，純計算錯誤。遲交試驗匯報算作大錯。c．小錯：沒有注明單位或單位錯誤，匯報太潦草不易識別等。有病需請假。如末請假，且沒有任何理由未按時做試驗者，補做試驗后扣二分。補做試驗需由試驗室統(tǒng)一安排時間進行。原始數(shù)據(jù)須經(jīng)教師簽字認可；無預習匯報者，不能參加試驗操作，按缺課處理。預習提問記分，記入總成績；缺課者，該試驗0分。缺6課時以上者，按期末不及格處理，需明年重修。注意測量與誤差誤差處理測量結果不確定度評定有效數(shù)字統(tǒng)計與運算數(shù)據(jù)處理試驗方案選擇標準

基本內(nèi)容一、測量及其分類

1.

測量:

將待測量直接或間接地與另一個同類已知量相比較，把后者作為計量單位，從而確定被測量是該計量單位多少倍物理過程。測量與誤差2.測量結果測量結果應包含數(shù)值、單位、以及結果可信賴程度。三者缺一不可。不然，所表示測量結果無任何物理意義。數(shù)值單位任何測量都不能做到絕對準確!!3.分類:

按方法分類：按條件分類：直接測量間接測量

等精度測量非等精度測量等精度測量

儀器不一樣、方法差異、測量條件改變以及測量者素質(zhì)參差都會造成測量結果改變。當同一個人、用一樣方法、使用一樣儀器并在相同條件下對同一物理量進行屢次測量，叫做等精度測量。4.測量方法比較、放大、賠償、模擬。轉換干涉計量非電量電測非光量光測如：米尺、電表比較法：放大法：200如：螺旋測微計測長——把螺紋細分而進行放大。5.測量需考慮幾項內(nèi)容：

a.盡可能降低測量中誤差

b.找出最靠近真值最正確近似值作為測量結果

c.表明測量結果可靠程度。二、誤差

1.真值與測量值真值：待測量客觀存在值，記為x。（它不會因測量伎倆而改變）以下幾個情況可視為真值：（a）理論值：如三角形內(nèi)角和180?

（b）公認值：如普朗克常數(shù)（c）計量學約定真值：計量部門約定長度、時間、質(zhì)量等。如當?shù)刂亓铀俣萭（d）相對真值：用準確度高一個數(shù)量級儀器校準測量值。測量值：經(jīng)過測量（直接或間接）得到物理量值，記為x2.誤差表示絕對誤差：相對誤差:絕對誤差與相對誤差大小反應了測量結果準確程度因為真值普通是得不到，所以誤差也無法計算。實際測量中是用屢次測量算術平均值來代替真值，測量值與算術平均值之差稱為偏差，又稱殘差，用表示，即3.關于誤差幾點說明：

是可正、可負量，

絕對值愈小，說明測量值越靠近真值。此時，我們說測量結果愈準確。b.誤差存在于一切測量一直。c.誤差能夠降低，但不能完全消除。d.不能一味地為降低誤差而選擇過于準確儀器和方案。4.誤差分類隨機誤差隨機性可經(jīng)過屢次測量來減小系統(tǒng)誤差確定性可用特定方法來消除粗大誤差應進行重測！不可靠性系統(tǒng)誤差

在相同條件下屢次測量同一量時，測量結果出現(xiàn)固定偏差，即誤差大小和符號一直保持恒定，或者按某種確定規(guī)律改變，這種誤差就稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差按產(chǎn)生原因不一樣可分為:（1）儀器誤差（2）方法誤差（3）個人誤差（4）環(huán)境條件誤差系統(tǒng)誤差特點：

產(chǎn)生原因往往是可知，它出現(xiàn)普通也是有規(guī)律。

在相同試驗條件下測量同一物理量時，即使已經(jīng)精心排除了系統(tǒng)誤差產(chǎn)生原因，仍會發(fā)覺每次測量結果可能都不一樣，測量誤差或大或小、或正或負，完全是隨機。初看起來顯得毫無規(guī)律，但當測量次數(shù)足夠多時，能夠發(fā)覺，誤差大小以及正負誤差出現(xiàn)都是服從某種統(tǒng)計分布規(guī)律。我們稱這種誤差為隨機誤差。隨機誤差（對于數(shù)學期望值為零隨機誤差稱為偶然誤差）

隨機誤差主要是因為測量過程中一些隨機或不確定原因所引發(fā)。

測量過程中隨機誤差出現(xiàn)帶有某種必定性和不可防止性。

系統(tǒng)誤差與隨機誤差有著不一樣產(chǎn)生原因和不一樣性質(zhì)。所以，它們對測量結果影響也各不相同。

這是一個顯著超出統(tǒng)計規(guī)律預期值誤差。這類誤差含有異常值。

粗大誤差出現(xiàn)，通常是由測量儀器故障、測量條件失常及測量者失誤引發(fā)。

帶有粗大誤差試驗數(shù)據(jù)是不可靠。一旦發(fā)覺測量數(shù)據(jù)中可能有粗大誤差數(shù)據(jù)存在應進行重測！如條件不允許重新測量，應在能夠確定情況下，剔除含有粗大誤差數(shù)據(jù)。但必須十分慎重。

粗大誤差可定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差分類：可定系統(tǒng)誤差：在測量中大小和正負可確定誤差

舉例：

缺斤短兩小販

未定系統(tǒng)誤差：在測量中只能確定大小，不能確定正負誤差

舉例：千分尺示值誤差、數(shù)字毫秒計誤差、分光計誤差、電表精度

比如，儀器出廠時準確度指標是用符號△儀表示。它只給出該類儀器誤差極限范圍。但試驗者使用該儀器時并不知道該儀器誤差確實切大小和正負，只知道該儀器準確程度不會超出△儀極限（比如砝碼中系統(tǒng)誤差限±2mg）。所以這種系統(tǒng)誤差通常只能定出它極限范圍，因為不能知道它確實切大小和正負，故無法對其進行修正。對于未定系統(tǒng)誤差在物理試驗中我們普通只考慮儀器測量儀器（最大）允許誤差△儀（簡稱儀器誤差）。產(chǎn)生系統(tǒng)誤差原因主要有：（1）因為儀器本身存在一定缺點或使用不妥造成。如儀器零點不準、儀器水平或鉛直未調(diào)整、砝碼未校準、儀器刻度不準、刻度盤和指針安裝偏心、米尺彎曲、天平兩臂不等長、水銀溫度計毛細管不均勻而產(chǎn)生誤差等。（2）試驗方法不完善或這種方法所依據(jù)理論本身含有近似性。比如用單擺測量重力加速度時，忽略空氣對擺球阻力影響，用安培表測量電阻時，不考慮電表內(nèi)阻影響等所引入誤差。（3）環(huán)境誤差外界環(huán)境未到達測量要求。在25℃時標定標準電阻在30℃環(huán)境下使用等（4）試驗者生理或心理特點或缺乏經(jīng)驗所引入誤差。比如有些人讀數(shù)時，頭習慣性偏向一方向；按動秒表時，習慣性提前或滯后；用米尺測長，讀數(shù)為斜視讀出等。天平不等臂所造成系統(tǒng)誤差儀器誤差AOBb

不偏心時，因為，所以可用弧長反應角度大小。因為偏心，使之用弧長反應角度時產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。如：這是由偏心造成。如螺線管磁場公式成立條件是螺線管為無限長，管壁磁漏可忽略。

因為理論推導中近似,產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。理論公式

（忽略了空氣阻力等）

意大利科學家伽利略在比薩斜塔上做鐵球落地試驗。兩個不一樣重量鐵球從高處落下，同時著地。說明理論在普通情況下都能較準確地反應物體真實運動規(guī)律。主觀原因心理作用，讀數(shù)（預計）偏大或偏小。生理原因嗅覺色覺視覺對音域（20HZ--20KHZ）區(qū)分。聽覺對音色區(qū)分。環(huán)境原因市電干擾輸入光點檢流計靠近時，靜電干擾，使光斑移動等。方法內(nèi)接法AVVRVAAVIRIV用V作為VR近似值時外接法用I作為IR近似值時（1）因為觀察者在對準目標、確定平衡（如天平）、估讀數(shù)據(jù)時所引入誤差。（2）試驗中各種微小原因變動。比如，試驗裝置和測量機構在各次調(diào)整操作上變動性，試驗中電源電壓波動、環(huán)境溫度、濕度、照度改變所引發(fā)誤差。隨機誤差可用統(tǒng)計方法進行估算。產(chǎn)生隨機誤差原因主要有：三、測量儀器及其誤差1.測量儀器為便于表示，人們習慣上將用于測量裝置統(tǒng)稱為測量儀器。實際上，它包含了量具、測量儀器和測量轉換器。這三者有機組合體稱為測量裝置。2.測量儀器特征特征（1）量程（6）精密度（3）準確度（4）靈敏度（5）分度值（7）分辨力（2）標稱值3.儀器誤差a、儀器誤差表示②示值誤差③最大(極限)允許誤差①額定誤差

b、直讀儀表誤差

①依據(jù)誤差產(chǎn)生原因可分為基本誤差和附加誤差兩種?；菊`差是儀表在要求正常條件下進行測量時所含有誤差。正常條件儀表指針調(diào)整到零位儀表按要求工作位置安放周圍溫度是20oC，或儀表所標溫度除地磁場外沒有外來電磁場

附加誤差是因為偏離正常條件或在某一影響原因作用下而產(chǎn)生誤差，這個數(shù)值改變是相對于正常條件示值而言，不是相對于真值。附加誤差是一個原因引發(fā)示值改變，而不是兩個或兩個以上原因引發(fā)改變總和，所以，在附加誤差前常冠以產(chǎn)生附加誤差原因名稱，如溫度附加誤差等。這種誤差多以系統(tǒng)誤差形式出現(xiàn)，應按減弱或消除系統(tǒng)誤差方法來處理。

②儀表讀數(shù)(測得值)與被測量實際值之間差值稱為測量絕對誤差，而被測量實際值就等于儀表讀數(shù)減去絕對誤差。定義校正值與絕對誤差大小相等而符號相反，所以，實際值=測量值+校正值。引入校正值后，就能夠對儀表讀數(shù)進行校正，以賠償其系統(tǒng)誤差。

③用直讀儀表直接進行測量時，能夠依據(jù)儀表準確度等級來預計測量結果誤差。儀表在要求條件下使用時，測量值可能出現(xiàn)最大絕對誤差為式中為儀表準確度等級，為儀表量程。如用量程為10V，準確度等級為1級電壓表測量電壓，其測量最大絕對誤差為又如，電阻箱絕對誤差等于示值乘以等級再加上零值電阻，因為電阻箱各檔等級是不一樣，所以在計算時應分別計算。比如慣用ZX21型電阻箱，

應該注意：儀表準確度并不等于測量結果準確度（即測量結果相對誤差）。測量結果準確度與被測量大小相關，只有儀表使用在滿刻度偏轉時，測量結果準確度才等于儀表準確度。其示值為360.5Ω，零值電阻為0.02Ω，則其絕對誤差為

④指示儀表讀數(shù)有效位數(shù)，可依據(jù)儀表最大絕對誤差確定。測量值末位應與最大絕對誤差位對齊，按照實際情況（最小分度值，分度寬窄，指針粗細等）估讀到最小分度。

⑤數(shù)字儀表誤差表示。數(shù)字式儀表顯示值均為有效數(shù)字，儀表本身已進行了估讀。數(shù)字儀表數(shù)字部分誤差很小，普通為最終1～2個字碼，即±1或±2字。

⑥選擇直讀儀表時，要依據(jù)被測量最小值來選擇含有適當靈敏度儀表；依據(jù)被測量最大值來選擇量程；依據(jù)測量誤差或不確定度要求和試驗環(huán)境來選擇適當準確度儀表。為了減小測量相對誤差，儀表量程要靠近被測量大小。同時還要注意儀表工作條件是否正常，使用前指針是否指零，放置方式是否正確，以及怎樣正確讀取數(shù)據(jù)等。

c、儀器誤差計算儀器誤差通常是由制造工廠或計量部門使用更精密量具、儀表測試，經(jīng)過判定比較后給出。如屢次測量一個固定被測量，測量值都相同或基本相同，這并不表示不存在隨機誤差，而是因為誤差較小，儀器靈敏度較低，不能反應其微小差異，這時可用儀器最大絕對誤差（用△儀表示）作為測量結果誤差。下表給出了慣用儀器量具主要技術要求和最大誤差。量具（儀器）量程最小分度值最大允差木尺30～50cm60～100mm1mm1mm±1.0mm±1.5mm鋼板尺150mm500mm1000mm1mm1mm1mm±0.1mm±0.15mm±0.20mm鋼卷尺1m2m1mm1mm±0.8mm±1.2mm游標卡尺125mm300mm0.02mm0.05mm±0.02mm±0.05mm螺旋測微計0～25mm0.01mm±0.004mm七級天平（物理天平）500g0.05g0.08g(靠近滿量程）0.06g（量程附近）0.04g(量程和以下)量具（儀器）量程最小分度值儀器誤差三級天平（分析天平）200g0.1mg0.3mg(靠近滿量程）1.0mg（量程附近）0.7mg(量程和以下)普通溫度計(水銀或有機溶劑)0～100℃1℃±1℃精密溫度計(水銀)0～100℃0.1℃±0.2℃讀數(shù)顯微鏡0.01mm±0.004mm數(shù)字式電表最末一位一個單位指針式電表準確度等級a：0.1,0.2,0.5,1.0，1.5,2.0,5.0±量程×a%A.由儀器準確度表示②.儀器誤差確定：理論分析指出，對于多數(shù)儀器誤差服從均勻分布。比如游標卡尺量具誤差、指零儀表判斷平衡時誤差、儀器刻度盤或其它傳動齒輪回程誤差、數(shù)據(jù)截尾引發(fā)舍入誤差、李薩如圖不穩(wěn)定引發(fā)頻率測量誤差、數(shù)字儀表顯示誤差等。所謂均勻分布，是指在其誤差（△儀）范圍內(nèi)，不一樣大小和符號各種誤差出現(xiàn)概率都相同，區(qū)間外出現(xiàn)概率為零。比如總長為1000mm鋼直尺，按國家標準每毫米刻度上允許誤差為0.05mm，這個值在整個直尺任何部位都可能發(fā)生，也就是說它是均勻地分布在整個直尺全部部位。以下列圖所表示,為均勻分布概率密度曲線。△儀-△儀圖1-5均勻分布概率密度曲線00其它電子秒表最末位數(shù)字一個單位即為儀器最大誤差△儀=0.01s，能夠計算出服從均勻分布儀器標準偏差（置信概率68.3％）為比如，對于最小分度為1mm鋼直尺。其儀器標準偏差；對于使用準確度較高儀器進行測量，常采取標準偏差估算誤差，因為儀器誤差與其它原因產(chǎn)生隨機誤差相互獨立，互不相關，所以要用“方和根”合成法計算測量結果誤差。對于量程為150mV0.5級電壓表，其最大誤差△儀=150×0.5/100=0.75mV，二、測量結果最正確近似值—算術平均值三、屢次測量隨機誤差估算—標