c課件學(xué)習(xí)緒論兩課時(shí)

《大學(xué)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)》

緒論講授教師：李飛飛本課分四部分§1物理實(shí)驗(yàn)的重要性§2測(cè)量§2.1不確定度§2.2讀數(shù)規(guī)則與結(jié)果的表示§2.3數(shù)據(jù)處理§2.4有效數(shù)字§3物理實(shí)驗(yàn)課的目的與課程設(shè)置§4對(duì)同學(xué)們的要求與注意事項(xiàng)§1物理實(shí)驗(yàn)的重要性物理是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科。物理學(xué)所表達(dá)的定律，絕大多數(shù)是用實(shí)驗(yàn)探索得出來的。重要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往可以更新物理觀念，直接影響科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。理論推導(dǎo)得出的結(jié)論也需要實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證?！?

測(cè)量從近代以來，物理實(shí)驗(yàn)以定量測(cè)量為基礎(chǔ)。（物理）測(cè)量是將預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)與未知量進(jìn)行定量比較的過程和結(jié)果。測(cè)量分為直接測(cè)量和間接測(cè)量測(cè)量五要素---觀測(cè)者、測(cè)量對(duì)象、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量方法及測(cè)量條件任何物理測(cè)量都不可能無限準(zhǔn)確?！?

測(cè)量影響測(cè)量準(zhǔn)確度的因素有：測(cè)量錯(cuò)誤或巨大誤差，比如讀數(shù)錯(cuò)誤、天平忘記調(diào)平等等。由系統(tǒng)效應(yīng)引起的可以基本消除或可以忽略的偏差（也稱系統(tǒng)誤差）。比如理論公式的近似、已知設(shè)備使用條件的變化等等。其它因素導(dǎo)致的不準(zhǔn)確稱為不確定度§2.1不確定度測(cè)量的不確定度(uncertaintyofmeasurement)是：表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。我國(guó)于1999年發(fā)布《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》這一計(jì)量技術(shù)規(guī)范。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中也相應(yīng)采用。不確定度的表示方法還不夠成熟和普及，常常會(huì)遇到與誤差混用的現(xiàn)象?！?.1不確定度不確定度一般有以下來源：被測(cè)量的定義不完整；復(fù)現(xiàn)被測(cè)量的測(cè)量方法不理想；取樣的代表性不夠，即被測(cè)樣本不能代表所定義的被測(cè)量；對(duì)測(cè)量過程受環(huán)境影響的認(rèn)識(shí)不恰如其分或?qū)Νh(huán)境的測(cè)量與控制不夠完善；對(duì)模擬式儀器的讀數(shù)存在人為偏移；測(cè)量?jī)x器的計(jì)量性能的局限性；測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度；引用的數(shù)據(jù)或其它參量的不確定度；測(cè)量方法和測(cè)量程序的近似和簡(jiǎn)化；在相同條件下被測(cè)量在重復(fù)測(cè)量中的變化?！?.1不確定度（測(cè)量結(jié)果的分布)§2.1不確定度（測(cè)量不確定度vs誤差）以上曲線的“扁平”程度，對(duì)應(yīng)測(cè)量的不確定度不確定度表征被測(cè)量之值的分散性誤差是測(cè)量值與真值之差誤差的概念易于接受，但不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)椤罢嬷怠奔词挂磺袦y(cè)量手段都完美，也不可能得到物理的“真值”，因?yàn)椋罕粶y(cè)值的定義難以完善、被測(cè)量難以恒定不變。由量子力學(xué)的測(cè)不準(zhǔn)原理：與被測(cè)量相關(guān)的作用量的（量子）不確定度在普朗克常數(shù)量級(jí)。一些量似乎有真值或約定真值，是在偷換概念，比如圓周率、光速。§2.1不確定度（一些概念1）不確定度的評(píng)定方法被分為A類和B類A類指通過統(tǒng)計(jì)方法得出的不確定度比如，測(cè)量結(jié)果為n個(gè)值x1---xn

，這些值的算術(shù)平均稱為期望值。各個(gè)測(cè)量值與期望值的差稱為殘差。殘差的平方稱為方差。各方差的算術(shù)平均值（不嚴(yán)格）再開根號(hào)稱為標(biāo)準(zhǔn)差，也稱標(biāo)準(zhǔn)不確定度sx，因?yàn)槭墙y(tǒng)計(jì)得出的，稱為A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度。嚴(yán)格的公式，稱為貝賽爾公式：§2.1不確定度（一些概念2）以上給出的是測(cè)量值的不確定度，測(cè)量的平均值的不確定度為測(cè)量值的不確定度除以測(cè)量次數(shù)的1/2次方。被測(cè)量處在一定數(shù)值范圍的概率稱為置信概率p。很明顯在（－∞…..+∞）區(qū)間的概率為100%。對(duì)于不同的概率分布，處于期望值加減標(biāo)準(zhǔn)不確定度（）的概率是不同的。正態(tài)分布（也稱高斯分布）處于以上區(qū)間的概率為0.683。在（）內(nèi)的概率為0.954。在（）內(nèi)的概率為0.997§2.1不確定度（一些概念3）不確定度與期望值的比為相對(duì)不確定度。對(duì)應(yīng)各種置信概率p的不確定度稱為擴(kuò)展不確定度。擴(kuò)展不確定與標(biāo)準(zhǔn)不確定度的比為包含因子。我國(guó)規(guī)定：正規(guī)的表示方法為m=100.02147(35)g，p＝…..

或m=100.02147±0.00035)g，p＝…..

如果不標(biāo)出p的值，則認(rèn)為上一種表示中0.00035是標(biāo)準(zhǔn)不確定度，后一種表示對(duì)應(yīng)置信概率為0.95的擴(kuò)展不確定度?！?.1不確定度（一些概念4）B類不確定度評(píng)定辦法是指由儀器的說明、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)等非統(tǒng)計(jì)方法得出不確定度。當(dāng)然，儀器最初的不確定度是用統(tǒng)計(jì)方法，即A類評(píng)定方法得出。一般來說，A類與B類不同時(shí)進(jìn)行評(píng)定?！?.1不確定度（合成不確定度）如果得出數(shù)據(jù)結(jié)果的過程包括若干測(cè)量值，那么最后的不確定度是各個(gè)測(cè)量不確定的合成，稱為合成不確定度。比如y=f(x1,x2,

……xn,)，x為測(cè)量值，對(duì)應(yīng)的不確定度為ux，且各x相互獨(dú)立。則合成不確定度的公式為：簡(jiǎn)單處理的話：加減法不確定度相加；乘除法相對(duì)不確定度相加。（這種算法值偏大）§2.1不確定度（儀表的精度）對(duì)于儀器設(shè)備，要求其標(biāo)出的不確定度對(duì)應(yīng)的置信概率在0.99以上。測(cè)量?jī)x器滿量程的相對(duì)不確定度稱為精度，用相對(duì)不確定度乘以100表示，一般由A類評(píng)定方法得出。儀器的精度一般有：0.05，0.1，0.2，0.5…等等。儀器的精度值越小，準(zhǔn)確度越高。請(qǐng)同學(xué)們注意：儀器的精度是以滿量程測(cè)量得出的，也就是說，如果測(cè)量值是滿量程的1/n，那么對(duì)應(yīng)的相對(duì)不確定度是儀器精度的n/100倍?！?.1不確定度（小結(jié)）要記住儀器精度的含意，還有兩個(gè)公式：§2.2讀數(shù)規(guī)則與結(jié)果的表示讀數(shù)規(guī)則以及讀數(shù)引入的不確定度：0.95對(duì)于一般線性刻度的儀器儀表(連續(xù)式的)，應(yīng)估讀至其分度值的十分之幾，不確定度為估讀的分辨率。非線性刻度的儀器儀表常常不要求估讀，不確定度根據(jù)情況判斷。不確定度與分度值非常接近的儀器，進(jìn)一步估計(jì)其讀數(shù)無實(shí)際意義。不確定度等同于分度值。示值產(chǎn)生跳變的儀表(不連續(xù)式的)，讀數(shù)時(shí)不可能進(jìn)行估計(jì)。例如：數(shù)字顯示儀表、機(jī)械停表等。不確定度等于顯示最小位數(shù)的一半?！?.2讀數(shù)規(guī)則與結(jié)果的表示測(cè)量結(jié)果的表示：通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得的量（除個(gè)別無單位常數(shù)外）都應(yīng)該用數(shù)值、單位和測(cè)量不確定度三者來表示，矢量要注明方向。比如：阿伏伽德羅常數(shù)NA=(6.0221367±0.0000036)×1023mol這里0.0000036為不確定度，按規(guī)定此區(qū)間的概率應(yīng)大于95%§2.3數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)首先要考慮“壞”的數(shù)據(jù)，然后補(bǔ)償系統(tǒng)誤差。其結(jié)果一般用以下方法表示與處理。一.列表法二．作圖法三．環(huán)差法四．二乘法§2.3數(shù)據(jù)處理列表法與作圖法比較簡(jiǎn)單，但基本又實(shí)用，請(qǐng)參考教材自學(xué)。注意標(biāo)出內(nèi)容、單位與坐標(biāo)。嚴(yán)格要求時(shí)，圖上各點(diǎn)應(yīng)標(biāo)出誤差的大小。逐差法與環(huán)差法是初步的數(shù)據(jù)處理，只能驗(yàn)證變量是否成線性關(guān)系。通過作圖可以大致判斷線性相關(guān)程度，但要給出相關(guān)系數(shù)以及不確定度，需要用到二乘法（最小二乘法）?！?.3數(shù)據(jù)處理求期望值的標(biāo)準(zhǔn)方法是最小二乘法，即方差之和取最小值時(shí)的數(shù)據(jù)為最佳數(shù)據(jù)。以單一自變量函數(shù)y=f(x)為例，設(shè)x等精度測(cè)量n次。當(dāng)最小時(shí)

y的期望值等于y0的值，當(dāng)y與x成線形關(guān)系時(shí)，y0簡(jiǎn)化為yi的平均值。最小二乘法還用來驗(yàn)證或擬合數(shù)據(jù)間的函數(shù)關(guān)系。能使二乘值最小的函數(shù)常被認(rèn)做其函數(shù)關(guān)系。為了方便，如果可能的話將各種函數(shù)關(guān)系其轉(zhuǎn)化成線性關(guān)系進(jìn)行討論。比如，近似成指數(shù)關(guān)系的，分別取對(duì)數(shù)，成三角關(guān)系的，進(jìn)行反三角計(jì)算?！?.4有效數(shù)字例如：伏安法測(cè)電阻，測(cè)得電阻兩端電壓為（1.300±0.004）V，電流為（0.150±0.002）A，用中心值相除計(jì)算電阻中心值，得數(shù)為8.66666…..，不確定度根據(jù)合成公式算出得數(shù)為：0.1354621…...，國(guó)家規(guī)定，不確定度數(shù)字不得超過兩位。在這里我們?nèi)?.14。既然不確定度將小數(shù)點(diǎn)兩位以后舍去，那么中心值兩位以后的數(shù)字是無效數(shù)字。小數(shù)點(diǎn)后兩位及以前的各位為有效數(shù)字。所以，電阻應(yīng)表示為（8.67±0.14）Ω，記為3位有效數(shù)字。常常把此值中的8稱為準(zhǔn)確數(shù)字，把.67稱為不準(zhǔn)數(shù)字§2.4有效數(shù)字不同的運(yùn)算得到的有效數(shù)字位數(shù)常常是不同的。只要將不確定度計(jì)算出來，按規(guī)定保留一到兩位，再將計(jì)算的中心值與其尾數(shù)對(duì)其即可。只需要在最終結(jié)果中考慮有效數(shù)字，計(jì)算過程應(yīng)該多取位以保證精度。有效數(shù)字從計(jì)算數(shù)據(jù)中截取時(shí)，為使舍與進(jìn)位的機(jī)會(huì)均等，應(yīng)按照“四舍六入五湊偶”的慣例，即：數(shù)據(jù)無效部分的第一位小于五舍，大于五入，等于五時(shí)把尾數(shù)湊成偶數(shù)。

（注意以后的各位）常常有些數(shù)據(jù)并未給出不確定度，這時(shí)請(qǐng)根據(jù)情況、常識(shí)、或教師的要求給出適當(dāng)?shù)挠行?shù)字。非測(cè)量數(shù)據(jù)的有效位數(shù)為無窮大?！?物理實(shí)驗(yàn)課的目的與課程設(shè)置物理實(shí)驗(yàn)課的目的是使同學(xué)們：加深對(duì)理論的理解；獲得基本的實(shí)驗(yàn)知識(shí)；在實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能方面得到訓(xùn)練；培養(yǎng)良好科學(xué)工作者素質(zhì)及科學(xué)世界觀。物理實(shí)驗(yàn)課程不同于探索性的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，它強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生進(jìn)行基礎(chǔ)訓(xùn)練。每個(gè)實(shí)驗(yàn)題目都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)安排，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較有定論。由于實(shí)驗(yàn)課的獨(dú)立性，物理實(shí)驗(yàn)課程不按理論課的講授順序安排。

課程設(shè)置非物理學(xué)院學(xué)生基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)（十五個(gè)）緒論楊氏模量碰撞實(shí)驗(yàn)弦振動(dòng)用毛細(xì)管法測(cè)定液體的粘滯系數(shù)直流雙臂電橋用混合量熱法測(cè)定冰的熔解熱伏安法測(cè)電阻三相交流電路直流電位差計(jì)直流單臂電橋示波器的使用（一）衍射光柵研究透過率測(cè)量自組顯微鏡牛頓環(huán)上課時(shí)間下午2:00－5:30，晚上6:30－10:00。課表貼在一樓電梯旁的白板上。請(qǐng)每個(gè)學(xué)生務(wù)必記住自己的組號(hào)、上課的時(shí)間，按上課內(nèi)容做好預(yù)習(xí)。有問題請(qǐng)課代表到3教204找朱老師。（因放假不能上的實(shí)驗(yàn)課不再補(bǔ)做，請(qǐng)注意）§4對(duì)同學(xué)們的要求與注意事項(xiàng)一、預(yù)習(xí)：

1)認(rèn)真學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)。

2)詳細(xì)閱讀實(shí)驗(yàn)教材或資料。

3)寫出預(yù)習(xí)報(bào)告。內(nèi)容包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒅饕?、公式（包括式中各量意義）、線路圖或光路圖及關(guān)鍵步驟。如需要，畫好原始數(shù)據(jù)表格?！?對(duì)同學(xué)們的要求與注意事項(xiàng)二、操作：①提前到實(shí)驗(yàn)室。遲到者按遲到時(shí)間相應(yīng)扣分，曠課者記零分，曠課達(dá)10％實(shí)驗(yàn)課記零分。若因?。ㄒt(yī)生證明）、因事（要有學(xué)院辦公室證明）而缺課，應(yīng)提前請(qǐng)假，經(jīng)主講教師同意補(bǔ)課的學(xué)生憑教師簽字證明補(bǔ)課，報(bào)告仍交原班教師批改，成績(jī)由原班教師登記。②對(duì)號(hào)入座，保持實(shí)驗(yàn)室整潔、安靜，未經(jīng)教師同意不得操作。③按照任課教師的要求，認(rèn)真實(shí)驗(yàn)、清楚工整