大學物理實驗-陳秉巖(全套課件)

大學物理實驗理論知識1/34陳秉巖，博士2019.03.16,8:30-11:00厚德樓M1132/34物理實驗中心教學-科研平臺2/34物理實驗中心教學-科研平臺物理科技創(chuàng)新實驗室示波器實驗2/34物理實驗中心教學-科研平臺2/34教材及內容簡介面向新工科基礎教育體系，突出物理學與多學科交叉復合、理科衍生新興工科的專業(yè)建設。以先進技術和設備培養(yǎng)人，重點突出學科綜合、自主設計、建模仿真和科研創(chuàng)新實驗項目。2/34教材及內容簡介實驗報告需小心拆卸；新印版本將獨立包裝。

看懂教材,明確目的,了解實驗內容和操作過程并寫出實驗預習報告預習報告要求:根據實驗報告，把除數據記錄與處理部分和問答部分外的所有其他部分都填充完整實驗課之前一定要完成實驗預習報告,否則不允許進行實驗操作.一、課前預習強調:大學物理實驗基本程序及要求實驗理論課作業(yè)，下周交給《大學物理》任課教師。3/34&

物理實驗是一門獨立的課程，需嚴格按照實驗室的安排進行。不得遲到和缺席。遲到者，由課程指導老師決定是否準予實驗；缺席者，需到指導老師處重新預約該實驗時間．&

遵守有關的規(guī)章制度，愛護儀器設備，注意安全．&

動手之前要先了解儀器的性能、規(guī)格、使用方法和操作規(guī)則，不要亂動儀器．&

調整儀器裝置時要仔細認真，一絲不茍．還要注意滿足測量公式所要求的實驗條件．&

腦手并用，實驗操作要做到準確、熟練、快速。

二、實驗操作閱讀資料、調整儀器、觀察現象、獲取數據、儀器還原4/34三、完成實驗報告根據實驗報告要求，把數據記錄與處理部分和問答部分填寫完整.

給出實驗結果或結論.

注意:實驗報告當場遞交，其他時間遞交的報告將不被認可。實驗報告要求:5/34(一)平時實驗考核1每個實驗項目獨立考核，最后總評。2每個實驗項目分三段進行考核，實驗預習20％，實驗操作與實驗報告共80%。根據每個實驗項目的要求酌情打分。3同一學期實驗項目超過2個未完成者，不得參加期末考核，不予統(tǒng)計平時成績。(二)考核方式上半年:筆試(40﹪實驗基礎知識+60﹪實驗內容)下半年:所有實驗平均成績，或者撰寫研究論文。四、物理實驗課的考核辦法6/34§1測量與誤差§2不確定度與測量結果表示§3有效數字及其運算§4實驗數據處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報告單體超聲探測傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應用7/34大學物理實驗理論知識測量三個要素(1)測量方法:比較法(2)測量設備:米尺(3)測量結果:90.70cm1.基本概念2.測量值3.

測量的分類直接測量間接測量測量值＝數值+單位單次測量多次測量測量測量是利用儀器設備通過一定方法，將待測物理量與一個選做為標準的同類物理量進行比較，確定待測物理量大小的過程。90.70cm一、測量§1測量與誤差8/34例：長度、重量、體積、密度、電荷量、溫度（模擬溫度計/數字溫度計）1.真值與誤差(1)真值(2)誤差真值（真實值），在一定條件下，被測量對象客觀存在的實際值（數值+單位）。誤差＝測量值-真實值真實值通常是一個未知量，一般說的真值是指理論真值、規(guī)定真值、相對真值。二、誤差(1)理論真值也稱絕對真值，如：三角形內角和180度。(2)約定真值也稱規(guī)定真值，是一個接近真值的值，它與真值之差可忽略不計。實際測量中，在沒有系統(tǒng)誤差的條件下，使用足夠多次測量值的平均值作為約定真值。(3)相對真值使用更高一級標準的量具指示值作為較低等級量具的真值，此真值被稱為相對真值?！?測量與誤差9/342.誤差的分類(1)絕對誤差(2)百分誤差百分誤差也稱為相對誤差。測量值x與真值x0之差絕對誤差|Δx|與真值x0之比誤差的分類（按計算）§1測量與誤差絕對誤差相對誤差系統(tǒng)誤差隨機誤差誤差（計算）（來源）10/34指在測量過程中因一些確定的不合理因素，使得測量結果的過程中存在恒定的或按一定規(guī)律變化的誤差。(1)系統(tǒng)誤差誤差的分類（按來源）儀器誤差：儀器制造缺陷，使用不當或者儀器未經很好校準所造成的誤差。方法誤差：實驗所依據的理論和公式的近似性，測量條件或方法不能滿足理論公式所要求的條件等引起的誤差。環(huán)境誤差：測量儀器規(guī)定的使用條件未滿足所造成的誤差。如室溫高于儀器所規(guī)定的實驗溫度范圍，而引起的誤差稱之為環(huán)境誤差。人為誤差：由測量者的生理特點或固有習慣所帶來的誤差。例如反應速度的快慢、分辨能力的高低，讀數的習慣造成的誤差。特點：恒定性，不能用增加測量次數的方法使它減少。系統(tǒng)誤差來源§1測量與誤差11/34系統(tǒng)誤差和隨機誤差.在相同條件下，多次測量同一被測量時，測量值對真值的偏離（大小和方向）以不可預知的方式變化，這類誤差稱為偶然誤差。（2）隨機誤差不確定的因素，如實驗條件和環(huán)境因素無規(guī)則的起伏變化，引起測量值圍繞真值發(fā)生漲落的變化。①有界性:誤差的絕對值不會超過某一最大值[-σ,+σ]。②單峰性:絕對值小誤差的出現概率大，而絕對值大的誤差出現的概率小。③對稱性:絕對值相同的正、負誤差出現的概率相等。④抵償性:誤差的算術平均值隨著測量次數的無限增加而趨于零。特點：當測量次數足夠多時，這種偏離引起的誤差服從統(tǒng)計規(guī)律。來源：§1測量與誤差σ小σ大δP0-σ+σ12/34§1測量與誤差§2不確定度與測量結果表示§3有效數字及其運算§4實驗數據處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報告單體超聲探測傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應用13/34大學物理實驗理論知識測量結果應包括數值、單位和不確定度(對測量結果精確程度的評價)?！纠繙y量對象數值不確定度單位含義：R的真值有相當大(例如95%)的可能(概率)位于區(qū)間(909.9,910.7)Ω之內。電阻測量把測量值的誤差落在區(qū)間(-δ,+δ)內的概率P

敘述為置信區(qū)間(-δ,+δ)的置信概率為P置信區(qū)間和置信概率§2不確定度與測量結果表示14/34被測量的真值以一定概率落在某個量值范圍不確定度越小，表示測量誤差值越小，測量的可信賴程度越高；不確定度越大，表示測量誤差值越大，測量的可信賴程度越低。U為不確定度不確定度：與測量結果相聯(lián)系的參數，表征合理賦予被測量之值的分散性。測量結果一、不確定度由于測量誤差的存在，對被測量值不能肯定的程度。

§2不確定度與測量結果表示15/34二、不確定度分類（按其數值評定方法分為A類和B類）A類不確定度：用統(tǒng)計學方法計算出的測量值的標準偏差(多次重復測量時)

，表示為：§2不確定度與測量結果表示t為分布因子，n為測量次數，S為標準偏差(均方根差)，xi為單次測量值。n2345678910152030t12.714.303.182.782.572.452.362.312.262.142.092.058.992.481.591.241.050.930.840.770.720.550.470.37

9.02.51.61.2≈116/34二、不確定度分類（按其數值評定方法分為A類和B類）B類不確定度：用非統(tǒng)計學方法評定的不確定度，各標準不確定度相互獨立時(多種測試設備)，表示為：§2不確定度與測量結果表示近似將儀器誤差限值△ins作為B類誤差?？偛淮_定度17/34

§2不確定度與測量結果表示電磁學儀器誤差限：a為精度:5.0,2.5,...1.0,0.5,...0.1;Am為電表量程18/34三、不確定度計算直接測量間接測量單次測量多次測量測量（二）間接測量——不確定度傳遞單次測量（一）直接測量多次測量B類不確定度總不確定度A類不確定度B類不確定度§2不確定度與測量結果表示19/34

設間接測量值X

可寫成m個直接測得量x1,x2,..,xi,...,xm的函數直接測得間接測量結果的不確定度傳遞公式間接測量結果的相對不確定度傳遞公式§2不確定度與測量結果表示間接測量結果的表達式20/34間接測量——不確定度傳遞§2不確定度與測量結果表示計算例子pp:6例1.解答提示例2.解答(1)電功率平均值n=10(pp:3)：t=2.26(2)建立電功率平均值函數求不確定度傳遞函數電功率的實驗測試結果11/34§1測量與誤差§2不確定度與測量結果表示§3有效數字及其運算§4實驗數據處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報告單體超聲探測傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應用22/34大學物理實驗理論知識有效數字的位數，第一位非零數字開始數到最后一位的位數，稱為有效數字位數。構成：有效數字＝“可靠數字”＋“一位估讀數字”意義：測量儀器設備的精確度和計算結果準確程度。有效數字由表征測量結果的可靠數字與估讀(可疑)數字組成的。估讀數字在有效數字中一般只有一位?！?有效數字及其運算15.86，四位有效數字5.32，三位有效數字5.320，四位有效數字0.0532，三位有效數字1.65cm一、有效數字基本概念23/342.00cm§3有效數字及其運算5.695mm13.24mm(1)有指針或刻度的儀器：最小刻度以下再估讀一位。這不需要估讀！24/34§3有效數字及其運算數字儀表擴展內容：傳感器(Sensor):pp.:212-216.ADC(Analog-to-DigitalConverter)MCU(MicroControllerUnit).(2)數字顯示儀表：顯示值均為有效數字，不再估讀。三位半:1.999～11bitADC四位半:1.9999～14bitADC.七位半:1.9999999～24bitADC25/34手機視頻電話：Sensor,ADC,DAC,MCU,Radio,Comm.,…當實驗結果的有效數字位數較多時，進行取舍一般采用1/2（0.5）修約規(guī)則。(1)需舍去部分的總數值大于0.5時，所留末位需加1，即進。(2)需舍去部分的總數值小于0.5時，末位不變，即舍。(3)需舍去部分的總數值等于0.5時，所留部分末位應湊成偶數。即末位為偶數(0,2,...)，數字舍去；末位為奇數(1,3,...)，數字入進變?yōu)榕紨怠＠缧藜s成4位有效數字3.14159→3.1426.378501→6.3792.71729→2.7174.51050→4.5103.21650→3.2165.6235→5.624進進舍湊偶湊偶湊偶三、有效數字的修約規(guī)則§3有效數字及其運算四舍五入法則26/34加、減法二、有效數字的運算法則加減結果的有效數字末位應與參與運算據中小數點后位數最少的末位對齊。乘、除法幾個數相乘除，結果的有效數字位數與參與運算的諸因子中有效數字位數最少的一個相同，即“位數取齊”?！?有效數字及其運算單位換算單位換算不改變有效數字位數(使用科學計數法處理)。1.3m＝1.3×103mm≠

1300mm27/34乘方、開方有效數字位數與底數位數相同§3有效數字及其運算其它函數運算(見教材pp:6)28/34§1測量與誤差§2不確定度與測量結果表示§3有效數字及其運算§4實驗數據處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報告單體超聲探測傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應用29/34大學物理實驗理論知識一、列表法表1伏安法測100

電阻數據表

2025/2/20注：（1）電壓表量程7.5V，精度等級1.0。（2）電流表量程50mA