大学物理实验课在人才培养中的作用及意义.ppt

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1、主讲教师: 郑 乔联系电话:87935553;E-mail:物理实验中心网站: (外网)或(校内:172.16.127.125),大学物理实验,欢迎大家开始学习,2,第一章 绪论,3,物理学是自然科学、现代高新技术的基础。其本身是以实验为基础的科学,物理实验既为物理学的发展创造条件,同时也为现代科学技术的研究打下基础。物理学的基本概念和技术已被应用到所有的自然科学领域,并且一定意义上是当代自然科学中,第一章 绪论,最有可能获得丰硕成果的领域!,4,量子通讯,第一章 绪论,6,努力学好物理学! 认真做好物理实验!会使你终身受益!,第一章 绪论,7,第1章 绪论先回答三个问题一、大学物理实验课是一

2、门什么样的课程?二、怎样才能学好这门课程?三、大学物理实验课程安排,第一章 绪论,8,一、大学物理实验课是一门什么样的课程? 1、是学时最多的、课内对学生进行系统的科学实验基本训练的必修实验课程。着重以下几点训练:,(1) 能够正确地采集实验数据,(2) 根据仪器说明书,能正确地调节和使用仪器,(3) 根据测量要求,初步学会设计实验方案、选择 实验仪器、实验方法,(4) 学会正确表达实验结果,第一章 绪论,9,2、科学实验的初步训练(打基础), 培养科学作风,重视实践。,严谨求实,悟物穷理,勤于思考,勤于实践。,第一章 绪论,10,二、怎样才能学好这门课程?,1、快乐地学习!(手脑并用、成功的

3、体验)2、遵守规则!(读取数据、仪器参数、调试、结果表达等)3、不放过任何稍纵即逝的“思想火花”!,第一章 绪论,2018/10/7,三、大学物理实验课程安排 1、时间:一年;共52学时(分两学期上);3.0学分 2、课程安排:物理实验(本学期):32学时;2.0 学分 其中4学时实验理论课(很重要!) 28学时实验操作课(515周,两个实验层次)物理实验 (下学期):20学时;1.0 学分 其中2学时实验理论课(时间待定) 18学时实验操作课 (时间待定),第一章 绪论,2018/10/7,3、成绩:本课程属于必修考试课,成绩按百分计。 总成绩由两部分组成:物理实验(本学期)成绩: 平时成绩

4、总和(4个必做,3个选做) 有两个以上(含两个)实验项目不及格者,最终成绩将判定为不及格;没有做全实验项目的不及格。物理实验 (下学期)成绩:平时实验占40%;期末考试(操作)占60%,第一章 绪论,13,必做实验,选作实验,必做实验必须在校历第11周前做完!选作实验必须在校历第15周前做完!,4、本学期实验安排及要求,第一章 绪论,2018/10/7,要求:根据给出的课程安排表进行网上预约(网址;或172.16.127.125)登录物理实验中心网站。,第一章 绪论,2018/10/7,要求在自己班课表时间内选 (星期六上午有资源可自由选择)若没有可选时间的话,到基础教学楼1204室找崔建坡老

5、师进行调剂。,30日下午3:00时网络资源开通!,坚决反对制造恐慌气氛!,第一章 绪论,实验前做好预习,填写预习报告(仪器、原理、步骤、表格及预习作业),无预习报告者不允许做实验!(教师在课堂上会抽查预习效果)网站提供的实验报告模板,自行下载并用B5纸打印。实验数据要求课堂用钢笔或水性笔、圆珠笔记录并当堂由教师检查签字。没有教师签字的实验报告视为无效!实验报告要求当天完成,次日交基础教学楼11楼西楼梯口实验报告箱内。(实验报告雷同零容忍)学生做完实验后,必须及时参与教学评价!时间:(11:0024:00),2018/10/7,第一章 绪论,对实验过程出现的问题、个人建议、意见等可直接向任课教师

6、反映或通过课代表反应。,2018/10/7,物理实验中心办公室:第一实验楼103,87935553,第一章 绪论,18,第二章 测量误差与不确定度理论,2.1 测量与误差的基本概念2.2 偶然误差的理论分析和处理2.3 测量结果的不确定度评定2.4 有效数字的记录与运算,19,2.1 测量与误差的基本概念,2、误差,4、测量结果的定性评价,3、误差的分类,1、测量的定义和分类,第二章 测量误差与不确定度理论,20,1、测量的定义和分类 测量(measurement):将待测物的某物理量与相应的标准量做定量比较。 测量分为两类: (1)直接测量(direct method of easureme

7、nt) (2)间接测量 (indirect method of easurement),2.1 测量与误差的基本概念,21,(1)直接测量: 将待测量与预先选定好的仪器、量具比较,直接从仪器中读出待测量的大小,(2)间接测量: 将待测量表示成另外几个可直接测量的量的函数,根据直接测量量通过函数计算,得出待测量。,2.1 测量与误差的基本概念,例: 金属环的体积:,可见V是间接测量量。内径D1 外径D2、高度h是直接量,22,(3)等精度测量(equal / unequal precision easurement) 同样的测量,若仪器不同、方法差异、测量条件改变以及测量者素质的参差都会造成测量

8、结果的变化。 当同一个人、用同样的方法、使用同样的仪器并在相同的条件下对同一物理量进行的多次测量,叫做等精度测量。(否则为非等精度测量),若无另加说明,本实验课程所提的多次测量均指等精度测量!,2.1 测量与误差的基本概念,23,2、真值与误差(1)真值:某物理量客观存在的值x0,下列几种情况可视为真值:(a)理论值:如三角形内角和180、(b)公认值:如普朗克常数、基本电荷(c)计量学约定真值:计量部门约定的长度、时间、质量等。(如当地重力加速度g)(d)相对真值:用准确度度高一个数量级 的仪器校准的测量值。,2.1 测量与误差的基本概念,(常用约定真值来代替),(真值是个理想的概念,一般不

9、可能准确知道),24,(2)测量误差:,误差也是个理想概念,一般不可能准确得到。只能通过一定的计算方法对它进行估计。,误差的表达有两种方式:绝对误差 相对误差,2.1 测量与误差的基本概念,(不要与误差绝对值相混淆),25,a.X是可正、可负的量,其数值大小与所取单位有关,可反映误差的大小和方向。E(x)数值大小与所取单位无关,是一个无量纲的量!可反映测量工作的精细程度。b.误差存在于一切测量的始终。c.误差可以减少,但不能完全消除。d.不能一味地为减少误差而选择过于精确的仪器和方案。,关于误差的几点说明:,2.1 测量与误差的基本概念,26,3、误差的分类 为了处理上的方便,根据产生误差的原

10、因和误差所表现出的性质,将误差分为两类:,系统误差( systematic error ) 随机误差(random error : ),2.1 测量与误差的基本概念,27,在同一条件下多次测量同一物理量时,其结果的符号和大小按一定规律变化的误差(测量系统不完善造成的),仪器局限方法近似环境非理想生理限制,来源,环境微小扰动、人为感官,来源,系统误差 (systematic error),偶然误差 (accidental error)(对于数学期望值为零的随机误差通常称它为偶然误差),2.1 测量与误差的基本概念,测量环境中大量微小的、随机的或不确定的因素引起的。(测量环境不稳定造成的),性质:

11、不确定性和满足统计性,性质:确定性和规律性(已定系统误差),28,2.1 测量与误差的基本概念,例1:单摆测重力加速度g,g,单摆周期与振幅的关系:,单摆测重力加速度g公式:近似条件: 5,系统误差!,29,例2:等臂天平不等臂,2.1 测量与误差的基本概念,系统误差,30,A,O,B,b,不偏心时,由于 所以可用弧长反映角度的 大小。,由于偏心,使之用弧长反映角度 时产生的系统误差。如: 这是由偏心造成的,2.1 测量与误差的基本概念,例3:具有转轴的仪器出现偏心,系统误差,31,例4: 测量环境出现气流、温度的扰动或起伏; 环境中杂散电磁场的存在;噪声的存在。,人的感官受环境干扰(听、视、

12、触觉),随机误差!,随堂练习:教材:练习一(P30(6)题)答案:,32,过失误差将会引起测量失败,必须避免!,粗大误差(过失误差):明显超出规定条件下所预期的误差,粗大误差(过失误差)产生于某些突然发生的不正常因素。如:较强的外界干扰、测量条件的意外变化(粗大误差);测量者操作不当、粗心大意;仪器损坏有问题等(过失);,2.1 测量与误差的基本概念,33,精密度:反映随机误差大小的程度。它是对测量结果重复性的评价。精密度高,指测量重复性好,测量值分布密集 准确度:反映系统误差大小的程度。准确度高指测量数据的算术平均值偏离真值较少。 精确度:反映随机误差和系统误差综合大小程度。精确度高是指测量

13、结果既精密又准确,2.1 测量与误差的基本概念,4、测量结果的定性评价,34,2.2 偶然误差的理论分析和处理,偶然误差满足的统计规律正态分布测量结果的最佳近似值 算术平均值有限次测量的标准偏差Sx和平均值的标准偏差,第二章 测量误差与不确定度理论,35,1、偶然误差遵从的统计规律正态分布 (前提:已定系统误差已消除),其中: xi=xi-x0 为测量值的随机误差(偶然误差); 是与测量条件有关的参量(标准误差); f(x)是对应误差x出现的概率密度,正态分布函数,2.2 偶然误差的理论分析和处理,设:测量某一物理量x,其真值为x0,一系列测量值为xi, (i=1,2,3),每次测量值的随机误

14、差为xi=xi-x0,大量统计发现:随机误差x在整个测量中的分布,满足下列函数关系正态分布函数,36,对应正态分布的图:,特点:有界性: 单峰性: 对称性: 抵偿性:,正态分布与的关系,越大,曲线的峰值越低,图线越胖,表示测量数据越离散越小,曲线的峰值越高,图线越瘦,表示测量数据越聚集,2.2 偶然误差的理论分析和处理,37,其中参数,具有以下特点:1)它是与测量条件有关的量。2)在量纲、表现形式上具有误差性质。3)由正态分布函数可以证明,就是方均根误差,故其名为标准误差。,2、正态分布的一个特征量标准误差的意义,2.2 偶然误差的理论分析和处理,38,标准误差的数学表达式:(方均根误差),2

15、.2 偶然误差的理论分析和处理,证明:就是方均根误差-标准误差,39,即:当对某一物理量无限次等精度测量后,其算术平均值就等于真值。因此,在有限次测量条件下,把算术平均值作为真值的最佳值。,4、测量结果的最佳近似值 算术平均值,证明:设n 次等精度测量,得测量数据:,由偶然误差的抵偿性:,2.2 偶然误差的理论分析和处理,40,标准误差,样本的标准偏差,5、样本的标准偏差(Sx)和算术平均值的标准偏差,算术平均值的标准偏差,2.2 偶然误差的理论分析和处理,41,Sx 的物理意义:在等精度测量条件下,任一次测量值的随机误差落在区间- Sx , Sx 内的概率为68.3%.。即:,即 Sx是一个

16、统计性特征量!,同理, 的意义是算术平均值的随机误差落在区间 内的概率为68.3%.。,2.2 偶然误差的理论分析和处理,42,由随机误差的分布函数知:测量值的随机误差超出-3,3的概率仅为0.3%故: 则可怀疑xb为异常值。,当测量次数大于10次,使用 作为坏值剔除标准。当测量次数小于10次,使用 作为坏值剔除标准。其中C(n)是与测量次数有关的数值。,6、坏值(粗大误差)的剔除,2.2 偶然误差的理论分析和处理,拉依达法则或称3准则,43,2.3 测量结果与不确定度的评定一、测量不确定度的基本概念,1、 不确定度的定义2、 不确定度与误差,二、不确定度的两类分量及合成 1、 A类标准不确定

17、度 2、 B类标准不确定度 3、合成标准不确定度,第二章 测量误差与不确定度理论,44,四、间接测量量的不确定度评定 1、间接测量量的不确定度的定义 2、不确定度的传递与合成,三、直接测量量的不确定度评价 1. 多次(等精度)直接测量量的不确定度估算 2. 单次测量量的不确定度评定,2.3 测量结果与不确定度的评定,45,一、测量不确定度的基本概念1. 不确定度的定义由于误差的存在,使得测量结果具有一定程度的不确定性。所以,对某一物理量进行测量,我们只能知道测量值X与真值x0 之差的绝对值以一定概率分布在某一数值u范围内,用公式表示为:,(置信概率为P)其中u值可以通过一定方法进行估算,“u”

18、 称为不确定度。,2.3 测量结果与不确定度的评定,46,十环,九环,2.3 测量结果与不确定度的评定,如何理解测量不确定度的概念?以打靶为例:通过确定环数来判断准确率,张三(九环),十环,九环,八环,李四(八环),测量结果的准确度判断:测量不确定度(它表达的是一个范围)即:用测量不确定度评定测量结果可信程度!,47,类不确定度,B类不确定度,误差,不确定度,对不满足统计规律的误差(教学简化仅考虑仪器误差)大小的估算,对满足统计规律的误差(仅考虑满足正态分布)大小的估算,2、不确定度的分类 由于误差的来源很多,测量结果的不确定度一般也包含几个分量。在修正了可定系统误差之后,将其余的各种误差按计

19、算方法分为二类:A类、B类,2.3 测量结果与不确定度的评定,48,3、关于不确定度的几点说明:,a)引入不确定度的概念,是规范科学提法的必然。(erroruncertainty)它表征被测量的真值所处的量值范围的评定. 它表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度. 用测量不确定度评定测量结果的可信程度!b)测量不确定度表明一个事实:被测量的测量结果和被测量不是一个值,而是分散在被测量附近的无穷多个值。对给定的测量结果是:按不同的置信概率赋予的被测量一个统计值。,2.3 测量结果与不确定度的评定,49,c)不确定度和误差之间既有联系又有本质区别,2.3 测量结果与不确定度的评定,d)严

20、格的不确定度理论比较复杂,本课程在保证其科学性的前提下,适当简化。,50,二、直接测量量的不确定度估算 1、不确定度估算 A类:统计不确定度,(默认置信概率68.3%),2.3 测量结果与不确定度的评定,51,B类:非统计不确定度,合成标准不确定度(即测量结果的总的不确定度)用下式估算: 即:,此估算方法在区间 内的置信概率为68.3%,2.3 测量结果与不确定度的评定,另外,还有用扩展不确定度来表达测量结果的总的不确定度。我们不用!,52,关于仪器误差限值 ins的说明:仪器误差来源很多,大多数情况下,只考虑仪器误差的综合指标,即:最大允许误差或允许基本误差仪器误差限ins 。,长度测量仪器

21、:米尺:最小刻度1mm, ins =0.mm 卡尺: ins =游标分度值 千分尺(一级): ins =0.004mm,电表: ins =量程准确度等级%,数字仪表: ins=末位数最小分度值单位,个别仪器有专用公式来计算ins !(电桥、电位差计、电阻箱),2.3 测量结果与不确定度的评定,53,五、直接测量量的不确定度评定步骤,10/7/2018,仪=量程%,4501.5%=6.8,54,上式的物理意义:1)用 表示直接测量量的测量结果。2)用 评定测量结果 的测量质量。3) 表示测量值 包含真值的不确定范围: ,且置信概率68.3% 。,、直接测量量的结果表示:,2.3 测量结果与不确定

22、度的评定,55,4、单次测量量不确定度评价: (没有测量列,无统计意义)结果表示:,2.3 测量结果与不确定度的评定,56,解:1)修正可定系统误差(零点修正d=di-d0)2)计算测量列的算术平均值作为测量结果的最佳估值。,例3:用千分尺测钢丝直径,不同方位共测n=10次,测量数据如表所示,试写出测量结果,千分尺量程:25mm;分度值:0.01mm;ins=0.004mm;零点:d0=+0.008mm,2.3 测量结果与不确定度的评定,57,3)计算标准偏差:,2.3 测量结果与不确定度的评定,58,4)剔除坏值。 经检查无坏值(标准: )5)计算A类不确定度: 6)计算B类不确定度: 因为

23、千分尺的仪器误差: ins =0.004mm 因此:,2.3 测量结果与不确定度的评定,59,7)测量结果的不确定度合成不确定度:,8)测量结果表示:,2.3 测量结果与不确定度的评定,60,1. 间接测量量不确定度定义:1) 不确定度的传递:设间接测量量N与直接测量量x、y、z的函数关系为: N=f (x,y,z,.)其中:直接测量量x、y、z的不确定度分别是: 则间接测量量N的不确定度 是由直接测量量的不确定度 传递而来。,三、间接测量量不确定度评定,2.3 测量结果与不确定度的评定,61,传递的意义: 由于直接测量量x、y、z具有不确定度 而导致由函数N=f (x,y,z)计算出的间接测

24、量量N也具有不确定 ,叫做不确定度传递。,2.3 测量结果与不确定度的评定,62,传递的意义来自数学中的微分概念, 即:当一个函数N的自变量x有一个微小变化时,会引起因变量y的变化,写成数学式子即:,也可写成下列形式:,两种式子是完全等价的。,2.3 测量结果与不确定度的评定,63,其中:称为不确定度传递系数。,2) 间接测量量不确定度的合成(定义):,2.3 测量结果与不确定度的评定,绝对不确定度,相对不确定度,64,以上两式是完全等价的。一般以加减运算为主的函数,先用第一式求 ,再用第二式求 。而对以乘除运算为主的函数,则先用第二式求出 ,再用 求 。这样计算比较简便。,3).几点说明:求

25、“方和根”时要保证各项是独立的。如果出现多个 , 要先合并同类项,再求“方和根”。,2.3 测量结果与不确定度的评定,65, 对间接测量量的不确定度,必须通过上式由直接测量量的不确定度经传递公式计算得到。不能通过 求出。,间接测量量为三角函数时,直接测量量是角度。注意,此时角度要先化为弧度再进行不确定度计算。角度与弧度的换算关系:,这一点一定记住!,2.3 测量结果与不确定度的评定,66,(1)先确定求 还是 (看求哪一个方便)。显然求 方便 。根据 公式,先求ln得:,例4:求间接测量量的不确定度。,2.3 测量结果与不确定度的评定,67,(2)分别求两个直接测量量u、v的传递系数,2.3

26、测量结果与不确定度的评定,68,(4)求 :,(3)代入公式求 得:,2.3 测量结果与不确定度的评定,69,注意:,(1)按照直接测量量不确定度评定步骤求出各直接测量量的不确定度(2)求出间接测量量的最佳值:,2间接测量结果的不确定度评定步骤,2.3 测量结果与不确定度的评定,70,上式的物理意义与直接测量量结果表示的意义相同。不再重述。,(4)写出最后结果的表达式:,2.3 测量结果与不确定度的评定,(3)用不确定度传递公式分别求出N的不确定度 uN 和相对不确定度EN,71,例5:已知质量m=(213.040.05)g,的铜圆柱体,用0125mm、分度值为0.02mm的游标卡尺测量其高度

27、h六次;用一级025mm千分尺测量其直径D也是六次,其测值列入下表(仪器零点示值均为零),求铜的密度。,2.3 测量结果与不确定度的评定,72,解:铜圆柱体的密度:可见是间接测量量。由题意,质量m是已知量,直径D、高度h是直接测量量。,2.3 测量结果与不确定度的评定,73,(1)高度h的最佳值及不确定度:,游标卡尺:ins=0.02mm,因此得:(中间运算,多取一位),2.3 测量结果与不确定度的评定,74,(2)直径D的最佳值及不确定度:千分尺:ins=0.004mm因此得(中间运算,多取一位),2.3 测量结果与不确定度的评定,75,(3)密度的算术平均值:(4)密度的不确定度:,2.3

28、 测量结果与不确定度的评定,76,因此得:(5)密度测量的最后结果为:,2.3 测量结果与不确定度的评定,77,2.4 有效数字的记录与运算,1、有效数字定义测量结果中可靠的几位数字加上可疑的一位数字(可疑数字不要多了,只一位),统称为有效数字。,2、有效数字的位数根据定义,有效数字的位数等于全部的准确数的个数加上一位可疑数。或从左边非零数算起直至所有数的个数(数量级不参与个数计算)。如: 0.5870(4位);0.001(1位); 5.37610(4位),不确定度决定有效数字的位数!,2.4 有效数字的记录与运算,78,3、有效数字的读取既要保证结果的准确度不因位数取舍而影响,又要避免因位数

29、多而做无用功.,原则:读取的测量数据,其最后一位数字恰为误差所在位(可疑位)仪器误差限ins,2.4 有效数字的记录与运算,例: 长度测量仪器: 米尺: ins=0.5mm , d=7.8mm; 千分尺: ins=0.004mm, d=7.821mm游标类量具 ins游标分度值如:50 分度卡尺:ins=0.02mm d=7.82mm,79,如:数字类、步进式仪表:直读!,数显仪表及有十进步式标度盘的仪表(电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等)一般应直接读取仪表的示值,2.4 有效数字的记录与运算,80,其它仪器,一般来说,仪器的分度值是考虑到仪器误差所在位来划分的,若不知ins值时,有效数字

30、的最后一位按最小分度值的1/10或1/5或1/2估读取值即可。 如电表表盘读数等,2.4有效数字的记录与运算,81,2.02cm(最小分度值:0.cm),2.4 有效数字的记录与运算,注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。(最小分度值:0.02v),82,实验数据必须按有效数字法则书写,否则数据无意义!,关于有效数字的几点注意:,有效数字的位数是件严谨的科学问题。不能任意取舍!,有效数字位数与十进制单位无关。 6.32cm=0.0632m=63.3mm=6.3210mm,参与计算的常数如:、3、e、 可以根据需要取舍。,测量结果的绝对不确定度 ux 一般取一位有效数字;相对不确定度 Ex 取

31、两位(针对教学实验)。,测量结果的有效数字的最后一位一定与绝对不确定度 ux位数对齐!,计算过程中的中间数据,可多保留一位可疑位,2.4 有效数字的记录与运算,83,错误有三处:值的有效数字位数错了。最后一位应与 所在位对齐。即:8.00103kg/m3,例:以下结果表示为什么错?1) kg/m3 E =0.003,书写形式不对。正确写法: (8.000.07)103kg/m3相对不确定度E应保留二位有效数字且应写成百分数形式。即:E=0.30%,2.4 有效数字的记录与运算,84,2) kg/m3 E=0.3236510-2,错误有三处: 的有效数字位数错了。应取一位即:0.08103kg/

32、m3.且值的有效数字位数错了。最后一位应与 所在位对齐。即: 8.00103kg/m3,书写形式不对。正确写法: (8.000.07)103kg/m3,相对不确定度E应保留二位有效数字且应写成百分数形式。即:E=0.32%,2.4 有效数字的记录与运算,85,运算的总原则:由测量的绝对不确定度决定有效数字的位数。即:绝对不确定度所在位决定有效数字最后一位应卡在哪一位上。关于具体运算和简化运算见讲义:P23P24,4、有效数字的运算 (这主要针对间接测量量而谈),2.4有效数字的记录与运算,86,、有效数字的舍入法则 (rules for rounding off of numerical va

33、lue),“小于五舍去,大于五进位,等于五凑偶”,将下列数据保留三位有效数字:,10/7/2018,2.4有效数字的记录与运算,87,6、数值的科学表示科学记数法 科学记数法的书写方法: 无论大数、小数,小数点前的数只写一位,且整个数值满足有效数字位数的书写原则;数的大小用10的幂次体现。,如:某年人口普查:七亿五千万,统计误差(统计不确定度)两千万。写成: 750,000,00020,000,000人(错误)正确:同理(0.0006230.000003)m 应写成:,2.4有效数字的记录与运算,88,3.1 数据处理的常用方法,要想从实验数据中得到科学的、达到一定精度要求的实验结果,必须对数

34、据进行科学的分析和处理数据处理。,数据处理是实验内容不可分割的一部分!,3.1 实验数据的处理方法,89,1、列表法2、作图法3、逐差法4、最小二乘法,物理实验中常用的几种数据处理方法,3.1 数据处理的常用方法,数据处理方法本学期为自学内容!尤其选作“刚体、杨氏实验”的同学必须提前预习,90,参考书,大学物理实验王振彪等 主编 中国铁道出版社物理实验教程丁慎训 主编 清华大学出版社大学物理实验 张志东 主编 科学出版社基础物理实验 吕斯骅等 主编 北京大学出版社普通物理实验教程曾贻伟 主编 北京师范大学出版社 大学物理实验 陆廷济等编著 同济大学出版社,91,2、请做教材30页练习题!练习题答案网站查。,3、每位同学至少通读一遍教材中讲过的内容,1、注意使用物理实验中心网站的功能:,公告栏预约学习资料仿真实验 ,提醒:,92,祝同学们快乐学习、幸福生活!谢谢!,

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