工科物理实验绪论

物理实验绪论网址：phylab.seu.edu.cn网络组：210A(选课技术问题)教务室：211A(选课及教学问题)留言簿：常见问题咨询phylab.seu.edu.cn/guestbook网址：phylab.seu.edu.cn网络组：210A(选课技术问题)教务室：211A(选课及教学问题)留言簿：常见问题咨询phylab.seu.edu.cn/guestbook本次课教学内容II、测量误差及不确定度III、有效数字及其运算规则IV、实验数据处理方法I、物理实验课程的学习要求V、常用基本仪器的原理和使用物理实验课程学习要求I物理实验课程的重要性是引导学生走进科学殿堂的启蒙课程传授科学实验的基本知识系统学习科学实验思想方法训练基本实验技能培养科学研究基本能力兴趣个性科学精神创新能力知识、能力、素质独立设课,拥有自己的系列课程和学分物理实验课程体系①预备物理实验（课外学时）②基础物理实验（2学分）③课题物理实验④现代物理专题实验预备性物理实验基本测量实验及简单验证性实验，并有一定的提高内容。基础物理实验力学、热学、电磁学、光学及近代物理基础实验。课题型物理实验融综合性、设计性及应用性为一体的开放实验。现代物理专题实验近代物理学史上属于里程碑且与各学科应用密切相关的实验。物理实验的学习要求思路开阔的学习实验预习学生实验须知实验报告实验考核办法预习报告、实验原始记录、报告主体课前预习——物理实验的重要环节课前必须预习！！！明白实验原理、方法、做什么、怎么做，完成预习题设计出原始数据的表格注意事项和存疑的问题及思考课内实验——要细致耐心实验课非数据测量课，应观察、分析，思考、质疑，主动学习，独立分析和解决问题的能力诚实严谨的科学态度严禁凑、造、抄数据，钢笔记录原始数据求实创新止於至善注意安全，正确使用、爱护仪器课内实验——注意事项每次实验必备：教材、实验报告本、计算器、作图工具及文具。实验结束应签字、整理后再离开。原始数据记录和实验报告应妥善保管，直至课程结束。课后实验报告——要求完整而规范1、实验名称：明确做什么2、实验目的：明确实验要求达到的目的3、仪器设备：写清仪器设备的名称、型号和规格，以及实验室的编号4、实验原理：简要原理(或定律)及计算公式(光学、电磁学等实验，还要画出光路图或电路图)；5、实验步骤：实验中所做过内容的简要步骤6、实验数据表格及数据处理：包含数据的表格、计算、图表、误差分析等课后实验报告——要求完整而规范7、实验结果：实验的结论8、分析讨论：*实验结果是否合理*实验中存在的问题及需要改进的地方*好的意见和建议实验课后壹周内完成实验报告递交至物理楼二楼相应报告柜！课程相关—其他说明必做实验第三周开始课表物理实验楼二楼大厅选做实验第四周开放选课提前网上选课最早第五周开始上课实验教材申优：必须撰写课程小论文物理实验两学期分别给成绩。不及格者重修相应学期的内容请同学自即日起直接登录实验中心网站-网络开放管理系统-输入学号和姓名-选课-查询上课时间、地点，或在物理南二楼大厅教务栏查看课表。课程相关—其他说明必做实验（五项）三--三线扭摆测定物体转动惯量教材实验4弹--静态拉伸法测弹性模量教材实验9-1示--模拟示波器的使用教材实验20-1霍--霍尔效应的研究&利用霍尔效应测磁场教材实验21&22油--密立根油滴实验教材实验28课程相关—其他说明选做实验（七选二）气垫导轨实验教材实验6-1&6-2数字存储示波器教材实验20-2碰撞打靶教材实验7电子比荷教材实验19弹簧振子周期公式研究教材实验8粘滞系数测定网上下载讲义万有引力常数的测定(仿真实验)网上下载讲义网上下载讲义：中心网站主页-网络开放管理系统-输入学号和姓名-讲义下载注意事项：尽早选课，选择余地大；选定后不要无故随意改选；选了课不去做的视为旷课，该项成绩为0。本学期物理实验总成绩由：5个必做实验、2个选做实验、理论考试成绩、预备实验加分和课程小论文这几部分组成。实验缺席两次及以上的重修。物理实验课程考核方法考试时间：第9-10周考试地点：(注意相关通知)注意：带方格坐标纸、计算器、作图工具及文具理论考试没有补考，成绩会影响最终的课程成绩，请同学们重视。物理实验理论考试说明课程相关—绪论考查重点误差及不确定度有效数字及其运算数据处理方法：列表法、图示图解法、最小二乘法。物理实验基本仪器的原理和使用实验1----长度的测量与数据处理练习实验13----电磁学实验中的常用基本仪器的使用学生物理实验规范课程相关—激励政策课程论文成绩优秀者推荐参加校级或省级物理创新竞赛参加东南大学学生物理实验研究论文竞赛获奖者可获得课外研学SRTP学分和证书课程相关--上课时间周一至周五上午9:45--12:45下午13:45--16:45晚上18:15--21:15测量误差及不确定度II物理学实验测量准确度（近似）直间误差接接测测量量用计量仪器直接与待测量进行比较的操作从几个直接测量量按一定的函数关系求出待测量的操作科学表达实验（测量）结果测量结果=测量值±误差（用有效数字）数值、单位、误差（不确定度）是国际科学数据通用语言一、误差的定义真值：被测量的真实大小。是客观存在的数值。误差：测量值x与被测真值a之间的差别。用绝对误差表示：=x–a,表示测量值偏离真值多少。用相对误差表示：r=︱x–a︱/a，常表示成百分数形式，可衡量测量的质量。例如：测量1米的长度时，误差为1毫米；而测量1毫米长度时，误差为0.1毫米。比较二者的绝对误差与相对误差。1=1(mm),2=0.1(mm)r1=1mm/1000mm=0.1%r2=0.1mm/1mm=10%所以，从绝对误差看后者偏离小；而从相对误差来看，前者测量质量高。二、误差的分类系统误差按误差的特点可分为三类随机误差粗大误差粗大误差过失误差系统误差:在相同条件下的多次测量过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差分量。系统误差来源于特点---确定性减小的措施系统误差分类（按掌握程度）已定系统误差可通过修正测量数据和采用适当的测量方法予以消除未定系统误差一般用估计误差限的方法得到随机误差:在极力消除或修正一切明显的系统误差之后，在同一条件下多次测量同一物理量时，测量结果出现一些无规律的起伏，以不可预知的方式变化的测量误差分量。特点---不确定性等精度测量正态分布的特点011limninin单峰性对称性有界性抵偿性减小的措施：增加测量次数误差的概率分布密度随机误差t分布曲线(P8)测量误差的分类小结分类特点来源处理方法系统误差确定性方法仪器人员环境已定系统误差：校准、改进方法、控制环境、修正等未定系统误差：估计随机误差随机性（服从统计分布）不可估计的因素多次测量、统计方法进行估计、但不可修正粗大误差过失、错误剔除系统误差？随机误差？过失误差？三、随机误差的统计估计1、算术平均值：设某物理量各次测量值分别为x1，x2，x3，……，xn则：n1iin321Xn1nXXXXX数学上可以证明：作为测量结果的最佳估计值—算数平均值可代替真值。2、标准偏差：表征多次测量值的离散程度，直接体现了随机误差的分布特征。)1()1()(1212nXnXXSniinii(贝塞尔公式)S大，测量值分散；S小，测量值密集。可以用标准偏差来估计测量列随机误差的大小！平均值的标准偏差：表示测量列算术平均值的随机误差的大小程度。测量列的算术平均值比某个测量值更接近于真值。SnnnXXSniiX1)1()(12计算器统计计算功能进入模式清除内存输入数据查看结果具体操作详见各计算器说明，也可参考附录2（P27）的“操作方法”。四、测量结果的表达形式及不确定度：测量结果的表达形式：w(被测量)=W(测量值)U(总不确定度）不确定度是测量误差的一种评定形式表示被测量的真值不能确定的程度恒正具有概率的概念表示被测量的真值落在[W-U，W+U]的区间内的概率（P=0.95）不确定度具有和测量值相同的单位。相对不确定度：Ur=U/W，用来检查测量结果的准确程度。用百分数表示。U及Ur只取1~2位有效数字，测量值W的末尾数与U的末尾数对齐。两类分量：A类UA统计方法估计B类UB经验、非统计方法估计1、直接测量结果的不确定度估计：直接测量结果的不确定度A、B两类分量方和根合成A类不确定度分量UA由标准偏差S乘以概率为0.95时测量次数n对应的t因子（查第10页表一）得到2B2AUUUSntUAB类不确定度分量UB：只考虑测量仪器误差或者测试条件不符合要求而引起的附加误差所带来的B类分量。UB≈ins（26页）(1)多次测量：不确定度2ins2SntU(2)单次测量：如由于条件的限制不能进行多次测量，或仪器精度低，或被测对象不稳定，多次测量不能反映结果的随机性，多次测量值相同，表明仪器的精度较低，不能反映多次测量结果的随机性，只需进行单次测量。测量的不确定度要根据仪器精度，测量对象，测量方法及测量者的经验来估计。其值Uins例题用分度值为0.02mm的游标尺测量一长方体的长、宽、高，数据列于下表，求它们的直接测量结果。次数123456长度A/10-3m14.4614.4814.4814.4614.4814.46宽度B/10-3m32.6632.6632.6432.6432.6432.66高度C/10-3m12.1212.0812.0812.1012.1012.12平均值标准偏差长度A（10-3m）14.470.021宽度B（10-3m）32.650.024高度C（10-3m）12.100.009计算出平均值和标准偏差UAUBU长度（10-3m）0.0220.020.030宽度B（10-3m）0.0250.020.031高度C（10-3m）0.0100.020.022计算出不确定度UB=insSntUA被测量=测量值总不确定度长度A（10-3m）14.470.03宽度B（10-3m）32.650.03高度C（10-3m）12.100.02测量结果的最后表示形式例题：用量程为500克的天平测量质量，数据分别为50.56，50.58，50.57，50.55，50.57，50.50，50.50，单位为克，求其测量结果。答案(10-3kg)SM(10-3kg)UMA(10-3kg)UMB(10-3kg)50.5470.0340.0320.04UM(10-3kg)MUM(10-3kg)UMr(10-3kg)0.05150.550.050.10%M2、间接测量结果的不确定度的估计如果w=f(x,y,z,……)，而x,y,z,……是彼此独立的直接测量量类比全微分计算公式：各分量方和根合成总不确定度：2z22y22x2WUzfUyfUxfUWUUWwrfffdwdxdydzxyz全微分公式适用于和差形式的函数而积商形式的函数，计算较方便的方法是先计算其相对总不确定度：Then2z22y22x2wrUzfnlUyfnlUxfnlUwrWUWU适用积商形式的函数例题试写出下列函数的不确定度合成公式：（1）（2）ABCmM2at21vthClnBlnAln)mMln(lnmM1MnlmM1mnlAAnl1BBnl1CCnl1（1）ABCmM相对不确定度为：2222222222mCMABrUUUUUUABCMmMm2Cr2Br2Ar22m2MUUU)mM(UUrrUABC)mM(UU（2）tVhatVth2t21ah2a42t22V2hUt41UatVUtU2/atVtUhUU2hhhr2at