《基础物理实验I》绪论(中山大学).

基础物理实验室化工学院10级基础物理实验（I）绪论课(珠海校区实验中心基础物理实验室)2011年09月21日主讲教师：潘吉浪[e-mail]，18988591261实验室电话:[phone]基础物理实验室实验课安排化工学院10级：上课时间：周三下午2：00～17：30周四上午8:00~11:30上课老师:潘吉浪，王钢，杨小坚，桂许春，王伟良，方锡岩，宋树芹课程成绩负责:潘吉浪（[e-mail]）实验中心网站()→实验教学→物理学科→教学计划，下载课程表及学生分组名单等相关资料基础物理实验室基础物理实验室主要内容一、基础物理实验的教学目的和要求二、课程安排、实验过程及要求三、实验数据的处理第1章误差理论第2章物理实验数据的处理有效数字列表法、制图法线性回归分析（最小二乘法）第3章仪器误差与测量结果的不确定度四、实验报告基础物理实验室一、为什么要上基础物理实验课？物理学是研究物质运动基本规律的自然科学。化学生物学物理学生命科学数学其它自然科学的实验几乎都是以各种基本物理量的测量为基础的。物理学是与数学结合得最紧密、最精确的自然科学。基础物理实验室基础物理实验课程的教学目的1.掌握实验室常用仪器设备的使用方法；2.掌握多种基本物理量的测控方法；3.学习并掌握严谨客观的数据记录方法，和基本的实验数据处理方法；4.培养良好的工作习惯、态度等。学习用实验来认识自然规律的方法！基础物理实验室基础物理实验课程内容54学时实验1.测量误差与不确定度实验4.声速和空气比热容比的测量实验5.简易万用表的设计实验6.非平衡电桥研究热敏电阻温度特性基础物理实验室实验7.霍尔效应实验9.示波器的使用实验12.光栅常数及光波波长的测定实验13.单缝衍射的相对光强分布基础物理实验室实验过程及要求1.预习，撰写预习报告；2.实验准备；3.进行实验；4.撰写实验报告。基础物理实验室实验过程及要求1.预习（1）教材,录像(可在实验中心网站中物理学科实验室的课件资源),到实验室现场预习（周一上午）。（2）撰写预习报告：使自己能用较短的时间完成实验。原理从简（但需理解）、步骤（尽量详细）、装置图（徒手作图）、数据记录表格。*不看教材，只凭预习报告就应可以完成实验。（3）无预习报告不得进行实验!基础物理实验室预习报告格式举例实验6用非平衡电桥研究热敏电阻的温度特性日期：2006.09.12室温：25.0℃.湿度：75.0%实验人：×××实验目的1.……….2.……….实验仪器直流稳压电源（Model:......）,......实验内容及原理简述测量热敏电阻和铜丝电阻随温度的变化关系曲线……….实验设备及实验电线路图线路图或装置图基础物理实验室实验过程记录10:00开始实验。按线路连接线路，开机预热10:25......................测量数据或表格…………12:00实验完毕，关机，整理桌面（或保持实验装置不变）。基础物理实验室实验过程及要求2.实验准备：(1)学生至少提前5min到实验室。*(2)迟到30min且无正当理由按旷课论，且该实验成绩按零分计算，不得补做。*(3)迟到30min若有正当理由则经教师确认后择日补做。交报告、签到、阅读实验注意事项、清点设备。教师检查预习报告，提问。基础物理实验室实验过程及要求3.进行实验：（1）教师讲解实验原理、实验仪器的操作方法、要求及安全注意事项；（2）学生进行实验：观察现象、进行测量、记录数据。需保证数据客观、完整（可重现）；（3）线路连接完毕后经教师检查无误方可通电；在换接电路时一定要先将电源关闭，切勿带电操作；（4）实验过程中教师经常巡视，提问，及时纠正学生操作中的错误，帮助解决实验过程的问题；基础物理实验室实验过程及要求（5）学生有问题无法自行解决应求助教师，尽快解决，尽量保证在规定时间内完成实验。基础物理实验室实验过程及要求4.实验完毕：（1）先自行检查和核对数据，自认无误后交任课教师检查、签名。（3）实验时间为4个学时（如1－4节，约3小时），按时下课，实验未完成会影响成绩，故需认真预习。（2）学生整理实验仪器和桌椅后方可离开实验室。基础物理实验室实验过程及要求5.撰写实验报告(实验报告范例：P34)：（1）组成部分中数据处理和结果表达最重要。（2）有教师签名的预习报告和原始数据必须附在实验报告之后订在一起缴交。无教师签名的原始数据，该实验记零分。（3）按时缴交报告：下次实验时放在指定位置。基础物理实验室三、实验数据处理第1章误差理论第1节物理量的测量(measure)和实验误差(error)1.测量的本质把被测量与标准量进行比较。国际单位（IS），基本单位（7个，m,kg,s,A,K,cd,mol,注意大小写），导出单位。仪器标定（校准，calibration）,计量局（国家权力机构）2.测量的分类（1）直接测量，间接测量（p4）。例如：与测量方法、仪器有关的，并非绝对。如：电阻（2）等精度测量，非等精度测量（p4）。224/glT基础物理实验室精密度准确度误差的概念及分类（1）绝对误差和相对误差（p5）绝对误差（absoluteerror）：ΔX=|X－A|相对误差（relativeerror）：E=ΔX/A（2）系统误差、偶然误差、粗大误差系统误差(systemerror)－准确度（accuracy)偶然误差（occasionalerror，也称为随机误差，randomerror)－精密度(precision)粗大误差、过失误差（grosserror)XAxP(x)基础物理实验室误差的概念及分类（3）直接测量量和间接测量量的误差直接测量量的误差：偶然误差计算方法。间接测量量的误差：由误差传递公式计算。例：重力加速度g=4π2l/T2（4）测量列的误差，算术平均值的误差公式：例：/xnniixxn12)(11基础物理实验室第2节偶然误差的分布规律及计算1.偶然误差分布规律21211()1()1limnininiixXnsxXn高斯分布(正态分布)221(-)()exp[-]22xXfxσ(标准误差)x0.5ε=x-x0(单次测量误差）Xf(x)1基础物理实验室2.实际测量时误差的计算用有限次测量来估计无限数列的分布性质。平均值：某一次测量值标准误差公式7直接测量量：n=1~4时误差（算术平均误差p9公式10、11）：直接测量量：n≥5时误差（算术平均值标准误差p8公式8）：间接测量量：误差传递（p11公式14或者当u＝xmyn时误差公式可用p12第二个公式）1/nixxn211/()1.25,(1)nxixxisnxxxxnn11||,,nixxixxxxnn基础物理实验室间接测量量的偶然误差计算设间接测量物理量依赖于直接测量量x和y，而x和y是相互独立的，即任何一个量的变化与其它量无关。设u=f(x,y)，当x有±△x的变化，y有±△y的变化时，根据全微分的定义，u的变化量为这就是误差传递公式。采用标准误差来表示偶然误差yyuxxuuyyuxxuu2222yxuyuxu基础物理实验室一般来说，对于间接测量量以幂函数的形式依赖于直接测量量时，先计算相对误差再计算标准误差往往较为方便。22ynxmuyxunmyxu偶然误差的计算举例基础物理实验室（cm）（cm）例1用最小分度为毫米的米尺测量某物体的长度，5次的测量值分别为62.58,62.54,62.56,62.54,62.52。求测量结果，采用标准误差表示测量的偶然误差。[解]（１）求算术平均值（２）计算平均值的标准误差（３）计算相对误差（４）写出测量结果或。55.6252.6254.6256.6254.6258.62515151iill5121551iilll)(01.003.001.001.001.003.020122222cm410255.6201.0lEl01.055.62lll4102,E%02.0155.62l基础物理实验室例5对于例4的实验，改用标准误差来描述偶然误差。已知摆长测量的标准误差cm，周期测量的标准误差为sec，两者均用测量列的标准误差表示。测量平均值与例4相同。[解]根据测量结果的表示规则，(1)标准误差按只入不舍的原则，保留一位有效数字;(2)最后结果表达：小数点后位数需对齐。例：234.56±0.02（m）06.0l0007.0T9.09933.10007.0494.9806.01.98342222TlgTlg41011.9839.0gEg9.01.983ggg2sec/cm基础物理实验室3.误差计算几个要注意的问题位数：误差有效数字只取1位，中间计算过程取2位。进位：1－9均进位偶然误差可能出现很小甚至等于零的情况，或只作了一次测量，此时需考虑仪器不确定度（标准误差）（第3章，p24－33）：仪器标准误差＝最小刻度/，间接量的也要误差传递误差的应用(1)坏值剔除（3σ）(2)选择测量方案(p26)和测量仪器(p13)。3基础物理实验室第2章物理实验数据的处理有效数字列表法制图法线性回归分析基础物理实验室第1节有效数字概念测量结果的有效数字应由测量误差决定。从它左边第一个非零数字开始到最右边的数字称为有效数字。例如：123三位有效数字0.0123三位有效数字123.00五位有效数字小数点后面的“0”是有意义的，不能随意增减，有效数字末位是带有误差的。基础物理实验室仪器读数指针式仪表:（1）最小分度后再估读一位。数字式仪表：（2）多量程仪表，采用读数接近满偏的档位，用同一仪表测量时测量结果有效数字位数应该一致。（1）显示的数字不变，记录全部数字。（2）若末几位不断变化，则显示中不变的部分及变化的首位为有效位数。875938.基础物理实验室测量结果有效位数确定写测量结果时，绝对误差只须保留一位测量值的算术平均值的末位应与绝对误差位对齐.小数点后位数需对齐123.56±0.01√,（123.56±0.1,123.56±0.001×）有效数字的位数不会因单位的变换而改变；对于很大或很小的数字，应该采用科学记数法。注意：采用科学记数法改写测量结果不能改变有效数字位数0.0000001234mm=1.234×10-7mm√1234km=1234000000mm×,1234km=1.234×109mm√基础物理实验室有效数字运算法则（p17）加、减；乘、除；乘方、开方；取对数；指数运算；三角函数。基础物理实验室加、减：两个或两个以上的量进行加减运算，其结果在小数点后应保留的位数与各量中小数点后位数最少的一个相同。例如：20.1+4.178=24.3，19.68-5.848=13.83乘、除：其结果有效数字位数与各量中有效数字最少的一个相同。例如：4.178×10.1＝42.2，48216÷123＝392基础物理实验室乘方、开方：有效数字的位数与底数相同。例：1.232＝1.51，取对数：所得的尾数（即小数点后的部分）的位数与真数的位数相同例：lg1983=3.2937，lg1.983=0.2937指数运算：结果的有效数字位数与指数中小数点后的位数相同例：106.25＝1.8×106，100.0035＝1.008若指数为整数，则按乘法考虑。53.11612379基础物理实验室三角函数有效位数确定：三角函数有效数字位数取决于角度有效数字位数，计算的依据是误差传递公式例如：当角度测量精密度确定的有效数字位数由于，