大学物理实验绪论tst2015

1大学物理实验课绪论主讲:谭司庭Tel:13187075420E-mail:[e-mail]中南大学物理实验中心2015年9月2【0】.学生网上选课须知【1】.本课程的作用和目的【2】.测量、误差和不确定度估计【3】.实验数据处理方法【4】.怎样上好物理实验课3【0】学生网上选课须知1.选课时尽量选择不同类型的实验内容，学习不同的实验方法；2.学习用不确定度表示实验结果;3.学习用逐差法和作图法处理实验数据。实验中心共提供40多个实验，每个同学按要求完成15个实验或20个实验4可使用任何连网计算机进行上网选课，服务器24小时开通（系统维护时除外）。物理实验中心也可以提供上网选课：物理实验中心开课时间：第4周~18周的周一至周五全天：上午10:00~12:15；下午1:30~3:45；4:00~6:15晚上7:00~9:15学生网上选课须知5选课网址://122.207.97.135/xuanke如发现自己的选课内容被破坏，请立即与系统管理员联系；请随时注意网上通知。6每周的星期五以后，不可再取消下一个星期的选课,并开始下下周的选课。如有特殊情况，请与周玉英老师联系。周玉英老师:1505490416815674112578物理教学实验中心电话:888363137•通过网上电子辅导系统选择相应的实验项目进行预习。•网上资源包括“仿真实验”、“仪器预习”等栏目。•网上预习系统8各班学习委员请注意：1.第三周周五15：00—20：00，请带上本班同学的校园卡到物理楼北栋306录入学生名单，班级名单未录全者不能网上选课。2.第三周周五晚上17:00—20:00统一到物理楼北栋110购买本学期学习所需的预习册、报告纸、作图纸,15元/套/人。9【1】本课程的作用和目的1.1物理实验的作用1.2物理实验课的目的10物理实验的作用物理学是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学，是自然科学的基础学科,是学习其它自然科学和工程技术的基础。物理学是一门实验科学，物理实验在物理学的产生、发展和应用过程中起着重要作用。11•伽利略把实验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。•经典物理学规律是从实验事实中总结出来的。•近代物理学是从实验事实与经典物理学的矛盾中发展起来的。•很多技术科学是从物理学的分支中独立出去的。12以诺贝尔物理学奖为例：•80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。其余20%的奖中很多是实验和理论物理学家共享的。•实验成果可以很快得奖，而理论成果要经过至少两个实验的检验。•有的建立在共同实验基础上的成果可以连续几次获奖。13•1997：发明了用激光冷却和俘获原子的方法StevenChuCohen-TannoudjiWilliamD.Phillips•1998：量子霍耳效应，电子能够形成新型粒子RobertB.LaughlinHorstL.StormerDanielC.Tsui14•2001：玻色-爱因斯坦凝聚EricA.CornellWolfgangKetterleCarlE.Wieman15物理实验课的目的•学习实验知识•培养实验能力•提高实验素养16学习实验知识通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识和设计思想，掌握和理解物理理论。17培养实验能力•借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；•运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断；•正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告；•能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。18提高实验素养•培养理论联系实际和实事求是的科学作风；•严肃认真的工作态度；•主动研究和创新的探索精神；•遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。19物理实验课程不同于一般的探索性的科学实验研究，每个实验题目都经过精心设计、安排，可使同学获得基本的实验知识，在实验方法和实验技能诸方面得到较为系统、严格的训练，是大学里从事科学实验的起步，同时在培养科学工作者的良好素质及科学世界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的作用。希望同学们能重视这门课程的学习，经过半年的时间，真正能学有所得。20【2】测量、误差和不确定度估计2.1测量与有效数字2.2测量误差和不确定度估算的基础知识21测量与有效数字•测量•有效数字的读取•有效数字的运算•有效数字尾数的舍取规则22测量物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。23•直接测量：直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到测量值；•间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系，求得该被测物理。•测量值=读数值(有效数字)+单位•有效数字＝可靠数字＋可疑数字测量结果中，可靠的几位数字加上可疑的一位数字，统称为测量结果的有效数字。测量24有效数字的读取2222/8.9/00980.0/80.9/980smskmsmscm科学记数法：6328063286328107...nmmm图a测量的有效数字为2.4cm图b测量的有效数字为2.43cm25有效数字的运算加、减法：诸量相加（相减）时，其和（差）数在小数点后所应保留的位数与诸数中小数点后位数最少的一个相同。4.178+21.325.478=25.526乘、除法：诸量相乘（除）后其积（商）所保留的有效数字，只须与诸因子中有效数字最少的一个相同。4.178×10.14178417842.1978=42.227函数的运算规则及有效数字（1）通常函数的有效数字同自变量的；（2）若自变量给出了不确定度，则（1）的结果多保留一位或几位，再用传递公式计算函数的不确定度；（3）由不确定度决定最终有效数字位数。（不确定度：是指由于测量误差的存在而对被测量的真值不能肯定的程度。）另外，自变量未给出不确定度，还可以用近似不确定度的办法确定函数的有效数字位数。自变量的近似不确定度即为量具的最小分度值。28例1：解：6011801xS44102104.1601800509.1cosxySxyS86787.00509.1sin3160siny110)002.0679.8(y注意：若x未给出不确定度，可取其近似不确定度为量具的最小分度值1分，进而可求出y的不确定度，最后决定y的有效数字位数，如例2。已知，计算。13160xxysin29例2：解：x的近似不确定度为已知，计算。4.25xxyln1.0xS004.00039.04.251.0xSSxySxxy235.34.25lnlnxy由y的不确定度决定了y的有效数字需保留到小数点后3位。通常对数的小数点后的位数与真数的有效位数相同。30有效数字尾数的舍入规则例：若需保留四位有效数字4.32749→4.3274.32751→4.3284.32750→4.3284.32850→4.328“四舍五入”规则入的机会总是大于舍的机会，因而不合理。现在通用的规则是：“四舍六入五凑偶”，即被舍位数字小于五舍大于五入；等于五时，若保留的末位数字为奇数时，则加1，为偶数时则不变，即把保留的末位数凑为偶数。311、“0”在数据中的作用“0”在其他数字之间或之后为有效数字，在之前则不是有效数字。例如：O.3和0.03都是一位有效数字，而103.00则是五位有效数字。2、单位换算对有效数字的影响非十进制单位换算时，有效数字位数可以改变。例如时间min，1.8为两位有效数字，误差位在O.1min=6s位上。若以秒为单位，应写成：s，误差位仍在秒位上，并未改变数据的精度，但108为三位有效数字。)1.08.1(t)6108(t有效数字的几个注意问题32十进制单位换算不影响有效数字例如80.20g是四位有效数字，若用千克单位表示则为O.08020kg，仍为四位有效数字。但是用毫克单位表示写成80200mg，就有问题了，因为按有效数字规定，最后一位是有误差的数，原来数据80.20g有误差数是在1/100g位上，当写成80200mg时有误差数是在1/1000g位上，则数据的准确性变了。为了解决这个矛盾，应使用所谓科学记数法，即把数据写成小数点前只有一位，再乘以lO的幂次来表示。如上述质量数据可写成8.020×104mg或8.020×10-2kg，它们都是四位有效数字，这样在十进制单位换算时，不会改变有效数字的位数。33测量误差和不确定度估算的基础知识•误差•随机误差的处理•测量结果的不确定度表示•间接测量不确定度的合成34对一个待测物理量x而言：误差dx＝测量结果x－真值μ真值：物理量在一定实验条件下的客观存在值。误差35测量误差存在于一切测量过程中，可以控制得越来越小，不可能为零。随机系统误差误差36系统误差•定义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定或随测量条件的改变而按确定的规律变化。•产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入。•分类及处理方法：1已定系统误差：必须修正电表、螺旋测微计的零位误差；测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。2未定系统误差：要估计出分布范围如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。误差37随机误差定义：在对同一量的多次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式变化的测量误差分量。产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。例如：电表轴承的摩擦力变动；螺旋测微计测力在一定范围内随机变化；操作读数时的视差影响多次测量的误差满足正态分布，具有以下特点：（1）对称性:正负误差出现的概率基本相同；（2）有界性:存在绝对值最大的误差；（3）单峰性:绝对值小的误差出现概率大，绝对值大的误差出现概率小；（4）抵偿性:当测量次数足够多时，绝对值相等的正负误差出现的概率大致相等，可相互抵消：38的分布函数为为标准差为真值xxf)(1)(21exp21122nxxxxfnii+小xf(x)随机误差特点。39标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。小小xf(x)标准差表示测量值的离散程度40任意一次测量值落入区间的概率为683.0+dxxfP],[++xf(x)x这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应的区间叫置信区间，表示为:41扩大置信区间，可增加置信概率:954.0]2,2[22++dxxfP997.0]3,3[33++dxxfP42平均值假定对一个物理量进行了n次测量，测得的值为xi(i=1,2，…，n)可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。nxxnii/)(143有限测量时，算术平均值不等于真值，它的标准偏差为：平均值的偏差)1()(12nnxxnSSniixx多次测量可以减小随机误差44直接测量结果的表示及其总不确定度的计算测量结果的表达式：xx22BA+总不确定度：——指用统计的方法计算出的不确定度分量不确定度：是指由于测量误差的存在而对被测量的真值不能肯定的程度。1)不确定度的类分量A45对于有限次测量：)1()(12nxxtStniixA)1()(12nnxxtnStStniixxxA测量列的不确定度：平均值的不确定度：这时：xAS上面两式中的称为“因子”，与测量次数和置信概率有关，在大学物理实验中，当测量次数时，可近似取为1。ntt5n直接测量结果的表示