大学物理实验教案(yang)

成都信息工程学院物理实验室杨维清博士前言◆培养与提高学生的科学实验素养，逐步养成严谨、科学的学习、实践态度。一、课程的目的、意义和具体任务◆学习物理实验知识、实验方法和基本实验技能，通过实验加深对物理学原理的理解；◆锻炼和培养大家多方面的能力（自学、动手实践、思维表达、设计等）；◆了解常用仪器的性能，并学会使用方法二、课程的基本要求◆能够自行完成预习、进行实验和撰写报告◆能够调整实验装置，并基本掌握常用的操作技术◆了解物理实验中常用的实验方法和测量方法◆能够进行常用物理量的一般测量全开放物理实验选课系统介绍系统登陆页面上显示有学生已选实验项目和成绩、学生已修实验项目、学生缺勤实验项目以及实验的最终成绩。实验选课成功选课在线留言在线测试第一章物理实验的认识物理实验是为达到特定目的在实验室里人为重复自然界客观存在的物理过程。§1-2物理实验的三个阶段1、过程：预习—操作—报告§1-1物理实验的定义预习一、实验名称二、实验目的三、仪器和用具四、原理简述五、实验内容及步骤六、注意事项（1）预习报告（2）准备好数据记录表格（如果没有实验预习报告和原始数据记录表格，不能进行实验操作。）操作（1）按上课时间提前5—10分钟进入实验室，进实验室时要交上次实验的实验报告，将本次实验的预习报告和数据记录表格交老师检查。操作时要带教材和补充资料。（2）按指定位置坐好，检查仪器情况并记录仪器编号。整个实验过程中不能动用或调换非本组的仪器，不能随意走动，不能讲话影响他人。（3）操作要认真仔细，特别要注意仪器的正确使用和使用中的注意事项，若操作不当损坏器材和仪器严重磨损要按规定赔偿。（4）认真记录好原始数据，并对测量的数据认真分析，操作结束后将用钢笔整理好的数据交给教师签字。同时抽查操作过程。（5）整理好仪器、搞好本组卫生、经教师检查允许后方可离开实验室。正式报告正式报告内容除预习报告内容之外，另外增加：数据记录、数据处理、实验结果、讨论。）§1-3成绩的评定★平时成绩★考试成绩★总成绩1.测量的四要素：测量对象、测量方法、测量单位、测量精度第二章测量与误差§2-1测量2.测量的分类直接测量、间接测量单次测量、多次测量◆按获得结果的方法分类：◆按测量条件分类：◆按测量次数分类：等精度测量、非等精度测量1、定义：误差=测量值-真实值普遍存在的不可知有方向和单位特性：§2-2误差0xxx2、误差的分类A---偶然误差：在相同条件下，对同一物理量的多次测量过程中，绝对值和符号以不可预知方式变化的误差分量。特点：不可预知，但多次测量时符合特定的统计规律：22x)(2σ1e2πσ1x)f(ΔB---系统误差：在相同条件下，对同一物理量的多次测量过程中，保持恒定变化（大小、正负不变）或按特定规律变化的误差分量。例如：天平不等臂、电表刻度不均匀、轴不重合等。回顾：由于实际的测量过程是比较复杂，可能要采用不同的方法和仪器，因此，测量结果的优劣将受许多因素影响，从这点看，正确把握误差的定义与分类方法是非常重要的，通过具体分析，可以抓住问题的主要方面，加快实验进程。C---疏失误差或粗差严重违反实验规律，一旦发现立即剔除。：精密度与正确度的综合反映：实验结果与真值的符合程度：重复测量数据相互分散的程度准确度正确度精密度3.误差的几个基本概念系统误差偶然误差①.③.②.图(A)图(B)图(C)精密度高正确度低精密度低正确度高准确度高直接测量偶然误差的讨论m次：N1，N2，．．．Ni，．．．Nm一、真值的最佳近似值——算术平均值任一次的测量误差：NNNii'mii'N10miimmNN)NN(...)NN()NN(1210miiNNmN11NNNii（近真值）（偏差）（m→∞）112nNNSnii)n(nNNSniiN112多次测量中任意一次测量的标准偏差算术平均值对真值的标准偏差二、误差的估计——标准偏差用标准米尺测某一物体的长度共10次，其数据如下：次数12345678910L(cm)42.3242.3442.3542.3042.3442.3342.3742.3442.3342.35试计算算术平均值L某次测量值的标准偏差SLS算术平均值的标准偏差例:解：101101iiLL34423042354234423242101.....()cm(.3442)cm(..LLSiI020018856201101012)cm(..SLLSiiL01000597201011010101).....35423342344237423342三、置信概率只是一个通过数理统计估算的值，表示测量值出现在范围内概率，可算出这个概率是68.3%。称之为置信概率或置信度。S)(~)(SNSN四、坏值的剔除Slim31.极限误差3S:极限误差测量数据在范围内的概率为99.7%)3(~)3(SNSN2.拉依达准则凡是误差的数据为坏值，应当删除，平均值N和误差S应剔除坏值后重新计算。SNNi3)(lim注意：拉依达准则是建立在的条件下，当n较少时，3S的判据并不可靠，尤其是时更是如此。n10n次数1234567891011L(cm)10.3510.3810.3010.3210.3510.3310.3710.3110.3420.3310.37对某一长度L测量11次，其数据如下：试用拉依达准则剔除坏值。解：cm.)LL(Sii1631101012cmS48.9316.33LLLi10当数据为11个时可以用拉依达准则剔除=20.33—10.72=9.613S§3.间接测量结果的误差1.误差传递的基本公式),,(zyxfN设为直接测量的量其中zzzyyyxxx,,(1)N的最佳值为),,(zyxfN(2)N的误差dzzfdyyfdxxfdNzzfyyfxxfN由得考虑到误差最坏原理，各项均取绝对值一、仪器的准确度：用仪器进行测量的可靠程度。一般用准确度等级表示。仪器的精密度：仪器的最小分度值。第三章仪器的准确度、误差、读数二、仪器误差（又称为仪器误差极限）仪器误差是指测量值和真值之间可能产生的最大误差。用符号△仪表示。它的大小：1、有精度等级的仪器按国家计量局的标准或仪器说明书的规定，如教材21页的常用仪器。为了计算方便，教学实验中可以用等级误差代替仪器误差，等级误差=量程（或读数）×等级%。第三章仪器的准确度、误差、读数2、没有标明精度等级的仪器（1）连续读数仪器：仪器误差为最小分度值的一半，（2）跳跃读数仪器：仪器误差为最小分度值，三、仪器读数（一）仪器读数首先按精密度进行读数1、跳跃读数仪器，读到最小分度。如数字仪表读到最后一位，游标读数读到最小分度。第三章仪器的准确度、误差、读数2、连续读数仪器，最小分度要进行估读。如米尺、千分尺、指针式电表等。常用的估读方法有：（1）1/10估读：将最小分度分为10等份估读，用于较清晰的刻度和较稳定的指针。（2）1/2估读：将最小分度分为2等份估读，用于刻度较窄、指针较宽、指针有摆动等。第三章仪器的准确度、误差、读数二、仪器读数的有效数字记录仪器读数要整理成有效数字进行记录，即最后一位是可疑位（仪器误差位）。一般的仪器按精密度读数的最后一位为仪器误差位，但有一些仪器除外，如电阻箱系列的仪器，应先算出仪器误差，再根据仪器误差的数位按有效数字记录读数。第一节测量与误差1、根据获得测量结果的不同方法，测量可分为_______测量和_______测量；根据测量条件的不同，测量分为________测量_________测量。2、在实验中，进行多次(等精度)测量时，若每次读数的重复性好，则________误差一定小，其测量结果的_______高。直接间接等精度非等精度偶然精密度3、测量的四要素是________、_______、_______和______。4、误差按性质可分为_______和_______差。对象方法单位精度系统偶然请大家来回顾一下上节课所讲的内容：第二节偶然误差的分析讨论单峰性有界性对称性1、偶然误差服从的正态分布规律四个特性是：________、_______、_______和______。抵偿性2、选出下列说法的正确者()A.可用仪器的一个最小分度或一个最小分度的一半作为该仪器的一次测量的误差；B.可以用仪器精度等级估算该仪器一次的测量的误差；C.只要知道仪器的最小分度值,就可以大致确定仪器误差的数量级；D.以上三种说法都正确。D3、测量一约为1.5伏特的电压时要求其结果的相对误差小于1.5%，则应选用下列那种规格的伏特表()A.0.5级，量程为5伏；B.1.0级，量程为2伏；C.2.5级，量程为1.5伏；D.0.5级，量程为3伏。B,D第三节有效数字及运算规则1、指出下列各数的有效数字的位数：0.005m是__位。是__位。100.00mg是____位。125mm6109.21、不确定度定义：不确定度是对测量结果不确定范围的标度（σ）。P=68.3%测量的不确定度也可以理解为测量误差可能出现的范围，标示着测量结果的可靠程度。如果不确定度越大，则测量结果可靠性差，应用价值低，反之，则测量结果的可靠性好，应用价值大。第四章不确定度及实验结果的表示单位）(xx2、不确定度的分类)1(12nnxxsniix①不确定度的A类分量---S用统计方法获得的不确定度分量。对于一个多次测量列Xi(i=1,2…n），A类分量可采用贝塞尔（Bessel）公式获得：第四章不确定度及实验结果的表示②不确定度的B类分量---v3/仪仪v在实验过程中，极限误差的估计以仪器误差和测量估计误差为主。教材P21中列出了部分常用仪器的仪器误差，求取B类不确定度时可参照进行。3B类分量常用估计方法得出，根据误差来源，首先确定极限误差，然后除以均匀分布的置信因子，即和第四章不确定度及实验结果的表示22估仪vvv3/估估v②相对不确定度---E①合成不确定度---σvs22%100XE3、不确定度的相关表述第四章不确定度及实验结果的表示4、不确定度的计算①直接测量时的不确定度总体考虑：设待测量为x，测量中存在t种随机误差，k种系统误差，则合成不确定度为kjitiivs1212一般来说，测量中会有一种随机误差和一种系统误差为主，略去次要的误差导致的不确定度后，不确定度合成可近似为：第四章不确定度及实验结果的表示计算A类不确定度：若对待测量x测n次得x1，x2…xn，则vs2212nnxxsix第四章不确定度及实验结果的表示iixxxnxxnii1其中：为x的最佳估计值称为偏差第四章不确定度及实验结果的表示若测量值的偏差时，该测量值为坏值，应剔除。ix）（12nxSixixxiSx3注意：结果表示为：注：单次测量时，不考虑A类不确定度，最佳估计值即测量值本身。计算B类不确定度：若系统的极限误差值分为仪器误差和估计误差，则：22估仪vvv%100xE（单位）xx取1位有效数字，采用只进不舍；的最后一位要与的数位对齐，进位采用四舍六入五凑偶，E取2位有效数字，只进不舍。x②间接测量的不确定度间接测量是利用已知关系式的转换测量。该已知关系式为：111xx222xxiiixx如前所述直接测量可得：),,,(21ixxxfy…...结果表示为：xxxify21,所以　（单位）　yyy%100yEy绝对不确定度：相对不确定度：22iyxifx　22lniyxifExy例1：用长度为2000mm的钢卷尺测量讲桌的面积，长为120.01cm，宽为67.