东南大学物理实验工科绪论

大学物理实验绪论2013年3月物理系袁士俊Email:[e-mail]本次课的主要内容◆本课程的学习要求◆测量误差及不确定度◆有效数字及其运算规则◆实验数据处理方法自主、研究性学习、终身学习意识大学物理实验课程的重要性◆课程教学重点：科学实验思想、方法、技能，习惯◆独立设课（次序,跳跃,系统）◆物理学是实验为本的科学◆走进自然科学殿堂的启蒙课程预备物理实验（一上）基础物理实验（一下、二上）基本内容、选做内容、小课题课题物理实验现代物理专题实验本校基础物理实验课程体系本次课的重要性◆实验数据的分析和研究是科学发明和发现的重要基础◆数据分析是大学物理实验课程的重点和难点◆第9-10周实验理论测试，闭卷本学期物理实验安排◆第9-10周，实验理论分班测验，闭卷自带方格坐标纸、统计功能计算器、作图工具、文具。第2周四查分班表，实验中心网站phylab.seu.edu.cn实验中心二楼教务橱窗总成绩合成：理论测验、平时实验、预备实验加分、课程论文调节分上课时间：上午9:45-12:45下午1:45-4:45晚6:15-9:15◆第三周开课，5个必做实验+2个选做实验，提前查阅各人的必做实验项目轮转表第四周（3月18日）开始登陆实验中心网站选2个选做实验本学期物理实验内容安排必做5项：1.三——用三线扭摆法测定物体的转动惯量：实验42.弹——静态拉伸法测弹性模量：教材实验9-13.示——模拟示波器的使用：教材实验20-14.霍——霍尔效应的研究&利用霍尔效应测磁场：教材实验21&22(这个实验包括两个项目，预习时注意两个实验都要预习)5.油——密立根油滴法测定电子电荷：教材实验28请实验前进入中心网站主页→网络开放管理系统→输入学号和姓名→选课→查询上课时间、地点本学期物理实验内容安排选做实验2项：(从以下7项中任选2项)1.利用气垫导轨研究物体的运动：教材实验6-1&6-22.数字存储示波器的使用：教材实验20-23.碰撞打靶(课题实验)：教材实验74.电子比荷：教材实验195.弹簧振子周期公式的研究：教材实验86.粘滞系数：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)7.万有引力常数的测定(仿真实验)：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)课程论文的重要性由同学独立撰写；成绩优良的论文将在课程总成绩中适当加分。希望总评成绩为“优秀”的同学必须提交课程小论文，论文成绩合格方能拿优。论文内容原则上为本学期所做实验的研究和拓展性内容或课程总结报告。在做实验过程中注意观察，善于发现问题，思考相应的物理意义。课程论文一般在必做实验结束后一周内提交，具体办法和截止日期到时网站会有通知。优秀论文还将推荐参加一年一度的校级物理实验研究论文竞赛，获奖者有SRTP学分和获奖证书，请学生重视课程论文，提前做好准备。选课及补选•必做实验的补做：申请补做的同学提前提供正规的请假手续，田家炳楼209B室有打印好的补做单，学生可以去取，任课教师签字。•选做实验原则上不予补做，按旷课处理。选做实验第4周开始网上选课，第5周开课。尽量提前选。提前一天可网上退选。实验中心网站物理实验课程的学习要求(教材P1～3+学生须知)◆课前必须预习明白实验原理、方法、做什么设计原始数据记录表格！注意事项和存疑自带必备工具正确使用仪器观察、分析、思考、主动、质疑（钢笔）记录原始数据实验完毕交任课教师签字确认整理桌椅后离开实事求是物理实验课程的学习要求(教材P1-3、学生须知)◆课内认真实验◆课前必须预习物理实验课程的学习要求(教材P1-3、学生须知)◆课前必须预习◆课后总结—实验报告（论文训练）物理实验课程的学习要求(教材P1-3、学生须知)1.实验名称2.实验目的/任务3.仪器设备（名称、型号和规格、编号）4.原理（简要表述，必要的光路、电路图）5.实验步骤6.数据表格及数据处理7.实验结果与分析讨论一周内完成报告，交入实验中心报告柜◆课内认真实验◆课前必须预习物理实验课程的学习要求(教材P1-3、学生须知)◆课内认真实验◆课前必须预习本次课的主要内容(2)◆本课程的学习要求◆测量误差及不确定度◆有效数字及其运算规则◆实验数据处理方法科学表达测量结果国际科学实验数据通用语言测量结果=测量值±误差（用有效数字）实验测量误差w=W±ww=W±wx（=x-真值）Ⅰ.测量与测量误差测量误差（定义）测量结果与被测量（约定）真值之差。基本名词相对误差：直接测量、间接测量（P5）测量值，等精度测量列（x1，x2，……）P7测量结果的绝对误差与被测量真值（约定真值）之比。真值、约定真值（修正过的算数平均值、公认的测量值……）P6（/真值）x绝对误差：百分误差按误差的特点分类：随机误差系统误差粗大误差（过失）混杂出现Ⅰ.测量与测量误差系统误差减小系统误差的措施：来源特点：确定性对同一被测量的多次测量中，保持恒定或可预知的方式变化的测量误差分量。(P6)Ⅰ.测量与测量误差对同一被测量的多次测量中，以不可予知的方式变化的测量误差分量。(P6)特点：不确定性（随机性）Ⅰ.测量与测量误差等精度测量列（x1，x2，x3……）随机误差随机误差的统计分布的特点：误差的概率分布密度误差量Ⅰ.测量与测量误差单峰性有界性对称（抵偿）性等精度测量列（x1，x2，x3……）011limniinxn减小随机误差的措施：单峰性有界性对称（抵偿）性Ⅰ.测量与测量误差误差的概率分布密度误差量随机误差的统计分布的特点：系统误差？随机误差？过失误差？Ⅰ.测量与测量误差例子：打靶描写随机误差的两个重要参量1.算术平均值nxxxxxn321测量结果的最佳估计值可代替测量真值（还应修正系统误差）Ⅰ.测量与测量误差niixn11Ⅰ.测量与测量误差描写随机误差的两个重要参量1.算术平均值2.标准偏差S)1()1()(1212nxnxxSniinii(贝塞尔公式)S表征多次测量值的离散程度S大，测量值分散；S小，测量值密集。可以用S来估计测量列随机误差的大小平均值的标准偏差：SnnnXXSniiX1)1()(12Ⅰ.测量与测量误差表示测量列算术平均值的随机误差的大小程度。◆用计算器统计功能平均值和标准偏差的计算niinxnnxxxxx13211)1()1()(1212nxnxxSniinii◆用Excel表格中的函数计算功能进入模式→清除内存→→输入数据→查看结果Ⅰ.测量与测量误差一.测量结果的表达形式：评定误差被测量的真值不能确定的程度概率的概念[W-U，W+U]测量值不确定度测量结果=测量值±误差w=WUⅡ.测量结果的表示与不确定度w=WU恒正的量。相对不确定度Ur=U/WU及Ur只取1~2位有效数字。W的末位与U位数对齐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Ⅱ.测量结果的表示与不确定度不确定度一.测量结果的表达形式：测量结果=测量值±误差二.直接测量结果的不确定度估计1.多次测量2.单次测量Ⅱ.测量结果的表示与不确定度2222insBASntUUUU≈ins或估计A、B两类分量方和根合成:UA:t因子查表(P10)UB:UB≈ins查表(P26)或估计SntUA例：用量程为500g的七级天平测量质量，数据分别为50.56，50.58，50.57，50.55，50.57，50.50，50.50，单位为g，写出测量结果。Ⅱ.测量结果的表示与不确定度测量结果:mUmm=50.550.05g034g.0mS(p26,附录1）Ⅱ.测量结果的表示与不确定度547g.50mmmASntU04g.0mBU22mBmAmUUU测量结果:mUmm例：用量程为500g的七级天平测量质量，数据分别为50.56，50.58，50.57，50.55，50.57，50.50，50.50，单位为g，写出测量结果。0.032g93.0mS051g.0二.间接测量结果的不确定度的估计间接测量量：w=f(x,y,z,)Ⅱ.测量结果的表示与不确定度lnlnlnfffdwdxdydzxyzdwfffdxdydzwxyz全微分公式wU的计算方法：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Ⅱ.测量结果的表示与不确定度WU间接测量量w=f(x,y,z,)不确定度的估计lnlnlnfffdwdxdydzxyzdwfffdxdydzwxyz全微分公式类比全微分计算公式各分量方和根合成和差形式先计算WUUWwrWU（P12公式11）222222zyxUzfUyfUxfⅡ.测量结果的表示与不确定度lnlnlnfffdwdxdydzxyzdwfffdxdydzwxyz全微分公式222222zyxwrUzfnlUyfnlUxfnlU间接测量量w=f(x,y,z,)不确定度的估计WU和差形式先计算WUUWwrWU（P12公式11）222222zyxUzfUyfUxfⅡ.测量结果的表示与不确定度常用函数的不确定度合成P12表2wrWUWU积商形式先计算wrU（P12公式12）222222zyxwrUzfnlUyfnlUxfnlU间接测量量w=f(x,y,z,)不确定度的估计WU和差形式先计算WUUWwrWU（P12公式11）222222zyxUzfUyfUxfⅡ.测量结果的表示与不确定度lnwlnwAlnwnBB2222lnlnBAwrUBwUAwU2222BUnAUmBAwrwUwU与P12表2对比lnlnmAnBmA例：求解：积商形式的函数wUnmBAw例：求解：积商形式的函数nmBAw例：求解：积商形式的函数小结：2222insASntUUUBⅡ.测量结果的表示与不确定度◆单次直接测量：◆多次直接测量：◆间接测量：计算直接测量量的测量值x,y,z,，和Ux,Uy,W测量值U≈UB计算间接测量量w=f(x,y,z,)计算总不确定度Uw（选用公式11或12、常查表2）W算术平均值◆测量结果表示w=WU有效数字对齐写出测量结果w=WUW本次课的主要内容(3)◆本课程的学习要求◆测量误差及不确定度◆有效数字及其运算规则◆实验数据处理方法什么是有效数字？若干位可靠数字（准确位）＋1~2位欠准数字（估计位）Ⅲ.有效数字及其运算96000.09.60×104μm有效数字的正确使用•有效数字的位数与小数点和单位无关96.0mmⅢ.有效数字及其运算•原始测量数据的有效数字的确定：游标类（分度值的整数倍）数显类（直读）指针类（估读分度值的1/2～1/10）视具体情况0.0960m9.60cmμm×实验结果有效数字的确定w=WU原则：Ⅲ.有效数字及其运算U取1～2位有效数字运算的中间过程一般可多保留一位。由不确定度决定实验结果的有效数字位数。W的末位数字与U的数字对齐。物理量数值相对不确定度真空中光速299792458m·s−1精确(定义)万有引力常数6.67384(80)×10−11m3·kg−1·s−21.2×10−4普朗克常数6.62606957(29)×10−34J·s4.4×10−8电子电量1.602176565(35