大学物理实验基础知识.ppt
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1、作业(P35-36) 1(1,2);2(1,4,5);3;5(2,3); 6;8;10 各班收齐作业,于第二周内交上(4)。 实验课上课地点:基础实验楼D区 主讲教师: 张亚萍 联系方式: 13589367120(手机) 1 关于大学物理实验预约 一.预约 点击中国石油大学主页教学院部选择理学 院进入学院主页就会看到下面的网页。网址 http:/:8080/MSET/logi n.asp 二.本学期要求 从20个实验项目中至少完成8个实验项目( 基础理论作业另算)。 2 3 http:/:8083/learningweb/ 4 大学物理实验基础理论 关于大学物理实验课 误差理论与不确定度基础知
2、识 有效数字与几种数据处理方法 本次课主要内容 5 一.地位和作用 大学物理实验是一门重要的实验基础课,而且具有广泛的 应用性。大学物理实验是理工科学生进行基础实验训练的重要 实践性环节,是从事科学实验的起步。其目的是学习获得基本 的实验知识,在实验方法、实验技能、实验数据处理和实验设 计等方面受到较为系统和严格的训练,培养学生严肃认真的科 学态度和实事求是的科学精神,提高科学素养和创新能力。 对于理工科学生来说,不仅要具有一定的基础理论知识, 更应具备较强的实践操作技能。本课程将通过一年的时间训练 大学生基本的实验能力,并初步具有完成设计性和创新性实验 的能力,为培养学生从事科学实验的素质,
3、打下坚实的基础。 关于大学物理实验课 6 1.实验能力包括:实验构思、设计、组织、进 行;仪器的制作、安装、调试;数据的测量、 读取、记录、处理;结果的分析、表达、推理 、论断;报告的撰写与发表等。 2.物理实验课培养学生通过实验手段去发现问题 、分析问题和解决问题的能力。要求学生在每 个实验中必须做到既动手、又动脑,将理论知 识与实验技能很好地结合起来。 7 3.物理实验的构思、实验方法、测量过程中的误差分析和测 量结果的可靠性评定、数据处理方法等适用于一切实验。 4.与中学物理实验的区别:中学物理实验课以演示为主,加 深对物理学概念的理解;大学物理实验课每人一套实验仪 器,独立操作,独立测
4、量,重点培养物理实验思想、实验 技能与创新能力。 5.本次课内容作为大学物理实验课的预备知识,对于顺利完 成该课程非常必要。本次理论课所讲的内容贯穿于整个实 验课的始终,希望同学们珍惜机会。 8 二.物理实验的分类 1.观察物理现象的实验(演示实验) 2.测量物理量的实验 3.验证性实验 三.物理实验课的任务 (自学) 1.掌握物理实验的基本知识、基本方法和基本技能加深对物理 原理的理解。 2.培养提高从事科学实验的素质,严肃认真,遵守操作规程, 爱护公物,相互协作,讲究科学方法,注意安全等科学习惯。 3.获得必要的实验知识和操作技能的训练,培养学生初步具有 自学能力、动手能力、书写表达能力、
5、初步实验设计能力、创 新能力等科学实验能力。 大学物理实验课主要内容 9 四.物理实验课的程序 1.关于大学物理实验预约 实行开放式教学、计算机管理、网上预约。 中国石油大学(主页)教学院部理学院 开放实验学习网站开放实验管理系统 重点浏览学习网站内容有:使用说明、预约查询、上课须知、预 约指南、预习辅导等等。 2.课前预习(必要性),写出预习报告,列出数据记录表格。 (合格的预习报告可作为实验报告的前半部分) 3.进行实验时,爱护实验仪器。实验完毕,教师检查数据。 实验地点:基础实验楼D区。 4.课后完成实验报告,一周内交上。 实验报告通常由以下几部分组成:实验名称、实验目的、简要 的实验原
6、理计算公式必要的线路图、仪器设备型号量程级别等、实 验内容和数据、数据处理过程、结果的评定及分析、问题讨论、教 师签名的原始数据。 10 五.怎样写好预习报告 预习报告要求在正式实验前写好,内容包括 (1)实验名称(不可缺少实验序号); (2)实验目的:说明本实验的目的; (3)原理摘要:在理解的基础上,用简短的文字扼 要阐述实验原理,切忌整篇照抄。力求做到图文 并茂,图指原理图、电路图、光路图等。写出实 验所用的主要公式,说明式中各量的意义、单位 以及适用条件等; (4)实验器材:说明仪器设备型号量程级别等; (5)实验内容与要求,遇到的问题及关键; (6)设计好数据记录表格:(另起一页)。
7、 11 六.物理实验课注意事项 根据自己的情况自由预约,原则上每周约一个即可 。约了必做,记住密码。本学期至少做8个,下学期至 少做8个。基础理论(2-1)或论文(2-2)占10。 1.认真预习(实验成绩分数由三部分组成:预习、 实验、实验报告); 2.按时到实验室上课; 3.做实验时态度要严肃认真,积极思考; 4.操作仪器、联结线路必须按有关规程进行,人为 原因损坏仪器要赔偿; 5.实验完毕应经教师检查数据、签字后,方可离开 实验室。原始数据附在实验报告后,不能丢失 。 6.注意个人修养,衣帽整齐。 12 七.几点说明 l注册账号密码的使用期为一学期,每学期都必须重新注册 设定密码,注意保密
8、并记牢,防止丢失或被他人窃取。由 于密码原因导致的个人数据破坏,责任自负。 l“大学物理实验(2-1)”中“基础理论”为固定项目(即基 础理论课作业),由系统自动加入每人的预约项目中,无 法删除,必做。 l对于抄袭数据、实验报告、作业的同学,实验成绩记为“ 抄袭”字样,一经输入系统将自动锁定,其他教师无法更 改,并将自动识别采取相应惩罚措施,严重影响期末成绩 。 13 一.测量(Measurement) 在科学研究和实验过程中,一切物理量都是通过测量获得 的,测量是物理实验中最基本和最重要的手段。 1.定义:利用仪器确定待测量大小的过程。 2.分类: (1)按照测量结果获得方式不同,测量可分为
9、直接测量和 间接测量。 直接测量:用测量仪器或仪表直接读出测量值的测量。如:用 米尺测量长度、用秒表测时间。 间接测量:通过测量某些直接测量值,再根据某一函数关系而 获得被测量数据的测量。如:用单摆实验测量重力加速度,公 式为 误差理论与不确定度基础知识 直接测量量是L和 T,间接测量量是 14 (2)按测量次数分为:单次测量和多次测量。 单次测量:对待测量测量了一次。 多次测量:在相同的测量条件下对待测量测量次数较多,一般多 于5次。 为使测量结果准确,减小随机误差,一般要进行多次测量。 单次测量的情况: (1)精度要求不高时(如体检称体重、测身高);仪器精密度 较低,多次测量数据相同; (
10、2)无法进行多次测量时(对地震过程的测量); 一个测量值(数据)不同于一个数值,必须由数值和单位两部分 组成,两者缺一不可,一个数值有了单位才具有物理意义,才可 以被称为物理量。单位通常采用国际单位制。 测量的四要素:测量对象、测量单位、测量方法和测量准确度。 15 二.误差(Error) 测量结果的可靠性到底有多大,影响测量结果和客观真值 之间产生差异的因素有那些?这就是“误差与不确定度理论”所 要研究的问题。误差与不确定度理论是解决测量过程中的误差 分析和测量结果可靠性评定等问题的一门学问。 物理量在客观上具有确定的数值,称为真值。在测量过程中, 由于实验方法和实验设备的不完善,周围环境的
11、影响,以及受 人们认识能力所限等,测量所得数据和被测量的客观真值之间 ,不可避免地存在差异,这在数值上表现为误差。 .误差的定义 误差测量值真值 16 几点说明: (1)误差是普遍存在的(或者说任何测量都存在误差) ,误差存在于一切测量之中误差公理。 (2)误差可正可负。它的正负取决于测量值偏离真值的 方向。 (3)误差的具体大小是不可知的。真值:在某一时刻、 位置或状态下,某量的客观值或实际值,它是一个理想 的概念,测量值永远不是真值,真值一般是不可知的, 特殊情况下是已知的(理论真值、约定真值、相对真值 等)。根据误差的定义,误差是无法求得的。通常用 x 作为作为真值的最佳估算值称为近真值
12、。 17 .误差的分类 根据误差的性质,分为系统误差、随机误差、粗大误差 (1)系统误差:在多次测量同一物理量时,符号和绝对值保持不 变的误差,或按某一确定规律变化的误差。其特征是它确定的规 律性。 零点差 将摆球简化为 质点,存在系 统误差 18 按照测量者掌握的程度系统误差可分为 已定系统误差:大小和符号都知道的系统误差。如千分尺和电表的 零点差,可引入修正量修正。 未定系统误差:大小、符号或大小与符号都不知道的系统误差。一 般只能给出它的限值或范围,具体大小是得不到的,如表级误差( 电压表、电流表等)。难以作出修正,只能估算,尽量减小。 无论哪种系统误差,根 据其特点可知不可能通 过多次
13、测量来减小或消 除误差。 注意消除零点差 零线在准线上方或下方 19 (2)随机误差:在相同 的测量条件下,多次测量 同一个量值时,绝对值和 符号以不可预知的方式变 化的误差,即误差时大时 小、时正时负,“无法预 测”。随机误差的特点就 是:随机性。无规律可循 吗? 对大量的事件的统计结果 随机误差正态分布曲线 上图说明随机误差具有如下特点: (1)单峰性:(绝对值小,概率大) (2)对称性:(正负误差概率相同) (3)有界性:(误差绝对值在一定范围内) (4)抵偿性:(测量值误差的算术平均值 随测量次数的增加而趋于零) 误差 概率密度 20 (3)粗大误差(粗差) 在测量过程中,由于测量仪器
14、工作失常,或观测者疲劳 、大意等因素造成的误差,如读取数据、记录数据发生的错误 等。这种误差性质上与以上两种误差不太一样,属于测量坏值 ,一旦发现,应及时剔除。 研究误差的意义主要在于 (1)正确认识误差的性质,分析其产生原因,以减小误差; (2)正确处理测量和实验数据,合理计算所得结果,以便得 到更接近真值的数据; (3)正确组织实验过程,合理设计或选用仪器,采用适当的 测量方法,在最经济的条件下得到理想的结果。 21 根据误差的来源(产生的原因)可分为: 仪器误差、方法误差、环境误差、人为误差等。 3.误差的表示形式 绝对误差、相对误差和引用误差。 (1)绝对误差( Absolute er
15、ror ) 被测量的测量值与其真值之差;或者为用绝对大小给出 的误差为该量的绝对误差。简称误差。 绝对误差=测量值-真值 22 说明:一般所说的误差就是绝对误差; 绝对误差具有确定的大小、计量单位和“+”、“- ”号。反映测量值偏离真值的大小与方向,通常用于 同一量级同种量的测量结果的误差比较。 绝对误差数值大小与所取单位有关。 (2)相对误差 (Relative error) 绝对误差与被测量真值的比值(Er)。 相对误差=绝对误差/真值 23 说明:相对误差是一个比值,其数值与被测量所 取单位无关,因而是无名数(即无量纲数),通 常用百分数“%”表示。 对于相同的被测量,绝对误差可以评定其
16、测量 精度的高低,对于不同被测量以及不同的物理量,采 用相对误差来评定较为确切。 (3)引用误差(Fiducial error) 绝对误差与测量范围上限(或量程)的比值。 引用误差=绝对误差/测量范围上限 24 说明: 引用误差适用于具有连续刻度和多挡量程的测量 仪器的误差。去掉%和后为测量仪器的准确度等级 。一般电工仪表常按引用误差的大小来确定准确度 等级。 对于符合某一等级S的仪表: 利用这一点可以检验仪器是否合格。 三.精度(Trueness) 精度又称为精确度,用来描述测量结果与真值的接近程度。它 是一个定性概念,只能讲高低不能用数值大小表示 。 25 精度主要分为 1.精密度(pre
17、cision) 用来描述测量结果中随机误差的影响(大小)程度 ,即在一定条件下,进行多次重复测量时,各测量 值之间的接近程度。 2.准(正)确度(Validity) 用来描述测量结果中系统误差的大小程度。表示测 量结果与被测量真值之间的接近程度。 3.精确度(Accuracy) 测量结果中,系统误差与随机误差的综合,即精密 准确程度。它表示对同一被测量进行重复测量时, 所有测量值与真值的接近程度和各测量值之间的接 近程度。 26 例如:用射击打靶来描述三者之间的关系。 (a)精密度低,准确度低,即精确度低; (b)准确度低,精密度高; (c)精密度和准确度高,即精确度高。 一般希望得到精确度高
18、的实验结果。 27 测量要回答两个问题(测量的目的) 测量结果的最佳值和可信程度 即测量结果包括:量值大小测量的可靠性。 通常用算术平均值作为真值的最佳估计值(近真值) 直接测量值为x1,x2,xn,其中n为测量次数,可以 证明,当n趋于很大时,算术平均值趋于真值。 现在的问题是怎样回答“测量值的可信程度”问题。 引入“不确定度”概念。 28 四.不确定度(uncertainty) 不确定度是用来评定测量质量的一个及其重要的指标,国 内外,在计量、检测、工业、商业、外贸等领域已逐渐采用不 确定度取代标准误差来表示测量结果的质量。定义:由于测量 误差的存在而对测量值不能肯定或可疑的程度,是测量结
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