20192010级物理实验课件.ppt
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1、大学物理实验,沈阳建筑大学理学院 物理实验室 苏锡国 2011年8月,物理实验课程简介,课程性质:必修,独立设置 学时:56;学分:3.5 开课时间:第三、四学期 第三学期:32学时(2学分) 实验基础理论:6学时 实验题目:26学时 第四学期:24学时(1.5学分) 实验题目:24学时 开课方式:全面开放式教学;选课,2011年秋季学期课程具体安排,选课方法,选课时间:按学校通知 选课地点:校园网 教务在线 实验选课系统 选课要求: 第三学期:实验基础理论6学时,必修 实验题目必须选够26学时 第四学期:实验题目必须选够24学时 注意事项: 保管好密码; 补选和改选须办手续; 做完的实验不可
2、退选。,物理实验课程要求,预习报告:课前必须完成,课上教师检查 课上操作:一般是独立完成实验任务 实验报告:3天内送到B4-303任课教师报告箱内 课程纪律: 迟到15分钟不允许做实验; 未经允许早退需要重做实验; 替做实验者按照考试违纪处理; 不允许抄袭数据、抄袭报告; 不允许用铅笔书写数据; 不允许随意涂改或拼凑数据; 实验数据必须有任课教师签字或者盖章,预习报告的要求,实验题目 实验目的 实验仪器 实验原理 实验步骤 实验记录(测量数据表格、实验方案) 设计性实验还要求学生课前自拟实验方案,自己设计线路或光路,自拟数据表格等。,实验操作的要求,主要是对仪器进行调整和对待测量物理量进行测量
3、。 必须遵守实验室的各项规章制度。 实事求是地观察和测量。 认真探索和研究实验工作中的问题,从一开始就不断培养自己的良好的科学作风,努力培养自己的科研能力和创新意识。 如果是和他人一组,应该分工协作,共同完成规定的实验工作任务。 实验结束后,应该将实验数据交教师审阅、签字,整理还原仪器后,方可离开实验室。,实验课的中心环节,实验报告的要求,实验名称实验目的实验仪器(编号、规格、型号、状态) 实验原理:有关的理论依据和仪器原理,主要公式及其成立时所应满足的实验条件等,画出相应的电路图或光路图。 实验步骤:必须写明重要而且顺序不能颠倒的关键步骤和应该注意的事项。 实验数据及其处理:数据必须用表格形
4、式表示,包括单位、有效数字和重要的实验条件;数据处理应该包括计算过程、曲线图、测量结果。 实验结论:测量结果的表达及必要的文字表述。 误差分析:主要是分析系统误差。切忌泛泛罗列各种误差来源和几乎所有实验都存在的或都可以用的误差来源及分析。 实验总结:应该注重物理思想、实验方法的学习和掌握;也可以是实验现象的分析;对实验关键问题的研究体会;对改进实验的建议或实验后的收获。,成绩评定,平时成绩,课前预习,课堂表现,实验报告书写,实行扣分制,实验项目成绩,物理实验课程的地位、作用和任务,物理实验在实验思想、实验方法以及实验手段等方面是各学科科学实验的基础。 工程技术人员所需要掌握的测量方法和技巧以及
5、有关实验方案的设计、实验方法的确定、仪器的选择、数据处理等等多是物理实验中测量方法和技巧的移置和推广。 现代科技发展要求每一个未来的工程师或科学家必须注重培养自己的观察现象,提出问题,以及找出原因的独创性。 每一个科技人员除了具有深厚的专业基础知识外,还必须具有基本实验能力;综合实验的设计能力;心灵手巧的创新精神;细心与耐心、实事求是的工作作风;协作理念和团结精神;更高层次人员还应具有把握全局及协调能力。,测量,定义:是将被测量物理量与同类计量标准单位相比较的,得到被测量物理量的测量值的过程。 分类:直接测量和间接测量;单次测量和多次测量。 一个物理量的真值是一个客观存在的理想的概念。由于测量
6、仪器、测量方法、测量环境、测量者的观察力等因素的影响,导致不可能得到真值。一般以被测量物理量的最佳估计值(即约定真值)作为真值,有时也采用公认物理量的值、理论计算值、实验室给出的值等作为约定真值。 测量结果是由测量所得到的赋予被测量的值。由于在实际测量中,一般只能得到被测量物理量的最佳估计值。 因此,通常采用多次重复测量的算术平均值作为测量结果。,测量误差,由于测量仪器、测量方法、测量环境、测量者的观察力等因素的影响,一切科学实验和测量过程中都存在着误差。 如果用 表示测量值,用 表示真值 测量误差(又称绝对误差):测量结果与真值的差值 。 它是一个确定的值,与真值一样,也不可能得到,其大小反
7、映测量结果的准确程度。 相对误差:绝对误差与真值的比,一般用百分数表示。 绝对误差: (2-2-1) 相对误差: (2-2-2),误差的分类,包括:系统误差、随机误差、过失误差 系统误差:由于仪器不完善、或测量方法不恰当、或环境等因素引起的具有确定的规律性的误差;或多次测量中保持恒定、或随测量条件的变化而有规律的变化的误差。 随机误差:对同一被测量的多次测量过程中,绝对值与其符号以不可预知的方式变化着的测量误差的分量。 过失误差:由于测量者在测量过程中粗心大意所发生的错误或失误而造成的一种误差。,测量结果的有效数字,定义:准确并有效地表示测量结果的数字 构成:几位可靠数字和1-2位存疑数字 被
8、测量量的大小决定可靠数字的个数。 仪器精度决定存疑数字的位置(仪器最小刻度的下一位) 使用不同精度的测量仪器得到的测量数据,其有效数字的有效位数则不同。 对同一个物理量采用不同精度的仪器测量时,得到的测量数据的有效数字的位数不同。 测量结果的有效位数越多,说明测量结果越精确。 有效数字及其有效位数表达了实验条件和测量精度。 在读取和计算数据时,对有效数字的位数不能随意取舍。,有效数字的正确读取和表示,读数时,应估读到仪器的最小刻度值的下一位,即估读1位存疑数字。 存疑数字一般按仪器最小刻度值的10等分估读,也可按5等分或者2等分估读。 若仪器指示与某刻度线对齐,应注意在读数的末位补“0” 。
9、如果仪器的最小刻度值不是1个单位时,在读出整数部分后,将小数部分所占格数读出,用格数乘仪器的分度值,再将其和算出来,作为测量数据。 对数字式仪器仪表或者游标卡尺,可把直接读到的数据记录下来,仍然认为其末位为存疑数字。 最高位非“0”数字前的“0”不占有效位,只起定位作用,而其它位置的“0”和所有的非“0”数字都占有效位数。特别是末位的“0”,不可以随意增加或舍掉。 在对测量量的单位换算时,测量结果的有效位数不能变化。 如果某物理量的测量数据很大或者很小,或者数字的大小与其有效位数发生矛盾时,有效数字应用科学记数法来表示。,有效数字的运算原则,可靠数字与可靠数字运算,其结果仍为可靠数字; 存疑数
10、字参与运算时,运算结果为存疑数字,但是其进位为可靠数字; 如果已知参与运算的各个有效数字的不确定度,则先算出计算结果的不确定度,规定取2位存疑数字,然后再按照计算结果的不确定度来确定计算结果的有效位数。 为了与不确定度的有效数字取舍一致,本课程约定:运算的最终结果要求保留2位存疑数字,即多取1位存疑数字。,有效数字的修约规则,按照国家计量技术规范规定执行 “4舍6入”。 应该修约的数字为5时,把5前面的末位数字凑成偶数。 不可连续进行修约。,有效数字的一般运算规则,加减运算规则 定末位:以参与运算的各个有效数字中的具有最高末位的有效数字为准,运算结果的存疑位比该末位多取1位,即取2位存疑数字,
11、其余按有效数字的修约规则处理。 乘除运算规则 定位数:以参与运算的各个有效数字中有效位数最少的有效数字为准,运算结果的有效位数比该数的有效位数多取1位,即取2位存疑数字,其余按有效数字的修约规则处理。,有效数字的一般运算规则,乘方、开方运算规则 是乘除运算的特殊形式,所以也是“定位数”。 混合运算规则 不能因为重复运算而在计算结果中多取有效位数。 如果有常数系数参与运算,则它不影响运算结果的有效位数。如果常数系数是无理数,则无理数的取位至少应该比参与运算的所有有效数字中位数最少的有效数字多取一位。 运算的中间过程可以多保留有效位数,但是,不可以轻易取舍。否则会引入计算误差,最后的计算结果中保留
12、2位存疑数字。,测量不确定度,测量不确定度:是与测量结果相联系的参数,表征了测量结果的置信程度。 不确定度可以用标准差或其倍数表示,或是用置信水准的区间的半宽表示。 标准不确定度(u):以标准差表示的不确定度称为标准不确定度,表示测量结果的分散性。 展伸不确定度(U,又称扩展不确定度):以标准差的k倍表示的不确定度。k称为包含因子。表明了具有较大的置信概率区间的半宽度。,测量误差与测量不确定度的主要区别,测量不确定度的来源,对被测量的定义不完整或不完善; 实现被测量定义的方法不理想; 取样的代表性不够,被测量的样本不能代表所定义的被测量; 对测量过程受环境影响的认识不周全,或对环境条件的测量与
13、控制不完善; 对模拟式仪器的读数存在人为偏差(偏移); 测量仪器计量性能(如灵敏度、鉴别力阈、分辨力、死区及稳定性等)上的局限性; 赋予计量标准的值和标准物质的值不准确; 引用的数据或其他参量的不确定度; 与参量方法和参量程序有关的近似性和假定性; 在表面看来完全相同的条件下,被测量重复观测值的变化。,测量不确定度的分类,依据:其评定方法 A类标准不确定度:由以观测列频率分布导出的概率密度函数得到。通常以被测量列的算术平均值的实验标准差作为测量结果的A类标准不确定度。即 (2-4-1) B类标准不确定度:可由一个认定的或假定的概率密度函数(基于事件发生的信任度常称主观概率或先验概率)得到。在本
14、课程中,一般指仪器方面产生的标准不确定度。,A类标准不确定度 的评定,算术平均值:假设对某一物理量在测量条件相同的情况下,进行n次独立测量,如果系统误差已经修正或者可忽略,测得各测量值为: , , 。则它们的算术平均值是: 其中 (2-2-3) 此时,测量值的算术平均值最接近被测量的真值,测量次数n时, 真值。因此可用算术平均值作为测量结果。 单次测量的实验标准差 :用“方和根”法对残差(每一次测量值与平均值之差, )进行统计得到的结果。 (2-2-4),表示这一列测量值的分散性,A类标准不确定度 的评定,平均值的实验标准差:,(2-2-5),(2-4-1),表示测量列算术平均值的分散性,注意
15、:此处只是取用 的数值作为A类标准不确定度 的大小,B类标准不确定度 的评定,评定较复杂,在本课程中简化,只考虑由仪器方面引入的不确定度分量。即在大多数情况下,将仪器方面的不确定度直接取用为测量结果的B类不确定度分量 。 获得仪器的不确定度的方法: 仪器设备的说明书所给出的不确定度报告 仪器设备的说明书所给出的基本误差限 则 , (2-4-7) 如果仪器设备的说明书中查不到不确定度或者误差限时: 一般的刻度仪表:可取其最小刻度的1/2作为仪器的误差限,然后由上式得到仪器的不确定度; 游标类或者数显类仪器:取其游标精度或者最小步进值作为仪器的误差限,然后由上式得到仪器的不确定度。,合成标准不确定
16、度 的评定,直接测量量的合成不确定度 的评定 如果对直接测量量 进行 次重复测量, 则: , , 的合成标准不确定度为: (2-4-8) 此时,其置信概率P=68.3%,合成标准不确定度 的评定,间接测量量的合成不确定度 的评定 先建立数学模型 (2-4-10) 其中传递系数: (2-4-12),扩展(展伸)不确定度 的评定,由合成标准不确定度 乘以包含因子 得到: (2-4-13) 一般地,本书约定,取置信概率 而包含因子 。,测量结果的表达,一般表达式: , , (2-4-16) 算术平均值 :被测量量 的最佳估计值 : 的扩展不确定度 上式表示:被测量量 的最佳估计值 以 的置信概率置于
17、( )区间内。,测量结果及其不确定度的有效位数,标准不确定度 的有效数字的位数至少取3位。 本课程约定,凡通过测量并且进行计算得到的扩展不确定度 ,一律取2位有效数字。 当采用同一测量单位时,测量结果的最佳估计值 的末位与 的末位对齐。其它舍去部分按照有效数字的修约规则执行。,直接测量的不确定度评定的一般程序,A类标准不确定度:由测量数据计算,B类标准不确定度:由实验仪器误差限计算,,,合成标准不确定度:,展伸不确定度:,,,测量结果表达式:,,,,,注意:,与,的末位一定要对齐,至少取三位有效数字,至少取三位有效数字,只能取二位有效数字,间接测量的不确定度评定的一般程序,建立数学模型:,可以
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