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文檔簡介

. 1,大學物理實驗,2,講義內(nèi)容,1 .物理實驗的授課設(shè)定和評價方法2 .有關(guān)測定和誤差的基礎(chǔ)知識3 .有效數(shù)字的概念和算法4 .測定結(jié)果的評定5 .常用的數(shù)據(jù)處理方法3,緒論,1 .為什么開設(shè)大學物理實驗課物理學是許多應(yīng)用學科的基礎(chǔ)物理學本身發(fā)現(xiàn)實驗科學、電磁相互作用應(yīng)用于物理實驗的實驗知識、方法和技能是其他科學實驗的基礎(chǔ)。 4、2 .物理實驗課的目的和任務(wù)是,通過物理量的測定,應(yīng)用物理知識,驗證理論,學習加深對物理原理和法則認識的實驗基本知識、基本方法和基本技能(三基),培養(yǎng)符合科學實驗?zāi)芰?實驗方法、測定技能、分析處理數(shù)據(jù))事實的科學態(tài)度,培養(yǎng)創(chuàng)新意識。 達到目的:運用儀器,提高動手能力,善于總結(jié)實驗,尋求實用創(chuàng)新。 任務(wù):定性觀察物理現(xiàn)象定量測量物理量的大小。 5、3 .物理實驗課的安排分兩學期以第一學期為基礎(chǔ)實驗,共8次,完成一次理論課(不確定度和數(shù)據(jù)處理)和7個實驗,注重基礎(chǔ)實驗技能和習慣的培養(yǎng)第二學期為自由主題,分為基礎(chǔ)物理實驗、綜合物理實驗和設(shè)計實驗三個部門,共計數(shù)十個主題. 6、4.3個教學環(huán)節(jié)和基本要求,3個教學環(huán)節(jié):1 .課前預(yù)習實驗?zāi)芊瘾@得自主的關(guān)鍵。 2 .課堂實驗。 3 .放學后的報告-實驗總結(jié)。 7、上課前預(yù)習,上課前預(yù)習仔細閱讀實驗教材,了解實驗?zāi)康摹⒃?、方法、?nèi)容、儀器等,主要預(yù)習原理、儀器調(diào)試和注意事項。 想讓你在上課前寫預(yù)習報告書。 預(yù)習報告實驗名實驗?zāi)康模和ㄟ^實驗達成的要求。 實驗原理和內(nèi)容:寫實驗的理論依據(jù),應(yīng)測算公式的簡單推導過程。 8、忌會三條: a .講義b .代數(shù)式c .未圖示實驗設(shè)備:只寫一個主要設(shè)備的名稱、型號、規(guī)格等。 操作步驟:只寫主要、重要的東西。 并且,在原始數(shù)據(jù)記錄紙上制作表。 注意:因為沒有寫預(yù)習報告書,所以沒有畫取消這次的實驗資格的表,扣除預(yù)習部分。 9、帶課程實驗、教材,寫預(yù)習實驗報告書,有坐標紙、計算器等。 教師先簡單地說明一下。 學生調(diào)試儀器、測試記錄數(shù)據(jù)(用筆、圓珠筆填寫,不得隨意刷新)。 注意遵守實驗室規(guī)則,了解實驗設(shè)備的使用和注意事項。 注意:原始數(shù)據(jù)(用鋼筆或中性鋼筆填寫)應(yīng)在教師檢查后簽字離開,離開前應(yīng)整理實驗儀器,清潔衛(wèi)生。 10、課后完成實驗報告書,課后報告書:實驗數(shù)據(jù)記錄老師簽字的原始數(shù)據(jù)附在實驗報告書上,課后重新涂抹數(shù)據(jù),處理數(shù)據(jù),計算平均值、不確定度,不能寫最后的測定結(jié)果繪圖。 注意:數(shù)據(jù)計算要求書寫中間過程,繪圖用坐標紙分析結(jié)果必須完成實驗結(jié)論和實驗結(jié)果的討論、分析、建議或思考問題。11,5 .成績評定方法,每次實驗報告成績平均,學期成績上課時要向老師交預(yù)習報告,不取消實驗資格,成績要記零分實驗必須按時完成。 遲到1分鐘1分鐘,15分鐘以上被取消考試資格,成績記錄為0分鐘,制作、模仿原始數(shù)據(jù),或者在報告中改寫原始數(shù)據(jù),成績預(yù)約記錄0分的實驗缺席,成績記錄0分的成績?yōu)?分或者不及格,實驗室有空缺,請老師同意遲交報告員的只有80%的得分。 學生不按要求操作實驗儀器損壞者,除按學校規(guī)定賠償外,根據(jù)情況扣除操作點。 12、實驗報告書的提交和接受,實驗報告書在實驗完成后的下周一前提交,將實驗分批投入a座3樓大廳專用的實驗報告箱。幾周后,在四樓的實驗盤上可以分班取回的報告書至少保存一個學期,準備在成績不對時核對查詢。 今天上課后,我們完成了3頁的問題,到3周一為止交給3樓大樓的不確定度報告箱,之后的實驗以實驗為主題提出。 實驗報告書購入中心辦公室323,電話85990273,13,測量不確定度和數(shù)據(jù)處理,1 .測量誤差1 .測量方法中物理量的大小被稱為測量,將測量對象和作為測量單位的同類已知量進行比較,找出測量對象的大小,進行比較的過程被稱為測量。 實驗數(shù)據(jù):比較結(jié)果記錄原始數(shù)據(jù)(未計算,老師必須簽字),準確記錄數(shù)據(jù):測定的名稱、大小、單位、精度,例如用游標卡尺測定鋼球的直徑14,根據(jù)測定的分類測定方法,直接測定和間接測定,例如鋼球直徑d (直接測定) 通過測量鋼球體積V=D3/6(間接測量),根據(jù)測量條件,再現(xiàn)性測量(等精度測量)和再現(xiàn)性測量(非等精度測量)根據(jù)測量次數(shù)分為一次測量和多次測量注意:絕對誤差不是誤差的絕對值,而是例如g單擺式氣墊軌道, ms-29.7829.7959.811,誤差存在于所有實驗過程中,由于主觀因素的影響,客觀條件的干擾和實驗技術(shù)不同。 16、研究誤差的目的,評價自己的實驗結(jié)果,即可靠度、可靠度越高,在測量中越能正確分析誤差的原因,找出減少誤差的方向,采取盡可能減少誤差的措施。 為了合理設(shè)計實驗、選擇設(shè)備、采用若干測量方法(例如,比較法、復(fù)合法)、修改公式、調(diào)節(jié)設(shè)備等以減小測量誤差。 估計測量中無法消除的誤差。 17、誤差的分類和來源,根據(jù)誤差的性質(zhì)和產(chǎn)生原因,可以將誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差。 系統(tǒng)誤差定義:在一定條件下多次測量相同量時,測量結(jié)果總是向一個方向偏移,其數(shù)值以一定或一定規(guī)律變化。 特點:有規(guī)律,大小正負一定,18,來源,儀器誤差:儀器本身有缺陷或未按規(guī)定使用儀器。 儀表的零件不正確,表停得快,電表放置不對。 理論誤差:理論公式本身的近似性和實驗條件不能達到規(guī)定的要求。 例如,單擺:近似要求,格子dsin=k不滿足平行光的垂直入射,19,觀測誤差:由于觀測者自身的生理和心理特征,停止或讀取時鐘。 方法誤差:電流表的外部連接、電流表的內(nèi)部連接,兩個特點:有規(guī)律,可以減少或消除。 此外,系統(tǒng)誤差還分開:確定系統(tǒng)誤差,并記錄微尺度的零差未確定系統(tǒng)誤差,例如,預(yù)定水平的功率計,20,減小的方法校正設(shè)備,例如,零校正或零讀取校正。 改進實驗方法:減少理論誤差如對稱測量:在公式中引入了一些修正項,例如,單擺測量g減少了調(diào)試設(shè)備調(diào)試設(shè)備重要系統(tǒng)誤差,其中調(diào)試設(shè)備必須考慮擺球體積的大小、空氣浮力和阻力。21、隨機誤差、隨機誤差也稱為偶然誤差,在一定的條件下,在多次測定相同量時,誤差的大小、正負以無法預(yù)測的方式變化(時間較大時,時間為負,沒有確定性)。 特征:誤差不規(guī)則無法消除,22、來源,操作者感覺分辨率不確定的儀器性能變動測量環(huán)境的干擾其他偶然因素,如電壓不穩(wěn)定,操作讀取值時有視差的影響,但測量次數(shù)多時,大部分隨機誤差遵循一定的統(tǒng)計規(guī)律(正態(tài)分布)。 雖然通過增加測量次數(shù)的方法可以減少隨機誤差,但是由于測量次數(shù)并非無限多,因此不能完全消除。 23、隨機誤差:隨機性可通過多次測量減少系統(tǒng)誤差:確定性可以用特定方法去除,誤差性質(zhì)不同,來源不同,處理方法不同。 系統(tǒng)誤差和隨機誤差有時不能區(qū)別,有時難以區(qū)別。但實驗結(jié)果的總誤差是隨機誤差和系統(tǒng)誤差。 24、誤差的一些相關(guān)概念、精度:測定數(shù)據(jù)分布集中度,反映隨機誤差大小的精度:測定平均值與真值的擬合優(yōu)度,反映系統(tǒng)誤差大小的精度:精度與精度的綜合反映,精度高是測定數(shù)據(jù)集中分布在真值附近,精度高,精度高,一般、 精度高,精度高,精度高,精度高,25,2 .有效數(shù)字及其算法1 .有效數(shù)字的概念有效數(shù)字是實驗測量中記錄的有意義的數(shù)字,它在一定程度上表明了測量誤差的存在,如圖所示用米測量物體的長度。 正確讀的是可靠的數(shù)字,最后一個人是鑒定讀的,不正確,稱為不足數(shù)(或者可疑數(shù)),雖然不足,但有意義,使測量值更接近真實值。 有效數(shù)字=一些可信數(shù)字末尾的1-2位可疑數(shù)字,26,物體長度為2223之間,可信數(shù)字為22,可疑數(shù)字為鑒定,0.6或0.7,0.8,物體長度測量的有效數(shù)字為22.8,22.8或22.8。 物體長度為24,可靠數(shù)字為24,可疑數(shù)字為0.0,測量物體長度的有效數(shù)字為24.0,末尾的0不能省略。 27,6.53769厘米,可疑數(shù)字后面的數(shù)字是無意義的,報告中沒有出現(xiàn)的估計數(shù)為零,不能截斷。 例如,不能寫成6.50厘米,6.5厘米。 可疑數(shù)字的位置由使用該機器測量時的絕對誤差決定。 可靠的數(shù)字通過測量儀的刻度得到,可疑的數(shù)字在測量儀的刻度之間估計讀取值。 例如前頁的圖。28、2 .有效位數(shù)、有效數(shù)字:有意義的數(shù)字個數(shù)。 如6.53cm,3位有效數(shù)字“0”在有效數(shù)字的中間或末尾的“0”是有效位數(shù)為例如2.008cm4位的3.6120Kg5位的8.0200103g5位的注意事項:數(shù)字末尾不能加“0”或減“0”。 數(shù)學6.42=6.420=6.4200物理實驗6.426.4206.4200,29, 有效數(shù)字前面的“0”不是有效位數(shù)0.0089m2位0.0375cm3位單位換算有效位數(shù)不變化5.03cm=0.0503m=50.3mm時3位的注意事項:大換算尺寸容易成為問題的5.03cm50300m數(shù)據(jù)過大或過小的常用科學計數(shù)法10n單位12.3m=1.23104mm的電阻值保持30000位的有效數(shù)字時,3.00104數(shù)字顯示器上顯示的數(shù)字全部屬于有效數(shù)字。,30, 有效位數(shù)與測量工具的精度和被測量物的大小有關(guān),同一被測量物:高精度設(shè)備、有效位數(shù)多的低精度設(shè)備、測量有效位數(shù)少的例如、 用于測定同一長度約2厘米物體的以mm為單位的米測定數(shù)據(jù)為2.01厘米3位用的20厘米游標卡尺測定數(shù)據(jù)為2.0204厘米4的同一精度設(shè)備:被測定物大、有效位數(shù)多的被測定物小、有效位數(shù)少、31、32, 3 .直接測量示例:米測量長度為物體長度在35mm和36mm之間,讀取值為35.*mm,讀取值為35mm時,讀取值為35.0mm。 例如:用0.1級范圍為100mA的電流計測量電流,針對82mA和83mA之間時,82.*mA和讀取指針正好為82mA時,讀取為82.0mA。 對于、33、1.0級范圍為100mA的電流計,當指針位于82mA和83mA之間、讀取指針正好為82mA或83mA時,讀取為82mA。 34、注意要點,即使假定測量數(shù)據(jù)的最后一位未達到基準值,與機械誤差的位一致,也必須記住“0”。 機器的誤差發(fā)生在哪個位數(shù),達到基準值的位數(shù)記錄在哪個位數(shù),不能多記錄,也不能少記錄。 如果測量米尺物體的長度為3.00cm的不同設(shè)備,則誤差比特不同,對于相同的物理量,有效位數(shù)越多, 測定結(jié)果表示能夠正確連續(xù)讀?。涸O(shè)定誤差位一般能夠以設(shè)定的位不連續(xù)讀取的設(shè)備:不設(shè)定誤差位一般為最小刻度的數(shù)字設(shè)備:全部讀取,35,4 .有效數(shù)字的算法近似計算加減法運算間接測定的計算結(jié)果也只剩下12個基準數(shù)物理實驗通常僅取得第一位示例12.53 0.3421=12.8721=12.87的結(jié)論:和或差結(jié)果的缺陷基準位置(即,最低級)與運算中所涉及的各個量中缺陷基準位置的最高者相同。例32.1 26.65-3.926=54.8推論:和差計算時,選擇具有同等精度的設(shè)備是最合理的,36,乘除法,例4.11811.2=46.1212=46.1結(jié)論:積和商結(jié)果的有效位數(shù)為: 通常,與運算中涉及的最少量相同的示例5.34820.537643=0.00291推論:如果每個量涉及乘法運算,則必須選擇設(shè)備以使得測量的有效位的數(shù)目相同。 例如,載玻片的體積V=abc厚度2mm、寬度20mm、長度: 200mm、37,應(yīng)當理解,打開方式一般與其底部的有效位的數(shù)目相同,為9.863=959=3.676自然數(shù)(1,2,3 ),無理數(shù)等應(yīng)該被看作是在無限多位計算時取得的值比最小位的數(shù)目多1位,因此能夠得到更好的結(jié)果,38,其他函數(shù)(例如三角函數(shù))的運算結(jié)果,利用誤差決定有效位數(shù)。 另外,在運算的過程中,比上述規(guī)則多取一位數(shù),計算出不確定度后,可根據(jù)不確定度的所在確定最后結(jié)果的可疑比特。39、有效數(shù)字修訂,四舍六入五湊偶補充:數(shù)字修訂的國家標準規(guī)定:修訂的數(shù)量超過5點時進入,小于5點時進入,正好等于5點時預(yù)訂的最后一位進入奇數(shù)點,偶數(shù)點。 40、四則混合運算按照運算規(guī)則分階段進行,每進行一階段的運算時,規(guī)定的取舍注意:計算機不能再使用的例子:524.50.05=101.441.00 20.02=, 41524.50.05=1104101.441.0020.02=101.26103=0. 1011031.26103=1. 3603、42、3 .測定結(jié)果的不確定度、不確定度的概念及其估計方法測定結(jié)果的表現(xiàn)的各種測定結(jié)果的評定、43、1 .不確定度的概念的真值為未知且誤差不確定度:可測定的誤差范圍表示測定結(jié)果(接近真值的值)的可疑程度。 由于存在測量誤差,無法肯定測量值的程度。 指測定值(近真值)附近的狹小范圍,測定的真值在某個范圍內(nèi)的評定。 測量質(zhì)量特征,不確定度小,測量結(jié)果可靠度高不確定度大,測量結(jié)果可靠度低。44、不確定度比以前評定方法科學,更全面的標準偏差:僅包括統(tǒng)計誤差不確定度:不僅包括統(tǒng)計誤差,還包括非統(tǒng)計誤差分類: a類不確定度:統(tǒng)計方法估計b類不確定度:非統(tǒng)計方法估計天平的質(zhì)量:天平的變動性是a類不確定度(隨機誤差)、錘的準確性、比例尺、45、國際標準化機構(gòu)(ISO)1993 測量不確定度表示指南中國技術(shù)規(guī)范JJF1059-1999 測量不確定度評定與表示、46、2.a、b類不確定度和合成不確定度、a類不確定度以隨機誤差等可以統(tǒng)計方法推測的某物理量重復(fù)測定了n次,算術(shù)平均值為最佳的推測值, 如果存在、有限次、隨機性且測量次數(shù)n無限多,則結(jié)果遵循恒定的統(tǒng)計規(guī)則的正態(tài)分布。 圖47、x是表示某物理量的實測值的p(x )是測定

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