大学物理实验.ppt

2019-10-8
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希望
物理实验课程不同于一般的探索性科学 实验研究，每个实验题目都经过精心设计、 安排，可使同学获得基本的实验知识，在实 验方法和实验技能等诸方面得到较为系统、 严格的训练，是大学从事科学实验的起步， 同时在培养科学工作者的良好素质及科学世 界观方面，物理实验课程也起着潜移默化的 作用。
大学物理实验
王国余
2019-10-8
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1 物理实验课的意义与任务 2 测量误差与数据处理 3 物理实验课的程序与考核
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1 物理实验课的意义与任务
物理实验的意义 物理实验课的任务
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1.1 物理实验的意义
大学物理实验课是高等理工科院校的一门必修 基础课程，是对学生进行科学实验基本训练， 提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。 物理实验课和物理理论课具有同等重要的地位。

n 1
n
(Xi X )2
i 1
n 1
(贝塞尔公式)
Vi Xi X 偏差或残差
测量列中任一测量值的随机误差落在区间
(
X
，

）
X
的概率P = 68.3%。
真值落在区间
(X

X，X

）的概率P
X
=
68.3%。
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算术平均值的标准偏差
2.1.5 随机误差的估计
最小分度值的一半
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2.2.2 直接测量结果的不确定度
多次测量的总不确定度
A

X
B

仪

仪
3
X

2 A


2 B

n
(Xi
i 1
n(n
X 1)
)2



仪
3
2

单次测量结果的不确定度
A 0 X B 仪
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2.1.2 测量误差
为了更全面地评价测量结果的优劣，需考虑绝 对误差相对于测量值本身的大小产生的相对影响。
相对误差 X 100% A
百分误差
真值是不可能确知的，实用中常用约定真值代
替真值，称为百分误差。
E0
X X0 X0
100%
误差无处不在，无时不在
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方法一：
N f (x, y, z,)
直接微分法
两边求全微分
dN f dx f dy f dz x y z
——误差传递基本公式之一
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方法二：
N f (x, y, z,)
2.2.3 间接测量结果不确定度的合成
对数微分法
两边先取自然对数
诺贝尔物理学奖获得者、著名物理学家杨振宁 教授曾经说过，“物理学是以实验为本的科 学”，这充分说明了物理实验的作用和重要性。
80%以上的诺贝尔物理学奖给了实验物理学家。 20%的奖中很多是实验和理论物理学家分享的。
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1.2 物理实验课的任务
通过对实验现象的观察、分析和对物理量的 测量，学习物理实验知识，加深对物理学原 理的理解 培养和提高科学实验的能力 >> 培养和提高科学实验的素养 >>
dN f dx f dy f dz x y z
N

f x
x
2


f y
y
2


f z
z
2

不确定度传递公式
间接测量的相对不确定度为
d Δ ，各
项方和根合成
dN ln f dx ln f dy ln f dz
本书约定： t 1
A
n
(Xi X )2
i 1
n(n 1)
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2.2.2 直接测量结果的不确定度
B类不确定度的估计
B 是用非统计方法评定的不确定度的分量，
一般应根据经验或其他非统计信息估计。 本书约定：
由实验室给出，或近似地取为计量仪器
的误仪差为，仪即器说明B 书 上仪所标明仪3的“最大误差”或
希望同学们能重视这门课程的学习，经 过一学年的时间，真正能学有所得。
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2 测量误差与数据处理
2.1 测量与误差 2.2 测量结果的表述与不确定度 2.3 有效数字及其运算 2.4 数据处理的基本方法
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2.1 测量与误差
2.1.1 直接测量与间接测量
X
X
n
n
Vi2
i 1

n(n 1)
n
(Xi X )2
i 1
n(n 1)
表示真值A在区间 (X ，X ）的
X
X
X
概率为P = 68.3%。
从 表达式可知，n越大， 越小。
X
X
物理实验中，一般取值 6 n 10 。
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2.1.3 测量误差的分类
系统误差
具有规律性
特点：相同条件下，同一物理量多次测量时，
X大小和符号不变或按一定规律变化。
来源： 仪器误差、理论误差 环境误差、个人误差
减小或消除方法： 具体情况具体分析，对症下药。
多次测量无法减小或消除系统误差。
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2.1.3 测量误差的分类
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2.2.3 间接测量结果不确定度的合成
间接测量结果与误差的传递
一组直接测量量 x，y，z 微小变量分别为 dx，dy，dz 不确定度分别为 x，y， z 测量量以下标表示 间接测量结果为 N f (x, y, z,)
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2.2.3 间接测量结果不确定度的合成
L3 L1 L2
L1 L2 L3 L1 L2 L3
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2.2.1 测量结果的表达形式与不确定度
不确定度的分类
不确定度A类分量：根据一列测量值的统计分
布进行评估，用标准偏差来表征，记为 A 。
不确定度B类分量：根据经验或其他信息进行
“不确定度限值”，统称为仪器误差限值。
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2.2.2 直接测量结果的不确定度
仪器误差限值 仪
指在正确使用仪器的条件下，仪器示值与 被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。
一般包含系统误差和随机误差两种成分。
常见的仪器误差限值见后表。
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2.1.5 随机误差的估计
测量结果的最佳值
n次等精度重复测量结果 X1，X 2，X 3，，X n
X

1 n
n i 1
Xi
是待测量真值A的最佳估计值。
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2.1.5 随机误差的估计
每次测量的随机误差为
X i X i A
lim
1 n
n
X i
ln N ln f (x, y, z,)
再求全微分
dN ln f dx ln f dy ln f dz
N x
y
z
——误差传递基本公式之二
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间接测量值的不确定度合成2.2.3 间接测量结果不确定度的合成
方和根合成法 间接测量的不确定度为
来源： 仪器使用不正确、观察错误 数据记录错误等
处理方法： 分析后剔除
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2.1.4 精密度、正确度和精确度
精密度：重复测量结果相互接近的程度。
描述测量结果重复性的优劣，反映了随机误差的大小
正确度：测量结果与真值接近的程度。
描述测量结果正确性的高低，反映了系统误差的大小
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结果表达形式的含义
Y X X
2.2.1 测量结果的表达形式与不确定度
含义：待测量真值A落在区间X ΔX , X ΔX
内的几率为68.3%。
相对不确定度
为了更准确地反映测量结果的优劣，还应同 时求出测量值的相对不确定度。
E X 100% X
过数学运算获得测量结果 。
d
圆柱体的体积
h
V 1 d 2h
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2.1.2 测量误差 真值 A
在一定条件下，某一物理量所具有的 客观大小。 (绝对)误差 X
测量结果X与待测量的真值A的差值。
X X A
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相对误差
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2.2 测量结果的表示与不确定度
2.2.1 测量结果的表达形式与不确定度
结果表达形式 Y X X
Y
待测量
X
测量结果
不确定度
X 测量总不确定度 测量量以下标表示
不确定度是对待测量的真值所处量值范围的评