物理实验绪论lyz省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1大学物理大学物理试验课绪 论中南大学物理试验中心8月第第1页页2【1】.物理试验上课须知【2】.为何要上，怎样上好物理试验课【3】.测量、误差和不确定度预计【4】.数据处理方法介绍第第2页页31.上课须知 选课网址 http:/202.197.59.18/xuanke 可使用任何连网计算机进行上网选课，服务器二十四小时开通（系统维护时除外）。物理试验中心也能够提供上网选课：物理试验中心开课时间：第4周16周周一至周五全天：早晨8:00-10:20；下午14:0016:20；晚上18:0020:20。第第3页页4学生网上选课须知学习委员认真阅读学习委员职责并认真传达给本班同学，帮助同学完成首次选课中心课程安排，考试安排等都经过网站通知栏公布，不再以其它形式通知到每位同学，请同学们随时关注中心选课网站通知并相互转告详细选课方法见学习委员职责购置试验汇报纸，预习册等 如如有有特特殊殊情情况况，请请至至503503或或403403与与张张剑剑老老师师 或或 刘刘 碧碧 兰兰 老老 师师 联联 络络。中中 心心 电电 话话：8883631388836313第第4页页5试验项目及考评 试验项目和进度：每个同学按要求完成试验项目和进度：每个同学按要求完成15个试验个试验(48课时课时)或或20个试验个试验(64课时课时)或12个项目(40课时),试验课结束后未完成要求个数同学不再补课。物理试验成绩以平时成绩为主，期末考试成绩为辅，期末考试形式多样，不论试验项目是否全部完成，均要参加考试。第第5页页6http:/202.197.59.18/labcenter 为中心网站，有丰富教学内容，包含教学课件、教案、教学录像、仪器库、仿真试验等，欢迎访问浏览。网络教学资源网络教学资源第第6页页7物理试验作用 物理学是研究物质运动普通规律及物质基本结构科学，是自然科学基础学科,是学习其它自然科学和工程技术基础。物理学是一门试验科学，物理试验在物理学产生、发展和应用过程中起着主要作用。【2】为何要上物理试验课第第7页页8伽利略把试验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。经典物理学规律是从试验事实中总结出来。近代物理学是从试验事实与经典物理学矛盾中发展起来。很多技术科学是从物理学分支中独立出去。第第8页页9以诺贝尔物理学奖为例以诺贝尔物理学奖为例：80%以上诺贝尔物理学奖给了试验物理学家。其余20%奖中很多是试验和理论物理学家共享。试验结果能够很快得奖，而理论结果要经过最少两个试验检验。有建立在共同试验基础上结果能够连续几次获奖。第第9页页101997：创造了用激光冷却和俘获原子方法创造了用激光冷却和俘获原子方法 Steven Chu Cohen-Tannoudji William D.Phillips 1998：量子霍耳效应，电子能够形成新型粒子量子霍耳效应，电子能够形成新型粒子 Robert B.Laughlin Horst L.Stormer Daniel C.Tsui第第10页页11：玻色玻色-爱因斯坦凝聚爱因斯坦凝聚 Eric A.Cornell Wolfgang Ketterle Carl E.Wieman第第11页页12 物理试验课目标学习试验知识培养试验能力提升试验素养第第12页页13 学习试验知识 经过对试验现象观察、分析和对物理量测量，学习物理试验知识和设计思想，掌握和了解物理理论。第第13页页14培养试验能力借助教材或仪器说明书正确使用惯用仪器；利用物理学理论对试验现象进行初步分析判断；正确统计和处理试验数据，绘制试验曲线，说明试验结果，撰写合格试验汇报；能够依据试验目标和仪器设计出合理试验。第第14页页15提升试验素养培养理论联络实际和实事求是科学作风；严厉认真工作态度；主动研究和创新探索精神；恪守纪律、团结协作和爱护公共财产优良品德。第第15页页16 物物理理试试验验课课程程不不一一样样于于普普通通探探索索性性科科学学试试验验研研究究，每每个个试试验验题题目目都都经经过过精精心心设设计计、安安排排，可可使使同同学学取取得得基基本本试试验验知知识识，在在试试验验方方法法和和试试验验技技能能诸诸方方面面得得到到较较为为系系统统、严严格格训训练练，是是大大学学里里从从事事科科学学试试验验起起步步，同同时时在在培培养养科科学学工工作作者者良良好好素素质质及及科科学学世世界观方面，物理试验课程也起着潜移默化作用。界观方面，物理试验课程也起着潜移默化作用。希望同学们能重视这门课程学习，经过半 年时间，真正能学有所得。第第16页页17【2】怎样上好物理试验课 三个主要步骤，平时成绩起源三个主要步骤，平时成绩起源试验预习试验预习试验能否取得主动关键试验能否取得主动关键试验操作试验操作试验课关键步骤试验课关键步骤试验汇报试验汇报试验总结试验总结第第17页页18试验预习 明确试验目标，预习试验原理，了解试验注意事项。预习汇报是是试验工工作作前前期期准准备，是是写写给自自己己参参考考用用，故故要要求求简单明明了了。试验前前应清清楚楚此此次次试验应到到达达什什么么目目标，经过什什么么试验方方法法和和测量哪些数据才能量哪些数据才能实现试验目目标。第第18页页19实验名称，实验目；实验简图（电路图或光路图），记录主要公式；列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。无需照抄实验原理！预习汇报内容：第第19页页20试验操作要求1.恪守试验室规则；2.了解试验仪器使用及注意事项；3.正式测量之前可作试验性探索操作；4.仔细观察和认真分析试验现象；5.如实统计试验数据和现象;用钢笔或圆珠笔统计数据，原始数据不得改动用钢笔或圆珠笔统计数据，原始数据不得改动7.7.整理仪器，清扫试验室。第第20页页21试验汇报试验汇报是写给同行看，所以必须充分反应自己工作收获和结果，反应自己能力水平，要有自己特色，要有条理性，并注意利用科学术语，一定要有试验结论和对试验结果讨论、分析或评定。试验原理要简明扼要，要有必要电路图或光路图，要有主要数据处理过程，一一定定要要列列出出试试验验结结果果，尤其是利用作图求得一些物理量。第第21页页22试验汇报内容实验名称，上课时间，指导老师，姓名学号等一定要写清楚；实验目；原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主 要计算公式等）；主要实验仪器设备；实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；实验现象分析、误差评估、小结和讨论。第第22页页23教学步骤中应注意1.学生上课必须按时，不得迟到缺课。2.未完成预习和预习汇报者，教师有权停顿其试验或 成绩降档！3.学生在试验室仪器组号应与其本人学号一一对应！离开试验室前，先将数据交给教师审阅署名，然后 整理好仪器才能离开。4.试验汇报（内附教师签字数据）必须在一周内交至 物理楼四楼试验汇报柜内！第第23页页24【3 3】测量、误差和不确定度预计3.1 测量与有效数字3.2 测量误差和不确定度估算基础知识第第24页页25测量与有效数字测量有效数字读取有效数字运算有效数字尾数舍取规则第第25页页26测 量 物理试验以测量为基础，所谓测量，就是用适当工具或仪器，经过科学方法，将反应被测对象一些特征物理量（被测物理量）与选作标准单位同类物理量进行比较过程，其比值即为被测物理量测量值。第第26页页27直接测量：直接将待直接将待测物理量与物理量与选定同定同类物理物理量量标准准单位相比位相比较直接得到直接得到测量量值；间接测量：利用直接利用直接测量量与被量量与被测量之量之间已知已知函数关系，求得函数关系，求得该被被测物理。物理。测量值=读数数值(有效数字有效数字)+单位位有效数字可靠数字可疑数字可靠数字可疑数字测测量量结结果果中中，可可靠靠几几位位数数字字加加上上可可疑疑一一位位数数字，统称为测量结果字，统称为测量结果有效数字有效数字。测 量第第27页页28有效数字读取图a测量有效数字为2.4cm图b测量有效数字为2.43cm第第28页页29有效数字运算加、减法：诸量相加（相减）量相加（相减）时，其，其和（差）数在小数点后所和（差）数在小数点后所应保留位保留位数与数与诸数中小数点后位数最少一个数中小数点后位数最少一个相同。相同。4.178 +21.3 25.478=25.5第第29页页30乘、除法：诸量相乘（除）后其量相乘（除）后其积（商）（商）所保留有效数字，只所保留有效数字，只须与与诸因子中有效因子中有效数字数字最少最少一个相同。一个相同。4.178 10.1 4178 4178 421978=42.2第第30页页31若给出各分量误差，则误差在运算过程中取两位，最终结果取一位。最终由绝对误差决定最终结果有效数字到哪一位。第第31页页32函数运算规则及有效数字（1）通常函数有效数字同自变量；（2）若自变量给出了不确定度，则（1）结果多保留一位或几位，再用传递公式计算函数不确定度；（3）由不确定度决定最终有效数字位数。另外，自变量未给出不确定度，还能够用近似不确定度方法确定函数有效数字位数。自变量近似不确定度即为量具最小分度值。第第32页页33有效数字尾数舍入规则例：例：若需保留四位有效数字若需保留四位有效数字 4.327494.327 4.327514.328 4.327504.328 4.328504.328“四舍五入”规则入机会总是大于舍机会，因而不合理。现在通用规则是：“四舍六入五凑偶四舍六入五凑偶”，即被舍位数字小于五舍大于五入；等于五时，若保留末位数字为奇数时，则加1，为偶数时则不变，即把保留末位数凑为偶数。第第33页页341 1、“0 0”在数据中作用在数据中作用 “0”在其它数字之间或之后为有效数字，在之前则不是有效数字。比如：O.3和0.03都是一位有效数字，而103.00则是五位有效数字。2 2、单位换算对有效数字影响、单位换算对有效数字影响 非十进制单位换算时，有效数字位数能够改变非十进制单位换算时，有效数字位数能够改变。例如时间 min，1.8为两位有效数字，误差位在O.1min=6s位上。若以秒为单位，应写成：s，误差位仍在秒位上，并未改变数据精度，但108为三位有效数字。有效数字几个注意问题第第34页页35十进制单位换算不影响有效数字十进制单位换算不影响有效数字 比比如如80.20g80.20g是是四四位位有有效效数数字字，若若用用千千克克单单位位表表示示则则为为O.08020kgO.08020kg，仍仍为为四四位位有有效效数数字字。不不过过用用毫毫克克单单位位表表示示写写成成80200mg80200mg，就就有有问问题题了了，因因为为按按有有效效数数字字要要求求，最最终终一一位位是是有有误误差差数数，原原来来数数据据80.20g80.20g有有误误差差数数是是在在1/100g1/100g位位上上，当当写写成成80200mg80200mg时时有有误误差差数数是是在在1/1000g1/1000g位位上上，则则数数据据准准确确性变了。性变了。为为了了处处理理这这个个矛矛盾盾，应应使使用用所所谓谓科科学学记记数数法法，即即把把数数据据写写成成小小数数点点前前只只有有一一位位，再再乘乘以以lOlO幂幂次次来来表表示示。如如上上述述质质量量数数据据可可写写成成8.020108.020104 4mg mg 或或 8.020108.02010-2-2kgkg，它它们们都都是是四四位位有有效效数数字字，这这么么在在十十进进制制单单位位换换算算时时，不不会会改改变变有有效数字位数。效数字位数。第第35页页36测量误差和不确定度估算基础知识误差随机误差处理测量结果不确定度表示间接测量不确定度合成第第36页页37对一个待测物理量 x而言：误差dx 测量结果 x 真值 真值：物理量在一定试验条件下物理量在一定试验条件下 客观存在值客观存在值。误 差第第37页页38 测量误差存在于一切测量过程中，能够控制得越来越小，不可能为零。误 差第第38页页39系统误差定 义：在在对同一被同一被测量屡次量屡次测量量过程中，程中，绝对值和和符号保持恒定或随符号保持恒定或随测量条件改量条件改变而按确定而按确定 规律改律改变。产生原因：因因为测量量仪器、器、测量方法、量方法、环境境带入。入。分类及处理方法：1 1 已定系统误差：必须修正电表、螺旋表、螺旋测微微计零位零位误差；差；测电压、电流流时因因为忽略表内阻引忽略表内阻引发误差。差。2 未定系统误差：要预计出分布范围 如：螺旋如：螺旋测微微计制造制造时螺螺纹公差等。公差等。误 差第第39页页40随机误差定 义：在在对同一量屡次重复同一量屡次重复测量中量中绝对值和符号以和符号以 不可不可预知方式改知方式改变测量量误差分量。差分量。产生原因：试验条件和条件和环境原因无境原因无规则起伏改起伏改变，引引发测量量值围绕真真值发生生涨落落改改变。比如：电表轴承摩擦力变动；螺旋测微计测力在一定范围内随机改变；操作读数时视差影响屡次测量误差满足正态分布，含有以下特点：屡次测量误差满足正态分布，含有以下特点：（1）对称性对称性:正负误差出现概率基本相同；正负误差出现概率基本相同；（2）有界性有界性:存在绝对值最大误差；存在绝对值最大误差；（3）单峰性单峰性:绝对值小误差出现概率大，绝对值大误差出现概率小；绝对值小误差出现概率大，绝对值大误差出现概率小；（4）抵偿性抵偿性:当测量次数足够多时，绝对值相等正负误差出现概率当测量次数足够多时，绝对值相等正负误差出现概率 大致相等，可相互抵消：大致相等，可相互抵消：第第40页页41 随机误差特点。第第41页页42 标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量精密度低。标准差表示测量值离散程度第第42页页43 任意一次测量值落入区间 概率为这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应区间叫置信区间，表示为:第第43页页44 扩大置信区间，可增加置信概率:第第44页页45平均值 假定对一个物理量进行了n次测量，测得值为xi(i=1,2，n)能够用屡次测量算术平均值作为被测量最正确预计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。第第45页页46 有限测量时，算术平均值不等于真值，它标准偏差为：平均值偏差屡次测量能够减小随机误差屡次测量能够减小随机误差第第46页页47直接测量直接测量结果表示及其总不确定度计算结果表示及其总不确定度计算 测量结果表示式测量结果表示式：总不确定度：总不确定度：指用统计方法计算出不确定度分量指用统计方法计算出不确定度分量不确定度：是指因为测量误差存在而对被测量真值不能必定程度。1)1)不确定度不确定度 类分量类分量 第第47页页48对于有限次测量：对于有限次测量：测量列不确定度：测量列不确定度：平均值不确定度：平均值不确定度：这时：这时：上上面面两两式式中中 称称为为“因因子子”，与与测测量量次次数数 和和置置信信概概率率相相关关，在在大大学学物物理理试试验验中中，当当测测量量次次数数 时时，可近似取为可近似取为1。直接测量直接测量结果表示及其总不确定度计算结果表示及其总不确定度计算 n 23456789101520t1.841.321.201.141.111.091.081.071.061.041.031测量次数与测量次数与t t因子对应关系：因子对应关系：第第48页页49指用其它方法计算出不确定度分量指用其它方法计算出不确定度分量2)2)总不确定度总不确定度 类分量类分量 本课程中，近似地取：本课程中，近似地取：3)3)总不确定度合成：总不确定度合成：4)4)误差判定与剔除误差判定与剔除 当当测测量量列列不不确确定定度度 时时，待待测测量量真真值值随随机机误误差差落落在在 这这个个区区间间以以外外概概率率仅仅为为0.3%0.3%，所所以以，称为测量列极限误差。称为测量列极限误差。直接测量直接测量结果表示及其总不确定度计算结果表示及其总不确定度计算 第第49页页50注 意：1.1.1.1.平均值有效数字位数不要超出测量值平均值有效数字位数不要超出测量值 有效数字位数；有效数字位数；2.2.不确定度最终只保留不确定度最终只保留1 1位位有效数字；平均值有效数字；平均值 最终一位有效数字要和不确定度最终一位有效数字要和不确定度对齐对齐；3.3.相对不确定度保留相对不确定度保留1-21-2位位有效数字。有效数字。第第50页页51直接测量不确定度计算举例例1：用螺旋测微计测某一钢丝直径，原始用螺旋测微计测某一钢丝直径，原始 数据见下表，请给出完整测量结果。数据见下表，请给出完整测量结果。d0=+0.004 mm,螺旋测微计仪器允差为螺旋测微计仪器允差为仪仪=0.004mm123456（mm）0.2490.2500.2470.2510.2530.250原始数据表格第第51页页52 例解：d0=+0.004 mm,螺旋测微计仪器允差为螺旋测微计仪器允差为仪仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-0.001-0.0030.000 没有异常数据,不用剔除第第52页页53 例解：第第53页页54测量量结果表示果表示为第第54页页55间接测量结果表示和总不确定度预计间接测量结果表示和总不确定度预计 1)1)间接测量结果普通表示：间接测量结果普通表示：即即：间间接接测测量量量量平平均均值值等等于于将将各各直直接接测测量量量量平平均均值带入函数关系式后结果。值带入函数关系式后结果。2)2)间接测量结果总不确定度：间接测量结果总不确定度：第第55页页563)3)百分差百分差第第56页页57惯用公式 同学们能够用偏微分知识自己推导这些公式同学们能够用偏微分知识自己推导这些公式 第第57页页58间接测量不确定度合成过程 1.求出各直接测量量平均值和合成不 确定度(加减时)或相对不确定度(乘 除、指数时);2.依据公式求出间接测量量合成不确 定度或相对不确定度;3.用各量平均值求出间接测量量平 均值。利用平均值并求出相对不确定 度或合成不确定度;4.表示测量结果第第58页页59环体积对数及其偏导数为：解：这是间接测量间接测量问题。环体积为：间接测量量不确定度合成举例第第59页页60代入上式：第第60页页61所以，环体积为：第第61页页62【3】数据处理方法 3.1 作图法处理试验数据 3.2 最小二乘法直线拟合 3.3 逐差法第第62页页63 作图法可形象、直观地显示出物理量之间函数关系，也可用来作图法可形象、直观地显示出物理量之间函数关系，也可用来求一些物理参数，所以它是一个主要数据处理方法。作图时要先整求一些物理参数，所以它是一个主要数据处理方法。作图时要先整理出理出数据表格，数据表格，并要用并要用坐标纸作图。坐标纸作图。1.选择适当坐标分度值，确定坐标纸大小 坐坐标分度分度值选取取应能基本反能基本反应测量量值准确度或精密度。准确度或精密度。依据表数据依据表数据U 轴可可选1 1mm对应于于0.100.10 V，I 轴可可选1 1mm对应于于0.200.20 mA，并可定，并可定坐坐标纸大小（略大于坐大小（略大于坐标范范围、数据范、数据范围）约为130130 mm130 m。表1：伏安法测电阻试验数据作图法处理试验数据步骤 例：第第63页页642.标明坐标轴：用粗用粗实线画坐画坐标轴，用箭用箭头标轴方向，方向，标坐坐标轴名称或符号、名称或符号、单位位,再再按次序按次序标出坐出坐标轴整分格整分格上量上量值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004.连成图线：用直尺、曲用直尺、曲线板等把板等把点点连成直成直线、光滑曲、光滑曲线。普通不普通不强求直求直线或曲或曲线经过每个每个试验点，点，应使使图线线正穿正穿过试验点点时能能够在在两两边试验点与点与图线最最为靠近且分布大致均匀。靠近且分布大致均匀。图点点处断开。断开。3.标试验点：试验点可用点可用“”“”、“”“”、“”“”等符号等符号标出（同一坐出（同一坐标系系下不一下不一样曲曲线用不一用不一样符符号号）。）。第第64页页655.标出图线特征：在在图上空白位置上空白位置标明明试验条件或从条件或从图上得出一些参上得出一些参数。如利用所数。如利用所绘直直线可可给出被出被测电阻阻R大小：从所大小：从所绘直直线上上读取两点取两点 A、B 坐坐标就可求出就可求出 R 值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.006.标出图名：在在图线下方或空白位下方或空白位置写出置写出图线名称及一些必名称及一些必要要说明。明。A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上A、B两点可得被测电阻R为：至此一张图才算完成电阻伏安特征曲线作者：作者：xxxx第第65页页66不妥图例展示：n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图图 1不妥：曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、用直尺、曲曲线板等工具板等工具把把试验点点连成成光滑、均匀光滑、均匀细实线。第第66页页67n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图更正为：第第67页页68图 2I(mA)U(V)0 02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特征曲线不妥：横轴坐标分度选取不妥。横横轴以以3 cm 代表代表11V，使作使作图和和读图都都很困很困难。实际在在选择坐坐标分度分度值时，应既既满足有效数字足有效数字要求又便于作要求又便于作图和和读图，普通以，普通以11mm 代表量代表量值是是1010整数整数次次幂或是其或是其2 2倍或倍或5 5倍。倍。第第68页页69I(mA)U(V)o o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特征曲线更正为：第第69页页70计算机作图例子（ORIGIN）第第70页页71最小二乘法直线拟合设此两物理量 x、y 满足线性关系 y=a+bx，等精度地测得一组相互独立试验数据 xi，yi i=1,.,n当所测各yi 值与拟合直线上 a+bxi之间偏差平方和最小，即所得系数a,b最好,拟合公式即为最正确经验公式。第第71页页72逐差法是为了改进试验结果、减小误差影响而引入一个逐差法是为了改进试验结果、减小误差影响而引入一个试验数据处理方法。试验数据处理方法。1.1.逐差法应用条件逐差法应用条件（1）自变量等间隔改变，自变量等间隔改变，y=f(x)，xi+1-xi=c。（2）函数关系能够写为多项式关系：函数关系能够写为多项式关系：y=a0+a1x+a2x2+a3x3+2.2.逐差法应用逐差法应用（1）逐项逐差）逐项逐差 判断函数关系判断函数关系对函数对函数y=f(x)，测得测量列：，测得测量列：xi（i=1,2,n）、）、yi（i=1,2,n）若若yi+1 yii，基本相等，函数关系为，基本相等，函数关系为：y=a0+a1x。若若i+1i2i，基本相等，则为：，基本相等，则为：y=a0+a1x+a2x2。逐 差 法第第72页页73（2）隔项逐差）隔项逐差 求取物理量求取物理量比如：对下表伏安法测量电阻数据进行处理，应用逐差比如：对下表伏安法测量电阻数据进行处理，应用逐差法求电阻值。法求电阻值。表表1 伏安法测伏安法测100 电阻数据表电阻数据表 /2/10数据分为两组，隔数据分为两组，隔3 3项逐差，再取平均。即：项逐差，再取平均。即：注：电压表量程注：电压表量程 7.5V，精度等级精度等级 1.0；电流表量程电流表量程 50mA 精度等级精度等级 1.0利利用用逐逐差差法法求求取取物物理理量量，能能够够充充分分利利用用数数据据，消消除除一一些些定定值值系系统统误误差差，减减小小随随机机误误差差影影响响，但但必必须须采采取取隔隔项项逐逐差差方方法法，不然会失去效果。，不然会失去效果。第第73页页74习题按有效数字运算规则计算下式结果,写好姓名、班级、学号交上来。求 f=x+y-z，其中第第74页页75收获在于努力！收获在于努力！第第75页页