中德物理实验绪论

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,欢迎大家进入,物理实验室学习！,罗锻斌,分班：德环,091,（,A,、,B,）,德电,091,（,C,、,D,）,A:,示波器,B:,分光计,C:,杨氏模量,D:,直流电桥,报告要求：电子档打印（,1,个绪论加,4,个实验）,中英文均可。,实验体会（英文，长短不限）,交,5,个报告，第五周班长收集,交至理学院,106,谢老师处。,课程的作用与目的,测量,误差,测量结果的最佳值,随机误差的估算,不确定度,有效数字,直接测量结果表述,间接测量的误差,间接测量结果表述,数据处理的基本方法,实验报告,学生实验守则,通知,基础知识,物理实验的作用,物理学是一门实验科学,其任何规律和理论都从实践和实验中来，并受到实践的反复检验，由此而不断发展。,伽利略把,实验和逻辑,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,实验事实,中总结出来的。,近代物理学是从,实验事实,与经典物理学的矛盾中发展起来的。,物理实验的作用,密立根,在,1923,年获诺贝尔奖时说：“科学靠两条腿走路，,一是理论，一是实验,。有时一条腿在前面，有时另一条腿走在前面。,但只有使用两条腿，才能前进,。在实验过程中寻找新的关系，上升为理论，然后再在实践中加以检验。”,1905,年爱因斯坦的,光量子假说,总结了光的微粒和波动之间的争论，很好地解释了光电效应的实验结果。,但是直到,1916,年当密立根以,极其严密的实验证实了,爱因斯坦的光电方程之后，,光的粒子性才为人们所接受。,物理实验的作用,物理实验课程的目的,学习实验知识,培养实验能力,提高实验素养,通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理实验知识和设计思想，掌握和理解物理理论。,X射线的发现与研究,培养实验能力,借助教材或仪器说明书正确使用常用仪器；,运用物理学理论对实验现象进行初步的分析判断；,正确记录和处理实验数据，绘制实验曲线，说明实验结果，撰写合格的实验报告；,能够根据实验目的和仪器设计出合理的实验。,提高实验素养,培养理论联系实际和实事求是的科学作风；,严肃认真的工作态度；,主动研究和创新的探索精神；,遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的,优良品德。,学生的实验修养,学习前人创造的实验方法并加以发展和创新,关注实验的物理思想,（单摆测,g，,密立根油滴测,e）,了解实验装置与仪器设计的独创性之所在，遵守操作规程,实验时边观察现象边思考，及时发现问题,做实验的主人（,提出探索问题，如何研究，分析结果）,本学期实验内容,1,、,示波器,2,、,电桥,3、,分光计,4、,拉伸法杨氏模量,下周实验：,希望同学们能重视这门课程的学习，,学有所得。,测 量,直接测量,x，y,：,指无需对,被测量,与其它,实测量,进行函数关系的辅助计算，就可直接得到被测量值的测量,间接测量,Z=f（x，y）,：,从一个或几个直接测量结果按一定的函数关系计算出来的的过程,h,d,M,测量数据,包括,数字,和,单位,量具的精度,10.0063,g,10,g,一个10克左右的重物,10.01,g,10,g,10.006g,一根直径1,CM,左右的铜栓,1,cm,量具的精度,1.1026,cm,1.10,2cm,1.10,cm,实验数据的有效位数确定,有效位数的确定，是为了保证测量结果的准确度基本不会因位数取舍而受影响，同时避免因读取或保留一些无意义的多余位数而做无用功。,有效位数,能在一定程度上反映量值的,不确定度。,a),读数：,原始数据有效位数的确定,b),运算：,运算过程中的有效位数,c),结果表示：,测量结果最终表达式中的有效位数,实验中必须重视三个环节：,什么是有效数字？,若干位准确数字,1位欠准数字,构成,有效数字,直接测量量保留一位欠准数,有效数字的运算,单位换算不改变有效数字位数,例如,10,cm=100mm,应为：10,cm=1.0 mm,?,0.100,cm=1.00mm,有效数字的运算,加减乘除的运算法则,对数、三角函数、,n,次方运算法则,：,最终结果由误差位决定有效位数。,有效数字取舍,: 4,“,舍,”,6,“,入,”,5,“,取偶,”,。,4.545,4.5,4,4.555,4.5,6,加减乘除运算,原则:,准确数与准确数运算结果为准确数；,其它运算结果为欠准数。,加减:,30.,3,+1.38,4,31.,684,应为31,.,7,乘除:,105,.2,2,0.,0,3,4,42088,3156,6,3.,57748,应为3.,6,以精度最低的数对齐,以有效数字位数最少的数对齐,注意,:,中间过程多保留一位有效数字,误差=测量值-真值,误 差,（真值为客观存在量）,测 量 误 差,物理实验,是以测量为基础的，但是测量结果都可能存在,误差,。可以说,任何测量不可能无限准确。,操作读数时的视差影响,测量误差的来源,（,1,）仪器、装置引入的误差；,（,2,）原理、方法引入的误差；,（,3,）环境、条件引入的误差；,（,4,）实验者引入的误差；,系统误差,：,同一条件，同一量,，多次测量时,相同。,随机误差,：,同一条件，同一量,，多次测量时,不同,误 差 分 类,系 统 误 差,来源：,发现：,测量仪器，实验方法，环境条件，实验者,分析检查法； 对比实验法等,(仪器、参量、条件),(理论、仪器、数据),系 统 误 差,消除：,从根源上 （,找出误差原因，加以消除,）,利用修正式 （,如：伏安法,）,实验方法（,交换法，抵消法，零示法等,）,随机误差的统计规律,随机误差的概率密度函数,正态分布,+,-,概率密度,误差,标准误差,产生原因：,实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。,随机误差的统计规律,特性,单峰性,对称性,有界性,抵偿性,+,-,随机误差的统计规律,称为标准误差,置信区间,教材,P.7,意义为：任一次测量，其误差在,的可能性为68.3% (,),置信概率,68.3%,测量结果的最佳值,算术平均值,标准误差的估算,误差：,残差：,用平均值,代替真值,真值,算术平均值,用残差,代替误差,教材,P.10,标准误差：（,测量次数为,n,）,标准误差的估算,n,教材,P.10,标准误差的估算,教材,P.10,平均值的标准误差：,仪器的最大误差 ：（厂方给出）,仪器误差,没有规定的， 取其最小刻度的一半,示,=,量程,准确度等级,%,教材,P.11,不确定度,1),不确定度的概念,不确定度,，表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度。,2),研究不确定度的意义,科学地反映测量结果的数值和可靠程度。,根据对测量不确定度的要求,确定实验方,案,选择仪器和环境。,努力找出和减小主要系统误差,提高实验准确度,它包含两类分量:,A,类: 用统计方法计算出的标准误差,B,类: 用其他方法估计出的“等价标准误差”,合成不确定度:,不确定度,教材,P.15,P=0.683, B,类为均匀分布,当首位数字,3,时，,U,取一位数字，,当首位数字 小于,3,时，,U,取两位数字,不确定度,教材,P.16,置信因子,可查,P15,表,式,(01-21b),最后有效数字,采用进位法,，如,0.241mm=0.25mm,结果表示:,不确定度,教材,P.15,取,1,位,或,2,位（,有效）数字，,最后,一,位与,对齐,如:,误差在小数第二位,保留到小数第二位,则,E=1.0%,取,2,位（有效）数字,相对误差,是评价测量值准确与否的客观标准,直接测量结果的表述,最佳值,1位或2,位有效数字,E=1.0%,取,2,位,相对误差,结果表示,不确定度,平均值的标准误差,结果表示：,(P=0.683),用天平（仪器误差 ）测某一物体的重量，数据如下：,次数,1 2 3 4 5 6 7 8,重量,g 6.47 6.26 6.52 6.50 6.40 6.25 6.30 6.31,v,i,/g 0.09 -0.12 0.14 0.12 0.02 -0.13 -0.08 -0.07,v,i,2,/g 0.0081 0.0144 0.0196 0.0144 0.0004 0.0169 0.0064 0.0049,最佳值：,不确定度：,平均值标准误差：,相对误差：,计算器统计计算功能,(SD,或,stat),可方便计算,Sx,间接测量的最佳值,x,y,测量矩型面积，直接测量量是长度,x,y,间接测量的误差传递,间接测量的误差传递,而面积的误差应是：,由于 都是无穷小量,标准误差传递公式,（同样适用于不确定度的传递）,常用函数的标准误差传递式见讲义,P14,间接测量的误差传递,教材,P.14,对有限次测量:,传递,系数,最佳值,不确定度,传递,结果表示,相对误差,E=1.0%,取二位,间接测量量表述,测量一天的温度差,实例:,（和差关系）直接传递,实例:,两边取对数,求全微分,各项平方和开根号,(方和根法则）,通过相对误差传递,（乘除单项式),实例：,导体电阻率的测量,课 堂 练 习,1.,2.,3.,求,已知,求,N 。, 已知,求,N,。,解,答,解,答,解,答,继续, 求,返回, 已知,求,N,。,返回, 已知,求,N,。,返回,测量程序,记录仪器型号及误差,测量得,x,1,(,以有效数字记录,),重复测量得,x,2,、,x,3,x,1,、,x,2,、,x,3,是否相等,是,被测物理量相对比较稳定,无需再测,存在随机误差,需追加测量次数,n,6,否,实验数据处理方法,列表法：,按一定形式和顺序列成表格,。,图示法和图解法,（,例：弹簧拉伸,）,逐差法,用分度值为0.002,cm,的游标尺测量一空心园柱体，测得其内径,d,、,外径,D,及高,H,的数值如下表所示。,1.50,6,3.381,4.812,6,1.504,3.302,4.810,5,1.506,3.300,4.808,4,1.50,8,3.29,6,4.806,3,1.50,4,3.29,8,4.871,2,1.50,2,3.30,2,4.81,2,1,d,cm,D,cm,H,cm,测量次数,原始数据表格, 4.81,4, 3.30,2,列表法,平均值,4.8103,3.3000,1.5050,s,x,0.00294,0.0026,0.0021,物理量的,名称和单位,有效数字,正确,注意,:,不合理数据判断和修改方法！,不要乱涂乱改！,图线的种类,：,物理量的,关系曲线,、元件的,特性曲线,、仪器仪表的,定标曲线,等。这类曲线一般是光滑连续的曲线或直线。,仪器仪表的,校准曲线,。这类图线的特点是两物理量之间并无简明的函数关系，其图线是无规则的折线。,计算用图线,。这类图线是根据较精密的测量数据经过整理后，精心地绘制在标准图纸上，以便计算和查对。,图示和图解法,作图法,可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求物理参数，因此是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并用坐标纸作图。,作图步骤与规则：,本课程中主要采用直角坐标纸（毫米方格纸）。,应能包含所有的实验点。,并且尽量不损失实验数据的有效数字位数,不扩大误差,图示和图解法,-,选择坐标纸,F/g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.58,22.40,23.85,25.65,27.02,28.80,以横坐标表示自变量，纵坐标表示因变量,.,注明坐标轴所代表的物理量的名称及单位。,在坐标轴上每隔一定间距，标注坐标分度。,图示和图解法,-,确定坐标轴,F,g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,自变量,因变量,坐标轴的分度应使实验点的坐标值都能正确、迅速、方便地找到，用,3,、6、7、9,表示一个单位是,不合理,的。,不损失有效数字。,图线应充满整个图纸。,坐标轴的起点不一定从零开始,图示和图解法,-,如何正确标注坐标分度？,F,g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,用标志符号,“,+,”,标出各测量数据点的坐标位置。,在一张图上同时画几条曲线时，各条曲线应采用不同的标志符号表示，如,“,”,、,“,”,、,“,”,等。一般不用,“,”,使用,削尖的,HB,铅笔,图示和图解法,-,正确标出测量标志点,F,g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,用直尺、曲线板，根据实验点的分布趋势作光滑连续的曲线或直线（除校准曲线外，一般都不连成折线）。,不强求每个实验点都落在曲线或直线上，而只要使得实验点均匀地分布在曲线或直线的两侧。,图示和图解法,-,连接实验图线,F,g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,在图纸的明显位置上标明图线的名称、作者、作图日期,必要的简短说明（如实验条件、数据来源、数据表格、简单的计算等）。,图示和图解法,-,图注与说明,F,g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,弹簧拉伸,L,F,关系曲线,比例,:,横轴:,1,cm=10.0g,纵轴:,1,cm=1.00cm,若直线方程为：,y = a + b x,则：斜率,b ：,截距,a：,图示和图解法,-,计算直线的斜率和截距,两点式计算,在直线上取两点（解析点）,不,能,取,用,原始,实验,数据,。,用与实验点不同的记号标记，并在旁注明其坐标值。,注意书写,正确的有效数字,。,为减小误差，,所取两点应在实验范围内尽量彼此远离,图示和图解法,-,选取解析点,F,g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,弹簧拉伸,L-F,关系曲线比例: 横轴1,cm=10.0g,纵轴1,cm=1.00cm,(35.0, 21.90),(108.0, 27.80),n,(nm),1.6500,500.0,700.0,1.6700,1.6600,1.7000,1.6900,1.6800,600.0,400.0,玻璃材料色散曲线图,n,(nm),1.6500,500.0,700.0,1.6700,1.6600,1.7000,1.6900,1.6800,600.0,400.0,玻璃材料色散曲线图,不当图例展示,(一,),曲线太粗，不均匀，不光滑。,应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。,改正为：,定容气体压强温度曲线,1.2000,1.6000,0.8000,0.4000,P,(10,5,Pa),t,(,),60.00,140.00,100.00,o,120.00,80.00,40.00,20.00,定容气体压强温度曲线,1.0000,1.1500,1.2000,1.1000,1.0500,P,(10,5,Pa),50.00,90.00,70.00,20.00,80.00,60.00,40.00,30.00,t,(,),改正为：,不当图例展示,(二,),错 图,正确的图,F,g,L/cm,弹簧拉伸,LF,关系曲线比例: 横轴：,1,cm=10.0g,纵轴:,1,cm=1.00cm,F/g,L/cm,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,20.58,22.40,23.85,25.65,27.02,28.80,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,(35.0, 21.90),(108.0, 27.,80,),20.00,22.00,24.00,26.00,28.00,30.00,=0.0808,cm/g,斜率,最小二乘法,-,常用数据处理软件,物理实验中心机房,(237,室,),提供免费计算机作图与打印,仅限教学要求内容,(2,个实验,),每个实验,1,张,/,人,Origin,Excel,物理实验过程,课前,：阅读实验讲义，明确实验原理，了解实验内容,清楚本次实验,“,做什么,怎么做,为什么这样做,”,预习课,:,上课前教师检查预习报告,实验操作前,：,清楚实验注意事项，列出数据表格,记录实验数据,：,实验结束：,教师签字,整理实验仪器,课后,:,书写实验报告,原始实验数据,实验的环境条件,仪器的型号,遇到的问题、故障及可疑现象,物理实验报告,（主要部分）,实验目的,实验原理,：,简明扼要,，图、文、式,实验仪器,：,规格、型号,实验方法或步骤,：,调整方法和技巧,数据和数据处理,：,列表、 解析式,对实验过程和结果的,分析与评价,分析讨论题,实验工作的总结,学生实验守则,（部分）,课前预习,课中认真观察、思考和分析,严谨求实,课后总结,遵守纪律, 爱护公物，整理实验仪器。,提前,5,分钟进实验室,主动性,独立性,如何进行实验,期望什么结果,提出问题,因病、事假不能上课者，必须出具医院和院系办证明。,事后主动联系老师在学期结束前补做实验。,进入实验室,1,、,阅读实验卡和实验要求,，并观察黑板上的,提示，充分了解实验要求；,2,、,先思考，后操作；,3,、回答问题要自信；,4,、把书包放到书包架上,;,5,、,请保持实验室整洁,垃圾不可以放在实验桌上或抽屉里，应自行清理。值日生自觉留下,。,直接测量量,复习,最佳值,E=1.0%,取,2,位,相对误差,结果表示,不确定度,平均值的标准误差,最佳值,不确定度传递,结果表示,相对误差,E=1.0%,取2位,间接测量,复习,祝大家学习愉快！,本节结束,同学们再见！,