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普通物理实验课绪论,物理实验可分三个环节： 1）课前预习，写预习报告。 2）课堂实验，要求亲自动手，认真操作，详细记录。 3）课后进行数据处理，完成实验报告。 其中：预习报告的要求： 1）实验题目、实验目的、实验原理（可作为正式报告）。 2）画好原始数据表格，单独用一张纸。 实验报告内容：（要用统一的实验报告纸做） 1)实验题目； 2)实验目的； 3)实验原理：主要公式和主要光路图、电路图或示意图，简单扼要的文字叙述； 4)主要实验仪器名称、规格、编号 5)实验步骤：写主要的，要求简明扼要； 6) 数据处理、作图（要用作图纸）、误差分析。要保留计算过程，以便检查； 7) 结论：要写清楚，不要淹没在处理数据的过程中； 8) 思考题、讨论、分析或心得体会； 9) 附：原始数据记录。 （后面附上预习报告）,相对误差,百分误差,完整的结果表示,误差及其分类,1.误差的定义 真值：客观 存在的真实值 误差测量值 x真值a 由于真值的不可知，误差实际上很难计算,误差有正有负，其绝对值 反映测量值x和真值a之间的偏差，故称：测量误差,产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入 分类及处理方法： 仪器误差：电表、螺旋测微计的零位误差，制 造时的螺纹公差等 理论近似性引起的误差：伏安法测电阻电流表内接、外接由于忽略表内阻引起的误差。 人为误差: 由于观察者的习惯、反应快慢等引起的,2.误差的分类及其规律（按性质和产生的原因分） （1）系统误差：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和符号保持恒定或按某一确定的规律变化的测量误差。,（2）偶然误差（随机误差）：对同一量的多次重复测 量中误差的绝对值和符号的变化不定,产生原因：实验条件、环境因素无规则的起伏变化、 观察者生理分辨能力等的限制 例如：螺旋测微计测量在一定 范围内操作读数时的视差影响。 特点：绝对值小的误差出现 的概率比大误差出现的 概率大；绝对值很大的误 差出现的概率为零 多次测量时分布对称，具有抵偿性按正态分布 因此取多次测量的平均值有利于消减随机误差。,（3）最佳估计值,算术平均值,理论可证明：,当测量次数n，,算术平均值可作为测量结果,测量与误差,测量及其分类 测量分为直接测量和间接测量 直接测量指无需对被测的量与其它实测的量进行函数关系的辅助计算可直接得到被测量值的测量； 间接测量指利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系经过计算从而得到被测量值的测量。 任何测量都可能存在误差,直接测量值误差的估计,1. 标准偏差 （也称均方误差）,假定对一个量进行了n次等精度测量，测得的值为xi (i =1, 2，n)，可以用多次测量的 算术平均值作为被测量的最佳值(假定无系统误差),近似真实值,等精度测量：在相同条件下进行的多次测量 测量列：在等精度测量中的一组n 次测量的值,意义: 表示某次测量值的随机误差在 之间的概率为68.3。,标准偏差：各测量值误差的平方的平均值的平方根，又称为均方差。,误差,这时误差用贝塞尔公式表示,称为标准偏差 （标准差）,意义: 表示某次测量值的随机误差在 之间的概率为68.3。,定义：测量值与近似真实值的差值为偏差,2. 算术平均值的标准偏差,意义: 测量平均值的随机误差在 之间的概率为 68.3%。反映了平均值接近真值的程度。,这个概率叫置信概率，也叫置信度，用p表示，即 p0.683,随机误差在 之间的概率： 95.4%： p0.954,一般：测510次,理论上：测量次数n，,实际测量多少次合适？,由图可知,3.测量的不确定度,: 用统计方法评定,B,仪器误差,A,取,偶然误差,总的不确定度,因真值得不到，测量误差就不能肯定，所以用不确定度的概念对测量数据做出评定比用误差来描述更合理。,仪器误差,一般取：最小刻度（分度值）的1/10、1/5、1/2 或最小刻度,例：用米尺测量某物的长度为20.25cm, 仪器误差取0.05cm,即：L= 20.25 0.05cm,（1）对仪器准确度未知的,（2）对非连续读数仪器（如数字仪表）,取其最末位数的一个最小单位,（3）已知仪器准确度,如一个量程150mA，准确度0.2级的电流表,测某一次电流，读数为131.2mA 最大绝对误差为I=1500.20.3mA 测量的结果：I131.20.3mA,最大绝对误差：,如：电表,电表板面上的符号,2,绝缘强度试验电压为2千伏,或,水平放置,或,垂直放置,二级防外磁场：在强度为400AW/m(5奥斯特)的直流均匀外磁场下，仪表指示值的改变不应超过1.0,工作环境：温度：2050；湿度：95以下,4、t 分布,实际中，测量次数n不可能趋于无穷。当测量次数较少时，随机误差服从的规律是t分布。,t分布的曲线比正态分布的要平坦，两者的分布函数不同，n较小时, t分布偏离正态分布较多，n较大时, 趋于正态分布,不确定度 （t分布）,标准偏差 (正态分布）,t分布 与正态分布的误差计算关系,t值与测量次数有关,下表是当置信度 p=0.95的 t 值,所以对一般的教学实验，也可用Sx作为估算不确定度的公式。,由上表可知，当5n10时， 接近1 ASx,与 及t分布的偏差（不确定度）估算公式对比,测量列中某次测量值的标准偏差,平均值的标准偏差, 测量次数n为有限次：用t分布（也可用贝塞尔公 式）计算直接测量量的不确定度。,对t分布,(1) 偶然误差较大时：,(2)偶然误差与仪器误差相差不大时：,可只取仪器误差,(3)只测一次或偶然误差很小：,因 不确定度,实际中不确定度的处理原则：,例：算得x0.21cm 取x0.3cm,x 只取1位， 下一位0以上的数一律进位,例：,的末位与x所在位对齐，下1位简单采取4舍5入,（1）测量值和绝对误差,5. 测量结果的表达：测量值、绝对误差 和相对误差,有时候还需要将测量结果与公认值或理论值进行比较， 百分误差：,相对误差,一般取2位,（2）相对误差,相对误差,百分误差,完整的结果表示,例：用50分度的游标卡尺测某一圆棒长度L，测量6次，结果如下（单位mm）： 250.08，250.14，250.06, 250.10, 250.06, 250.10 则：测得值的最佳估计值为,测量列的不确定度 （t =2.57),游标卡尺的仪器误差取0.02mm,即I=0.02mm,总的不确定度,例：用螺旋测微计(分度值：0.01mm）测某一钢丝的直径，6次测量值yi分别为：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微计的零位y0为：0.004, 单位mm，请给出测量结果。 解：最佳值 不确定度,结果：y=0.2460.005mm,仪器误差：I=0.004mm,取示值误差，或取1/2分度值0.005mm,间接测量值误差的估计 误差的传递公式,（1）,（2）,完整的结果表示,和相对误差哪个简单，先算哪个,有效数字及其运算规则,1. 有效数字的一般概念,有效数字由准确数字和一位可疑数字组成，,例：13.7mm,注意：（1）末位和中间的0是有效数字，如:13.0cm 、 10.3mm，为3位有效数字 （2）数字前面表示小数点的0不是有效数字，如：0.0130mm为3位有效数字,准确,可疑,（3）变换单位时有效位数不变， 如： 80cm=0.80m0.8m,2、有效数字的运算规则,（1）加减运算的结果末位以参 与运算的小数位最少者相同。 如 7.65+8.268=15.92 75-10.356=65 （2）乘除运算结果的有效位数 多少以参与运算的有效位数 最少的数相同，或多一位。实际：多取一位，最后由不确定度决定。 如 3.841 2.42=9.30 40009=3.6104 2.0000.99=2.00,3位,4位,4位,(3)三角函数、对数、指数运算的结果有效数字,三角函数：结果有效数字由度数的有效位数决定 例：sin30o07(4位） sin30.12o=0.5018 (注意：不要写成sin30o7（3位）),对数：结果的有效数字，其小数点后的位数 与真数的位数相同 例：ln1.550=0.4383,（4）自然数 1,2,3,不是测量而得，可以视为无穷多位有效数字的位数，如D2R，D的位数仅由直测量R的位数决定。 （5）无理常数的位数也可以看成很多位有效数字。例如L2R, 应比R多取一位，若R2.23cm（3位），则取3.142（4位）, 或用计算器输入 。 （6）用计算器进行计算时中间结果可适当多取12位（但不能任意减少）。最后结果有效位数由误差决定。,例 已知一圆柱体的质量 , 高度 , 用千分尺测量得直径D的数据如下表，求圆柱体的密度及不确定度。,解：,=0.003730.004(mm),查表，n6时的t值,取1位,合成不确定度,千分尺的分度值是0.01mm， 若仪器不确定度取1/2分度值： I= 0.005mm,比参加运算的数据中最少的位数多一位，或就用表示。,用附表中最后一行公式,与不确定度所在位对齐（是小数位）,相对不确定度取2位（有效位，不是小数位）,不确定度取1位,作图时要先整理出(或算出）数据表格，并要用正规纸张作图。,用作图法处理数据,作图步骤：实验数据列表如下：,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小 坐标分度值的选取应能反映测量值的有效位数，一般以整数格 对应于数据中最后一位准确位(即数据的倒数第二位）。,2. 标明坐标轴： 用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。,4. 连成图线：,3.标实验点: 实验点可用“ ”、“” 等符号标出。,5.标出图名：在图线下方或空白位置写出图线的名称及某些必要的说明。,数据要列出,T(C0),R(),15.0 20 .0 25 .0 30 .0 35.0 40 .0 45 .0 50 .0 55.0,RT 曲线,2小格为0.01,整数格对应于数据中最后一位准确位(即数据的倒数第二位）：2小格为1 C0,不当图例展示：,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：,图纸使用不当。实际作图时，坐标原点的读数可以不从零开始。,改正为：,1. 实验预习 看懂教材、明确目的、写出预习报告。 预习报告要求： 写实验目的、主要公式、线路图或光路图。 画好原始数据表格。 上课教师要检查预习情况。 即预习报告作正式报告的前半部分。,要用正式报告纸写,2.实验操作 对号入座，等老师讲完要求和注意事项后才动手； 珍惜独立操作的机会，完成基本内容，争取做选做内容； 认真记录数据； 仪器还原(归整）； 教师在预习报告和原始数据上签字； 学生在实验室的登记本上签名。 才离开实验室,3. 实验报告 实验报告要用 正式报告纸。 报告内容： 见绪论要求（其中实验原理 可根据预习要点来写）。数据处理时必须先重新整理原始记录，然后进行计算（应包含主要过程）、作图。最后附上教师签字的原始记录。 交报告的时间：这周做的实验，下一周交报告。逾期未交报告，酌减报告分。,
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