大学物理实验绪论ha.ppt

绪论 大学物理实验 进出实验室都要刷卡 并在登记表上签名 按照实验台的序号对号入座 注意事项 为什么要上大学物理实验课 物理实验的重要作用 物理学一词最早源于希腊文 字义是自然 现代的含义则是研究物质运动一般规律及物质基本结构的科学 它必须以客观事实为基础 必须依靠观察和实验 归根结底物理学是一门实验科学 无论物理概念的建立还是物理规律的发现都必须以严格的科学实验为基础 并通过今后的科学实验来证实 物理实验的重要作用 实验可以发现新事实 实验结果可以为物理规律的建立提供依据 实验是检验理论正确与否的重要判据 实验可以发现新规律 伽利略的单摆实验和斜面实验为研究力学规律提供了依据 奥斯特发现电流的磁效应 揭示了原来认为性质不同的电现象与磁现象之间的联系 揭开了电磁学研究的序幕 牛顿的色散实验证明了不同颜色的光具有不同折射性能 这个实验不仅为颜色理论奠定了基础 而且为光谱学的发展开辟了道路 19 20世纪之交的年代里 X射线 放射性和电子的发现等为原子物理学 核物理学等的发展奠定了基础 实验检验理论正确与否的重要判据 德布罗意的物质波假说是在电子衍射实验发现以后才得到肯定的 在近代物理方面 1905年爱因斯坦的光量子假说总结了光的微粒说和波动说之间的争论 能很好地解释光电效应实验结果 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效应之后 光的粒子性才为人们所接受 诺贝尔物理学奖从1901年第一次授奖至今已有得主约150名 其中主要以实验物理方面的成就而获奖者约占73 培养学生的基本科学实验技能 使学生初步掌握实验科学的思想和方法 提高学生的分析能力和创新能力 提高学生的科学素养 培养学生理论联系实际 实事求是的科学作风 认真严谨的科学态度 积极主动的探索精神 遵守纪律 团结协作 爱护公共财产的优良品德 物理实验课 一 测量和误差1 测量 所谓测量就是以确定量值为目的的一组操作 测量的结果应包括数值 即度量的倍数 单位以及结果可信赖的程度 用不确定度来表示 测量可分为直接测量与间接测量直接测量指将待测量与预先标定好的仪器或量具进行比较 直接读出量值的大小 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 误差理论与数据处理 2 真值定义 任何一个物理量的大小都是客观存在的并有一个不以人的意志为转移的客观值 米尺 千分尺 光学显微镜 电子显微镜精度逐渐增大由于测量技术 条件以及真值本身的性质 真值是不可得的 测量结果根据需要有限度地接近真值 被测量的真值是一个理想的概念 实验中常用算术平均值代替真值参与运算 3 误差 计算时 误差的表示 绝对误差 相对误差 误差理论与数据处理 1 系统误差 二 误差的分类和来源 特点 在相同条件下 实验方法 仪器 环境 人员 对同一物理量测量时误差的正 负始终保持不变 要么始终偏大 要么始终偏小 不可能一会偏大 一会偏小 误差理论与数据处理 系统误差举例 千分尺的零值误差 修正值 测量值 零值误差 1 仪器的固有缺陷如 刻度不准 零点没有调准 仪器水平面或铅直没有调准 砝码未校准 系统误差举例 mA表外接 伏特表分流 mA表内接 mA表分压 电阻小时适用 电阻大时适用 2 理论方法有误差如 单摆的周期公式成立的条件是摆角趋于零 这在实际上是达不到的 伏安发测电阻时电表内阻的影响 系统误差举例 3 个人误差如用停表计时 有人常使之过快 有人常使之过慢 系统误差 定值的系统误差零点不准积累性的系统误差用受热膨胀的米尺测量 指示值小于真实长度 误差值随待测长度成比例增加 系统误差特点 要么偏大 要么偏小 对于在现有条件下无法克服的系统误差要进行不确定度评定 要在报告中有所体现 系统误差处理 根据具体问题采取一些措施 例如进行零值修正 改进实验方案等在一定程度上去克服它 误差理论与数据处理 2 偶然 随机 误差 随测量次数的增加 偶然 随机 误差遵从统计规律 偶然的或不确定的因素所造成的每一测量值的无规则的涨落 误差理论与数据处理 4 抵偿性 特点 偶然 随机 误差分布函数 1 单峰性 2 对称性 3 有界性 误差理论与数据处理 平均值的标准偏差 测量值的标准偏差 Excel Excel 计算器 误差理论与数据处理 三 不确定度的评定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 1 不确定度评定的意义 在测量方法正确的情况下 不确定度愈小 表示测量结果愈可靠 不确定度必须正确评价 评价得过大 在实验中会怀疑结果的正确性而不能果断地作出判断 在生产中会因测量结果不能满足要求而需再投资 造成浪费 评价得过小 在实验中可能得出错误的结论 在生产中则产品质量不能保证 造成危害 误差理论与数据处理 1 A类评定不确定度 A 统计方法得到的 2 关于不确定度的一些基本概念和分类 不确定度是表征测量结果具有分散性的一个参数 它是被测量的真值在某一量值范围内的一个评定 所谓 标准不确定度 是指以 标准偏差 表示的测量不确定度估计值 简称不确定度 记为 标准不确定度一般可分为以下三类 2 B类评定不确定度 B 非统计方法得到的 3 合成标准不确定度 误差理论与数据处理 1 A类评定不确定度 对单次测量 不计算A类不确定度 3 直接测量标准不确定度的评定 计算器上有单次测量的标准偏差键 则平均值的标准偏差 误差理论与数据处理 例1 2 B类评定不确定度 为简单起见 我们只考虑仪器不确定度 而且按平均分布处理 仪参看教材P10 是用非统计方法获得的 由测量不确定度和仪器不确定度两部分组成 例2 千分尺 误差理论与数据处理 测量结果N的标准不确定度为 3 间接测量的标准不确定度的传递 1 和差形式函数 2 积商形式函数 误差理论与数据处理 3 混合形式函数f 测量结果N的相对不确定度为 例1 不确定度的传递公式举例 常用函数的不确定度传递公式 直接测量数据的处理过程 求测量数据列的平均值 用贝塞尔公式求样本的标准偏差 得到 A 根据使用仪器得出 B 合成总不确定度 给出直接测量的最后结果 间接测量量的不确定度合成步骤 先求出各直接测量量的不确定度 xi 依据Y f x1 x2 xn 关系求出 利用求出 Y或 Y Y 完整表示出Y的值Y y 三 有效数字 测量值读准了的位数加上一位估读位组成有效数字 1 有效数字的概念 从数左边第一个非零数字起到最后一位均为有效数字 误差理论与数据处理 有关有效数字的几点说明 1 有效数字的位数与小数点的位置无关 例如 0 00430m 0 430cm 4 30mm皆为三位有效数字 有效数字前的零不是有效数字 2 数字中间的0和末尾的0均算有效数字 所以末尾的零不能随意增减 例如 200 5mm和30 50cm都是三位有效数字 3 常数不用取有效数字 但在计算时常数所取的位数不应少于其他数值的有效数位 4 一般情况下 绝对误差的有效数位只取一位到二位 不超过两位 误差进位的原则是只进不舍 相对误差EN最多取两位 5 在任何数值中 数值的最后一位应与误差位对齐 正确 错误 例如 误差理论与数据处理 2 仪器的估计读数 1 和仪器的不确定度对齐 读数L 25 6 mm 例1 注 实验报告中要在实验仪器一项中绘制并填写仪器表格 误差理论与数据处理 3 有效数字的运算 1 加减运算 2 乘除运算 3 乘方开方运算 4 测量结果的有效数字位数的确定 和最靠前的对齐 和位数最少的对齐 位数一样 小数点对齐 误差理论与数据处理 四 结果表示 单位 1 结果属于计算出一个量值的 例 误差理论与数据处理 1 作图用纸一般应采用标准坐标纸 图纸的大小应能反映物理量的有效数字 作图区域应占图纸的一半以上 2 取自变量为横坐标 向右增大 取因变量为纵坐标 向上增大 画出纵 横坐标轴 并与图纸上印的线条密切重合 但坐标轴不一定取图纸所印表格的边线 坐标轴的标度值不一定从零开始 3 根据自变量 及因变量 的最低值与最高值 选取合适的作图比例 应取图纸上的1格所表示的原数据的量值变化为1 2 5等数 或它们的十进倍率 2 属于作图的 误差理论与数据处理 4 每隔相同距离 沿轴画一垂直于轴的短线 称为标度线 并在其附近注以标度值 标度值的位数不必取实验数据中的全部有效数字位数 例如2 50只标2 5即可 一般在各坐标轴上可标5 10个标度值 5 对每一坐标轴 要标明物理量的名称及单位符号 标注的方法与表格相同 6 数据点要用端正的 或 等符号来表示 数据点应在符号的中心 符号的大小应相当于不确定度的大小 但为简单起见 也可统一取2 3mm 在一张图纸上作多条曲线时 不同的数据组应使用不同的符号来表示数据点 并在图中适当位置说明不同符号的不同意义 求斜率时取点的符号应采用有别于这些数据点的符号 例如用正三角形 并在其旁标以坐标 坐标值应正确写出有效数字 7 拟合直线或曲线的线条务必匀 细 光滑 不通过图线的数据点应匀称地分布在图线的两侧 且尽量靠近图线 8 在实验报告的图纸中 应写上图名 日期 图纸上的中英文字及数字等均需写端正 误差理论与数据处理 以上是针对用手工作图的 当然也可以借助计算机作图 则有些规则 如数据点在符号的中心 线条匀 细 光滑 书写端正等 是自动满足的 虽然计算机可以任意取比例 使曲线 或直线 充满图纸 但实验作图时不宜采用这种方法 两标度线间的量值变化仍应取1 2 5及其十进倍率为佳 因为只有这样 才易于使用者读图 误差理论与数据处理 误差理论与数据处理 不当 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 不当图例展示 不当 横轴坐标分度选取不当 横轴以3cm代表1V 使作图和读图都很困难 实际在选择坐标分度值时 应既满足有效数字的要求又便于作图和读图 一般以1mm代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍 1 课前预习 1 上课前应通读教材 以求对当次实验有个全面了解 然后按照指定的预习重点 精读有关实验原理 明确要测量的物理量 对主要仪器的功能及使用方法形成一个初步印象 2 课前预习必须做书面预习报告 课上请老师审阅 无预习报告或预习报告不合格者不准上课 预习报告一般包含下列内容 参照范例 实验课程程序 实验目的 实验仪器 实验原理 简明 扼要 实验步骤 实验名称 实验报告的内容 数据记录表格 数据处理 结果陈述与分析讨论 问答思考 预习报告 课后完成 2 实验 1 提前五分钟进入实验室 按组号入座 进任何实验室 都不要擅自动手 以免造成仪器损坏或发生事故 严格按操作要求进行操作 损坏仪器要按规定赔偿 2 注意在细节上培养科学作风 如仪器布局合理整齐 操作姿式正确文明 电学仪器经教师检查后才能通电 不要触摸光学元件的工作表面 实验完毕及时断开电源 整理仪器并恢复到原来的陈列状态 主动请老师指导操作 检查数据 验收仪器 实验课程程序 3 记录完整实验数据 实事求是 有些实验条件 如温度 仪器规格等 比较重要 但不一定参加运算 不要漏记 实验数据不得随意改动 仅当确认测量有误时才能修改 先在原数据上轻轻地划一条横线 再把重新测到的数据工整地写在一旁 必要时应注明更改理由 不应重笔描画 涂抹黑块甚至撕扯挖补 这样既影响卷面整洁 也失去了分析错误的依据 有时毁掉的数据反而是正确的 实验课程程序 4 保持实验环境的安静整洁 不得在室内吸烟 吃零食 扔废纸 藏掖果皮 吐口香糖 大声喧哗和随意走动 要爱护室内设施 不要刻画桌面 实验课绝不以 数据完美 评定成绩 切不可主观意愿更改数据 更不允许抄袭 拼凑和伪造数据 只有依靠真实数据 才能看到事物的本来面貌 操作完毕应主动请教师审核实验记录并签字 不经教师签字的记录无效 实验课程程序 3 实验报告 在预习报告的基础上添加内容 数据整理后重新写入报告正文 原始数据必须附在报告中 数据处理及结论 数据处理包括结果计算 不确定度评定和曲线图等内容 凡属计算 均应有文字公式 代入数据和计算结果等主要运算步骤 不要漏写单位 结论包括测量结果的规范表示和观察现象 研究规律所得出的结论 实验课程程序 问题讨论 对本实验的原理 方法 仪器 不确定度评定的进一步探讨或改进建议 要有具体分析 切忌泛泛空谈 有则写 无则免 回答思考题 注 实验报告要求统一的封面包装 实验课程程序 注意事项 实验课要严格按照轮换表 不能随意更换实验分组 按时上实验课 不迟到 实验要严格按照操作规范和要求 实验时按照仪器编号小心操作 爱护实验仪器和桌面 不要在上面乱刻乱画 保持实验室卫生 不要在实验室吃东西 实验后将仪器摆放好 不要遗留物品及垃圾 实验结束 将仪器摆放好 实验课程评分标准 预习报告20分 实验操作40分 报告40分 仪器调整 数据采集35分整理仪器 签字5分 数据处理20分实验结果陈述10分问答题10分 Excel在处理物理实验数据中的应用 1用Excel处理物理实验数据 1 1误差计算1 2图形绘制1 3线性拟合 1 算术平均值 1 1误差计算 方法一 在G3单元格中直接输入 AVERAGE B3 F3 后回车 1 1误差计算 方法二 用鼠标选取B3 G3单元格 单击工具栏上符号 旁的下拉式三角箭头并选取 平均值 5次测量的平均值将自动显示在G3单元格式中 2 绝对误差 1 1误差计算 3 相对误差 B3的绝对误差 在H3单元格中直接输入 ABS B3 G3 后回车 B3的相对误差 在I3单元格中直接输入 H3 G3 后回车 H3 G3 4 测量值的标准偏差 1 1误差计算 L3 K3 SQRT COUNT B3 F3 5 平均值的标准偏差 方法一 在K3单元格中直接输入 STDEV B3 F3 后回车 1 1误差计算 方法二 选中K3单元格单击工具栏中插入 函数 在弹出对话框中选择 统计 类别中的 STDEV 函数 点击确定后弹出 函数参数 对话框 在Number1空白处用鼠标选择 B3 F3 点击确定 1 2图形绘制 步骤一 建立Excel数据表 点击工具栏中插入 图表向导 选项 则出现图表向导对话框 步骤二 在 图表类型 窗口中选择第五种 即 XY散点图 在 子图表类型 中选择左下角的 折线散点 点击 下一步 按钮弹出图表源数据对话框 1 2图形绘制 步骤三 在 数据区域 空白处用鼠标选择 B3 B8 在 系列产生在 标题后面的两个选项中 用鼠标选择 列 切换到 系列 对话框 在 x值 后空白处用鼠标选择 A3 A8 点击 下一步 按钮弹出 图表选项 对话框 1 2图形绘制 步骤四 在 标题 卡的 图表标题 窗口中输入 伏安法测电阻u I关系图 在x轴窗口中输入 I mA 在Y轴窗口中输入 U V 选中网格线选项的全部四项 单击下一步 点击 完成 按钮 至此实验数据点就在图表上描绘出来了