中德物理实验绪论

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1、,,,,,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

2、,,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

3、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

4、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

5、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

6、=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

7、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,”,。,,4.5

8、45,,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。,

9、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,Δ,,相同。,,随机误差,：,,同一条件，同一量,，多次测量时,Δ,不同．,误 差 分 类,,,,,,,,,,,,Δ,,,,,,,,Δ,,,,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

10、 （,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

11、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,,Δ,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

12、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,1,位（有

13、效）数字,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,1,位,,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

14、 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

15、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%,取一位,,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

16、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

17、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

18、,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

19、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

20、.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,“,

21、,·,,”,,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

22、,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,

23、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,

24、21.90),(108.0, 27.80),n,λ,(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,λ,(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,(×1

25、0,5,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,L~F,关系曲线比例: 横轴：,1,cm=10.0g,,纵轴:,1,cm=1.00cm,F/g,L/cm,20.0,40.0,6

26、0.0,80.0,100.0,120.0,20.58,22.40,23.85,25.65,27.02,28.80,20.0,40.0,60.0,80.0,100.0,120.0,(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

27、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

28、,（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,1,位,,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1位,,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！,