長(zhǎng)江大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心(課堂PPT)

1、緒 論,長(zhǎng)江大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,代榕,實(shí)驗(yàn)報(bào)告主要內(nèi)容如下:,1、實(shí)驗(yàn)名稱-實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目或?qū)嶒?yàn)選題.,2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康南Ｍ玫降慕Y(jié)果和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo).,3、實(shí)驗(yàn)原理用高度概括的文字語言給出實(shí)驗(yàn)的理論依據(jù)、計(jì)算公式及原理圖.,4、實(shí)驗(yàn)儀器-儀器名稱、型號(hào) 、規(guī)格等.,6、實(shí)驗(yàn)步驟-主要實(shí)驗(yàn)步驟.,7、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理.,8、分析與討論對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以合理評(píng)價(jià).,5、實(shí)驗(yàn)環(huán)境時(shí)間、地點(diǎn) 、溫度 、氣壓等.,本次課程內(nèi)容：,. 物理實(shí)驗(yàn)課的地位與作用、目的與要求,. 測(cè)量、誤差及有效數(shù)字的基礎(chǔ)知識(shí),. 不確定度基本概念及其評(píng)定,. 直接測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定,. 間接測(cè)量結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定,. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處

2、理方法,楊振寧教授：”物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為本的科學(xué)?！?“大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)”是理工科院校各專業(yè)的一門必修的、獨(dú)立設(shè)置的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課；是學(xué)時(shí)最多的實(shí)驗(yàn)課程；是學(xué)生在大學(xué)接受系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開端。,經(jīng)典物理學(xué)規(guī)律是從實(shí)驗(yàn)事實(shí)中總結(jié)出來的。,學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)知識(shí)： 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和觀察、分析和對(duì)物理量的測(cè)量學(xué)習(xí)物理知識(shí)和設(shè)計(jì)思想，進(jìn)一步掌握和理解物理理論。 培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ?1、借助教材或儀器說明書正確使用常用儀器； 2、運(yùn)用物理學(xué)理論對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行初步的分析判斷； 3、正確記錄和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制實(shí)驗(yàn)曲線，說明實(shí) 驗(yàn)結(jié)果，撰寫合格的實(shí)驗(yàn)報(bào)告； 4、能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛢x器設(shè)計(jì)出合理的實(shí)驗(yàn)。,一、物理實(shí)驗(yàn)課的

3、目的,提高實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)： 1、培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)； 2、 嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度； 3、主動(dòng)研究和創(chuàng)新的探索精神； 4、遵守紀(jì)律、團(tuán)結(jié)協(xié)作和愛護(hù)公共財(cái)產(chǎn)的優(yōu)良品德。,二、怎樣學(xué)好物理實(shí)驗(yàn),課前預(yù)習(xí)： 1、上課前應(yīng)通讀教材，以求對(duì)當(dāng)次實(shí)驗(yàn)有個(gè)全面了解，然后按照指定的預(yù)習(xí)重點(diǎn)，精讀有關(guān)數(shù)學(xué)模型，明確要測(cè)量的物理量，對(duì)主要儀器的功能及使用方法形成一個(gè)初步印象。,2、課前預(yù)習(xí)必須做書面預(yù)習(xí)報(bào)告，課上請(qǐng)老師審閱。無預(yù)習(xí)報(bào)告或預(yù)習(xí)報(bào)告不合格者不準(zhǔn)上課。預(yù)習(xí)報(bào)告一般包含下列內(nèi)容：實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器、實(shí)驗(yàn)步驟。,2、認(rèn)真聽講（每個(gè)實(shí)驗(yàn)講10-20分鐘），注意在細(xì)節(jié)上培養(yǎng)科學(xué)作風(fēng).

4、 如儀器布局合理整齊;操作姿式正確文明；電學(xué)儀器經(jīng)教師檢查后才能通電；不要觸摸光學(xué)元件的工作表面；實(shí)驗(yàn)完畢及時(shí)斷開電源，整理儀器并恢復(fù)到原來的陳列狀態(tài)；主動(dòng)請(qǐng)老師指導(dǎo)操作、檢查數(shù)據(jù)、驗(yàn)收儀器。,. 測(cè)量、誤差和有效數(shù)字的基礎(chǔ)知識(shí),一、測(cè)量 二、誤差 三、有效數(shù)字,一、測(cè)量measurement 1.定義：以確定被測(cè)對(duì)象量值為目的的全部操作。 測(cè)量是物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。 或者說，測(cè)量是將待測(cè)量與選作標(biāo)準(zhǔn)的同類量進(jìn)行比較，得出倍數(shù)值。該標(biāo)準(zhǔn)量為單位，倍數(shù)值為數(shù)值。 要明確對(duì)象，選擇方法、實(shí)現(xiàn)測(cè)量各步驟，給出完整的測(cè)量結(jié)果。如：,對(duì)象,量值,誤差,單位,u,不確定度,測(cè)量方法 (步驟) : 用誤差分析和

5、不確定度估計(jì)基礎(chǔ)知識(shí) 請(qǐng)注意！ *完整結(jié)果表示各 應(yīng)有相同的置信概率; 一般只取一位有效數(shù)值.,3、間接測(cè)量結(jié)果表達(dá)式,例2：用單擺測(cè)重力加速度 設(shè)擺長(zhǎng)為 ，擺動(dòng) 次的時(shí)間為 ，則重力加速度公式為：,記錄：用鋼卷尺測(cè)擺線長(zhǎng)為0.9722m（測(cè)1次）,用游標(biāo)卡尺測(cè)擺球直徑為1.265cm（測(cè)1次）,擺動(dòng)50次時(shí)間 ，秒表精度為0.1s，擺幅小于5度,99.32s、99.35s、99.26s、99.22s,解：擺長(zhǎng)=擺線長(zhǎng)+擺球半徑,即：,不確定度的計(jì)算：,擺長(zhǎng)的不確定度：對(duì)于擺長(zhǎng)來說，都是單次測(cè)量，所以：,時(shí)間的不確定度：,重復(fù)測(cè)量：,A類不確定度：,B類不確定度：,合成不確定度：,重力加速度的

6、不確定度：,測(cè)量結(jié)果表達(dá)式為：,一、列表法 二、逐差法 三、圖解法 四、最小二乘法,. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法,實(shí)驗(yàn)中被記錄下來的一些原始數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚砗陀?jì)算才能反映出事物的內(nèi)在規(guī)律或得出測(cè)量值，這種處理的計(jì)算過程稱為數(shù)據(jù)處理。根據(jù)不同的需要，可采用不同的數(shù)據(jù)處理方法。,一.列表法,1、一般在記錄實(shí)驗(yàn)中的原始數(shù)據(jù)時(shí)使用，能較清楚地反映物理量之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。,2、數(shù)據(jù)在列表時(shí)，應(yīng)按以下原則：,（1）表格應(yīng)簡(jiǎn)明、齊全、清楚有條理、分類明顯，便于反映各物理量之間的關(guān)系。,（2）各欄目均應(yīng)標(biāo)明名稱和單位。單位應(yīng)按國(guó)標(biāo)規(guī)定標(biāo)明。名稱若為自定義符號(hào)，應(yīng)加以說明。,（3）表中的數(shù)據(jù)應(yīng)正確反映測(cè)量結(jié)

7、果的有效數(shù)字。,（4）表中列入測(cè)量原始數(shù)據(jù)及處理過程中的一些重要中間結(jié)果。,有效數(shù)字正確,例：,物理量的名稱(符號(hào))和單位,記錄原始數(shù)據(jù)也應(yīng)養(yǎng)成好習(xí)慣,橫平豎直.,由誤差理論可知：算術(shù)平均值最接近于真值，因此實(shí)驗(yàn)中應(yīng)進(jìn)行多次測(cè)量。但是，在下例中多次測(cè)量并不能達(dá)到好的效果。,例：測(cè)量彈簧的倔強(qiáng)系數(shù),其相應(yīng)的彈簧長(zhǎng)度變化量為：,二.逐差法,從上式看到，只有首末兩次的測(cè)量值才對(duì)單次測(cè)量的平均值起作用，而一切中間量都失去意義。這就是說，多次測(cè)量和單次測(cè)量沒有差別,失去了多次測(cè)量減小誤差的優(yōu)越性。,為保持多次測(cè)量的優(yōu)越性，把數(shù)據(jù)分為兩組。,這種處理數(shù)據(jù)的方法稱為逐差法。逐差法的優(yōu)點(diǎn)在于可以充分利用實(shí)驗(yàn)中

8、測(cè)量采集的數(shù)據(jù)，達(dá)到對(duì)數(shù)據(jù)取平均（即保持多次測(cè)量的優(yōu)越性，減少偶然誤差）的效果，而且還可以最大限度地保證不損失有效數(shù)字、減少相對(duì)誤差。是實(shí)驗(yàn)中常用的處理數(shù)據(jù)的方法。,在逐差法計(jì)算中，為了直觀和便于處理，也常用列表格方法來表示，以免搞錯(cuò)。,注意:,逐差法使用的條件 函數(shù)具有 y =kx+b 的線性關(guān)系或x的多項(xiàng)式形式（y = a0a1xa2x2anxn）。,2. 自變量x為等間距變化,即x的每個(gè)改變量x都相等,x即為間距, 兩物理量之間又呈線性關(guān)系時(shí) 。,如：測(cè)定彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)K,作圖法可形象、直觀地顯示出物理量之間的函數(shù)關(guān)系，也可用來求某些物理參數(shù)，因此它是一種重要的數(shù)據(jù)處理方法。作圖時(shí)要先整

9、理出數(shù)據(jù)表格，并要用坐標(biāo)紙作圖。,1.選擇合適的坐標(biāo)分度值，確定坐標(biāo)紙的大小 坐標(biāo)分度值的選取應(yīng)能基本反映測(cè)量值的準(zhǔn)確度或精密度。 根據(jù)表數(shù)據(jù)U 軸可選1mm對(duì)應(yīng)于0.10V，I 軸可選1mm對(duì)應(yīng)于0.20mA，并可定坐標(biāo)紙的大?。源笥谧鴺?biāo)范圍、數(shù)據(jù)范圍） 約為130mm130mm。,作圖步驟：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)列表如下. 表1：伏安法測(cè)電阻實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),三.作圖法,2. 標(biāo)明坐標(biāo)軸： 用粗實(shí)線畫坐標(biāo)軸，用箭頭標(biāo)軸方向，標(biāo)坐標(biāo)軸的名稱或符號(hào)、單位,再按順序標(biāo)出坐標(biāo)軸整分格上的量值。,自變量,因變量,5.標(biāo)出圖線特征： 在圖上空白位置標(biāo)明實(shí)驗(yàn)條件或從圖上得出的某些參數(shù)。如利用所繪直線可給出被測(cè)電阻R大?。簭?/p>

10、所繪直線上讀取兩點(diǎn) A、B 的坐標(biāo)就可求出 R 值。,電阻伏安特性曲線圖,6.標(biāo)出圖名： 在圖線下方或空白位置寫出圖線的名稱及某些必要的說明。,由圖上A、B兩點(diǎn)可得被測(cè)電阻R為：,至此一張圖才算完成,作者：xx,圖名,作圖者姓名,不當(dāng)圖例展示：,曲線太粗，不均勻，不光滑。應(yīng)該用直尺、曲線板等工具把實(shí)驗(yàn)點(diǎn)連成光滑、均勻的細(xì)實(shí)線。,改正為：,橫軸坐標(biāo)分度選取不當(dāng)。橫軸以3 cm 代表1 V，使作圖和讀圖都很困難。實(shí)際在選擇坐標(biāo)分度值時(shí)，應(yīng)既滿足有效數(shù)字的要求又便于作圖和讀圖，一般以1 mm 代表的量值是10的整數(shù)次冪或是其2倍或5倍。,改正為：,圖紙使用不當(dāng)。實(shí)際作圖時(shí)，坐標(biāo)原點(diǎn)的讀數(shù)可以不從零開

11、始。,改正為：,作圖法：直觀、簡(jiǎn)便。但主觀隨意性大（粗略）,逐差法：粗略的近似計(jì)算方法（要滿足一定條件）,回歸分析法：最準(zhǔn)確的計(jì)算方法,定義: 由數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法處理數(shù)據(jù)，通過計(jì)算確定其函數(shù)關(guān)系的方法。,1.推斷函數(shù)形式（回歸方程）,步驟：,如,四.最小二乘法數(shù)據(jù)的直線擬合,最小二乘法的理論基礎(chǔ)、最佳經(jīng)驗(yàn)公式 y = a+bx 中a、b的求解 : 通過實(shí)驗(yàn)，等精度地測(cè)得一組互相獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（xi，yi，i =1，2n），設(shè)此兩物理量 x、y 滿足線性關(guān)系，且假定實(shí)驗(yàn)誤差主要出現(xiàn)在yi上，設(shè)擬合直線公式為 y =f(x)=a+bx，當(dāng)所測(cè)各yi值與擬合直線上各估計(jì)值 f (xi)= a+bxi之間偏差的平方和最小，即 時(shí)，所得擬合公式即為最佳經(jīng)驗(yàn)公式。 據(jù)