大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗緒論PPT學(xué)習教案

1、會計學(xué)1大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗緒論大學(xué)基礎(chǔ)物理實驗緒論第1頁/共90頁第2頁/共90頁n加深大家對理論的理解n使同學(xué)獲得基本的實驗知識，在實驗方法和實驗技能諸方面得到較為系統(tǒng)、嚴格的訓(xùn)練，是大學(xué)里從事科學(xué)實驗的起步n在培養(yǎng)科學(xué)工作者的良好素質(zhì)及科學(xué)世界觀方面，物理實驗課程也起著潛移默化的作用。第3頁/共90頁1uxxxxuxE第4頁/共90頁第5頁/共90頁2.間接測量利用它與另外一些可直接測出的物理量之間的函數(shù)關(guān)系利用它與另外一些可直接測出的物理量之間的函數(shù)關(guān)系間接求取間接求取, 例如：s/tv 第6頁/共90頁讀數(shù)規(guī)則的重要性讀數(shù)規(guī)則的重要性儀器、儀表讀數(shù)的末位即是讀數(shù)誤差所在位，它將直接關(guān)系到

2、對測量不確定度的估計。第7頁/共90頁第8頁/共90頁第9頁/共90頁第10頁/共90頁9.3mm 兩位有效數(shù)兩位有效數(shù)字字0.0093m 兩位有效數(shù)兩位有效數(shù)字字 X第11頁/共90頁數(shù)是無限的。nA 102n)(41. 000.100R4位有效數(shù)字位有效數(shù)字第12頁/共90頁4.187一個四位有效數(shù)字減去一個四位有效數(shù)字結(jié)果是幾位有效數(shù)字一個四位有效數(shù)字減去一個四位有效數(shù)字結(jié)果是幾位有效數(shù)字？9999-1000=8999 9999-9000=9999999-9900=999999-9990=9第13頁/共90頁第14頁/共90頁e, , 3/1 ,2第15頁/共90頁1uxxxxuxE第1

3、6頁/共90頁被測量-作為測量對象的特定量。測得值-由測量所得到的并賦予被測量的值。真 值-被測量客觀存在的真實值。（理想化的概念）約定真值-給定目的、具有一定不確定度的、賦予特定 量的值。常用的約定真值有：國際計量會議約定的值或公稱值（如基本物理常數(shù)、基本單位標準），經(jīng)高一級儀器校驗過的計量標準器的量值等。例如-國際千克原器的質(zhì)量就是國際計量學(xué)約定真值。第17頁/共90頁第18頁/共90頁表示。第19頁/共90頁axx 認識能力不足和科學(xué)技術(shù)水平的限制，儀器制造不可能十分精確，觀測者測量方法和技能技巧受到主、客觀條件的影響；外界環(huán)境條件的干擾，儀器的使用條件不易得到完全滿足，物理量本身客觀存

4、在的真值會發(fā)生變化；理論公式建立在一定理論或條件基礎(chǔ)上的抽象和簡化；每一個測量要素對物理量的測得值均可能產(chǎn)生影響，使其與真值之間不可避免地產(chǎn)生差異。第20頁/共90頁測量誤差的系統(tǒng)部分在相同條件下多次測量同一量時，誤差的絕對值和符號恒定，或在條件改變時按某一確定規(guī)律變化的誤差。測量誤差的隨機部分在相同條件下多次測量同一量時，誤差時大時小、時正時負，無規(guī)則地漲落，但是對大量測量數(shù)據(jù)而言，其誤差遵循統(tǒng)計規(guī)律。第21頁/共90頁 精密度高精密度高 準確度高準確度高 精確度高精確度高隨機誤差隨機誤差 系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差第22頁/共90頁無限次測量有限次測量第23頁/共90頁2/1122/112/)(/n

5、iinixxnaxniiixn的1/nixx/第24頁/共90頁2/1122/1121/) 1/(niinixxnxxnsiiixsnxxixinixix實際測量中的測量次數(shù) 總是有限的，所以，實驗數(shù)據(jù)處理中常以誤差符號代替偏差的符號；即以 代表。 樣本方差、標準偏差樣本方差、標準偏差在有限次測量中，以 表示一組符合正態(tài)分布的等精度測量的取樣標準誤差的精確估計值，稱為樣本標準偏差。算術(shù)平均值的標準偏差也為 的1/ ，即： nssixx/ixsixs第25頁/共90頁xExx/%100)/(000 xxxEx第26頁/共90頁cmxi01.20,99.19,00.20cmx000.203/ )0

6、1.2099.1900.20(cmix010. 0 ,010. 0, 0 cmsix010. 013010. 0)010. 0(0222cmnssixx006. 0用米尺測量黑板擦的長度三次算數(shù)平均值誤差第27頁/共90頁略第28頁/共90頁glT/2IRV 第29頁/共90頁按對系統(tǒng)誤差掌握的程度劃分按對系統(tǒng)誤差掌握的程度劃分第30頁/共90頁第31頁/共90頁第32頁/共90頁),(21mjxxxxfN), 2 , 1(mjxj)d(d1jmjjxxfN)(001jxmjjNxf第33頁/共90頁n主要來源于不確定或無法控制的隨機因素，如觀測者視覺、聽覺的分辨能力及外界環(huán)境影響因素的擾動等

7、。這些外界因素的微小擾動，使單個測量值的誤差毫無規(guī)則，從而導(dǎo)致它們在大量測量中產(chǎn)生正負相消的機會。n相同條件下多次測量的算術(shù)平均值比單個測量值的隨機相同條件下多次測量的算術(shù)平均值比單個測量值的隨機誤差小，增加測量次數(shù)可以減小隨機誤差誤差小，增加測量次數(shù)可以減小隨機誤差。第34頁/共90頁jjxjkaxxjj區(qū)間序號 測得值 (cm)誤差 (cm)出現(xiàn)次數(shù)12.998-0.012423.000-0.010733.002-0.008943.004-0.0061153.006-0.0041463.008-0.0022073.010 0.0002383.012 0.0021793.014 0.0041

8、2103.016 0.00612113.018 0.00810123.020 0.0107133.022 0.0124平均值3.0100 0.000第35頁/共90頁jknkjj/%)100(xfjj/)cm/(%jkjjxjcxjc) 1(表表 測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表表 vf第36頁/共90頁0lim1niin抵償性是隨機誤差最本質(zhì)的統(tǒng)計特性。原則上可以說，凡是具有抵償性的誤差，均可按隨機誤差進行處理。陰影部分的面積表示隨機變量在該數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)的頻率，即： 所有矩形面積之和 圖1縱坐標平移（如虛線所示），有：jjjxfv1%10011jnjjnjjxfv111jnjjnjjfv第37頁

9、/共90頁隨機誤差概率密度分布函數(shù)（正態(tài)分布函數(shù)）的歸一化條件歸一化條件。概率密度函數(shù)為：概率是隨機事件出現(xiàn)可能性大小的概率是隨機事件出現(xiàn)可能性大小的量度量度dd)(fp ndi1d)(d)(xxffpP222/12/exp)2(1)(f第38頁/共90頁niiniinaxn12122/)(/222/12/exp)2(1)(f第39頁/共90頁2121d)()(21fPP/ )(/axt)2/exp(21)(2ttf0a1ttttd2/ )2/exp()(2dd)(fp 第40頁/共90頁)(1)(tt3ucUpp第41頁/共90頁a2/112) 1/(niixixnss2/112) 1(/)

10、(/niiixxnnxxnssxs第42頁/共90頁xkpxaxstu),(auixaxsu第43頁/共90頁xkstx),683. 0( xxaktkkkktfxakde/1) 2/() (/2/ ) 1(), (012/ ) 1(2第44頁/共90頁1 nk),683. 0(kt),90. 0(kt),95. 0(kt),99. 0(kt),999. 0(kt第45頁/共90頁cmxi01.20,99.19,00.20cmx000.203/ )01.2099.1900.20(cmsix010. 01301. 0)01. 0(0222cmnssixx006. 0用米尺測量黑板擦的長度三次算數(shù)

11、平均值cmstuxax008. 032. 1006. 0)2,683. 0(A類標準不確定度第46頁/共90頁t) s (4001. 05/100 . 116/52/1612iitits) s (6000. 06/ittss) s (7000. 06000. 011. 1)5 ,683. 0(ttatstu11. 1)5 ,683. 0(t51 nk例例 以數(shù)字毫秒計時器（時基即最小讀數(shù)單位為1ms）測定氣軌斜面上滑塊由某定點開始下滑時通過一定距離所經(jīng)歷的時間間隔t，在相同條件下獨立測量了次。測得數(shù)據(jù)如下（單位：s）：。試估計其類不確定度。第47頁/共90頁第48頁/共90頁第49頁/共90頁

12、第50頁/共90頁第51頁/共90頁2121., 0,)(rcf或211dd)(f)(, 0)(),/(1)(212112或f2/ )()/(dd )(12122121fa12/)(d)()(21222fa第52頁/共90頁3/bxu3/3/xxbxu第53頁/共90頁)1(/cuxbx)1(c3623/xbxux2.多次測量多次測量其B類不確定度一律遵從均勻分布。設(shè)儀器的分辨率為 ,則，類標準不確定度為：米尺 最小分度值1mm最大允許誤差0.5mm分辨率游標卡尺 螺旋測微器第54頁/共90頁mjmjbjajxuuu1122利用廣義方和根法，即把各標準不確定度利用廣義方和根法，即把各標準不確定

13、度分量平方、求和，再求其算術(shù)平方根分量平方、求和，再求其算術(shù)平方根第55頁/共90頁當測量不確定度的首數(shù)小于當測量不確定度的首數(shù)小于“5 5”時，取兩位數(shù)字，時，取兩位數(shù)字，當其首數(shù)大于或等于當其首數(shù)大于或等于“5 5”時只取一位數(shù)字時只取一位數(shù)字。標準相對不確定度一律取兩位數(shù)字標準相對不確定度一律取兩位數(shù)字。單位xuxExuxx1單位NuNENuNN1測量結(jié)果的表示測量結(jié)果的表示第56頁/共90頁cmxi01.20,99.19,00.20cmx000.203/ )01.2099.1900.20(cmsix010. 01301. 0)01. 0(0222cmnssixx006. 0用米尺測量黑

14、板擦的長度三次算數(shù)平均值cmstuxax008. 0006. 032. 1)2,683. 0(A類標準不確定度cmuuuuxabaxxxx012. 0301. 0008. 03222222合成不確定度第57頁/共90頁tutatut565.196)65.19689.19624.19648.196(t27. 0141412iitits14. 04/ittss317. 014. 02 . 1)3 ,683. 0(atatkstu自由度)(07. 03/2 . 01sub)(006. 03/01. 02sub) s (18. 0006. 007. 017. 022222212bbattuuuu3k第

15、58頁/共90頁解解：測得值的算數(shù)平均值為測得值的算數(shù)平均值為 測得值的最佳估計值為測得值的最佳估計值為 算數(shù)平均值的標準偏差算數(shù)平均值的標準偏差 則則：測量結(jié)果為：測量結(jié)果為 Y0.246(mm)0.0040.25000yyy0.2500(mm)0.250)/60.2530.2510.2470.2500.249(y)(0007. 00006. 011. 1)5 ,683. 0(mmstuyay)(0009. 00006. 00007. 02222mmuuuyybay)(0006. 03/001. 03/mmuybymmnnyysniiy0006. 0) 1()(12例：用螺旋測微計測某一鋼絲

16、的直徑，6次測量值yi分別為：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同時讀得螺旋測微計的零位y0為：0.004, 單位mm，請給出完整的測量結(jié)果。第59頁/共90頁), 2 , 1(),(mjxfNj)d(d1jmjjxxfN), 2 , 1(,12mjuxNumjxjjN第60頁/共90頁第61頁/共90頁cmxi01.20,99.19,00.20用米尺測量黑板擦的長度三次cmuuuxxbax012. 022黑板擦的面積？其不確定度？用米尺測量黑板擦的寬度三次cmyi99. 9 ,00.10,01.10cmuy012. 0yxsdxydyxds2

17、1. 0012. 0000.10000.202222222xysuyuxu)(21. 000.20021. 0000.10000.20cmuyxusssscmx000.20cmy000.10第62頁/共90頁解：等式兩邊取對數(shù)lng=ln(4上式兩邊逐項平方，且以“”號接，并將微分符號“d”改為標準不確定度的符號“u”，再開平方即得到g的相對標準不確定度的公式 Eugug/g(ul/l)2+(2uT/T)21/2求微分 dg/g=dl/l-2dT/T第63頁/共90頁VltpD128402121hhhgpVtpDllnlnlnln4128lnlnVdVtdtppdDdDd 4222224Vut

18、upuDuuVtpD20222122241hhhpuuugu第64頁/共90頁/1Tf 第65頁/共90頁第66頁/共90頁第67頁/共90頁第68頁/共90頁第69頁/共90頁電阻伏安特性曲線電阻伏安特性曲線作圖步驟：作圖步驟： 1.選擇合適的坐標分度值，確選擇合適的坐標分度值，確定坐標紙的大小定坐標紙的大小2. 標明坐標軸：標明坐標軸：3.標實驗點：標實驗點：4. 連成圖線：連成圖線：5.標出圖線特征：標出圖線特征：6.標出圖名：標出圖名：伏安法測電阻實驗數(shù)據(jù)如下：伏安法測電阻實驗數(shù)據(jù)如下： U (V )0.741.522.333.083.664.495.245.986.767.50I (

19、mA)2.004.016.228.209.7512.00 13.99 15.92 18.00 20.01U (V ) 0.74 1.52 2.33 3.08 3.66 4.49 5.24 5.98 6.76 7.50I (m A) 2.00 4.01 6.22 8.20 9.75 12.00 13.99 15.92 18.00 20.01A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由圖上由圖上A、B兩點可得被測電阻兩點可得被測電阻R為為：)k(379. 076. 258.1800. 100. 7ABABIIUURI (mA)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0

20、010.006.002.00U (V)0 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00第70頁/共90頁不當圖例展示不當圖例展示：n1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0(nm)400.0玻璃材料色散曲線圖玻璃材料色散曲線圖曲線太粗，不曲線太粗，不均勻，不光滑均勻，不光滑。應(yīng)該用直尺、應(yīng)該用直尺、曲線板等工具把曲線板等工具把實驗點連成光滑實驗點連成光滑、均勻的細實線、均勻的細實線。圖圖 1第71頁/共90頁改正為改正為：n1.6500500.0700.01.67001.66001.70001

21、.69001.6800600.0(nm)400.0玻璃材料色散曲線圖玻璃材料色散曲線圖第72頁/共90頁2-3 作圖法處理實驗數(shù)據(jù)圖圖2I (mA)U (V)0 02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00電學(xué)元件伏安特性曲線電學(xué)元件伏安特性曲線橫軸坐標分度選橫軸坐標分度選取不當。取不當。橫軸以橫軸以3 cm 代表代表1 V，使作圖和讀圖使作圖和讀圖都很困難。實際在選擇都很困難。實際在選擇坐標分度值時，應(yīng)既滿坐標分度值時，應(yīng)既滿足有效數(shù)字的要求又便足有效數(shù)字的要求又便于作圖和讀圖，于作圖和讀圖，一般以一般以1 mm 代表

22、的量值是代表的量值是10的整數(shù)次冪或是其的整數(shù)次冪或是其2倍或倍或5倍。倍。第73頁/共90頁2-3 作圖法處理實驗數(shù)據(jù)I (mA)U (V)o o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00電學(xué)元件伏安特性曲線電學(xué)元件伏安特性曲線改正為改正為：第74頁/共90頁2-3 作圖法處理實驗數(shù)據(jù)定容氣體壓強溫度曲線定容氣體壓強溫度曲線1.20001.60000.80000.4000圖圖3P(105Pa)t()60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00圖紙使用不當圖紙使用不當。實際作圖時

23、。實際作圖時，坐標原點的，坐標原點的讀數(shù)可以不從讀數(shù)可以不從零開始零開始。第75頁/共90頁2-3 作圖法處理實驗數(shù)據(jù)定容氣體壓強溫度曲線定容氣體壓強溫度曲線1.00001.15001.20001.10001.0500 P(105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t()改正為改正為：第76頁/共90頁xaay102210 xaxaay第77頁/共90頁nnnnxaayxaayxaayxaayxaay101101310321021101innnnnnxaxxayyyxaxxayyyxaxxayyy111112123123211121121)()

24、()()/()(/111xxyyxyann第78頁/共90頁llilililllliixaayxaayxaayxaayxaayxaay21021010110101101iiiliilixaxxayyy11)(li, 2 , 1 liiilliiillxxlyya111/ )(/ )(第79頁/共90頁hbDBlmgE28金屬絲楊氏模量的數(shù)學(xué)表達式 第80頁/共90頁xiimihihih（kg） （mm) （mm) （mm) （mm) 0100.0100.6100.3 2117.2118.0117.6 4134.2135.1134.6 6151.2151.0151.6 8168.1168.8168.4 10185.4185.4185.4jjjhhh3第81頁/共90頁 ABABliliiilliliiilxxyyxlxlylyla/1111111