物理實驗緒論xfx2市公開課一等獎百校聯(lián)賽特等獎?wù)n件

1大學物理試驗課

緒

論中南大學物理試驗中心2月第1頁2

【1】.物理試驗上課須知【2】.為何要上，怎樣上好物理試驗課【3】.測量、誤差和不確定度預(yù)計【4】.數(shù)據(jù)處理方法介紹第2頁31.上課須知

選課網(wǎng)址8/xuanke

可使用任何連網(wǎng)計算機進行上網(wǎng)選課，服務(wù)器二十四小時開通（系統(tǒng)維護時除外）。物理試驗中心也能夠提供上網(wǎng)選課：第3頁4

學生網(wǎng)上選課須知學習委員認真閱讀學習委員職責并認真?zhèn)鬟_給本班同學，幫助同學完成首次選課中心課程安排，考試安排等都經(jīng)過網(wǎng)站通知欄公布，不再以其它形式通知到每位同學，請同學們隨時關(guān)注中心選課網(wǎng)站通知并相互轉(zhuǎn)告詳細選課方法見學習委員職責購置試驗匯報紙，預(yù)習冊等（第2周周五晚7：00）

如有特殊情況，請至503或403與張劍老師或劉碧蘭老師聯(lián)絡(luò)。中心電話：88836313第4頁5第2次課為引導(dǎo)試驗課每位同學必須完成1次安排在第3周和第4周各位同學自己登陸選擇上課時間和地點8個教室同時開放，講課內(nèi)容是一樣上課時間：早晨1：8:00—10:15早晨2：10:20---12:35下午1:2:00---4:15下午2:4:20----6:35第5頁6試驗項目及考評

試驗項目和進度：每個同學按要求完成15個試驗(48課時)或20個試驗(64課時)或12個項目(40課時),試驗課結(jié)束后未完成要求個數(shù)同學不再補課。

物理試驗成績以平時成績?yōu)橹?，期末考試成績?yōu)檩o，期末考試形式多樣，不論試驗項目是否全部完成，均要參加考試。

第6頁78/labcenter為中心網(wǎng)站，有豐富教學內(nèi)容，包含教學課件、教案、教學錄像、儀器庫、仿真試驗等，歡迎訪問瀏覽。網(wǎng)絡(luò)教學資源第7頁8物理試驗作用

物理學是研究物質(zhì)運動普通規(guī)律及物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)科學，是自然科學基礎(chǔ)學科,是學習其它自然科學和工程技術(shù)基礎(chǔ)。物理學是一門試驗科學，物理試驗在物理學產(chǎn)生、發(fā)展和應(yīng)用過程中起著主要作用?！?】為何要上物理試驗課第8頁9

伽利略把試驗和邏輯引入物理學,使物理學最終成為一門科學。經(jīng)典物理學規(guī)律是從試驗事實中總結(jié)出來。近代物理學是從試驗事實與經(jīng)典物理學矛盾中發(fā)展起來。很多技術(shù)科學是從物理學分支中獨立出去。第9頁10以諾貝爾物理學獎為例：80%以上諾貝爾物理學獎給了試驗物理學家。其余20%獎中很多是試驗和理論物理學家共享。試驗結(jié)果能夠很快得獎，而理論結(jié)果要經(jīng)過最少兩個試驗檢驗。有建立在共同試驗基礎(chǔ)上結(jié)果能夠連續(xù)幾次獲獎。第10頁11

1997：創(chuàng)造了用激光冷卻和俘獲原子方法

StevenChu

Cohen-TannoudjiWilliamD.Phillips

1998：量子霍耳效應(yīng)，電子能夠形成新型粒子

RobertB.LaughlinHorstL.StormerDanielC.Tsui第11頁12

：玻色-愛因斯坦凝聚

EricA.CornellWolfgangKetterleCarlE.Wieman第12頁13

物理試驗課目標學習試驗知識培養(yǎng)試驗?zāi)芰μ嵘囼炈仞B(yǎng)第13頁14

學習試驗知識

經(jīng)過對試驗現(xiàn)象觀察、分析和對物理量測量，學習物理試驗知識和設(shè)計思想，掌握和了解物理理論。第14頁15培養(yǎng)試驗?zāi)芰柚滩幕騼x器說明書正確使用慣用儀器；利用物理學理論對試驗現(xiàn)象進行初步分析判斷；正確統(tǒng)計和處理試驗數(shù)據(jù)，繪制試驗曲線，說明試驗結(jié)果，撰寫合格試驗匯報；能夠依據(jù)試驗?zāi)繕撕蛢x器設(shè)計出合理試驗。第15頁16提升試驗素養(yǎng)培養(yǎng)理論聯(lián)絡(luò)實際和實事求是科學作風；嚴厲認真工作態(tài)度；主動研究和創(chuàng)新探索精神；恪守紀律、團結(jié)協(xié)作和愛護公共財產(chǎn)優(yōu)良品德。第16頁17

物理試驗課程不一樣于普通探索性科學試驗研究，每個試驗題目都經(jīng)過精心設(shè)計、安排，可使同學取得基本試驗知識，在試驗方法和試驗技能諸方面得到較為系統(tǒng)、嚴格訓練，是大學里從事科學試驗起步，同時在培養(yǎng)科學工作者良好素質(zhì)及科學世界觀方面，物理試驗課程也起著潛移默化作用。

希望同學們能重視這門課程學習，經(jīng)過半年時間，真正能學有所得。第17頁18【2】怎樣上好物理試驗課三個主要步驟，平時成績起源試驗預(yù)習—試驗?zāi)芊袢〉弥鲃雨P(guān)鍵試驗操作—試驗課關(guān)鍵步驟試驗匯報—試驗總結(jié)第18頁19試驗預(yù)習

明確試驗?zāi)繕耍A(yù)習試驗原理，了解試驗注意事項。

預(yù)習匯報是試驗工作前期準備，是寫給自己參考用，故要求簡單明了。試驗前應(yīng)清楚此次試驗應(yīng)到達什么目標，經(jīng)過什么試驗方法和測量哪些數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)試驗?zāi)繕恕５?9頁20

實驗名稱，實驗?zāi)?；實驗簡圖（電路圖或光路圖），記錄主要公式；列出記錄數(shù)據(jù)表格（分清已知量、指定量、待測量和單位）。無需照抄實驗原理！預(yù)習匯報內(nèi)容：第20頁21試驗操作要求恪守試驗室規(guī)則；了解試驗儀器使用及注意事項；正式測量之前可作試驗性探索操作；仔細觀察和認真分析試驗現(xiàn)象；如實統(tǒng)計試驗數(shù)據(jù)和現(xiàn)象;

用鋼筆或圓珠筆統(tǒng)計數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)不得改動7.整理儀器，清掃試驗室。第21頁22試驗匯報試驗匯報是寫給同行看，所以必須充分反應(yīng)自己工作收獲和結(jié)果，反應(yīng)自己能力水平，要有自己特色，要有條理性，并注意利用科學術(shù)語，一定要有試驗結(jié)論和對試驗結(jié)果討論、分析或評定。試驗原理要簡明扼要，要有必要電路圖或光路圖，要有主要數(shù)據(jù)處理過程，一定要列出試驗結(jié)果，尤其是利用作圖求得一些物理量。第22頁23試驗匯報內(nèi)容實驗名稱，上課時間，指導(dǎo)老師，姓名學號等；實驗?zāi)浚辉砗喪觯ㄔ韴D、電路圖或光路圖，以及主要計算公式等）；主要實驗儀器設(shè)備；實驗數(shù)據(jù)表格、數(shù)據(jù)處理計算主要過程、作圖及實驗結(jié)果和結(jié)論；實驗現(xiàn)象分析、誤差評估、小結(jié)和討論。第23頁24教學步驟中應(yīng)注意1.學生上課必須按時，不得遲到缺課。2.未完成預(yù)習和預(yù)習匯報者，教師有權(quán)停頓其試驗或成績降檔！3.學生在試驗室儀器組號應(yīng)與其本人學號一一對應(yīng)！離開試驗室前，先將數(shù)據(jù)交給教師審閱署名，然后整理好儀器才能離開。4.試驗匯報（內(nèi)附教師簽字數(shù)據(jù)）必須在一周內(nèi)交至物理樓四樓試驗匯報柜內(nèi)！第24頁25【3】測量、誤差和不確定度預(yù)計3.1測量與有效數(shù)字3.2測量誤差和不確定度估算基礎(chǔ)知識第25頁26測量與有效數(shù)字測量有效數(shù)字讀取有效數(shù)字運算有效數(shù)字尾數(shù)舍取規(guī)則第26頁27測量

物理試驗以測量為基礎(chǔ)，所謂測量，就是用適當工具或儀器，經(jīng)過科學方法，將反應(yīng)被測對象一些特征物理量（被測物理量）與選作標準單位同類物理量進行比較過程，其比值即為被測物理量測量值。第27頁28

直接測量：直接將待測物理量與選定同類物理量標準單位相比較直接得到測量值；間接測量：利用直接測量量與被測量之間已知函數(shù)關(guān)系，求得該被測物理。測量值

=讀數(shù)值(有效數(shù)字)+單位有效數(shù)字＝可靠數(shù)字＋可疑數(shù)字測量結(jié)果中，可靠幾位數(shù)字加上可疑一位數(shù)字，統(tǒng)稱為測量結(jié)果有效數(shù)字。

測量第28頁29有效數(shù)字讀取圖a測量有效數(shù)字為2.4cm圖b測量有效數(shù)字為2.43cm第29頁30有效數(shù)字運算加、減法：諸量相加（相減）時，其和（差）數(shù)在小數(shù)點后所應(yīng)保留位數(shù)與諸數(shù)中小數(shù)點后位數(shù)最少一個相同。

4.178+21.3

25.478=

25.5第30頁31若各分量給出了誤差，則先求絕對誤差，計算時舍去小于分量中最大絕對誤差1/3分誤差，在誤差運算過程中取兩位，結(jié)果取一位；計算Y，各分量位數(shù)取到比誤差所在位多一位；用絕對誤差決定最終有效數(shù)字。求：Y=A+B-CA=(1.324±0.002)cmB=(35.7±0.4)cmC=(2.34±0.06)cm解（1）

(2)Y=1.32+35.7+2.34=39.36cm(3)Y=39.4±0.4cm有效數(shù)字運算第31頁32

乘、除法：諸量相乘（除）后其積（商）所保留有效數(shù)字，只須與諸因子中有效數(shù)字最少一個相同。

4.178×10.1

41784178

421978=42.2第32頁33若給出各分量誤差，則誤差在運算過程中取兩位，最終結(jié)果取一位。最終由絕對誤差決定最終結(jié)果有效數(shù)字到哪一位。第33頁34函數(shù)運算規(guī)則及有效數(shù)字（1）通常函數(shù)有效數(shù)字同自變量相同；（2）若自變量給出了不確定度，則（1）結(jié)果多保留一位或幾位，再用傳遞公式計算函數(shù)不確定度；（3）由不確定度決定最終有效數(shù)字位數(shù)。

另外，自變量未給出不確定度，還能夠用近似不確定度方法確定函數(shù)有效數(shù)字位數(shù)。自變量近似不確定度即為量具最小分度值。第34頁35例1：解：注意：若x未給出不確定度，可取其近似不確定度為量具最小分度值1分，進而可求出y不確定度，最終決定y有效數(shù)字位數(shù)，如例2。已知

，計算。第35頁36例2：解：x近似不確定度為

已知，計算。

由y不確定度決定了y有效數(shù)字需保留到小數(shù)點后3位。通常對數(shù)小數(shù)點后位數(shù)與真數(shù)有效位數(shù)相同。第36頁37有效數(shù)字尾數(shù)舍入規(guī)則例：若需保留四位有效數(shù)字

4.32749→4.3274.32751→4.3284.32750→4.3284.32850→4.328“四舍五入”規(guī)則入機會總是大于舍機會，因而不合理。現(xiàn)在通用規(guī)則是：“四舍六入五湊偶”，即被舍位數(shù)字小于五舍大于五入；等于五時，若保留末位數(shù)字為奇數(shù)時，則加1，為偶數(shù)時則不變，即把保留末位數(shù)湊為偶數(shù)。第37頁381、“0”在數(shù)據(jù)中作用

“0”

在其它數(shù)字之間或之后為有效數(shù)字，在之前則不是有效數(shù)字。比如：O.3和0.03都是一位有效數(shù)字，而103.00則是五位有效數(shù)字。

2、單位換算對有效數(shù)字影響

非十進制單位換算時，有效數(shù)字位數(shù)能夠改變。例如時間min，1.8為兩位有效數(shù)字，誤差位在O.1min=6s位上。若以秒為單位，應(yīng)寫成：

s，誤差位仍在秒位上，并未改變數(shù)據(jù)精度，但108為三位有效數(shù)字。

有效數(shù)字幾個注意問題第38頁39十進制單位換算不影響有效數(shù)字

比如80.20g是四位有效數(shù)字，若用千克單位表示則為O.08020kg，仍為四位有效數(shù)字。不過用毫克單位表示寫成80200mg，就有問題了，因為按有效數(shù)字要求，最終一位是有誤差數(shù)，原來數(shù)據(jù)80.20g有誤差數(shù)是在1/100g位上，當寫成80200mg時有誤差數(shù)是在1/1000g位上，則數(shù)據(jù)準確性變了。為了處理這個矛盾，應(yīng)使用所謂科學記數(shù)法，即把數(shù)據(jù)寫成小數(shù)點前只有一位，再乘以lO冪次來表示。如上述質(zhì)量數(shù)據(jù)可寫成8.020×104mg或8.020×10-2kg，它們都是四位有效數(shù)字，這么在十進制單位換算時，不會改變有效數(shù)字位數(shù)。第39頁40測量誤差和不確定度估算基礎(chǔ)知識誤差隨機誤差處理測量結(jié)果不確定度表示間接測量不確定度合成第40頁41對一個待測物理量x而言：

誤差dx＝測量結(jié)果x

－真值μ

真值：物理量在一定試驗條件下客觀存在值。誤差第41頁42

測量誤差存在于一切測量過程中，能夠控制得越來越小，不可能為零。誤差第42頁43系統(tǒng)誤差定義：在對同一被測量屢次測量過程中，絕對值和符號保持恒定或隨測量條件改變而按確定規(guī)律改變。產(chǎn)生原因：因為測量儀器、測量方法、環(huán)境帶入。分類及處理方法：

1已定系統(tǒng)誤差：必須修正

電表、螺旋測微計零位誤差；測電壓、電流時因為忽略表內(nèi)阻引發(fā)誤差。2未定系統(tǒng)誤差：要預(yù)計出分布范圍

如：螺旋測微計制造時螺紋公差等。誤差第43頁44

隨機誤差

定義：在對同一量屢次重復(fù)測量中絕對值和符號以不可預(yù)知方式改變測量誤差分量。產(chǎn)生原因：試驗條件和環(huán)境原因無規(guī)則起伏改變，引發(fā)測量值圍繞真值發(fā)生漲落改變。

比如：電表軸承摩擦力變動；螺旋測微計測力在一定范圍內(nèi)隨機改變；操作讀數(shù)時視差影響屢次測量誤差滿足正態(tài)分布，含有以下特點：（1）對稱性:正負誤差出現(xiàn)概率基本相同；（2）有界性:存在絕對值最大誤差；（3）單峰性:絕對值小誤差出現(xiàn)概率大，絕對值大誤差出現(xiàn)概率??；（4）抵償性:當測量次數(shù)足夠多時，絕對值相等正負誤差出現(xiàn)概率大致相等，可相互抵消：第44頁45

隨機誤差特點。第45頁46標準差小：表示測得值很密集，隨機誤差分布范圍窄，測量精密度高；標準差大：表示測得值很分散，隨機誤差分布范圍寬，測量精密度低。

標準差表示測量值離散程度第46頁47

任意一次測量值落入?yún)^(qū)間概率為這個概率叫置信概率，也稱為置信度。對應(yīng)區(qū)間叫置信區(qū)間，表示為:第47頁48

擴大置信區(qū)間，可增加置信概率:第48頁49

平均值假定對一個物理量進行了n次測量，測得值為xi(i=1,2，…，n)能夠用屢次測量算術(shù)平均值作為被測量最正確預(yù)計值，測量次數(shù)n為無窮大時，算術(shù)平均值等于真值。第49頁50

有限測量時，算術(shù)平均值不等于真值，它標準偏差為：

平均值偏差屢次測量能夠減小隨機誤差第50頁51直接測量結(jié)果表示及其總不確定度計算測量結(jié)果表示式：總不確定度：——指用統(tǒng)計方法計算出不確定度分量不確定度：是指因為測量誤差存在而對被測量真值不能必定程度。

1)

不確定度類分量

第51頁52對于有限次測量：測量列不確定度：平均值不確定度：這時：

上面兩式中稱為“因子”，與測量次數(shù)和置信概率相關(guān)，在大學物理試驗中，當測量次數(shù)時，可近似取為1。直接測量結(jié)果表示及其總不確定度計算n23456789101520t1.841.321.201.141.111.091.081.071.061.041.031測量次數(shù)與t因子對應(yīng)關(guān)系：第52頁53——指用其它方法計算出不確定度分量2)

總不確定度

類分量

本課程中，近似地取：3)

總不確定度合成：

4)

誤差判定與剔除

當測量列不確定度

時，待測量真值隨機誤差落在

這個區(qū)間以外概率僅為0.3%，所以，

稱為測量列極限誤差。

直接測量結(jié)果表示及其總不確定度計算第53頁54注意：1.平均值有效數(shù)字位數(shù)不要超出測量值有效數(shù)字位數(shù)；2.不確定度最終只保留1位有效數(shù)字；平均值最終一位有效數(shù)字要和不確定度對齊；3.相對不確定度保留1-2位有效數(shù)字。第54頁55直接測量不確定度計算舉例例1：用螺旋測微計測某一鋼絲直徑，原始數(shù)據(jù)見下表，請給出完整測量結(jié)果。d0=+0.004mm,螺旋測微計儀器允差為Δ儀=0.004mm123456（mm）0.2490.2500.2470.2510.2530.250原始數(shù)據(jù)表格第55頁56

例１解：

d0=+0.004mm,螺旋測微計儀器允差為Δ儀=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-0.001-0.0030.000沒有異常數(shù)據(jù),不用剔除第56頁57

例１解：

第57頁58測量結(jié)果表示為

第58頁59間接測量結(jié)果表示和總不確定度預(yù)計

1)

間接測量結(jié)果普通表示：

即：間接測量量平均值等于將各直接測量量平均值帶入函數(shù)關(guān)系式后結(jié)果。

2)

間接測量結(jié)果總不確定度：

第59頁603)百分差第60頁61慣用公式同學們能夠用偏微分知識自己推導(dǎo)這些公式

第61頁62間接測量不確定度合成過程1.求出各直接測量量平均值和合成不確定度(加減時)或相對不確定度(乘除、指數(shù)時);2.依據(jù)公式求出間接測量量合成不確定度或相對不確定度;3.用各量平均值求出間接測量量平均值。利用平均值并求出相對不確定度或合成不確定度;4.表示測量結(jié)果第62頁63環(huán)體積對數(shù)及其偏導(dǎo)數(shù)為：解：這是間接測量問題。環(huán)體積為：間接測量量不確定度合成舉例第63頁64代入上式：第64頁65所以，環(huán)體積為：第65頁66【3】數(shù)據(jù)處理方法3.1作圖法處理試驗數(shù)據(jù)3.2最小二乘法直線擬合3.3逐差法第66頁67

作圖法可形象、直觀地顯示出物理量之間函數(shù)關(guān)系，也可用來求一些物理參數(shù)，所以它是一個主要數(shù)據(jù)處理方法。作圖時要先整理出數(shù)據(jù)表格，并要用坐標紙作圖。1.選擇適當坐標分度值，確定坐標紙大小

坐標分度值選取應(yīng)能基本反應(yīng)測量值準確度或精密度。依據(jù)表１數(shù)據(jù)U軸可選1mm對應(yīng)于0.10V，I軸可選1mm對應(yīng)于0.20mA，并可定坐標紙大?。源笥谧鴺朔秶?shù)據(jù)范圍）約為130mm×130m。表1：伏安法測電阻試驗數(shù)據(jù)作圖法處理試驗數(shù)據(jù)步驟

例：

第67頁682.標明坐標軸：

用粗實線畫坐標軸，用箭頭標軸方向，標坐標軸名稱或符號、單位,再按次序標出坐標軸整分格上量值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004.連成圖線：

用直尺、曲線板等把點連成直線、光滑曲線。普通不強求直線或曲線經(jīng)過每個試驗點，應(yīng)使圖線線正穿過試驗點時能夠在兩邊試驗點與圖線最為靠近且分布大致均勻。圖點處斷開。3.標試驗點：

試驗點可用“”、“”、“”等符號標出（同一坐標系下不一樣曲線用不一樣符號）。

第68頁695.標出圖線特征：

在圖上空白位置標明試驗條件或從圖上得出一些參數(shù)。如利用所繪直線可給出被測電阻R大?。簭乃L直線上讀取兩點A、B坐標就可求出R

值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.006.標出圖名：

在圖線下方或空白位置寫出圖線名稱及一些必要說明。A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由圖上A、B兩點可得被測電阻R為：至此一張圖才算完成電阻伏安特征曲線作者：xx第69頁70不妥圖例展示：nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲線圖圖

1不妥：曲線太粗，不均勻，不光滑。應(yīng)該用直尺、曲線板等工具把試驗點連成光滑、均勻細實線。第70頁71nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲線圖更正為：第71頁72圖2I(mA)U(V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00電學元件伏安特征曲線不妥：橫軸坐標分度選取不妥。橫軸以3cm

代表1V，使作圖和讀圖都很困難。實際在選擇坐標分度值時，應(yīng)既滿足有效數(shù)字要求又便于作圖和讀圖，普通以1mm代表量值是10整數(shù)次冪或是其2倍或5倍。第72頁73I(mA)U(V)o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00電學元件伏安特征曲線更正為：第73頁74計算機作圖例子（ORIGIN）第74頁75最小二乘法直線擬合設(shè)此兩物理量x、y滿足線性關(guān)系y=a+bx，等精度地測得一組相互獨立試驗數(shù)據(jù)

{xi，yi}i=1,…..,n當所測各yi

值與擬合直線上a+bxi之間偏差平方和最小，即

所得系數(shù)a,b最好,擬合公式即為最正確經(jīng)驗公式。第75頁76

第76頁77解方程得:第77頁78

相關(guān)系數(shù)r

：

最小二乘法處理數(shù)據(jù)除給出a、b外，還應(yīng)給出相關(guān)系數(shù)r，

r定義為