大学物理实验电子教案

大学物理实验电子教案

大学物理实验电子教案信阳师范学院物理电子工程学院制作者:刘慧2010.081大学物理实验\n第一章绪论2大学物理实验\n大学物理实验课的作用大学物理实验课是高等理工科院校的一门必修基础课程，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。物理实验课和物理理论课具有同等重要的地位。3大学物理实验\n大学物理实验课的任务通过大学物理实验课的学习，学生应在习惯、知识、能力三方面达到如下要求。（一）培养良好的科学实验素养。（二）掌握物理实验理论基础知识,加深对物理学原理的理解。（三）培养和提高学生的科学实验能力。4大学物理实验\n物理实验基本程序和要求1.实验课前预习(１)课前要认真预习，了解实验仪器的使用及注意事项；(２)写出预习报告（实验题目、目的、原理、主要原理公式、测量条件、简图,主要仪器设备,实验数据记录表格（分清已知量、指定量、待测量和单位），思考题及实验注意事项等。2.课堂实验操作(１)根据实验分组情况，按时上课，不准无故旷课或私自调课，有事须向老师请假，否则将不允许补做实验；(２)上课时间自觉遵守课堂纪律，不准大声喧哗和相互走动，更不准私自离开实验台；遵守实验室规则，进入实验室必须在记录本上签字．5大学物理实验\n(４)仪器安装调试后经教师检查无误后方可进行实验操作。(５)仔细观察和认真分析实验现象．(６)如实记录实验数据和现象(必须记录在实验报告纸上)．用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得改动，不能使用涂改液，必须由实验老师亲笔签字.(３)必须在了解仪器的工作原理、使用方法、注意事项的基础上，才能进行实验。(２)上课需带预习报告、实验讲义、笔、尺、计算　　　　　　　　器等方可进入实验室。6大学物理实验\n(７)认真填写实验情况记录．(８)实验后将使用的仪器整理好,归回原处。清扫实验室。经教师允许后方可离开实验室。(９)在课堂实验后独立完成实验报告．写实验报告时，要求努力做到字迹端正，文句通顺，数据记录整洁，图表正确，内容简明扼要。实验报告应附经指导老师签字的原始数据记录表格，一周之后交指导老师批阅．7大学物理实验\n3、实验报告_______________________________实验报告_______系(院)专业年级组指导教师_______实验者学号同实验者实验日期成绩____________________________________________________________________________________________实验题目………………………………………………………………………………………………………主要仪器名称………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………实验原理………………………………………………………………8大学物理实验\n主要操作步骤实验数据记录结果分析及讨论（含数据处理的主要过程）………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………9大学物理实验\n▲实验课单独开设,算学分▲不能私自调课,更不能旷课,实验课缺课1/3,将不再允许参加考试,必须重修.▲实验室仪器设备及实验材料必须爱惜,损坏按规定照价赔偿.特别注意玻璃制品,电器设备等.▲实验课考试方法分为两部分:平时考核+期终考试▲实验成绩=平时成绩(40%)+操作(理论)成绩(60%)▲实验课没有补考,只有重修.重修必须把8个实验全部补完,实验报告补齐才允许参加考试.遵守实验室规则,严禁随意摆弄仪器设备;保持室内安静、卫生.4、注意事项◆10大学物理实验\n第二章测量误差§1测量与误差§2误差处理§3有效数字的记录与运算§4测量结果的不确定度评定11大学物理实验\n物理实验是对物理现象、运动规律的定量的认识,当然离不开测量,但决不仅仅是测量,还需从一定的理论出发，对测量数据加以分析,归纳出有关结论。§1测量与误差一.测量及其分类12大学物理实验\n它包含着：理论实验方法仪器选择测量数据处理结果分析等环节，可见物理实验包括测量，但物理实验决不是单纯的测量。测量是用仪器通过一定的方法，进行实验比较，以某一计量单位，把待测量定量地表示出来。13大学物理实验\n测量的分类直接测量间接测量等精度测量不等精度测量方法比较、放大、补偿、模拟.转换非电量电测非光量的光测干涉计量14大学物理实验\n二.误差与偏差1、真值与误差测量值x：通过直接测量或间接测量得到的物理量的值。绝对误差：真值x0:一个物理量客观存在的量值，与测量所用的理论方法及仪器无关。15大学物理实验\n2、最佳值与偏差是评价测量值准确与否的客观标准。最佳值：多次测量的算术平均值偏差：相对误差：16大学物理实验\n三、误差的分类系统误差随机误差17大学物理实验\n1.系统误差仪器误差理论人为环境方法产生原因18大学物理实验\n系统误差特点是增加测量次数误差不能减少，只能从方法、理论、仪器等方面的改进与修正来实现。表现出恒偏大、恒偏小或周期性的特点。19大学物理实验\n测量过程中另一类不可避免无法预料的误差,来自于大量的微小的干扰的合成。其影响程度表现为随机特性，增加测量次数可减小其影响,通过多次测量求平均值的方法,可以使随机误差相互抵消,算术平均值与真值较为接近,物理基本实验中,一般将算术平均值取作测量结果。2.随机误差误差=随机误差+系统误差20大学物理实验\n§2误差的估算一.处理系统误差的一般知识1、发现系统误差的方法2、系统误差的减小与消除理论分析法实验对比法数据分析法误差根源：减小、消除实验技巧：交换法、替代法、异号法等。21大学物理实验\n随机误差对任一次测量结果的影响具有随机性特点。但在多次测量中表现出确定的规律即统计规律。可用来对随机误差的影响程度作出客观的评价。二.随机误差及分布22大学物理实验\n1、标准误差与标准偏差标准误差（标准差)：标准偏差※测量次数n为有限次时用其计算直接测量量的实验标准差。23大学物理实验\n2、平均值的实验标准差有限次测量的算术平均值亦为随机变量，其实验标准差为：是用测量列的平均值作为真值x0的最佳估计值时，x0与两者之间的偏离程度。24大学物理实验\n平均值的实验标准差比任何一次测量的实验标准差小,增加测量次数,可以减少平均值的实验标准差,提高测量的准确度.但是,n>10以后,n再增加,减小缓慢,因此,在物理实验教学中一般取n为5～10次s0510n15051015sn测量次数对的影响25大学物理实验\n§3.有效数字的记录与计算数据左起第一位非零数起,到第一位欠准数止的全部数字。有效数字=准确数字+欠准数位一、有效数字的一般概念26大学物理实验\n有效数字来源于测量时所用的仪器。我们的任务是使测量值尽可能准确地反映出它的真实值。有两个特征：（2）在最小刻度之间可估计一位。欠准位准确位（1）以刻度为依据可读到最小刻度所在位。27大学物理实验\n3536(cm)[1]位置为35.00cm,不能写成35cm。[1][2]位置为35.40cm[2][3][3]位置介于35.7--35.8之间,最接近真实位置的值,既不是35.7,也不是35.8,而是35.7--35.8之间的某值,可以估计为35.75.35.7635.77，不妨取35.76cm。估计值只有一位，所以也叫欠准数位或可疑数位。28大学物理实验\n有效数字的特点（1）位数与小数点的位置无关。35.76cm=0.3576m=0.0003576km（2）0的地位0.00035763.0053.000都是四位（3）科学计数法29大学物理实验\n二、有效数字的读取进行直接测量时，由于仪器多种多样，正确读取有效数字的方法大致归纳如下：1、一般读数应读到最小分度以下再估一位。例如，1/2，1/5，1/4，1/10等。2、有时读数的估计位，就取在最小分度位。例如，仪器的最小分度值为0.5，则0.1-0.4,0.6-0.9都是估计的，不必估到下一位。30大学物理实验\n3、游标类量具，读到卡尺分度值。多不估读，特殊情况估读到游标分度值的一半。4、数字式仪表及步进读数仪器不需估读。5、若测值恰为整数，必须补零，直补到可疑位。31大学物理实验\n三.有效数字的运算规则[１]加减：与位数最少者对齐。[２]乘除：一般可与位数最少者相同。[４]幂运算、对数（指数）、三角函数(反三角）不改变有效数字位数。[３]乘方开方:有效数字与其底的有效数字相同。32大学物理实验\n加、减法33大学物理实验\n乘法34大学物理实验\n初等函数运算四位有效数字，经正弦运算后得几位？问题是在位上有波动，比如为，对正弦值影响到哪一位，哪一位就应是欠准数所在位。根据微分在近似计算中的应用，可知：第四位为欠准数位。35大学物理实验\n1.误差的有效数字一般情况下误差的有效数字取一位，精密测量情况下，误差的有效数字可取二位。2.测量结果的有效数字测量结果最佳值的有效数字的末位与误差首位取齐。例：4.3274９→4.3274.3275１→4.3284.3276２→4.3284.3285０→4.328四、舍入法则3.舍入规则：四舍六入五凑偶36大学物理实验\n一.测量不确定度的基本概念不确定度u是由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。§4测量结果的不确定度评定不确定度是一定置信概率下的误差限值,反映了可能存在的误差分布范围。1、不确定度的定义测量值N与真值N0之差的绝对值以一定的概率分布在之间，即（置信概率为P)37大学物理实验\n2、不确定度的分量当置信概率取0.95，6≤n≤10时，A类分量可简化为：A类分量：多次重复测量，可以用统计学方法估算的分量；一般指随机误差。38大学物理实验\nB类分量：不能用统计学估算的分量；一般指系统误差。是仪器误差（限）若不特别说明，B类分量可简化为例如：a:游标卡尺，仪器示值误差一律取卡尺分度值。b:螺旋测微计，量程在0—25mm及25—50mm的一级千分尺的仪器示值误差均mm.c:天平的示值误差，本书约定天平标尺分度值的一半为仪器的示值误差。39大学物理实验\n二.直接测量结果的不确定度评定将测量得到的数据整理、计算得出有关结果,并对结果的好坏作出客观地评价。数据处理是整个实验中最后一个关键环节。40大学物理实验\n1、合成不确定度＊各不确定度相互独立2、测量结果的不确定度表示（单位）…相对不确定度扩展不确定度41大学物理实验\n合成方法:相对不确定度:结果表示:42大学物理实验\n注意1.根据有效数字运算规则,确定计算结果的位数。2.不确定度和相对不确定度保留1-2位有效数字（本课程规定保留1位有效数字的舍入采取只进不舍的规则）3.平均值的末位数字要与不确定度的末位的末位数字对齐。例：L=(1.00±0.02)cm43大学物理实验\n3、直接测量量不确定度估算过程与表示1.求测量数据的平均测值5.合成不确定2.用已知系统误差修正平均值3.计算标准差４．6.表示测量结果44大学物理实验\n直接测量列数据处理举例1.用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值Li分别为:0.249mm,0.250mm,0.247mm,0.251mm,0.253mm,0.250mm;同时读得螺旋测微计的零位为：+0.004,已知螺旋测微计的仪器允差Δ仪=0.004mm,请给出完整的测量结果.45大学物理实验\n解：（零位修正）46大学物理实验\n测量结果表示为47大学物理实验\n单次测量当无需、无法多次测量、或仪器精密度差，只测量一次时，48大学物理实验\n三、间接测量量的不确定度评定间接测量量N与直接测量量的函数关系：直接测量量的不确定度为则N必具有不确定度49大学物理实验\n1、间接测量量的最佳值直接测量量的最佳值为间接测量量的最佳值为：50大学物理实验\n2、间接测量量不确定度的合成和差形式方便乘除指数形式方便常用公式51大学物理实验\n3、间接测量结果不确定度评定的步骤1、计算2、计算3、计算4、最后结果{52大学物理实验\n间接测量量数据处理举例测得某园柱体质量M，直径D，高度H值如下，计算其密度及不确定度。53大学物理实验\n54大学物理实验\n55大学物理实验\n第三章数据处理§1数据处理的基本方法１.列表法２.作图法３.逐差法４.最小二乘法56大学物理实验\n一.列表法简单明了，要求数据清晰不能涂改，单位规范，并加必要说明。X(物理量)(单位)X1X2XnY(物理量)(单位)Y1Y2Yn57大学物理实验\n序号温度t（℃）电阻R（Ω）110.510.42229.410.92342.711.32460.011.80575.012.24691.012.67测定金属电阻的温度系数例：58大学物理实验\n二作图法注意:[1]根据数据的分布范围，合理选择单位长度及坐标轴始末端的数值，并以有效数字的形式标出。[2]将实验点的位置用符号X或等标在图上，用铅笔连成光滑曲线或一条直线，并标出曲线的名称。59大学物理实验\n[3]线性关系数据求直线的斜率时,应在直线上选相距较远的两新点A.B标明位置及坐标A(X1Y1),B(X2Y2)由此求得斜率。作图法特点:简单明了。缺点:有一定任意性（人为因素），故不能求不确定度。非线性关系数据可进行曲线改直后再处理60大学物理实验\n三.逐差法当X等间隔变化，且X的误差可以不计的条件下，将其分成两组，进行逐差可求得：对于X：X1XnX2nY：Y1YnY2n61大学物理实验\n四.最小二乘法是从统计的角度处理数据，并能得到测量结果不确定度的一种方法。满足线性关系Y=a+bX若最简单的情况:62大学物理实验\n由于每次测量均有误差，使在所有误差平方和为最小的条件下，得到的方程Y=a+bX的方法叫最小二乘法。63大学物理实验\n使之满足的条件，得出应由64大学物理实验\n解联立方程得：65大学物理实验\n称为线性相关系数，作为Y与X线性相关程度的评价。相关系数X、y完全线性相关X、y不相关66大学物理实验\n本课程预期达到以下要求1.在误差基本知识的基础上,学会如何得到真值的最佳估计值,如何估算在随机干扰下所产生误差的大小。2.通过分析实验过程各个环节上不确定度因素的存在,对总的不确定度作近似计算。67大学物理实验\n3.掌握不同情况下数据处理的方法及特点。4.正确建立有效数字的概念。5.掌握有效数字的运算规律。68大学物理实验\n本课件结束再见69大学物理实验