大学物理实验-陈秉岩(全套课件).pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,大学物理实验理论知识,1/34,陈秉岩，博士,2019.03.16,8:30-11:00,厚德楼,M113,2/34,物理实验中心教学,-,科研平台,2/34,物理实验中心教学,-,科研平台,物理科技创新实验室,示波器实验,2/34,物理实验中心教学,-,科研平台,2/34,教材及内容简介,面向,新,工科基础教育,体系，突出物理学与多学科交叉复合、理科衍生新兴工科的专业建设,。,以,先进技术和设备培养人,，重点,突出学科综合、自主设计、建模仿真和科研创新实验项目。,2/34,教材及内容简介,实验报告需小心拆卸；,新印版本将独立包装。,看,懂教材,明确目的,了解实验内容和操作过程,并写出实验预习报告,预习报告要求,:,根据实验报告，把除数据记录与处理部分和问答部分外的所有其他部分都填充完整,实验课之前一定要完成实验预习报告,否则不允许进行实验操作,.,一、课前预习,强调,:,大学物理实验基本,程序及要求,实验理论课作业，下周交给,大学物理,任课教师。,3,/34,&,物理实验是一门,独立,的,课程,，需严格按照实验室的安排进行。不得迟到和缺席。迟到者,，由课程指导老师决定是否,准予实验；缺席者，需到指导老师处重新预约该实验时间,&,遵守有关的规章制度，爱护仪器设备，注意安全,&,动手之前要先了解仪器的性能、规格、使用方法和操作,规则,，不要乱动仪器,&,调整仪器装置时要仔细认真，一丝不苟还要注意满足,测量,公式所要求的实验条件,&,脑手,并用，实验,操作要做到准确、熟练、,快速。,二、实验操作,阅读资料、调整仪器、观察现象、获取数据、仪器还原,4,/34,三、完成实验报告,根据实验报告要求，把数据记录与处理部分和问答部分填写完整,.,给出实验结果或结论,.,注意,:,实验报告当场递交，其他时间递交的报告将不被认可。,实验报告要求,:,5,/34,(,一,),平时,实验考核,1,每个,实验,项目独立考核，最后总评。,2,每个,实验项目分三段进行考核，实验预习,20,，实验操作与实验报告共,80%,。根据每个实验项目的要求酌情打分,。,3,同一学期,实验项目超过,2,个未完成者，不得参加,期末考核，,不予统计平时成绩。,(,二,),考核方式,上半年,:,笔试,(40,实验基础知识,+60,实验内容,),下半年,:,所有实验平均成绩，或者撰写研究论文。,四、,物理实验课的考核办法,6,/34,1,测量与误差,2,不确定度与测量结果表示,3,有效数字及其运算,4,实验数据处理,方法,5,物理科技创新专题报告,单体,超声探测,传感器,电路系统的研制及其,应用,7/34,大学物理实验理论知识,测量三个要素,(1),测量方法,:,比较法,(2),测量设备,:,米尺,(3),测量结果,:,90.70cm,1.,基本概念,2.,测量值,3.,测量的分类,直接测量,间接测量,测量值,数值,+,单位,单次测量,多次测量,测量,测量是利用仪器设备通过,一定方法,，将待测物理量与一个选做为标准的同类物理量进行,比较,，确定待测物理量大小的过程。,90.70 cm,一、测量,1,测量与误差,8/34,例：长度、重量、体积、密度、电荷量、温度（模拟温度计,/,数字温度计）,1.,真值与误差,(1),真值,(2),误差,真值（真实值），,在一定条件下，被,测量对象客观存在,的实际,值（数值,+,单位）。,误差测量值,-,真实值,真实值通常是一个未知量，一般说的真值是指,理论真值,、,规定真值,、,相对真值,。,二、误差,(1),理论真值,也称绝对真值，如：三角形内角和,180,度。,(2),约定真值,也称规定真值，是一个接近真值的值，它与真值之差可忽略不计。,实际测量中，在没有系统误差的条件下，使用足够多次测量值的平均值作为约定真值。,(3),相对,真值,使用更高一级标准的量具指示值作为较低等级量具的,真值，此真值被称为相对真值。,1,测量与误差,9/34,2.,误差的分类,(1),绝对误差,(2,),百分误差,百分误差也称为,相对误差。,测量值,x,与真值,x,0,之差,绝对误差,|,x,|,与,真值,x,0,之比,误差的分类,（按,计算,）,1,测量与误差,绝对误差,相对误差,系统误差,随机误差,误差,（,计算,）,（,来源,）,10/34,指,在测量过程中因一些,确定的不合理因素,，使得测量结果的过程中存在恒定的或按一定规律变化的误差。,(1),系统误差,误差的分类,（按,来源,）,仪器误差,：仪器制造缺陷,，使用不当或者仪器未经很好校准所造成的误差。,方法误差,：实验所依据的理论和公式的近似性,，测量条件或方法,不能满足理论公式所要求的条件等引起的误差。,环境误差,：测量仪器规定的使用条件未满足所造成的误差。如室温高于仪器所规定的实验温度范围，而引起的误差称之为环境误差。,人为误差,：,由测量,者的生理特点或固有习惯所带来的误差。例如反应速度的快慢、分辨能力的高低，读数的习惯造成的误差。,特点,：,恒定性,，不能用增加测量次数的方法使它减少。,系统误差,来源,1,测量与误差,11/34,系统误差,和,随机误差,.,在,相同条件下，多次测量同一被测量时，测量值对真值的偏离（大小和方向）,以不可预知的方式变化,，这类误差称为偶然误差。,（,2,）随机误差,不确定,的因素，如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。,有界,性,:,误差,的绝对值不会超过某一最大值,-,+,。,单峰性,:,绝对值小误差的出现概率,大，而绝对值大的误差出现的概率小。,对称性,:,绝对值,相同的正、负误差出现的概率相等。,抵偿,性,:,误差,的算术平均值随着测量次数的无限增加而趋于零。,特点：,当,测量次数足够多时，这种偏离引起的误差服从统计规律。,来源：,1,测量与误差,小,大,P,0,-,+,12/34,1,测量与误差,2,不确定度与测量结果表示,3,有效数字及其运算,4,实验数据处理,方法,5,物理科技创新专题报告,单体,超声探测,传感器,电路系统的研制及其,应用,13/34,大学物理实验,理论,知识,测量结果应包括,数值,、,单位,和,不确定度,(,对,测量结果精确程度的,评价,),。,【,例,】,测量对象,数值,不确定度,单位,含义：,R,的真值有相当大,(,例如,95%),的可能,(,概率,),位于区间,(,909.9,910.7),之内。,电阻测量,把,测量值的误差落在区间,(-,+,),内的概率,P,叙述为,置信区间,(-,+,),的置信概率为,P,置信区间和置信概率,2,不确定度与测量结果表示,14/34,被测量的真值以一定概率落在某个量值,范围,不确定度,越,小,，,表示测量误差值越小,，测量的可信赖,程度越高；,不确定度越大，表示测量误差值越大，测量的可信赖程度越低。,U,为不确定度,不确定度：,与测量结果相联系的参数，,表征,合理赋予被测量之值的分散性。,测量结果,一、不确定度,由于测量误差的存在，对被测量值,不能肯定的程度。,2,不确定度与测量结果表示,15/34,二、不确定度,分类,（,按其数值,评定方法分为,A,类和,B,类,）,A,类不确定度,：用,统计学方法,计算出的测量值的标准偏差,(,多次重复测量时,),，表示为：,2,不确定度与测量结果表示,t,为分布因子，,n,为测量次数，,S,为标准偏差,(,均方根差,),，,x,i,为单次测量值。,n,2,3,4,5,6,7,8,9,10,15,20,30,t,12.71,4.30,3.18,2.78,2.57,2.45,2.36,2.31,2.26,2.14,2.09,2.05,8.99,2.48,1.59,1.24,1.05,0.93,0.84,0.77,0.72,0.55,0.47,0.37,9.0,2.5,1.6,1.2,1,16/34,二、不确定度,分类,（,按其数值评定方法分为,A,类和,B,类,）,B,类不确定度,：用,非统计学方法,评定的,不确定度，,各标准,不确定度相互独立,时,(,多种测试设备,),，,表示为：,2,不确定度与测量结果表示,近似将仪器误差限值,ins,作为,B,类,误差。,总不确定度,17/34,2,不确定度与测量结果表示,电磁学仪器误差限：,a,为精度,:5.0,2.5,.1.0,0.5,.0.1;Am,为电表量程,18/34,三、不确定度,计算,直接测量,间接测量,单次测量,多次测量,测量,（二）间接测量,不确定度,传递,单次,测量,（一）直接测量,多次,测量,B,类不确定度,总不确定度,A,类,不确定度,B,类,不确定度,2,不确定度与测量结果表示,19/34,设,间接测量,值,X,可写成,m,个直接测得量,x,1,x,2,.,x,i,.,x,m,的函数,直接测得,间接测量,结果的,不确定度,传递,公式,间接测量,结果的,相对,不确定度,传递,公式,2,不确定度与测量结果表示,间接测量,结果的,表达式,20/34,间接测量,不确定度传递,2,不确定度与测量结果表示,计算例子,pp:6,例,1.,解答提示,例,2.,解答,(1),电功率平均值,n,=10(,pp:3,),：,t,=2.26,(2),建立电功率平均值函数,求不确定度传递函数,电功率的实验测试结果,11/34,1,测量与误差,2,不确定度与测量结果表示,3,有效数字及其运算,4,实验数据处理,方法,5,物理科技创新专题报告,单体,超声探测,传感器,电路系统的研制及其,应用,22/34,大学物理实验,理论,知识,有效数字的,位数，第一位非零数字开始数到最后一位的位数，称为有效数字位数。,构成：,有效数字,“可靠数字”“一位,估读数字,”,意义：,测量仪器设备的精确度和计算结果准确程度。,有效数字由表征测量结果的,可靠数,字,与,估读,(,可疑,),数字,组成的。,估读数字,在有效数字中一般只有一位。,3,有效数字及其运算,15.86,，四位有效数字,5.32,，三位有效数字,5.320,，四位有效数字,0.0532,，三位有效数字,1.65cm,一、有效数字基本概念,23/34,2.0,0,cm,3,有效数字及其运算,5.69,5,mm,13.2,4,mm,(1),有指针或刻度的仪器：最小刻度以下再估读一位。,这不需要估读！,24/34,3,有效数字及其运算,数字仪表扩展内容：,传感器,(Sensor):pp.:212-216.,ADC(Analog-to-Digital,Converter),MCU(Micro Controller Unit,).,(2),数字显示仪表：显示值均为有效数字，不再估读。,三位半,:1.999,11bit ADC,四位半,:1.9999,14bit,ADC.,七位半,:1.9999999,24bit ADC,25/34,手机视频电话：,Sensor,ADC,DAC,MCU,Radio,Comm.,当实验结果的有效数字位数较多时，进行取舍一般,采用,1/2,（,0.5,）修约,规则,。,(1),需,舍去部分的总数值,大于,0.5,时，所留末位需加,1,，即,进,。,(2),需,舍去部分的总数值,小于,0.5,时，末位不变，即,舍,。,(3),需,舍去部分的总数值,等于,0.5,时，,所留部分末位应,凑成,偶数,。,即,末位为偶数,(0,2,.),，数字舍去,；,末位为奇数,(1,3,.),，数字入进变为,偶数,。,例如,修约成,4,位有效数字,3.141,59,3.142,6.378,501,6.379,2.717,29,2.717,4.51,0,50,4.51,0,3.21,6,50,3.21,6,5.62,3,5,5.62,4,进,进,舍,凑偶,凑偶,凑偶,三、有效数字的修约规则,3,有效数字及其运算,四舍五入,法则,26/34,加、减法,二、有效数字的运算法则,加减结果的有效数字末位应与参与运算据中小数点后位数最少的,末位对齐,。,乘、除法,几个数相乘除，结果的有效数字位数与参与运算的诸因子中有效数字位数最少的一个相同，即,“,位数取齐,”,。,3,有效数字及其运算,单位换算,单位换算不改变有效数字位数,(,使用科学计数法处理,),。,1.3 m,1.310,3,mm,1300 mm,27/34,乘方、开方,有效数字位数与,底数位数相同,3,有效数字及其运算,其它函数,运算,(,见教材,pp:6,),28/34,1,测量与误差,2,不确定度与测量结果表示,3,有效数字,及其运算,4,实验,数据处理,方法,5,物理科技创新专题报告,单体,超声探测,传感器,电路系统的研制及其,应用,29/34,大学物理实验,理论,知识,一、列表法,表,1,伏安法测,100,电阻数据表,2025/10/28 周二,注,：（,1,）,电压表量程,7.5V,，精度等级,1.0,。,（,2,）电流表量程,50mA,，精度等级,1.0,。,（,3,）常温常压条件下测量。,（,4,）采用电流表外接法。,4,实验数据处理,方法,30/34,二、作图法,4,实验数据处理,方法,31/34,三、逐差法,若不加思考进行逐项相减，很自然会采用下列公式计算,结果发现除,T,1,和,T,8,外，其它中间测量值都未用上,【,导热系数的测量,】,黄铜盘冷却速率,T,t,时间（,S,）,30,60,90,120,150,180,210,240,温度（,mV,）,3.726,3.657,3.601,3.547,3.494,3.442,3.391,3.341,将上述数据分成前后两组：,对应项相减求平均，即,多项间隔,逐差,：,4,实验数据处理,方法,32/34,四、最小二乘法,(,线性回归,),最小二乘法是一种数学优化技术，它通过,最小化,误差的平方和,找到一组数据的最佳函数匹配。,或者说，最小二乘法是用最简的方法求得一些绝对不可知的真值，而令,误差平方之和,为最小,。,4,实验数据处理,方法,参考：李庆扬,数值分析,第,5,版（,pp:73-76,曲线拟合的最小二乘法）,33/34,34/34,Thanks for your,attention,！,陈秉岩,博士,E-mail:,chenby,Mobile:[phone],