合肥工業(yè)大學(xué)電物學(xué)院大物試驗(yàn)中心大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)電子教案第1頁緒第2頁一，物理試驗(yàn)課目標(biāo)1，經(jīng)過對物理試驗(yàn)現(xiàn)象觀察和分析，學(xué)習(xí)利用理論指導(dǎo)試驗(yàn)、分析和處理試驗(yàn)中問題方法。2，培養(yǎng)學(xué)生從事科學(xué)試驗(yàn)初步能力。3，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是科學(xué)態(tài)度、嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)工作作風(fēng)、勇于探索、堅(jiān)忍不拔科學(xué)精神和品德。

第3頁期望

提出一個(gè)問題往往比處理一個(gè)問題更主要，因?yàn)樘幚韱栴}可能僅僅是一個(gè)教學(xué)上或試驗(yàn)上技能而已。而提出新問題，從新角度去看舊問題，都需要有創(chuàng)造性想像力，而且標(biāo)志著科學(xué)真正進(jìn)步。-----阿爾伯特·愛因斯坦第4頁二、物理試驗(yàn)課主要教學(xué)步驟1，試驗(yàn)預(yù)習(xí)2，試驗(yàn)操作3，試驗(yàn)總結(jié)第5頁三、物理試驗(yàn)課教學(xué)要求1，課前要寫預(yù)習(xí)匯報(bào)2，課后要按時(shí)完成試驗(yàn)匯報(bào)3，不允許缺乏兩次以上試驗(yàn)課第6頁試驗(yàn)匯報(bào)實(shí)例第7頁試驗(yàn)匯報(bào)實(shí)例第8頁試驗(yàn)匯報(bào)實(shí)例第9頁試驗(yàn)匯報(bào)實(shí)例第10頁試驗(yàn)匯報(bào)實(shí)例第11頁第一章第12頁一、測量與誤差基本概念1，測量：是將待測物理量與選作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)同類物理量進(jìn)行比較，并得出其倍數(shù)過程。倍數(shù)值成為待測物理量數(shù)值，選作計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)稱為單位。一個(gè)物理量測量值應(yīng)由數(shù)值和單位兩部分組成。如：x=123.5mm第一節(jié)測量與誤差第13頁2，分類按測量伎倆測量可分為兩類：（1）直接測量：能夠用測量儀器或儀表直接讀出測量值測量。（2）間接測量：待測物理量無法進(jìn)行直接測量，需要依據(jù)待測量與若干個(gè)直接測量值函數(shù)關(guān)系求出。g=42l/T2第14頁從測量條件上能夠分為：（1）等精度測量：對一個(gè)物理量進(jìn)行屢次重復(fù)測量時(shí)，每次測量條件都相同一系列測量。如：用同一把游標(biāo)卡尺屢次測量一個(gè)物體長度。（2）不等精度測量：對一個(gè)物理量進(jìn)行屢次重復(fù)測量時(shí)，測量條件完全不一樣或部分不一樣，各測量結(jié)果可靠程度也不相同系列測量。如：用米尺和游標(biāo)卡尺測量同一個(gè)物體長度。第15頁3，測量誤差（1）真值：在某一時(shí)空狀態(tài)下，待測物理量所含有客觀實(shí)際值。用數(shù)字表示時(shí)，應(yīng)是一個(gè)無窮多位數(shù)。（2）測量誤差：測量值X和真值X0之間差異：△=X-X0偏差：△Xi=Xi-XX為算術(shù)平均值，Xi為第i次測量值。第16頁（3）誤差分類：a，系統(tǒng)誤差：在屢次測量同一物理量時(shí)，符號和絕對值保持不變誤差；或按某一確定規(guī)律改變誤差。如儀器缺點(diǎn)、測量理論不完善、環(huán)境改變對測量結(jié)果造成誤差。B，隨機(jī)誤差（偶然誤差）：在實(shí)際測量條件下，屢次測量同一物理量時(shí)，誤差符號和絕對值改變：時(shí)大時(shí)小、時(shí)正時(shí)負(fù)；以不可預(yù)定方式改變著誤差。第17頁C，粗大誤差：因?yàn)橛^察者錯(cuò)誤使用儀器、觀察錯(cuò)誤或統(tǒng)計(jì)錯(cuò)誤數(shù)據(jù)等不正常情況下引發(fā)誤差。粗大誤差會顯著地歪曲客觀現(xiàn)象。因?yàn)檎`差性質(zhì)不一樣，起源不一樣，處理方法不一樣，對測量結(jié)果影響也不一樣。有時(shí)系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差能夠加以區(qū)分，有時(shí)則難以區(qū)分，有時(shí)二者之間能夠相互轉(zhuǎn)化。第18頁4,測量精密度、準(zhǔn)確度和準(zhǔn)確度

（1）精密度：表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差大小程度。

精密度高，即測量數(shù)據(jù)重復(fù)性好、隨機(jī)誤差小。

（2）準(zhǔn)確度：表示測量結(jié)果中系統(tǒng)誤差大小程度。

準(zhǔn)確度高，即測量結(jié)果靠近真值程度好、系統(tǒng)誤差小。

（3）準(zhǔn)確度：表示測量結(jié)果中隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差綜合。

第19頁二、系統(tǒng)誤差1，系統(tǒng)誤差種類：（1）儀器誤差（2）理論方法誤差（3）環(huán)境誤差（4）個(gè)人誤差物理試驗(yàn)中只考慮儀器誤差。第20頁儀器誤差：儀器誤差是指在儀器要求使用條件下，儀器指示數(shù)和被測量真值之間可能產(chǎn)生最大誤差，用△儀來表示。儀器上假如沒有注明預(yù)計(jì)以下：（1）用儀器最小刻度估測：△儀=最小刻度/2（2）用儀器級別進(jìn)行估測：△儀=量程×級別%（3）數(shù)顯式用讀數(shù)最小單位估測。測量儀器標(biāo)準(zhǔn)誤差為：或0.683△儀第21頁三、隨機(jī)誤差1，隨機(jī)誤差統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律大部分測量中隨機(jī)誤差服從正態(tài)分布規(guī)律，也有服從泊松分布、均勻分布、t分布等。2，隨機(jī)誤差處理（1）算術(shù)平均值-бб第22頁（2）測量列標(biāo)準(zhǔn)誤差n次測量中某次測量值標(biāo)準(zhǔn)誤差為：第23頁（3）算術(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)誤差經(jīng)過屢次測量后取得一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并把求得算術(shù)平均值作為測量結(jié)果，假如在完全相同條件下再重復(fù)測量時(shí)，因?yàn)殡S機(jī)誤差影響，不一定能得到相同算術(shù)平均值，這表明算術(shù)平均值本身也有離散性。故引入算術(shù)平均值標(biāo)準(zhǔn)誤差：第24頁四、測量不確定度1，測量不確定度概念測量不確定度是指對測量結(jié)果不能必定程度。即提供測量結(jié)果范圍，使被測量值能以一定概率位于其中。2,標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評定因?yàn)锳類評定是對一系列觀察值用統(tǒng)計(jì)分析進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定方法，所以能夠用隨機(jī)誤差處理結(jié)論來表述。第25頁詳細(xì)表述為：算術(shù)平均值：某一次測量值A(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：第26頁算術(shù)平均值A(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)不確定度：бX=бA3，標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評定B類評定是用其它方法（非統(tǒng)計(jì)方法）進(jìn)行評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度。當(dāng)被測量值X標(biāo)準(zhǔn)不確定度不是由重復(fù)測量得到時(shí)，可用對X可能改變?nèi)啃畔㈩A(yù)計(jì)來評定。第27頁在大學(xué)物理試驗(yàn)中，為了簡單化，普通假定測量B類不確定度主要起源于測量儀器誤差，詳細(xì)表述方法以下：測量儀器標(biāo)準(zhǔn)誤差為：普通用б儀來表示B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度

б儀=бB第28頁4，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定在實(shí)際測量中，測量值可能現(xiàn)有A類不確定度分量，也有B類不確定度分量，這么就要合并成為一個(gè)總標(biāo)準(zhǔn)不確定度б合，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差合成公式，有：第29頁五，直接測量結(jié)果不確定度表示1，單次測量結(jié)果不確定度表示X=X測±б儀X測是單次測量值。相對不確定度表示為：第30頁2，屢次測量結(jié)果不確定度表示X=X±б合公式中相對不確定度表示為：第31頁例題：用米尺(△儀=0.5mm)測量一鋼絲長度,共測六次。測量數(shù)據(jù)以下：x1=14.0mm、x2=14.4mm、x3=14.9mm、x4=14.2mm、x5=14.1、x6=14.8mm、試計(jì)算測量結(jié)果。解：測量列算術(shù)平均值為第32頁測量列合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為測量列相對不確定度為最終測量結(jié)果表示為X=X±б合=14.4±0.4(mm)Ex=2.3%第33頁六、間接測量結(jié)果不確定度表述設(shè)間接測量函數(shù)關(guān)系以下Y=f（X1，X2，X3，…，Xm）公式中Y為間接測量量，X1，X2，X3，…，Xm為直接測量量，其算術(shù)平均值、不確定度分別為

X1，

X2，

X3，…，

Xm。和б

1，б

2，.

б

m間接測量值為

Y=f（

X1，

X2，

X3，…，

Xm）第34頁間接測量結(jié)果不確定度為：公式中第35頁間接測量相對不確定度為：第36頁[例題]用流體靜力稱衡法測量固體密度公式為ρ=mρ

0/(m-m0)，若測得m=(29.05±0.03)(g)，m0=(19.07±0.03)(g),ρ

0=(0.9998±0.0002)(g/cm3)，試計(jì)算測量結(jié)果。解(1)

ρ=mρ

0/(m-m0）=29.05×0.9998/(29.05-19.07)=2.91(g/cm3)(2)因б

m=0.03(g),б

m0=0.03(g),бρ

0=0.0002(g/cm3)故第37頁бρ=ρE

=0.01(g/cm3)ρ=ρ±бρ

=(2.91±0.01)(g/cm3)第38頁一、有效數(shù)字定義用一個(gè)米尺測量一個(gè)物體長度，測量讀數(shù)為41.15cm，其中前三位數(shù)41.1cm是直接依據(jù)米尺上刻度讀出，稱為可靠數(shù)字。而最終一位0.05cm是由最小刻度之間預(yù)計(jì)出來，稱為可疑數(shù)字，即有誤差數(shù)字。把測量結(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)字第二節(jié)有效數(shù)字第39頁二、有效數(shù)字在實(shí)際中應(yīng)用（1）儀器有效數(shù)字:估讀到最小刻度下一位.測量值有效數(shù)字既反應(yīng)被測量物理量大小又反應(yīng)所用儀器測量精度。（2）“0”在有效數(shù)字中作用：“0前面有非0數(shù)字時(shí)0為有效數(shù)字，0前面全是0，0不是有效數(shù)字”。

“0”位置不一樣,作用也不一樣。如：0.0315m中兩個(gè)“0”都不是有效數(shù)字，3.04cm和2.10cm中“0”都是有效數(shù)字。（3）科學(xué)表示式：小數(shù)點(diǎn)前有一位不為0數(shù)字，乘10冪次方。如：2.050×103為四位有效數(shù)字。第40頁（4）結(jié)果表示：

不確定度

：僅取一位有效數(shù)字，尾數(shù)只

進(jìn)不舍。測量量平均X：最終一位有效數(shù)字取至與

不確定度

有效數(shù)字對齊。相對不確定度E：取兩位有效數(shù)字，尾數(shù)只進(jìn)不舍。（5）單位換算：測量結(jié)果單位換算不影響有效數(shù)字位數(shù)。1200g=1.200kg（6）常數(shù)和系數(shù)有效數(shù)字：取到不降低有效數(shù)字位數(shù)。位數(shù)能夠認(rèn)為是無限位。第41頁三、有效數(shù)字運(yùn)算規(guī)則1，四則運(yùn)算（1）參加運(yùn)算各數(shù)字能夠認(rèn)為最終一位是可疑，其它數(shù)碼是可靠。（2）可靠數(shù)碼之間運(yùn)算結(jié)果仍為可靠數(shù)碼。（3）可疑數(shù)碼參加四則運(yùn)算結(jié)果是可疑數(shù)碼，進(jìn)位和借位認(rèn)為是可靠數(shù)碼。（4）最終結(jié)果按四舍五入法僅保留一位可疑數(shù)碼。第42頁（1）加減法：5.345

+30.25.345+30.2

——————35.5455.345

+30.2=35.5

一樣有：35.48-20.3=15.2第43頁（2）乘除法運(yùn)算規(guī)則：計(jì)算結(jié)果有效數(shù)字位數(shù)保留到和參加運(yùn)算各數(shù)中有效數(shù)字位數(shù)最少位數(shù)相同，進(jìn)行四舍五入。如：2.7×3.902÷3.4567=3.0第44頁2，函數(shù)運(yùn)算有效數(shù)字取位已知x，計(jì)算y=f(x)時(shí)，取б

x為x最終一位數(shù)量級，利用不確定度傳遞公式б

y=|f’(x)|

б

x預(yù)計(jì)y可疑數(shù)碼位置，y計(jì)算結(jié)果最終一位就取б

y那一位。例題：已知x=56.7，y=lnx,計(jì)算y取бx=0.1,бy=|f’(x)|бx=б

x/x=0.1/56.7=0.002所以y=ln56.7=4.038第45頁一、列表法標(biāo)準(zhǔn)：（1）簡單明了，便于看出相關(guān)物理量之間關(guān)系，便于處理數(shù)據(jù)。（2）在表格中均應(yīng)標(biāo)明物理量名稱和單位。（3）表格中數(shù)據(jù)要正確反應(yīng)有效數(shù)字。（4）必要時(shí)應(yīng)對一些項(xiàng)目加以說明。第三節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理方法第46頁二、作圖法1，圖示法：物理試驗(yàn)所揭示物理量之間關(guān)系能夠用坐標(biāo)紙?jiān)谀骋蛔鴺?biāo)平面內(nèi)由一條直線表示。2，圖解法：是依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)所做曲線，用解析法找出對應(yīng)函數(shù)形式，并求出其函數(shù)參數(shù)，得出詳細(xì)解析式。第47頁三、逐差法逐差法是對等間距測量有序數(shù)據(jù)進(jìn)行逐項(xiàng)或等間隔項(xiàng)相減得到結(jié)果。它計(jì)算簡便、能夠充分利用測量數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)覺差錯(cuò)、總結(jié)規(guī)律。1，逐差法使用條件（1）自變量是等間距改變。（2）被測物理量之間函數(shù)形式能夠?qū)懗蓌多項(xiàng)式。普通為線性關(guān)系：y=a0+a1x第48頁2，逐差法應(yīng)用（1）驗(yàn)證函數(shù)形式是線性關(guān)系如：測量彈簧倔強(qiáng)系數(shù)試驗(yàn)中，讓外力F等間隔改變9次，分別統(tǒng)計(jì)彈簧下端位置：L0，L1，L2，…，L9。把所測數(shù)據(jù)逐項(xiàng)相減得：△

L1=L1-L0，△

L2=L2-L1，…，△

L9=L9-

L8看△

L1

、△

L2

、…、△

L9是否基本相等。假如基本相等就驗(yàn)證了線性關(guān)系。第49頁（2）求物理量數(shù)值

△

L=(△

L1+△

L2+…+△

L9)/9=[(L1-L0)+(