大学物理实验课前辅导ppt课件.ppt
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1、1南京航空航天大学实验测量基础理论讨论实验测量基础理论讨论2一、实验安排:一、实验安排:完成完成8个实验。个实验。实验地点:理学院大楼实验地点:理学院大楼 物理实验室。物理实验室。二、上课方式:二、上课方式:预习,写出概要性的预习报告;预习,写出概要性的预习报告;完成实验要求,记录有关数据;完成实验要求,记录有关数据;必须按照规定的格式要求完成实验报告;必须按照规定的格式要求完成实验报告;下次实验课交前次实验的报告。下次实验课交前次实验的报告。3 请课代表到理学院请课代表到理学院213办公室徐文涛老师领办公室徐文涛老师领取。取。4五、成绩评定:五、成绩评定:实验成绩实验成绩=八个实验的综合成绩
2、八个实验的综合成绩+本次课后作本次课后作业业预习情况预习情况+实验情况实验情况+报告的质量报告的质量动手能力、数据准确性等现场综合情况动手能力、数据准确性等现场综合情况实验成绩占整个课程成绩的实验成绩占整个课程成绩的20%30%当场检查当场检查 报告的完整性、准确性。报告的完整性、准确性。561.1 测量测量 测量测量:就是将待测物理量直接或就是将待测物理量直接或间接地与规定为标准单位的同类物理间接地与规定为标准单位的同类物理量进行比较,得到量值关系的过程量进行比较,得到量值关系的过程。测量数据包括测量数据包括数值数值和和单位单位。cm15.3 L15.3 L单位单位数值数值7测量测量方法方法
3、直接测量直接测量间接测量间接测量hrm2 测量列:测量列:nxxxx,321 将待测物理量与选定的仪器、量具将待测物理量与选定的仪器、量具进行比较,直接得到测量值的过程。进行比较,直接得到测量值的过程。测量测量条件条件等精度测量等精度测量非等精度测量非等精度测量 具有同样精确程度的测量具有同样精确程度的测量用某一测量工具对某个用某一测量工具对某个物理量多次测量的结果物理量多次测量的结果 测量的分类测量的分类81.2 真值:真值:待测量客观存在的值待测量客观存在的值理论真值或定义真值理论真值或定义真值如三角形的三个内角和等于如三角形的三个内角和等于180计量学约定真值计量学约定真值绝对温度绝对温
4、度 K15.2730T真值的来源如下真值的来源如下:一、误差的概念及表示一、误差的概念及表示是一个理想的概念,一般是不可知的。是一个理想的概念,一般是不可知的。9 标准仪器相对真值标准仪器相对真值 用比被校仪器更高级的标准仪器的量用比被校仪器更高级的标准仪器的量值作为真值值作为真值。如:如:0.5级电流表测得级电流表测得 I=1.80 A 0.1级电流表测得级电流表测得 I=1.802 A 则将后者视为前者的相对真值。则将后者视为前者的相对真值。任何测量结果都有误差!任何测量结果都有误差!误差:误差:测量结果与被测量的真值之间的差异测量结果与被测量的真值之间的差异10二、误差的表示方法二、误差
5、的表示方法 绝对误差绝对误差(简称误差简称误差)相对误差相对误差 测量值测量值x与真值与真值x0的差值,它能反映测的差值,它能反映测量结果偏离真值的大小和方向。量结果偏离真值的大小和方向。绝对误差与真值绝对误差与真值(或最佳值、公认值或最佳值、公认值)的比值,它是评价测量结果优劣的一种的比值,它是评价测量结果优劣的一种标准。标准。0 xxx%1000 xxE 1111mmX1100mmY11000%11001XE有:%1.010001YEXYEE Y的测量结果优于的测量结果优于 X的测量结果的测量结果12相对误差相对误差%1000 xxE 由于真值是不能确定的由于真值是不能确定的,所以测量值所
6、以测量值的误差也不能确切知道的误差也不能确切知道!测量的任务是什么测量的任务是什么?1、被测量真值的最佳估计值。被测量真值的最佳估计值。2、真值的最佳估计值的可靠程度的估计真值的最佳估计值的可靠程度的估计。0 xxx 绝对误差绝对误差如何完成测量?如何完成测量?(得出测量值得出测量值)(得出测量值的可信度)(得出测量值的可信度)13(1)系统误差系统误差保持不变或以可预知方式变化的误差分量保持不变或以可预知方式变化的误差分量 来源:来源:仪器固有缺陷;仪器固有缺陷;实验理论近似或方法不完善;实验理论近似或方法不完善;实验环境、测量条件不合要求;实验环境、测量条件不合要求;人为误差。人为误差。特
7、点:特点:具有确定性具有确定性系统误差和随机误差系统误差和随机误差14仪器固有缺陷仪器固有缺陷:如:仪器刻度不准;零点位置不正确;如:仪器刻度不准;零点位置不正确;天平不等臂等。天平不等臂等。实验理论近似或方法不完善实验理论近似或方法不完善:如:用伏安法测电阻时如:用伏安法测电阻时,没有考虑到电压没有考虑到电压表和电流表内阻的影响。表和电流表内阻的影响。环境的影响:环境的影响:人为因数人为因数15 指绝对值和符号都已确定、可估算出的指绝对值和符号都已确定、可估算出的系统误差分量。系统误差分量。已定系统误差:已定系统误差:系统误差可分为:系统误差可分为:已定系统误差已定系统误差未定系统误差未定系
8、统误差需要在实验中及时修正需要在实验中及时修正例如:天平不等臂引起的误差:例如:天平不等臂引起的误差:处理方法:复称法处理方法:复称法21mmm 物体的质量物体的质量21 mm和和 系统误差的处理方法举例:系统误差的处理方法举例:1616mm460.2xmm475.2)015.0(460.2xxxmm015.0 x4500.010mm 螺旋测微计的零位误差螺旋测微计的零位误差:1717伏安法测电阻伏安法测电阻的系统误差:的系统误差:AIVR VRAIIIRAIIRIVR 理论值理论值测量值测量值=运用补偿原理运用补偿原理消除电流表消除电流表外接所引起的误差。外接所引起的误差。18未定系统误差未
9、定系统误差 指绝对值或符号未能确定的系统误差分指绝对值或符号未能确定的系统误差分量,一般只能估计其限定值。量,一般只能估计其限定值。在物理实验中一般只考虑测量仪器的在物理实验中一般只考虑测量仪器的(最大最大)允许误差允许误差仪仪(简称仪器误差简称仪器误差)。用用仪器误差仪器误差或者或者仪器准确度等级仪器准确度等级确定未定系统误差确定未定系统误差1919(2)随机误差)随机误差以不可预知的方式变化着的误差分量以不可预知的方式变化着的误差分量 来源来源:环境起伏变化;环境起伏变化;实验装置的变动性;实验装置的变动性;判断、读数估计的差异。判断、读数估计的差异。特点:特点:具有不确定性具有不确定性2
10、020实验装置的变动性:实验装置的变动性:如:仪器精度不高,稳定性差,使测量如:仪器精度不高,稳定性差,使测量值变动等。值变动等。主观因素的变动性:主观因素的变动性:如:观察者的感官灵敏程度,操作熟练如:观察者的感官灵敏程度,操作熟练程度,估计读数的随机性等。程度,估计读数的随机性等。如:气流、温度、湿度、电压以及杂散如:气流、温度、湿度、电压以及杂散电磁场的无规则变化等引起的误差。电磁场的无规则变化等引起的误差。实验条件和环境因素的变动性:实验条件和环境因素的变动性:2121 除系统误差和随机误差外,还可能发生除系统误差和随机误差外,还可能发生读数、记录上的错误,仪器损坏、操作不读数、记录上
11、的错误,仪器损坏、操作不当等造成的错误。当等造成的错误。错误不是误差!错误不是误差!22221.3 量程量程 精密度精密度 准确度准确度量程:仪器测量的范围量程:仪器测量的范围精密度:能分辨的最小值精密度:能分辨的最小值准确度:仪器本身的准确程度准确度:仪器本身的准确程度%a准确度等级准确度等级量程量程 TW-1物理天平 1000g UJ36a电位差计 230mV螺旋测微计最小分度值 0.01mm测量仪器误差:测量仪器误差:0.5,5.2,5.1,0.1,5.0,2.0,1.0 a使用安全性使用安全性与合理性与合理性记录有效数记录有效数值的多少值的多少测量值的测量值的可靠性可靠性(最小单位量最
12、小单位量)a23一、随机误差的正态分布规律一、随机误差的正态分布规律大量的随机误差服从大量的随机误差服从正态分布正态分布规律规律)(xf x)(0 xxx 误差误差概率密度函数概率密度函数22221)(xexf 标准误差标准误差)(2 nnxi 2 随机误差的处理随机误差的处理随机误差出现随机误差出现的密度分布图的密度分布图24 1)(xf x2 1 nxi2 2525正态分布特征:正态分布特征:)(xf x niinxn101lim 26)d(,xxx )d()(xxf )(xf )(xf x aaxxfaxaP)d()()(-a,a)为为置信区间置信区间、P为为置信概率置信概率置信区间、置
13、信概率置信区间、置信概率2727满足归一化条件满足归一化条件1)d()(xxf683.0)d()()(xxfxP954.0)22(xP997.0)33(xP 3 极限误差极限误差)(xf x总面积总面积=1=128二、测量结果最佳值二、测量结果最佳值 算术平均值算术平均值 niixnx11算术平均值算术平均值是真值的最佳估计值!是真值的最佳估计值!(证明见教材证明见教材P7)多次测量求平均值可以减小随机误差多次测量求平均值可以减小随机误差29三、随机误差估算三、随机误差估算 标准偏差标准偏差0 xxxii 误差:误差:偏差:偏差:xxxii nxi2 标准误差标准误差标准偏差:标准偏差:1)(
14、2 nxxSix 标准偏差标准偏差表征对同一被测量做表征对同一被测量做n次测量次测量时,测量结果的时,测量结果的离散程度离散程度。贝塞尔公式贝塞尔公式记住记住!(例如例如)两组测量数据如下:两组测量数据如下:(mm)1组组:1.255,1.256,1.251,1.2502组组:1.253,1.258,1.253,1.248mmx253.11 mmS003.01 mmx253.12 mmS004.02 1组数据的离散程度小于组数据的离散程度小于2组组表明:表明:1 组的数据优于组的数据优于2 组的数据!组的数据!31 可以看出:算术平均值的标准偏差要比单次测可以看出:算术平均值的标准偏差要比单次
15、测量的标准偏差小的多量的标准偏差小的多 。在多次测量后,是以在多次测量后,是以算术平均值算术平均值表达测量结表达测量结果的,而算术平均值本身也是随机量,也有一果的,而算术平均值本身也是随机量,也有一定的分散性,可用定的分散性,可用平均值的标准偏差平均值的标准偏差 来表征来表征这一分散性:这一分散性:xS)1()(12nnxxnSSniixx记住记住!3232 测量值的随机误差在测量值的随机误差在 范围内范围内的测量次数占总测量次数的的测量次数占总测量次数的百分比百分比;),(xxSS (标准偏差的概率统计意义(标准偏差的概率统计意义:)或测量列中任一次测量值的误差落在或测量列中任一次测量值的误
16、差落在 区间的区间的概率概率。),(xxSS 可以证明此可以证明此百分比百分比或或概率概率为:为:%3.68)()(xxSSxdxf1)(2 nxxSixxSxS)1()(2nnxxSix3333%5.95)()(22 xxSSxdxf%7.99)()(33 xxSSxdxf)(xf x xSxSxS2xS3xS3xS2同样可以证明同样可以证明:3434 实验所采集的参数,通过计算得出实验所采集的参数,通过计算得出 和和 ,以具体数据的大小所体现,如果:,以具体数据的大小所体现,如果:xSxS1)(2 nxxSix)1()(2nnxxSixxS)(xSxS)(xS3535(例如例如)测一钢球直
17、径,所得数据如下测一钢球直径,所得数据如下:n d(mm)1 2 3 4 5 6 72.145 2.148 2.150 2.138 2.152 2.144 2.147求其单次测量的标准偏差。求其单次测量的标准偏差。解解:mmd146.2)147.2148.2145.2(71)146.2147.2()146.2145.2()17(122 dS)(005.0mm所以概率所以概率68.3%的随机误差范围为的随机误差范围为 2.1412.151mm%717536一、一、不确定度的概念不确定度的概念 不确定度不确定度是对被测量的真值所处的量值是对被测量的真值所处的量值范围的一种评定。范围的一种评定。3
18、测量结果的表示与不确定度测量结果的表示与不确定度 由于测量误差的存在,而对被测量值不由于测量误差的存在,而对被测量值不能肯定的程度。用符号能肯定的程度。用符号U表示。表示。被测量的真值将以一定的概率(如:被测量的真值将以一定的概率(如:P=68.3%)落在这个范围内。)落在这个范围内。不确定度不确定度是测量误差最终总的结果表示。是测量误差最终总的结果表示。37100%xxUEx为反映测量结果的优劣,引入相对不确定度为反映测量结果的优劣,引入相对不确定度E。37005.0515.9 xmm(P=0.683)为约定概率,可不必注明为约定概率,可不必注明。683.0P真值以真值以68.3%的概率落在
19、的概率落在mm520.9mm,510.9区间内区间内测量结果:测量结果:测量值测量值x和和不确定度不确定度Ux单位单位置信度置信度用用Ux表示测量值的绝对不确定度。表示测量值的绝对不确定度。不确定度的表示及测量结果的不确定度的表示及测量结果的三要素三要素表达原则表达原则:xUxx38二、二、直接测量结果不确定度估算直接测量结果不确定度估算1、A类分量类分量UA:多次测量用统计方法评定的多次测量用统计方法评定的分量,即对分量,即对随机误差随机误差的估算分量。的估算分量。用算术平均值用算术平均值 表示测量结果,用算术平均表示测量结果,用算术平均值的标准偏差表征值的标准偏差表征A类不确定度分量,即类
20、不确定度分量,即xxASU 采用一定近似性的计算方法,在复杂的各种采用一定近似性的计算方法,在复杂的各种误差中只考虑二类误差分量:误差中只考虑二类误差分量:A类分量类分量和和B类分类分量量来确定最终来确定最终总的不确定度总的不确定度。39:次以上,683.05Pn1683.0txASU)1()(12nnxxttSUniixAt为与测量次数为与测量次数n和置信概率和置信概率P有关的量。有关的量。在有限次测量时,随机误差不完全服从正态在有限次测量时,随机误差不完全服从正态分布规律,而是服从分布规律,而是服从t分布(又称学生分布)。分布(又称学生分布)。实验测量次数的要求:重复性实验测量次数的要求:
21、重复性5次以上,越多越好!次以上,越多越好!记住记住!4040仪器误差符号:仪器误差符号:仪2、B类分量类分量UB:用非统计方法评定的分量,用非统计方法评定的分量,即对即对未定系统误差未定系统误差的估算分量的估算分量。B类不确定度的来源一般应包含以下三种:类不确定度的来源一般应包含以下三种:仪器误差、估读误差和灵敏度误差仪器误差、估读误差和灵敏度误差,一般只考一般只考虑虑仪器误差仪器误差。测量值与真值之间可测量值与真值之间可能产生的最大误差能产生的最大误差CUB仪C为置信因子为置信因子,与仪器误差在与仪器误差在仪仪,范围内的概率分布范围内的概率分布有关的常数。有关的常数。41 若仪器说明书上未
22、明确说明仪器误差的概率若仪器说明书上未明确说明仪器误差的概率分布时,可按分布时,可按均匀分布处理均匀分布处理,即,即 当当P=68.3%,仪器误差服从,仪器误差服从正态分布正态分布、均匀分均匀分布布和和三角分布三角分布时,相应的时,相应的C分别取分别取3、和和 。363仪BU记住记住!常用仪器误差见常用仪器误差见P104242仪器名称仪器名称量量 程程分度值分度值仪器误差仪器误差钢直尺钢直尺0300mm1mm0.1mm钢卷尺钢卷尺01000mm1mm0.5mm游标卡尺游标卡尺0300mm0.02,0.05mm分度值分度值螺旋测微计螺旋测微计0100mm0.01mm0.004mm物理天平物理天平
23、1000g100mg50mg水银温度计水银温度计-303001,0.2,0.1分度值分度值读数显微镜读数显微镜0.01mm0.004mm数字式测量数字式测量仪器仪器最末一位的最末一位的一个单位一个单位指针式测量指针式测量仪器仪器a0.1,0.2,0.5,1.0,1.5,2.5,5.0量程量程a%430 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0012345678910螺旋测微器螺旋测微器游标卡尺游标卡尺物理天平物理天平稳压电源稳压电源44总不确定度:总不确定度:由由A类分量和类分量和B类分量按类分量按“方、和、根方、和、根”方法合方法合成成 22BAUUU 三、总不确定度的合成三、总不确定度的合成
24、xASU 仪仪 BU22仪xSU记住记住!直接测量的总不确定度的合成公式直接测量的总不确定度的合成公式45单次测量不确定度:单次测量不确定度:用仪器误差或其数倍的大小作为估计值用仪器误差或其数倍的大小作为估计值 1 kkU,仪仪时当仪022xxSSU仪U记住记住!46例如例如 用分度值为用分度值为0.02mm的游标尺测量某铜的游标尺测量某铜环内径环内径 d 六次六次,测量数据为测量数据为9.98、9.96、9.98、10.00、9.94、9.96mm,求测量结果。求测量结果。097.9)96.998.9(616161 iidd解解 612)(161iidddS 22)97.996.9()97.
25、998.9(51 018.0 47027.002.0018.02222 仪仪ddSU)95.0(mm027.0970.9 Pd970.9 d018.0 dSmm02.0仪48四、标准偏差传递四、标准偏差传递 (误差传递误差传递)间接测量的误差是由直接测量间接测量的误差是由直接测量误差带来的,这就是误差带来的,这就是误差传递误差传递 间接测量间接测量(最佳最佳)值:值:),(zyxfN 222222zyxNSzfSyfSxfS间接测量的标准偏差:间接测量的标准偏差:49偏导数偏导数xyxyxf63),(2 yxxf66 xyf6 50四、间接测量的不确定度四、间接测量的不确定度套用标准偏套用标准
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