物理实验绪论强化课件.ppt
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1、物理实验绪论强化物理实验绪论强化物理实验中心物理实验中心2022-11-212013/1/171内容内容 实验室规范1 绪论2 测量与误差3常用数据处理方法4 本学期实验项目介绍 52022-11-212物理物理实验实验中心中心N不得无故缺课。不得无故缺课。如无故两次缺做物理实验的,如无故两次缺做物理实验的,物理实验成绩直接记为零。物理实验成绩直接记为零。N不得迟到不得迟到。迟到超过十分钟及以上者该物理实迟到超过十分钟及以上者该物理实验直接记为验直接记为2 2分。十分钟之内迟到老师依情况分。十分钟之内迟到老师依情况酌情扣除。酌情扣除。N若发现任何作弊行为,该实验成绩直接记为若发现任何作弊行为,
2、该实验成绩直接记为“0”0”。N上课时必须带预习报告和教材!上课时必须带预习报告和教材!物理实验行为规范物理实验行为规范2022-11-213物理物理实验实验中心中心基本要求基本要求 p掌握测量误差的基本知识,具有正确处理实验数据的基本能力。p了解常用的物理实验方法,掌握基本物理量的测量方法。p掌握实验室常用仪器的性能,并能够正确使用。p了解物理实验史料和物理实验在现代科学技术中的应用知识。2022-11-214物理物理实验实验中心中心 怎样上好物理实验课怎样上好物理实验课实验预习实验预习实验能否取得主动的关键实验能否取得主动的关键实验操作实验操作实验是否成功的关键实验是否成功的关键实验报告实
3、验报告实验的总结实验的总结实践出真知实践出真知2022-11-215物理物理实验实验中心中心实验预习的内容可概括为三个问题:实验预习的内容可概括为三个问题:做什么?做什么?首先要清楚本次实验的目的和内容是什么?怎么做?怎么做?实验原理是什么?用什么途径去测量?为什么?为什么?为什么这样做?还有无其他测量途径?注意:注意:要明确自己在本次实验中存在哪些不清楚、待解决的问题,了解本次实验注意事项。要事先拟定实验步骤和实验数据表格。2022-11-216物理物理实验实验中心中心撰写预习报告撰写预习报告1.实验名称:2.实验目的:3.实验仪器:4.实验原理:5.实验步骤:简单的实验步骤6.记录数据表格
4、(分清已知量、指定量、待测量和单位)7.注意注意:无需照抄实验原理!:无需照抄实验原理!记录主要公式,以及电路图或光路。记录主要公式,以及电路图或光路。2022-11-217物理物理实验实验中心中心 实验中实验中:记录原始数据时必须使用钢笔或圆珠钢笔或圆珠笔笔如确实错了,也不要涂改,轻轻划上一道,在旁边写出正确值,使正误数据都清晰可辨不允许涂改实验数据不允许涂改实验数据 实验完实验完:仪器整理复原;原始记录必须交教师原始记录必须交教师审阅签字(要求教师签全名)审阅签字(要求教师签全名),给出操作成绩。2022-11-218物理物理实验实验中心中心 不要急于记录数据。注意实验中采取的实验方法,特
5、别是一些基本的测量方法。要有意识地培养良好的实验习惯。不要单纯追求实验数据的正确性。要注意实验室操作规程和安全规则。2022-11-219物理物理实验实验中心中心 完整性:名称,目的,仪器,原理,步骤,实验数据,数据处理与误差分析,结果表达,讨论等9个方面。真实性:实事求是是撰写实验报告的基本要求。不得随意更改、增删实验数据及其有效数字 准确性:对实验数据的处理及对实验结果的分析与讨论是撰写实验报告的重点,也是学生归纳与分析问题的能力具体体现。2022-11-2110物理物理实验实验中心中心测量误差测量误差1 1 测量与误差测量与误差2 2 误差处理误差处理3 3 测量不确定度测量不确定度4
6、4 实验数据的数值修约实验数据的数值修约2022-11-2111物理物理实验实验中心中心测量过程大学大学物理实验物理实验H=1.5m0.1m 90%2022-11-2112物理物理实验实验中心中心1 1 测量与误差测量与误差1.1 1.1 测量及分类测量及分类 测量及分类直接测量间接测量等精度测量不等精度测量2022-11-2113物理物理实验实验中心中心1.21.2误差及分类误差及分类 真值真值:被测的物理量在一定客观条件下的真实大小称为该物理量的真值。测量误差测量误差:测量结果和真值之间的差异。绝对误差绝对误差()=测量值(x)-真值(a)相对误差:相对误差:rE=100%绝对误差()相对
7、误差()真值(a)定义定义2022-11-2114物理物理实验实验中心中心根据:误差的性质和产生原因根据:误差的性质和产生原因系统误差系统误差:是指在等精度的重复测量中误差保持恒定、或以可预知的方式变化的误差。随机误差随机误差:是指在相同的测量条件下,多次测量同一物理量时,误差时正时负,以不可预定的方 式变化的误差。异常值:异常值:又称粗大误差或过失误差,是由于测量者不正确使用仪器,观测错误或记录错数据等不正常情况下引起的误差。误差分类误差分类2022-11-2115物理物理实验实验中心中心误差的来源及特点误差的来源及特点(1)(1)系统误差系统误差 来源来源:仪器误差;理论误差;个人误差。特
8、点特点:是科学实验误差的主要来源,具有确定的大小及方 向,改变测量理论有益,增加测量次数无助。(2)(2)随机误差随机误差 来源:来源:人的感官心理因素,环境的微扰等造成。特点:特点:误差的大小和符号随机变化;无法控制和排除;服从统计规律,可以估算。(3)(3)过失误差过失误差不正确使用仪器、观察错误、或记录错数等引起的。2022-11-2116物理物理实验实验中心中心2 2 误差处理误差处理2.1 随机误差处理2.2 系统误差处理2022-11-2117物理物理实验实验中心中心2.1 随机误差处理随机误差处理(1)算术平均值(2)标准偏差与正态分布(3)平均值的标准偏差(4)有限次测量平均值
9、标准偏差(5)剔除异常数据2022-11-2118物理物理实验实验中心中心 在相同的测量条件下,对某一物理量x进行n次重复测量,这样随机误差为正的数据与随机误差为负的数据可大致抵消,算术平均值(arithmeticmean)可作为被测量的最佳估计值。(1)算术平均值)算术平均值niixnx11算术平均值并不是真值,但它比任一次测量值的可靠性都高.也就是说,用平均值作为被测量的估计值可以减小随机误差的影响.2022-11-2119物理物理实验实验中心中心(2 2)标准偏差)标准偏差211()1niisxxns的值代表了随机误差的分布特征。s大大表示测量值分散,随机误差大;s小小表示测得的值很密集
10、,随机误差小,测量精度高 。对测量值的分散程度用实验标准偏差实验标准偏差(experimental standard deviation),常用s s来表征 。2022-11-2120物理物理实验实验中心中心(3)平均值的标准偏差平均值的标准偏差 标准偏差 s 说明了测量数据的离散特性,而我们更关心的是测量结果(算术平均值)的离散程度。如对同一物理量不同次数的测量,其结果有多大的偏差?假设对一物理量X进行了有限的 n 次(n足够大)测量,得到一个最佳值和相应的标准偏差。测量次数不同,最佳值和相应的标准偏差也不同。那么,随着测量次数的增加,最佳值(算术平均值)的可靠性如何呢?为此需要引入算算术平
11、均值标准偏差术平均值标准偏差(standard deviation of the arithmetic mean)概念。2022-11-2121物理物理实验实验中心中心由概率论可以证明算术平均值 的标准偏差 为 xxs21()(1)niixxxssn nn测量结果有多大把握?68.3%2295.5%3399.7%xxxxxxxsxsxsxsxsxsxs的统计意义为:待测物理量的真值落在,内的概率为,落在,内的概率为,落在,内的概率为2022-11-2122物理物理实验实验中心中心对有限次测量的结果,要保持同样的置信概率,显然要扩大置信区间,把随机误差乘以一个大于1的因子。因子与测量次数有关。(
12、4)(4)有限次测量与有限次测量与 t t 分布分布tt对于68%的置信概率,当次数6以后,t因子与1的偏离并不大.故在物理实验教学中,多次测量的次数可取612次;而且对于68%的置信概率,可以不用t因子修正.当测量次数减少时,概率密度曲线变得平坦,成为 分布2022-11-2123物理物理实验实验中心中心 3 3准则准则 用于测量次数足够大,约定大于用于测量次数足够大,约定大于1010次;次;狄克逊(狄克逊(DixonDixon)检验法)检验法 测量次数小于测量次数小于1010 格拉布斯格拉布斯(Grubbs)(Grubbs)检验法检验法(5)可疑数据的取舍可疑数据的取舍2022-11-21
13、24物理物理实验实验中心中心 测量误差落在(-3,+3)置信区间的置信概率为0.9973,表明,在1000次测量中,随机误差超过3置信区间的测量数据大约只出现3次。即:对于通常重复测量次数大于十次的测量,测量误差超过3的情形几乎不可能出现。重复测量中,可依据这一点来剔除由于过失引起的可疑数据,这种剔除可疑数据的方法称为“3 3准则准则”33准则准则2022-11-2125物理物理实验实验中心中心例例1 对某一长度量进行了20次的等精度测量,对测量数据列表如下,试根据3准则判断其中是否有异常数据需剔除。次数12345678910L/cm2.202.252.302.152.102.152.252.
14、102.202.20次数11121314151617181920L/cm2.102.152.252.202.202.152.252.202.203.50解首先求出被测量的最佳估计值:cm26.220201iixx2022-11-2126物理物理实验实验中心中心根据贝塞尔公式计算出测量值的标准偏差:20212.260.3cm20 1iixs根据3准则,因为 ,所以第20次的测量数据3.50应舍去,舍去3.50后,再重新计算测量数据,得 cm19.219191iixx0.06cms 在这19个数据中,没有一个测量值与平均值的偏差大于此3,所以,这19个数据中没有异常数据。cmcmx50.316.3
15、32022-11-2127物理物理实验实验中心中心(1)将测定值按由小到大顺序排列:x1,x2,x3,xn,其 中可疑值为 x1或 xn。(2)根据狄克逊检验法统计量计算表分别计算数据最大值和最小值的狄克逊上统计量Dn和狄克逊下统计量Dn。(3)确定置信概率P,在狄克逊检验法Q值表中查出Q值。(4)检验测量数据的最大值,当DnQ时,最大值为可疑数据;检验测量数据的最小值,当DnQ时,最小值为可疑数据;对于检出的可疑数据进行修正或者剔除。狄克逊(狄克逊(Dixon)检验法)检验法2022-11-2128物理物理实验实验中心中心n(狄克逊上统计量)(狄克逊下统计量)3-78-10()(1)()(1
16、)nnnnxxDxxnDnD(2)(1)()(1)nnxxDxx(2)(1)(1)(1)nnxxDxx()(1)()(2)nnnnxxDxx狄克逊检验法统计量计算表 狄克逊(狄克逊(Dixon)检验法)检验法2022-11-2129物理物理实验实验中心中心狄克逊(狄克逊(Dixon)检验法)检验法狄克逊检验法Q值表 3456789100.900.8850.6790.5570.4840.4340.4790.4410.4100.950.9410.7650.6420.5620.5070.5540.5120.4770.990.9880.8890.7820.6980.6370.6810.6350.597
17、0.9950.9940.9200.8230.7440.6800.7230.6760.638QnP2022-11-2130物理物理实验实验中心中心测量仪器的几个常见的指标:最大允许误差最大允许误差(limits of permissible errorlimits of permissible error):仪器测量到的值(仪器示值)与被测量的真值之间可仪器测量到的值(仪器示值)与被测量的真值之间可 能的最大误差。能的最大误差。灵敏阈灵敏阈(discrimination thresholddiscrimination threshold):刚能引起仪器示值变化的被测量的最小改变值刚能引起仪器示值
18、变化的被测量的最小改变值。分度值分度值(Scale divisionScale division):指标尺的最小分度值指标尺的最小分度值。2.2 2.2 仪器误差处理仪器误差处理测量仪器的灵敏阈测量仪器的灵敏阈 最大允许误差限最大允许误差限 最小分度值。最小分度值。2022-11-2131物理物理实验实验中心中心2022-11-2132物理物理实验实验中心中心测量误差测量误差1 1 测量与误差测量与误差2 2 误差处理误差处理3 3 测量不确定度测量不确定度4 4 实验数据的数值修约实验数据的数值修约2022-11-2133物理物理实验实验中心中心(9.5150.005)x mm(P=0.68
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