物理实验绪论美化稿省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、1大学物理试验课程绪论大学物理试验课程绪论上海交通大学物理试验中心3月第第1页页2本课内容本课内容本课内容本课内容1.为何要上物理试验课2.测量、误差和不确定度预计3.作图法和最小二乘法4.怎样上好物理试验课5.网上选课须知第第2页页31.1.为何要上物理试验课1.1 物理试验作用1.2 物理试验课目标第第3页页4“物理物理”起源起源“物理物理”源于古希腊文源于古希腊文,原意:自然,原意:自然.上图为牛顿所著上图为牛顿所著“自然哲自然哲学之数学原理学之数学原理”汉、日语中汉、日语中“物理物理”一词源自一词源自方以智方以智(明末清初)百科全书式著作(明末清初)百科全书式著作物理小识物理小识第第4
2、页页5物理试验作用物理试验作用 物理学是研究物质运动普通规律及物质基本结构科学,是自然科学基础学科。第第5页页6物理学是一门试验科学,物理试验在物理学产生、发展和应用过程中起着主要作用。物理试验作用马德堡半球试验(奥托奥托冯冯居里克)居里克)第第6页页7超导核磁共振成像(超导核磁共振成像(MRI)物理试验作用第第7页页8以诺贝尔物理学奖为例以诺贝尔物理学奖为例:80%以上诺贝尔物理学奖给了试验物理学家。其余20%奖中很多是试验和理论物理学家分享。物理试验作用第第8页页99李政道:生于上海,美籍华人,李政道:生于上海,美籍华人,1957年获诺年获诺贝尔物理学奖,贝尔物理学奖,时年时年31岁岁 杨
3、振宁:生于安徽,美籍华人,杨振宁:生于安徽,美籍华人,1957年获诺年获诺贝尔物理学奖,时年贝尔物理学奖,时年35岁岁 丁肇中:生于美国,美籍华人,丁肇中:生于美国,美籍华人,1976年获诺年获诺贝尔物理学奖,贝尔物理学奖,时年时年40岁岁 李远哲:生于台湾,美籍华人,李远哲:生于台湾,美籍华人,1986年诺贝年诺贝尔获化学奖,尔获化学奖,时年时年50岁岁 朱棣文:生于美国,美籍华人,朱棣文:生于美国,美籍华人,1997年诺贝年诺贝尔获物理学奖,时年尔获物理学奖,时年49岁岁 崔崔 琦:生于河南,美籍华人,琦:生于河南,美籍华人,1998年获诺贝年获诺贝尔物理学奖,尔物理学奖,时年时年59岁岁
4、 高行健:生于江西,法籍华人,获诺贝尔文高行健:生于江西,法籍华人,获诺贝尔文学奖,学奖,时年时年52岁岁 钱永健:生于纽约,美籍华人,年诺贝尔化钱永健:生于纽约,美籍华人,年诺贝尔化学奖,学奖,时年时年57岁岁 莫言:莫言:生于山东,生于山东,中国人,中国人,20获诺贝尔文获诺贝尔文学奖,学奖,时年时年57岁岁诺贝尔奖华人取得者诺贝尔奖华人取得者物理试验作用第第9页页1010独立发觉新独立发觉新J/基本粒子基本粒子丁肇中丁肇中杨振宁杨振宁弱相互作用中宇称不守恒弱相互作用中宇称不守恒李政道李政道物理试验作用第第10页页1111 ,朱棣文朱棣文 崔琦崔琦 高锟高锟创造了用激光冷却 量子霍耳效应
5、光纤之父和俘获原子方法 物理试验作用第第11页页12 物理试验课目标是什么物理试验课目标是什么?物理实物理实验课程验课程实验实验知识知识实验实验能力能力实验实验素养素养力力热热光光电电第第12页页13 学习试验知识学习试验知识掌握和了解物理理论;学习物理试验知识和设计思想经过对试验现象观察、分析和对物理量测量第第13页页14培养试验能力培养试验能力第第14页页15提升试验素养实验实验素养素养科学科学作风作风创新创新精神精神品德品德行为行为工作工作态度态度第第15页页162.测量、误差和不确定度预计2.1 测量与有效数字2.2 测量误差和不确定度估算基础知识第第16页页17测量与有效数字测量与有
6、效数字测量有效数字读取有效数字运算有效数字尾数舍取规则第第17页页18测量 测量用适当工具或仪器,经过科学方法,将反应被测对象一些特征物理量(被测物理量)与选作标准单位同类物理量进行比较过程,其比值即为被测物理量测量值。第第18页页1919例:长度测量例:长度测量1790年法国国民法国国民议会经过决议,议会经过决议,决定采取经过巴决定采取经过巴黎地球子午线四黎地球子午线四分之一千万分之分之一千万分之一为长度单位一为长度单位1927年国际协议,年国际协议,以金属镉以金属镉(Cd)红色红色光谱线长度光谱线长度1553164.13倍作为倍作为米长度单位米长度单位1983年年10月第十七月第十七届国际
7、计量大会经届国际计量大会经过了米新定义过了米新定义:“米米是光在真空中是光在真空中1299792458秒时间间秒时间间隔内所经旅程隔内所经旅程长度长度”。标准单位:标准单位:古代常以人体一部古代常以人体一部分作为长度单位。分作为长度单位。“布指知寸,布手布指知寸,布手知尺,舒肘知寻。知尺,舒肘知寻。第第19页页20测量工具:测量工具:第第20页页21测量测量直接测量直接测量间接测量间接测量第第21页页22直接测量:直接测量:直接将待测物理量与选定同类物理直接将待测物理量与选定同类物理量标准单位相比较直接得到测量值量标准单位相比较直接得到测量值第第22页页23间接测量:间接测量:利用直接测量量与
8、被测量之间已知函数关利用直接测量量与被测量之间已知函数关系,求得该被测物理量系,求得该被测物理量mV第第23页页24测量值测量值 =读数值读数值(有效数字有效数字)+)+单位单位有效数字有效数字:可靠数字可疑数字可靠数字可疑数字(一位)(一位)测量结果表示测量结果表示第第24页页25有效数字读取15.2mm15.0mm第第25页页26科学记数法科学记数法第第26页页27有效数字运算:加、减法诸诸量量相相加加(相相减减)时时,其其和和(差差)数数在在小小数数点点后后所所应应保保留留位位数数与与诸诸数数中中小小数数点点后后位位数数最最少少一一个个相相同。同。4.178 +21.3 25.478=2
9、5.5第第27页页28诸诸量量相相乘乘(除除)后后其其积积(商商)所所保保留留有有效效数数字字,只须与诸因子中有效数字最少一个相同。只须与诸因子中有效数字最少一个相同。4.178 10.1 4178 4178 421978=42.2有效数字运算:乘、除法乘、除法第第28页页29有效数字运算:乘方、开方乘方、开方有效数字与其底有效数字相同有效数字与其底有效数字相同第第29页页30有效数字运算:取对数运算后尾数位数与真数位数相同运算后尾数位数与真数位数相同例:例:lg1.938=0.2973 lg1938=3+lg1.938=3.2973第第30页页31有效数字运算:指数函数指数函数运运算算后后有
10、有效效数数字字位位数数与与指指数数小小数数点点后后位位数数相相同同(包含紧接小数点后零)(包含紧接小数点后零)例:例:106.25=1.8 106 100.0035=1.008第第31页页32 有效数字运算:三角函数函数例:例:Sin3000=0.5000 Cos2016=0.9381取位随角度有效数字而定取位随角度有效数字而定第第32页页33正确数不适用有效数字运算规则。取常数与测量值有效数字位数相同。有效数字运算:注意点第第33页页34有效数字尾数舍入规则 数字修约按照一定规则确定一致位数,然后舍去一些数字后面多出尾数过程数字修约规则(国家标准文件:GB8170-87)口诀:4舍6入5看右
11、,5后有数进上去,尾数为0向左看,左数奇进偶舍弃。第第34页页35有效数字尾数舍入规则例例:将以下数字全部修约为四位有效数字:将以下数字全部修约为四位有效数字1)尾数)尾数 5,1.118600001.1193)尾数)尾数5,a)5右面还有右面还有不为不为0数数 1.118599991.119 1.118500011.119 b)5右面尾数右面尾数为为0则凑偶则凑偶1.117500001.118 1.118500001.118 第第35页页36注意:注意:一次性修约到指定位数一次性修约到指定位数例:将数字例:将数字10.2749945001修约为四位有效数字。修约为四位有效数字。一步到位:一步
12、到位:10.274994500110.27(正确)。(正确)。错误结果:错误结果:10.274994500110.274995 10.27510.28有效数字尾数舍入规则第第36页页37.测量误差和不确定度估算基础知识测量误差和不确定度估算基础知识误差随机误差处理测量结果不确定度表示间接测量不确定度合成第第37页页38对一待测物理量 x 误差dx 测量结果 x 真值 真值:物理量在一定试验条件物理量在一定试验条件下客观存在下客观存在值值误 差第第38页页39测量误差存在于一切测量过程中,能够控制得越来越小,不可能为零。误 差系统系统误差误差随机随机误差误差误差误差第第39页页40产生原因:因为
13、测量仪器、测量方法、环境带入。因为测量仪器、测量方法、环境带入。分类及处理方法:1 已定系统误差:必须修正电表、螺旋测微计零位误差;电表、螺旋测微计零位误差;测电压、电流时因为忽略表内阻引发误差。测电压、电流时因为忽略表内阻引发误差。2 未定系统误差:要预计出分布范围 如:螺旋测微计制造时螺纹公差等。如:螺旋测微计制造时螺纹公差等。系统误差系统误差定定 义义:在对同一被测量屡次测量过程中,绝对值和符号保在对同一被测量屡次测量过程中,绝对值和符号保持恒定或随测量条件改变而按确定规律改变。持恒定或随测量条件改变而按确定规律改变。第第40页页41系统误差系统误差第第41页页42随机误差产生原因:产生
14、原因:试验条件和环境原因无规则起伏变试验条件和环境原因无规则起伏变 化,引发测量值围绕真值发生涨落改变。化,引发测量值围绕真值发生涨落改变。比如:l电表轴承摩擦力变动l螺旋测微计测力在一定范围内随机改变l操作读数时视差影响定定 义义:在对同一量屡次重复测量中绝对值和符号以不在对同一量屡次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式改变测量误差分量。可预知方式改变测量误差分量。第第42页页43随机误差第第43页页44(1)小误差出现概率比大误差出现概率大;(2)无穷屡次测量时服从正态分布;(3)含有抵偿性。取屡次测量平均值有利于消减随机误差。随机误差特点第第44页页45 标准差小:测得值很密集,随机误差
15、分布范围窄,测量精密度高;标准差大:表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量精密度低。标准差表示测量值离散程度第第45页页46 任意一次测量值落入区间 概率为 这个概率叫置信概率,也称为置信度。对应区间叫置信区间,表示为:第第46页页47 扩大置信区间,可增加置信概率第第47页页48 在测量次数n较小情况下,测量将呈t分布 n 较小时,偏离正态分布较多,n 较大时,趋于正态分布。t t分布时,置信区间和置信度计算需要对特殊函数积分,且不一样测量次数对应不一样值,计算很繁。第第48页页49平均值 假定对一个物理量进行了n次测量,测得值为 xi(i=1,2,n)能够用屡次测量算术平均值作为被测量
16、最正确预计值,测量次数n为无穷大时,算术平均值等于真值。第第49页页50 依据统计理论,有限测量时,算术平均值不等于真值,它标准偏差为:而而意义能够了解为:待待测物理量处于区间测物理量处于区间 内概率为内概率为0.683。第第50页页51 物理试验中,置信度普通取作0.95,这时 t 分布对应置信区间可写为:普通,我们取测量次数为6次。n345672.481.591.241.050.926第第51页页52测量结果不确定度表示 概念:不确定度不确定度u是因为测量误差存在而对是因为测量误差存在而对 被测量值不能确定程度。被测量值不能确定程度。意义:不确定度是一定不确定度是一定置信概率置信概率下下误
17、差误差 限值限值,反应了可能存在误差分布范围。反应了可能存在误差分布范围。置信概率普通取0.95第第52页页53 A 类分量 :能够用统计学方法估算能够用统计学方法估算 分量,普通指随机误差。分量,普通指随机误差。不确定度组成第第53页页54B 类分量 :不能用统计学方法估算分不能用统计学方法估算分 量,普通指系统误差。量,普通指系统误差。若不尤其说明 c 叫置信因子,置信度取0.95时,c=1.05不确定度组成第第54页页55合成方法:相对不确定度:结果表示结果表示:第第55页页56注意:1.1.1.1.平均值有效数字位数平均值有效数字位数不要超出不要超出测量值有效数字测量值有效数字;2.2
18、.不确定度和相对不确定度不确定度和相对不确定度保留保留1-21-2位有效数字;位有效数字;3.3.不确定度不确定度最终一位数字要和平均值对齐。最终一位数字要和平均值对齐。第第56页页57直接测量量直接测量量不确定度不确定度估算过程与表示估算过程与表示剔剔除除异异常常数数据据用用已已知知系系统统误误差差修修正正原原始始测测量量数数据据 求求平平均均值值计计算算标标准准差差求求A A类类分分量量求求B B类类分分量量合合成成不不确确定定度度结结果果表表示示第第57页页58直接测量不确定度计算举例 例1:用螺旋测微计测某一钢丝直径,原始数据见用螺旋测微计测某一钢丝直径,原始数据见下表,请给出完整测量
19、结果。下表,请给出完整测量结果。d0=+0.004 mm,螺旋测微计仪器允差为仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250 原始数据表格第第58页页59 例解:d0=+0.004 mm,螺旋测微计仪器允差为仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-0.001-0.0030.000 没有异常数据,不用剔除第第59页页60 例解:第第60页页61测量结果表示为测量结
20、果表示为第第61页页62间接测量间接测量不确定度计算不确定度计算 设待测量与各直接测量之间有函数关系:不可分别计算再取平均不可分别计算再取平均非线性非线性待测量平均值平均值平均值平均值可直接用各量平均值计算,则:第第62页页63待测量量不确定度不确定度不确定度不确定度与各直接测量量不确定度关系为:(1 1 1 1)计算和差形式方便计算和差形式方便计算和差形式方便计算和差形式方便 (2 2 2 2)计算乘除指数形式方便计算乘除指数形式方便计算乘除指数形式方便计算乘除指数形式方便间接测量间接测量不确定度计算不确定度计算第第63页页64惯用公式 同学们能够用偏微分知识自己推导这些公式同学们能够用偏微
21、分知识自己推导这些公式 第第64页页65间接测量不确定度合成过程求直接测量量的平求直接测量量的平均值均值求直接测量量的求直接测量量的不不确定度确定度利用误差传递公式求间接测利用误差传递公式求间接测量量的量量的不确定度不确定度用各量的平均值求间接测量用各量的平均值求间接测量量的平均值量的平均值求出间接测量量的求出间接测量量的相对不确定度相对不确定度求直接测量量的平求直接测量量的平均值均值求直接测量量的求直接测量量的相相对不确定度对不确定度利用误差传递公式求间接测量利用误差传递公式求间接测量量的量的相对不确定度相对不确定度用各量的平均值求间接测量量用各量的平均值求间接测量量的平均值的平均值求出间接
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