物理实验课程绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、1物理试验课程绪论物理试验课程绪论 1.物理试验主要作用物理试验主要作用2.测量误差和不确定度预计基础知识测量误差和不确定度预计基础知识3.学生须知学生须知4.怎样上好物理试验课怎样上好物理试验课第第1页页21.物理试验主要作用物理试验主要作用 物理是研究物质运动普通规律及物质基本结构科学,物理是研究物质运动普通规律及物质基本结构科学,它必须以客观事实为基础,必须依靠观察和试验。归根结它必须以客观事实为基础,必须依靠观察和试验。归根结底物理学是一门试验科学,不论物理概念建立还是物理规底物理学是一门试验科学,不论物理概念建立还是物理规律发觉都必须以严格科学试验为基础,并经过今后科学试律发觉都必须
2、以严格科学试验为基础,并经过今后科学试验来证实。验来证实。物理试验在物理学发展过程中起着主要和直接作用。物理试验在物理学发展过程中起着主要和直接作用。第第2页页3经典物理学(力学、电磁学、光学)规律是经典物理学(力学、电磁学、光学)规律是由以往无数试验事实为依据来总结出来。由以往无数试验事实为依据来总结出来。X射线、放射性和电子发觉等为原子物理学、射线、放射性和电子发觉等为原子物理学、核物理学等发展奠定了基础核物理学等发展奠定了基础。卢瑟福从大角度卢瑟福从大角度粒子散射试验结果提出了原粒子散射试验结果提出了原子核基本模型。子核基本模型。实验可以发现新事实,实验结果可认为 物理规律建立提供依据第
3、第3页页4J 试验又是检验理论正确是否主要判据试验又是检验理论正确是否主要判据19爱因斯坦光量子假说总结了爱因斯坦光量子假说总结了光微粒说和波动说之间争论,光微粒说和波动说之间争论,能很好地解释勒纳德等人光电能很好地解释勒纳德等人光电效应试验结果,不过直到效应试验结果,不过直到19当当密立根以极其严密试验证实了密立根以极其严密试验证实了爱因斯坦光电方程之后,光粒爱因斯坦光电方程之后,光粒子性才为人们所接收。子性才为人们所接收。1974年年J/粒子发觉更深入证实粒子发觉更深入证实盖尔曼盖尔曼1964年提出夸克理论。年提出夸克理论。电磁场理论提出与公认电磁场理论提出与公认电磁场理论提出与公认电磁场
4、理论提出与公认假说假说库仑定律库仑定律安培定律安培定律高斯定律高斯定律法拉第定律法拉第定律麦克斯韦在麦克斯韦在18651865年提出年提出电磁场理论电磁场理论麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组统一了电、磁、光现象统一了电、磁、光现象,预言了电磁波存在并预见预言了电磁波存在并预见到光也是一个电磁波到光也是一个电磁波1887年赫兹试验发觉了年赫兹试验发觉了电磁波存在并证实电磁电磁波存在并证实电磁波传输速度是光速波传输速度是光速电磁场理论电磁场理论才得到公认才得到公认二十多年后二十多年后 理论物理与试验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受理论物理与试验物理相辅相成。规律、公式是否正确必须经受实践检验。
5、只有经受住试验检验,由试验所证实,才会得到公认。实践检验。只有经受住试验检验,由试验所证实,才会得到公认。第第4页页5试验定义试验定义:为了验证预测或取得新信息,经过技术性操作来观察由预先安排方法所产生现象。试验四个阶段:试验四个阶段:1.选定目标,做出大约计划。2.选择装置与制作装置。3.进行观察和测量。4.分析数据,整理结果。试验分类:试验分类:1.学生试验2.研究性试验第第5页页6物理试验课程物理试验课程主要目标和任务主要目标和任务 1.1.对学生进行对学生进行“三基三基”训练。使学生取得训练。使学生取得物理试验基本知识物理试验基本知识,进行进行基本试验方法基本试验方法和和基本试验技能基
6、本试验技能训练。培养学生阅读了解训练。培养学生阅读了解能力、动手操作能力、分析判断能力、能力、动手操作能力、分析判断能力、书写表示能力以及初步试验设计能力。书写表示能力以及初步试验设计能力。2.2.加深对物理概念、规律掌握和了解。加深对物理概念、规律掌握和了解。3.3.具备初步从事试验工作基本素质具备初步从事试验工作基本素质。第第6页页7 物理试验课程不一样于普通探索性科学试验研物理试验课程不一样于普通探索性科学试验研究,每个试验题目都经过精心设计、安排,试验究,每个试验题目都经过精心设计、安排,试验结果也比较有定论,但它是对学生进行基础训练结果也比较有定论,但它是对学生进行基础训练一门主要课
7、程。一门主要课程。它不但能够加深大家对理论了解,更主要是它不但能够加深大家对理论了解,更主要是可使同学取得基本试验知识,在试验方法和试验可使同学取得基本试验知识,在试验方法和试验技能诸方面得到较为系统、严格训练,是大学里技能诸方面得到较为系统、严格训练,是大学里从事科学试验起步,同时在培养科学工作者良好从事科学试验起步,同时在培养科学工作者良好素质及科学世界观方面,物理试验课程也起着潜素质及科学世界观方面,物理试验课程也起着潜移默化作用。移默化作用。第第7页页82.测量误差和数据处理基础知识测量误差和数据处理基础知识2-1 2-1 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测
8、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2-2 2-2 试验数据有效位数确实定试验数据有效位数确实定试验数据有效位数确实定试验数据有效位数确实定2-3 2-3 作图法处理试验数据作图法处理试验数据作图法处理试验数据作图法处理试验数据2-4 2-4 数据直线拟合(最小二乘法处理试验数据)数据直线拟合(最小二乘法处理试验数据)数据直线拟合(最小二乘法处理试验数据)数据直线拟合(最小二乘法处理试验数据)第第8页页9测测 量量物理试验以测量为基础物理试验以测量为基础完整测量结果应表示为完整测量结果应表示为:以电阻测量为例以电阻测量为例包含:包含:测量对象测量对象 测量对象量值测量对象
9、量值 测量不确定度测量不确定度 测量值单位测量值单位 (Y=y 表示被测对象真值落在(表示被测对象真值落在(y ,y )范)范围内概率很大,围内概率很大,取值与一定概率相联络。)取值与一定概率相联络。)第第9页页10测测 量量测量分为直接测量和间接测量测量分为直接测量和间接测量直接测量指无需对被测量与其它实测量进行函数关系辅直接测量指无需对被测量与其它实测量进行函数关系辅助计算而可直接得到被测量值测量;助计算而可直接得到被测量值测量;间接测量指利用直接测量量与被测量之间已知函数关系间接测量指利用直接测量量与被测量之间已知函数关系经过计算从而得到被测量值测量。经过计算从而得到被测量值测量。任何测
10、量都可能存在误差任何测量都可能存在误差(测量不可能无限准确(测量不可能无限准确)。第第10页页11测量误差定义和分类测量误差定义和分类 误差误差dy测量结果测量结果 y 真值真值 Yt误差特征:普遍性、误差是小量误差特征:普遍性、误差是小量因为真值不可知,误差实际上极难计算因为真值不可知,误差实际上极难计算(有时能够用准确度较高结果作为约定真值来计算误差)(有时能够用准确度较高结果作为约定真值来计算误差)误差表示方法:误差表示方法:绝对误差绝对误差 dy 相对误差相对误差误差分类误差分类 系统误差系统误差 随机误差随机误差 第第11页页12系统误差系统误差定义:定义:在对同一被测量屡次测量过程
11、中,绝对值和符号保持恒定在对同一被测量屡次测量过程中,绝对值和符号保持恒定 或以可预知方式改变测量误差分量。或以可预知方式改变测量误差分量。产生原因:产生原因:因为测量仪器、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:分类及处理方法:已定系统误差:已定系统误差:必须修正必须修正电表、螺旋测微计零位误差;电表、螺旋测微计零位误差;伏安法测电阻电流表内接、外接因为忽略表内阻引发误差。伏安法测电阻电流表内接、外接因为忽略表内阻引发误差。未定系统误差:未定系统误差:要预计出分布范围要预计出分布范围(大致与(大致与 B 类不确定度类不确定度 B 相当)相当)如:螺旋测微计制造时螺纹
12、公差等如:螺旋测微计制造时螺纹公差等第第12页页13随机误差随机误差定义:定义: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。改变测量误差分量。产生原因:产生原因:试验条件和环境原因无规则起伏改变,引发测量值围绕真试验条件和环境原因无规则起伏改变,引发测量值围绕真值发生涨落改变。比如:值发生涨落改变。比如:电表轴承摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机改变、电表轴承摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定范围内随机改变、操作读数时视差影响。操作读数时视差影响。特点:特点:小误差出现概率比大误差出现概率大;小误差出现概率比大误差
13、出现概率大;屡次测量时分布对称,含有抵偿性屡次测量时分布对称,含有抵偿性所以所以取屡次测量平取屡次测量平 均值有利于消减随机误差。均值有利于消减随机误差。第第13页页14精密度、准确度和准确度精密度、准确度和准确度(a).精密度高,准确度差精密度高,准确度差。(b).准确度高,精密准确度高,精密度差度差。(c).精密度、准确度都高,就是准确度精密度、准确度都高,就是准确度高高。第第14页页15随机误差处理随机误差处理 假定对一个量进行了假定对一个量进行了n次测量,测得值为次测量,测得值为yi(i=1,2,n),能够,能够用用屡次测量算术平均值作为被测量最正确预计值屡次测量算术平均值作为被测量最
14、正确预计值(假定无系统误差假定无系统误差)用标准偏差用标准偏差 s 表示测得值分散性表示测得值分散性s按贝塞耳公式求出:按贝塞耳公式求出:s大,表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量精密度低;大,表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量精密度低;s小,表示测得值很密集,随机误差分布范围窄,测量精密度高;小,表示测得值很密集,随机误差分布范围窄,测量精密度高;s可由带统计功效计算器直接求出。可由带统计功效计算器直接求出。第第15页页16随机误差处理举例随机误差处理举例例:例:用用50分度游标卡尺测某一圆棒长度分度游标卡尺测某一圆棒长度L,6次测量次测量 结果以下(单位结果以下(单位mm):
15、):250.08,250.14,250.06,250.10,250.06,250.10则:则:测得值最正确预计值为测得值最正确预计值为 测量列标准偏差测量列标准偏差第第16页页17随机变量分布随机变量分布 正态分布正态分布:大量相对独立微小原因共同作用下得到随机变量服:大量相对独立微小原因共同作用下得到随机变量服从正态分布。物理试验中屡次独立测量得到数据普通能够近似看从正态分布。物理试验中屡次独立测量得到数据普通能够近似看作服从正态分布。作服从正态分布。表示表示 x 出现概率最大值,消除系统误差后,出现概率最大值,消除系统误差后,通常就能够得到通常就能够得到 x 真值。真值。称为标准差,是曲线
16、称为标准差,是曲线 拐点拐点表示随机变量表示随机变量 x 在在x1,x2区间出现概率,称为置信概率。区间出现概率,称为置信概率。实际测量任务是经过测量数据求得实际测量任务是经过测量数据求得 和和值。值。P(x)x小大第第17页页18随机变量分布随机变量分布实际测量次数有限,可用实际测量次数有限,可用 n 次测量值次测量值 来估算来估算、:能够证实平均值标准偏差能够证实平均值标准偏差 是单次测量是单次测量 sx 值值 倍倍 此时可用此时可用 来表示试验结果来表示试验结果不过因为测量次数小,测量值平均值将不符合正态分布,而是符不过因为测量次数小,测量值平均值将不符合正态分布,而是符合合t 分布分布
17、(t 分布分布是从是从 性质得到一个分布。其中自由度性质得到一个分布。其中自由度=n1。n 小情况小情况,t 分布偏离正态分布较多。分布偏离正态分布较多。n 大大情况情况趋于正态分趋于正态分布布)。)。此时,此时,置信概率不是置信概率不是0.683,需乘以与置信水平,需乘以与置信水平、自自由度由度相关系数相关系数 ,得到置信水平为,得到置信水平为结果:结果:值可查表值可查表第第18页页19测量误差与不确定度测量误差与不确定度 不确定度权威文件是国际标准化组织不确定度权威文件是国际标准化组织(ISO)、国际、国际 计量局计量局(BIPM)等七个国际组织等七个国际组织1993年联合推出年联合推出
18、Guide to the expression of Uncertainty in measurement 不确定度表示因为测量误差存在而对被测量值不能不确定度表示因为测量误差存在而对被测量值不能 确定程度。确定程度。不确定度是一定概率下误差限值不确定度是一定概率下误差限值。不确定度反应了可能存在误差分布范围,即随机不确定度反应了可能存在误差分布范围,即随机 误差分量和未定系统误差联合分布范围。误差分量和未定系统误差联合分布范围。因为真值不可知,误差普通是不能计算,它可因为真值不可知,误差普通是不能计算,它可 正、可负也可能十分靠近零;而不确定度总是不为正、可负也可能十分靠近零;而不确定度总是
19、不为 零正值,是能够详细评定。零正值,是能够详细评定。第第19页页20直接测量量不确定度估算直接测量量不确定度估算总不确定度分为两类不确定度:总不确定度分为两类不确定度:A 类分量类分量 屡次重复测量时用统计学方法估算分量;屡次重复测量时用统计学方法估算分量;B 类分量类分量 用其它方法(非统计学方法)评定分量。用其它方法(非统计学方法)评定分量。这两类分量在相同置信概率下用这两类分量在相同置信概率下用方和根方和根方法合成总方法合成总不确定度:不确定度:(物理试验教学中普通用总不确定度,置信概率取为(物理试验教学中普通用总不确定度,置信概率取为95%)第第20页页21直接测量量不确定度估算直接
20、测量量不确定度估算简化处理方法:简化处理方法:A 类分量类分量 A 估算估算:试验中用到,列表以下试验中用到,列表以下当当 5 n 10时,可简化认为时,可简化认为 A=Sy(置信概率置信概率95%)B 类分量类分量 B=仪仪,认为认为 B 主要由仪器误差特点来决定主要由仪器误差特点来决定 不确定度合成:不确定度合成:第第21页页22直接测量量不确定度估算直接测量量不确定度估算结果表示:结果表示:以测量列以测量列 y 平均值平均值 再再修正掉已定系统误差项修正掉已定系统误差项 y0 得到被测得到被测对象量值。对象量值。由由A、B 类不确定度合成总不确定度类不确定度合成总不确定度则:则:第第22
21、页页23直接测量量直接测量量不确定度不确定度估算过程(小结)估算过程(小结)求测量数据列平均值求测量数据列平均值 修正已定系统误差修正已定系统误差y0,得出被测量值,得出被测量值 y 用贝塞耳公式求标准偏差用贝塞耳公式求标准偏差s 标准偏差标准偏差s 乘以因子来求得乘以因子来求得 A 当当 5n10,置信概率为置信概率为95%时,可简化认为时,可简化认为 A s 依据使用仪器得出依据使用仪器得出 B B=仪仪 由由 A、B合成总不确定度合成总不确定度 给出直接测量最终结果:给出直接测量最终结果:第第23页页24直接测量量直接测量量不确定度不确定度估算举例估算举例例例:用用螺螺旋旋测测微微计计测
22、测某某一一钢钢丝丝直直径径,6次次测测量量值值yi分分别别为为:0.249,0.250,0.247,0.251,0.253,0.250;同同时时读读得得螺螺旋旋测测微微计计零零位位y0为为:0.004,单单位位mm,已已知知螺螺旋旋测测微微计计仪仪器器误误差差为为仪仪=0.004mm,请请给给出出完完整整测测量结果。量结果。解解:测得值最正确预计值为测得值最正确预计值为 测量列标准偏差测量列标准偏差 测量次数测量次数n=6,可近似有,可近似有 则则:测量结果为:测量结果为 Y=0.2460.004mm第第24页页25间接测量量不确定度合成间接测量量不确定度合成 实用公式实用公式第第25页页26
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