普通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、普通物理试验课程绪论普通物理试验课程绪论吉林建筑工程学院第1页目目 录录1.1.物理试验主要作用物理试验主要作用2.2.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3.3.怎样上好物理试验课怎样上好物理试验课4.4.普通物理试验课分组循环说明普通物理试验课分组循环说明5.5.试验操作规程及规则试验操作规程及规则第2页1.1.物理试验主要作用物理试验主要作用 物理试验是研究物质运动普通规律及物质基本结构科物理试验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。归学,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
2、物理概念建立还是物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律发觉都必须以严格科学试验为基础,并经过今后科理规律发觉都必须以严格科学试验为基础,并经过今后科学试验来证实。学试验来证实。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3页实验可以发现新事实,结果可认为物理规律建立提供依实验可以发现新事实,结果可认为物理规律建立提供依据据经典物理学(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 X射线、放射性和电子发觉等为原子物理学、射线、放射性和
3、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粒子散射试验结果提出了原子核基本模型。原子核基本模型。1.1.物理试验主要作用物理试验主要作用第4页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。只有经受住试验检验,由试验所证实,才会得到公认。检验。只有经受住试验检验,由试验所证实,才会得到公认。电磁场理论提出与公认电磁场理论提出与公认电磁场理论提出与公认电磁场理论提出与公认假说假说
4、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1879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19爱因斯坦光量子假说总结了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效应试验结果,不过直到19当密立根以极其严密试验证实了爱因斯坦
5、光电方程之后,光粒子性才为人们所接收。1974年J/粒子发觉更深入证实盖尔曼1964年提出夸克理论。1.1.物理试验主要作用物理试验主要作用第5页物理试验课程目标物理试验课程目标 我们物理试验课程不一样于普通探索性科学试验研究,我们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,试验结果也比较有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一门主要课。定论,但它是对学生进行基础训练一门主要课。它不但能够加深大家对理论了解,更主要是可使同学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,在试验方法和试验技能诸方面得到
6、较取得基本试验知识,在试验方法和试验技能诸方面得到较为系统、严格训练,是大学里从事科学试验起步,同时在为系统、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素质及科学世界观方面,物理试验课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移默化作用。程也起着潜移默化作用。1.1.物理试验主要作用物理试验主要作用第6页2.2.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2-3 2-3 作图法处理试验数据作图法处理试验数据 第7页2
7、-1 测量误差和不确定度估算基础知识2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算物理试验是以测量为基础。物理试验是以测量为基础。测量是指将待测物体某物理测量是指将待测物体某物理量与对应标准作定量比较试验过程量与对应标准作定量比较试验过程。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量值 测量不确定度测量不确定度 测量值单位测量值单位 (x=U 表示被测对象真值落在(表示被测对象真值落在(U,U)范围内概)范围内概率很大,率很大,U取值与一定概率相联络。)取值与一定概率相联络。)1.1.测测 量量第8页2
8、-1 测量误差和不确定度估算基础知识测量分为测量分为直接测量直接测量和和间接测量间接测量直接测量直接测量指指无需无需对被测量与其它实测量进行函数关系对被测量与其它实测量进行函数关系辅助计算而可辅助计算而可直接得到直接得到被测量值测量;被测量值测量;间接测量间接测量指利用直接测量量与被测量之间指利用直接测量量与被测量之间已知函数关已知函数关系经过计算系经过计算从而得到被测量值测量。从而得到被测量值测量。任何测量都可能存在误差(测量不可能无限准确任何测量都可能存在误差(测量不可能无限准确)。2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算1.1.测测 量量第9页2-1 测量误差和不确定
9、度估算基础知识2.2.测量误差定义和分类测量误差定义和分类 误差误差测量值测量值 x 真值真值 x0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 相对误差相对误差 (百分数表示)(百分数表示)误差分类误差分类 系统误差系统误差 随机误差随机误差 2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第10页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识3.系统误差系统误差定义
10、:定义: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 持恒定或以可预知方式改变测量误差分量。持恒定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:必须修正必须修正如:如: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。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 B 类不确定度类不确
11、定度U UB B 相当)相当)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2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第11页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识4.4.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。方式改变测量误差分量。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:绕真值发生涨落改变。比如:电表轴承摩擦力变动、螺旋测微电表轴承摩擦力变动、螺旋测微计测力在一定
12、范围内随机改变、操作读数时视差影响。计测力在一定范围内随机改变、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;(所以取屡次测量平均(所以取屡次测量平均 值有利于消减随机误差)值有利于消减随机误差)2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第12页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识5.5.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xi(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
13、值屡次测量算术平均值作为被测量最正确预计值(假定无系统误差假定无系统误差)用标准偏差用标准偏差 表示测得值分散性表示测得值分散性 按贝塞耳公式求出:按贝塞耳公式求出: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;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;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。2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第13页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识6.6.随机误差处理举例随机误差处理举例例:
14、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):):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2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第14页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识不确定度不确定度表示因为测量误差存在而对被测量值不能确定表示因为测量误差存在而对被测量值不能确定 程度程度。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,即随机误差
15、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而不确定度总是不分量和未定系统误差联合分布范围而不确定度总是不 为零正值,是能够详细评定为零正值,是能够详细评定.因为真值不可知,误差普通是不能计算,它可正、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;(有争议)可负也可能十分靠近零;(有争议)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 测量局测量局(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 Guide to the expression of Uncertainty in m
16、easurement 国内法规:国内法规:JJF1059-1999测量测量不确定度评定与表示不确定度评定与表示2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算7.7.不确定度定义不确定度定义第15页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识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 屡次重复测量时与随机误差相关分量;屡次重复测量时与随机误差相关分量;B 类分量类分量 与与未定系统误差相关未定系统误差相关分量。分量。这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度:确定度:(我校物理试验教学中普通用总不确定度
17、,置信概率取为我校物理试验教学中普通用总不确定度,置信概率取为95%95%)7.7.不确定度分类不确定度分类2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第16页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识8.8.直接测量量不确定度直接测量量不确定度简化处理方法简化处理方法A 类分量类分量UA 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 UA=x(置信概率置信概率95%)B 类分量类分量 ,认为认为 UB 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:2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不
18、确定度估算第17页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识结果表示:结果表示:以测量列以测量列 x x 平均值平均值 为被测对象量值。为被测对象量值。由由A A、B 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:8.8.直接测量量不确定度直接测量量不确定度简化处理方法简化处理方法2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第18页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识 求测量数据列平均值求测量数据列平均值用贝塞耳公式求标准偏差用贝塞耳公式求标准偏差 标准偏差标准偏差s 乘以因子来求得乘以因子来求得 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
19、为UA 依据使用仪器得出依据使用仪器得出 由由UA、UB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:(修正已定系统误差修正已定系统误差 ,得出被测量值(,得出被测量值()2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算小小 结结第19页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识9.9.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测某某一一钢钢丝丝直直径径,6次次测测量量值值xi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x0为为:0
20、.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,请请给给出出完整测量结果。完整测量结果。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 X=0.2460.003mm2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第20页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识10.10.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2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第21页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识
21、11.11.间接测量量不确定度合成过程间接测量量不确定度合成过程1.先写出(或求出)各直接测量量先写出(或求出)各直接测量量 xi 不确定度不确定度2.依据依据 关系求出关系求出 或或3.用用 或或 求出求出 或或4.完整表示出完整表示出Y值值 2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第22页2-1 测量误差和不确定度估算基础知识12.12.间接测量量不确定度合成举例间接测量量不确定度合成举例例:例:已知金属环外径已知金属环外径 内径内径 高度高度 求环体积求环体积V 和不确定度和不确定度UV。解:解:求环体积求环体积 求偏导求偏导 合成合成 求求UV 结果结果 V=9.4
22、40.08cm3 2-1 2-1 测量误差和不确定度估算测量误差和不确定度估算第23页2-2 实验数据有效位数确定 在试验中我们所测被测量都是含有误差数值,对这些数值不能任意取舍,应反应出测量值准确度。所以在统计数据、计算以及书写测量结果时,应依据测量误差或试验结果不确定度来定出终究应取几位有效位数。2-2 实验数据有效位数确定2-2 实验数据有效位数确定第24页2-2 实验数据有效位数确定1.1.直接测量量(原始数据)读数应反应仪器准确度直接测量量(原始数据)读数应反应仪器准确度游标类器具游标类器具(游标卡尺、游标卡尺、分光计度盘、分光计度盘、大气压计等大气压计等)读至游标最小读至游标最小分
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