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医学物理学实验绪论省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、医学医学物理试验课程绪论物理试验课程绪论海南医学院物理教研室10月第1页1.为何要上物理试验课为何要上物理试验课2.测量、误差和不确定度预计测量、误差和不确定度预计3.作图法和最小二乘法作图法和最小二乘法4.怎样上好物理试验课怎样上好物理试验课第2页1.为何要上物理试验课为何要上物理试验课1.1 1.1 物理试验作用物理试验作用1.2 1.2 物理试验课目标物理试验课目标第3页物理试验作用物理试验作用 大学物理试验课是对学生进行科学试验基大学物理试验课是对学生进行科学试验基本训练,提升学生分析问题和处理问题能力主本训练,提升学生分析问题和处理问题能力主要课程。物理试验课和物理理论课含有同等主要
2、课程。物理试验课和物理理论课含有同等主要地位。要地位。诺贝尔物理学奖取得者、著名理论物理学家诺贝尔物理学奖取得者、著名理论物理学家杨振宁教授曾经说过,杨振宁教授曾经说过,“物理学是以试验为本物理学是以试验为本科学科学”,这充分说明了物理试验作用和主要性。,这充分说明了物理试验作用和主要性。第4页 物理试验课目标物理试验课目标学习试验知识学习试验知识培养试验能力培养试验能力提升试验素养提升试验素养第5页 学习试验知识学习试验知识经过对试验现象观察、分析和对物理经过对试验现象观察、分析和对物理量测量,学习物理试验知识和设计思量测量,学习物理试验知识和设计思想,掌握和了解物理理论。想,掌握和了解物理
3、理论。第6页培养试验能力培养试验能力借助教材或仪器说明书正确使用惯用仪器;借助教材或仪器说明书正确使用惯用仪器;利用物理学理论对试验现象进行初步分析判利用物理学理论对试验现象进行初步分析判 断;断;正确统计和处理试验数据,绘制试验曲线,说明正确统计和处理试验数据,绘制试验曲线,说明试验结果,撰写合格试验汇报;试验结果,撰写合格试验汇报;能够依据试验目标和仪器设计出合理试验。能够依据试验目标和仪器设计出合理试验。第7页提升试验素养培养理论联络实际和实事求是科学作风;培养理论联络实际和实事求是科学作风;严厉认真工作态度;严厉认真工作态度;主动研究和创新探索精神;主动研究和创新探索精神;恪守纪律、团
4、结协作和爱护公共财产优良品德。恪守纪律、团结协作和爱护公共财产优良品德。第8页2.测量、误差和不确定度预计测量、误差和不确定度预计2.1 2.1 测量与误差测量与误差测量与误差测量与误差2.22.2不确定度与测量结果表示不确定度与测量结果表示不确定度与测量结果表示不确定度与测量结果表示2.32.3有效数字及其表示有效数字及其表示有效数字及其表示有效数字及其表示第9页测测 量量物理试验以测量为基础,所谓测量,就是用物理试验以测量为基础,所谓测量,就是用适当工具或仪器,经过科学方法,将反应被适当工具或仪器,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)与选测对象一些特征物理量(被测物理量
5、)与选作标准单位同类物理量进行比较过程,其比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。值即为被测物理量测量值。2.1 测量与误差测量与误差第10页直接测量:直接测量:直接将待测物理量与选定同类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;物理量标准单位相比较直接得到测量值;间接测量:间接测量:利用直接测量量与被测量之间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。已知函数关系,求得该被测物理量。真值:真值:物理量在一定试验条件下客观存在物理量在一定试验条件下客观存在值。值。测量误差测量误差:描述了实际测量值与其客观真值描述了实际测量值与其客观真值
6、之间差异性。之间差异性。第11页测量误差能够用绝对误差表示也能够用相测量误差能够用绝对误差表示也能够用相对误差表示。对误差表示。绝对误差绝对误差测量值被测量量真值测量值被测量量真值测量误差存在于一切测量过程中,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。能够控制得越来越小,不可能为零。误差误差=随机误差随机误差+系统误差系统误差第12页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中,绝对值和符号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。保持恒定或随测量条件改变而按确定规律改变。产生原因产生原因:因为测量仪器、测量方法、环境带入
7、。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:(1)已定系统误差:必须修正已定系统误差: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;天平不等臂天平不等臂,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:要预计出分布范围未定系统误差:要预计出分布范围 误差改变规律无法确定误差改变规律无法确定 比如比如:螺旋测微计制造时螺纹公差螺旋测微计制造时螺纹公差第13页随机误差随机误差定义:定义:也称偶然误差也称偶然误差,在对同一量屡次重复测量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中绝对值和符号以不可
8、预知方式改变测量误差分量。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,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。引发测量值围绕真值发生涨落改变。比如:比如:操作读数时视差影响操作读数时视差影响 感官灵敏度感官灵敏度,电源电压起伏电源电压起伏,微小振动微小振动第14页 随机误差特点:随机误差特点:(1)小误差出现概率小误差出现概率(可能性可能性)比大误差出现概率大;比大误差出现概率大;(2)无穷屡次测量时服从正态分布;无穷屡次测量时服从正态分布;(3)含有抵偿性含有抵偿性(对称性对称性)取屡次测量平均值有利于消减随机误差。取屡次测量平均值有利于消减随机误
9、差。第15页 标准差表示测量值离散程度标准差表示测量值离散程度 标准差小:标准差小:表示测得值很密集,随机误差分布范围表示测得值很密集,随机误差分布范围窄,窄,测量精密度高;测量精密度高;标准差大:标准差大:表示测得值很分散,随机误差分布范围表示测得值很分散,随机误差分布范围宽,测量精密度低。宽,测量精密度低。第16页 随机误差落入区间随机误差落入区间 概率概率(或者说测量值或者说测量值 落入区间落入区间 概率概率)为为:这个概率叫这个概率叫置信概率,置信概率,也称为也称为置信度。置信度。对应区间叫对应区间叫置信区间置信区间。扩大置信区间,可增加置信概率扩大置信区间,可增加置信概率 如如;在一
10、组重复性测量数据中在一组重复性测量数据中,有有68.3%68.3%数据测量误差落数据测量误差落在区间在区间 内内.也能够认为也能够认为,任一测量数据误差落在任一测量数据误差落在区间区间 内概率为内概率为68.3%.68.3%.第17页两个结论两个结论:1.当系统误差已被消除时当系统误差已被消除时,测量值算术平均值最靠近被测测量值算术平均值最靠近被测量真值量真值,测量次数越多测量次数越多,靠近程度越好。靠近程度越好。假定对一个物理量进行了假定对一个物理量进行了n次测量,测得值为次测量,测得值为xi(i=1,2,n)能够用屡次测量算术平均值作为被测量最正确预计值,能够用屡次测量算术平均值作为被测量
11、最正确预计值,测量次数测量次数n n为无穷大时,算术平均值等于真值。为无穷大时,算术平均值等于真值。第18页2.一测量值随机误差用标准偏差来估算。标准一测量值随机误差用标准偏差来估算。标准偏差计算公式为:偏差计算公式为:用用Excel计算计算SX步骤步骤:1.打开打开Excel,点击点击“插入插入”选选“函函数数”选择类别选择类别“统计统计”,然后选择,然后选择函数函数“STDEV”在在“value1或或value2”中输入数中输入数值,按值,按“确定确定”4计算结果在表格中计算结果在表格中A1中中第19页标准误差与标准偏差标准误差与标准偏差 测量次数测量次数n n为有限次时用贝塞尔为有限次时
12、用贝塞尔公式计算直接测量量试验标准差。公式计算直接测量量试验标准差。标准误差(标准差标准误差(标准差):标准偏差贝塞尔公式:标准偏差贝塞尔公式:被测量真值为被测量真值为 x xo o 残差或偏差残差或偏差第20页2.2不确定度和测量结果表示不确定度和测量结果表示 概念:概念:不确定度不确定度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: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差误差 限值限值,是对被测量真值所处量值范围是对被测量真值所处量值范围 评定评定。置信概率普通取置信概率普通取0.950.95或者说测量值作为被测量真值和预
13、计值可能存在或者说测量值作为被测量真值和预计值可能存在一个分布范围,并在这个分布范围内以一定概率一个分布范围,并在这个分布范围内以一定概率(如(如P=95%)包含被测量真值。)包含被测量真值。第21页 总不确定度由总不确定度由A类分量和类分量和B类分量组成:类分量组成:A 类分量类分量 :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。B 类分量类分量 :不能用统计学方法估算分量,不能用统计学方法估算分量,普通指系统误差。普通指系统误差。总不确定度可用这两类分量方和根法合成:总不确定度可用这两类分量方和根法合成:第22页完整测量结果应表示为完整测量结果应表
14、示为:为被测量量值为被测量量值为测量总不确定度为测量总不确定度 一个完整测量结果包含三要素一个完整测量结果包含三要素:量值、总不确定量值、总不确定度和单位。度和单位。表示被测量真值在表示被测量真值在 范围之范围之外可能性外可能性(或概率或概率)很小很小 第23页直接测量和间接测量1.直接测量 可直接从测量仪器(或量具)上读出待测量值 234567890第24页2.间接测量 由直接测量量取得相关数据,再用已知函数关系经过运算才能得到待测量量值。如:测元柱体体积hd第25页直接测量结果直接测量结果直接测量结果直接测量结果总不确定度估算与测量结果表示总不确定度估算与测量结果表示总不确定度估算与测量结
15、果表示总不确定度估算与测量结果表示1、屡次重复测量、屡次重复测量 在只进行有限次测量时,随机误差不完全服从正态分在只进行有限次测量时,随机误差不完全服从正态分布规律,而是服从布规律,而是服从 分布规律。分布规律。总不确定度总不确定度A类分量类分量:测量次数23456789108.982.481.591.241.050.930.840.770.72 普通物理试验测量次数普通在普通物理试验测量次数普通在5-10次,可近似认为:次,可近似认为:置信度置信度P=0.95时时第26页总不确定度总不确定度B 类分量类分量相对不确定度:相对不确定度:总不确定度:总不确定度:测量结果表示为:测量结果表示为:第
16、27页注意:注意:1.1.1.1.不确定度不确定度不确定度不确定度 普通取一位有效数字。对保留位普通取一位有效数字。对保留位普通取一位有效数字。对保留位普通取一位有效数字。对保留位数以后数采取数以后数采取数以后数采取数以后数采取只进不舍,只进不舍,只进不舍,只进不舍,以免产生预计不足。以免产生预计不足。以免产生预计不足。以免产生预计不足。2.2.2.2.测量结果表示式中测量值测量结果表示式中测量值测量结果表示式中测量值测量结果表示式中测量值最终一位应与总不最终一位应与总不最终一位应与总不最终一位应与总不确定度所在位对齐,尾数采取四舍五入。确定度所在位对齐,尾数采取四舍五入。确定度所在位对齐,尾
17、数采取四舍五入。确定度所在位对齐,尾数采取四舍五入。3.3.3.3.相对不确定度相对不确定度相对不确定度相对不确定度 普通最多取两位有效数字普通最多取两位有效数字普通最多取两位有效数字普通最多取两位有效数字,尾数只进不舍。尾数只进不舍。尾数只进不舍。尾数只进不舍。第28页 为仪器上注明仪器误差。若仪器上没有注为仪器上注明仪器误差。若仪器上没有注明,取仪器最小刻度二分之一作为仪器误差。明,取仪器最小刻度二分之一作为仪器误差。2、单次测量、单次测量总不确定度总不确定度测量结果表示为:测量结果表示为:第29页总结屡次重复测量直接测量量不确定度估算与结总结屡次重复测量直接测量量不确定度估算与结总结屡次
18、重复测量直接测量量不确定度估算与结总结屡次重复测量直接测量量不确定度估算与结果表示果表示果表示果表示 1.求测量数据平均测量值求测量数据平均测量值 ;判断有没有应该剔除判断有没有应该剔除异常数据,异常数据,如有如有,剔除后重新计算;剔除后重新计算;2.2.用已知系统误差修正平均值;用已知系统误差修正平均值;3.3.计算标准偏差计算标准偏差;第30页 4.4.测量次数在测量次数在5 510次之间时次之间时,5.5.依据仪器误差确定依据仪器误差确定 6.6.合成总不确定度合成总不确定度 ;7.7.表示测量结果。表示测量结果。第31页直接测量不确定度计算举例直接测量不确定度计算举例 例例1 1:用螺
19、旋测微计测某一钢丝用螺旋测微计测某一钢丝直径,直径,6 6次测量值次测量值L Li i分别为分别为:0.249,0.250,0.247,0.251,0.249,0.250,0.247,0.251,0.253,0.250;0.253,0.250;同时读得螺旋测同时读得螺旋测微计零位为:微计零位为:+0.004,+0.004,单位单位mmmm,已知螺旋测微计仪器允差为已知螺旋测微计仪器允差为 仪仪=0.004mm=0.004mm,请给出完整测量,请给出完整测量结果。结果。第32页没有异常数据没有异常数据,不用剔除不用剔除!考虑到零位修正考虑到零位修正解解:第33页测量结果表示为测量结果表示为第34
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