[农学]南昌大学物理实验绪论20112.ppt

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1、1,大学物理实验 第一讲,南昌大学物理实验中心 2011年2月,2,第一部分.绪论 第二部分.测量与数据处理基础知识 第三部分.网上选课及教学环节注意事项,3,第一部分.绪论,这是一门什么课？,理论课,实践课,物理实验,基础实验课,系统实验方法和实验技能训练的开端！,电工电子实验,机械力学实验,生化医学实验,光信息实验,4,第一部分.绪论,2.这门课学什么？,学习实验知识,测量、误差、不确定度等基本概念及表示方法,质量、时间、长度、电压、温度等基本测量仪器的使用方法 放大法、等效、替换法等基本实验方法,逐差、列表、作图、拟合等数据处理方法,培养实验技能,借助教材或说明书正确使用仪器,应用已有的

2、知识观察分析实验现象,正确记录、处理实验数据，撰写合格实验报告,根据目的和仪器，设计合理实验方案,5,提高实验素养,理论联系实际，实事求是的科学作风,严肃认真的工作态度,主动研究和追求创新的探索精神,遵守纪律、团结协作的优良品德,6,第一部分.绪论,3.如何学好这门课？,课前预习,课堂实验,课后总结,预习：读教材，查资料，拟计划,实验：守纪律，听讲解，慎操作，细观察， 详记录，勤思考,总结：巧处理，重分析，求创新,7,实验预习,明确实验目的， 预习实验原理， 了解实验注意事项。 预习报告是实验工作的前期准备，是写给自己参考用的，故要求简单明了。实验前应清楚本次实验应达到什么目的，通过什么实验方

3、法和测量哪些数据才能实现实验的目的。,8,实验名称，实验目的； 实验简图（电路图或光路图）， 记录主要公式； 列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。 无需照抄实验原理！,预习报告内容,预习报告范例,9,实验操作要求,遵守实验室规则； 了解实验仪器的使用及注意事项； 正式测量之前可作试验性探索操作； 仔细观察和认真分析实验现象； 如实记录实验数据和现象; 用钢笔或圆珠笔记录数据，原始数据不得改动 7. 整理仪器，清扫实验室。,10,实验报告,实验报告是写给同行看的，所以必须充分反映自己的工作收获和结果，反映自己的能力水平，要有自己的特色，要有条理性，并注意运用科学术语，一定要有实

4、验的结论和对实验结果的讨论、分析或评估。实验原理要简明扼要，要有必要的电路图或光路图，要有主要的数据处理过程，一定要列出实验结果，尤其是利用作图求得的一些物理量。,11,实验报告内容,实验名称； 实验目的； 原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主 要计算公式等）； 主要实验仪器设备； 实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论； 实验现象分析、误差评估、小结和讨论。,实验报告范例,12,希望同学们能重视这门课程的学习，经过半年或一年的时间，真正能学有所得。,13,第二部分.测量与数据处理,1.测量与有效数字,2.测量误差和不确定度的估算基础知识,3.数据处理作图法和最小二乘法,

5、14,1. 测量与有效数字,测量 有效数字的读取 有效数字的运算 有效数字尾数的舍取规则,15,测 量,物理实验以测量为基础，所谓测量，就是用合适的工具或仪器，通过科学的方法，将反映被测对象某些特征的物理量（被测物理量）与选作标准单位的同类物理量进行比较的过程，其比值即为被测物理量的测量值。,16,直接测量：直接将待测物理量与选定的同类物理量的标准单位相比较直接得到测量值； 间接测量：利用直接测量的量与被测量之间的已知函数关系，求得该被测物理量。,2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识,完整的测量结果应表示为： 以电阻测量为例 包括： 测量对象 测量对象的量值 测量的不确定度 测量值的单位

6、（Y = y 表示被测对象的真值落在（y ，y ）范围内的概率很大， 的取值与一定的概率相联系。）,结果表示,18,有效数字的读取,有效数字可靠数字可疑数字（一位） 15.2mm 15.0mm,2-2 实验数据有效位数的确定,1.直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度,游标类器具（游标卡尺、分光计度盘、大气压计等）读至游标最小分度的整数倍，即不需估读。,2-2 实验数据有效位数的确定,1.直接测量量（原始数据）的读数应反映仪器的精确度,数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读取仪表的示值。,2-2 实验数据有效位数的确定,1.直接测量量（原始

7、数据）的读数应反映仪器的精确度,指针式仪表及其它器具，读数时估读到仪器最小分度的1/21/10，或使估读间隔不大于仪器基本误差限的1/5 1/3。,2-2 实验数据有效位数的确定,直接读数注意事项,注意指针指在整刻度线上时读数的有效位数。,23,有效数字的运算,加、减法：诸量相加（相减）时，其 和（差）数在小数点后所应保留的位 数与诸数中小数点后位数最少的一个 相同。 4.178 + 21.3 25.478 = 25.5,24,乘、除法：诸量相乘（除）后其积（商） 所保留的有效数字，只须与诸因子中有效 数字最少的一个相同。 4.178 10.1 4178 4178 421978=42.2,25

8、,乘方开方: 有效数字与其底的有效数 字相同。 对数函数: 运算后的尾数位数与真数 位数相同。 例：lg1.938 = 0.2973 lg1938 = 3 + lg1.938 = 3.2973 指数函数:运算后的有效数字的位数与指数的小数点后的位数相同（包括紧接小数点后的零）。 例： 106.25 = 1.8 106 100.0035 = 1.008,26,三角函数:取位随角度有效数字而定。 例：Sin3000= 0.5000 Cos2016= 0.9381 正确数不适用有效数字的运算规则。 取常数与测量值的有效数字的位数相同。,27,有效数字尾数的舍入规则,口诀： 4舍6入5看右，5后有数进

9、上去， 尾数为0向左看，左数奇进偶舍弃。,28,有效数字尾数的舍入规则,例：将下列数字全部修约为四位有效数字 1）尾数4，1.118400001.118 2）尾数6，1.118600001.119 3）尾数5， a）5右面还有不为0的数 1.118599991.119 1.118500011.119 b） 5右面尾数为0则凑偶 1.117500001.118 1.118500001.118,29,一次性修约到指定的位数，不可以进行数次修约，否则得到的结果也有可能是错误的。 例：将数字10.2749945001修约为四位有效数字。 一步到位：10.274994500110.27（正确）。 错误结

10、果： 10.274994500110.274995 10.27510.28,有效数字尾数的舍入规则,30,2. 测量误差和不确定度估算的基础知识,误差 随机误差的处理 测量结果的不确定度表示 间接测量不确定度的合成,31,对一待测物理量 x 误差dx 测量结果 x 真值,真值：物理量在一定实验条件下 的客观存在值,误 差,32,测量误差存在于一切测量过程中，可以控制得越来越小，不可能为零。,误 差,33,A类,34,B类,35,B类,36,定 义：在对同一被测量的多次测量过程中，绝对值和 符号保持恒定或随测量条件的改变而按确定 的规律变化。 产生原因：由于测量仪器、测量方法、环境带入。 分类及

11、处理方法： 1 已定系统误差：必须修正 电表、螺旋测微计的零位误差； 测电压、电流时由于忽略表内阻引起的误差。 2 未定系统误差：要估计出分布范围 如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。,系统误差,37,随机误差,定 义： 在对同一量的多次重复测量中绝对 值和符号以不可预知方式变化的测 量误差分量。 产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变 化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。 例如： 电表轴承的摩擦力变动 螺旋测微计测力在一定范围内随机变化 操作读数时的视差影响,38,(1) 小误差出现的概率比大误差出现的概率大； (2) 无穷多次测量时服从正态分布； (3) 具有抵偿性。 取多次测量的平均

12、值有利于消减随机误差。,随机误差特点,39,标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量的精密度高； 标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量的精密度低。,标准差表示测量值的离散程度,40,任意一次测量值落入区间 的概率为,这个概率叫置信概率，也 称为置信度。对应的区间叫置 信区间，表示为。,41,扩大置信区间，可增加置信概率,42,在测量次数n较小的情况下，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分布时，置信区间和置信度的计算需要对特殊函数积分，且不同的测量次数对应不同的值，计算很繁。,43,平均值 假定对一个物理量进行了n次测

13、量， 测得的值为xi (i =1, 2，n) 可以用多次测量的算术平均值作为被测量的最佳估计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。,44,有限测量时，算术平均值不等于真值，它的标准偏差为： 的意义可以理解为： 待测物理量处于区间 内的概率为0.683。,45,物理实验中，置信度一般取作0.95,这时 t 分布相应的置信区间可写为: 一般，我们取测量次数为6次。,46,测量结果的不确定度表示,概念：不确定度u是由于测量误差存在而对 被测量值不能确定的程度。 意义：不确定度是一定置信概率下的误差 限值, 反映了可能存在的误差分布范围。 置信概率一般取0.95,47,A 类分量 : 可以用统

14、计学方法估算 的分量，一般指随机误差。,不确定度组成,48,B 类分量 : 不能用统计学方法估算的分 量，一般指系统误差。 若不特别说明 c 叫置信因子,置信度取0.95时，c = 1.05,不确定度组成,49,A.由仪器的准确度表示,B.由仪器的准确度级别来计算,C.未给出仪器误差时,连续可读仪器（米尺等）,非连续可读仪器 （游标卡尺、数字秒表）,.仪器误差 的确定：,取最小分度,取最小分度,50,51,52,53,54,55,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74,75,例如:由仪器的准确度等级计算仪器的最大误差,电

15、压表（0.1级）,电流表（0.5级）,76,77,B.由仪器的准确度等级计算,电压表（0.1级）,电流表（0.5级）,78,79,米尺：最小分度为1mm,例如:未给出仪器误差时,连续可读仪器,读数显微镜：最小分度为0.01mm,80,数字秒表:最小分度=0.01s,C.未给出仪器误差时,非连续可读仪器,81,数字秒表:最小分度=0.01s,20分度游标卡尺：最小分度=0.05mm,例如:未给出仪器误差时,非连续可读仪器,82,合成方法: 相对不确定度: 结果表示:,83,注意：,1.平均值有效数字位数不要超过 测量值的有效数字; 2.不确定度和相对不确定度保留 1-2位有效数字； 3.不确定度

16、的最后一位数字要和 平均值的对齐。,84,直接测量量不确定度估算过程与表示,1.求测量数据的平均测量值 判断有无应当剔除的异常数据，如有,剔除后重新计算 2.用已知系统误差修正平均值 3.计算标准差,85,4.标准差乘以与0.95置信度对应 的系数得到 5.根据仪器允差确定 6.合成不确定度 7.表示测量结果,86,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的直 径，原始数据见下表，请给出完 整的测量结果。,原始数据表格,87,例解：,没有异常数据,不用剔除,88,例解：,89,测量结果表示为,2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识,间接测量量的不确定度合成过程,1.先写出（或求

17、出）各直接测量量 xi 的不确定度 2.依据 关系求出 或 3.用 或 求出 或 4.完整表示出Y的值,2-1 测量误差和不确定度估算的基础知识,间接测量量的不确定度合成举例,例：已知金属环的外径 内径 高度 求环的体积V 和不确定度V。 解：求环体积 求偏导 合成 求V 结果 V=9.440.08cm3,92,3.数据处理的作图法最小二乘法,作图法处理实验数据 最小二乘法直线拟合,93,作图法可形象、直观地显示出物理量之间的函数关系，也可用来求某些物理参数，因此它是一种重要的数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。,1.选择合适的坐标分度值，确定坐标纸的大小 坐标分度值的选

18、取应能基本反映测量值的准确度或精密度。根据表数据U 轴可选1mm对应于0.10 V，I 轴可选1mm对应于0.20 mA，并可定坐标纸的大小（略大于坐标范围、数据范围） 约为130 mm130 m。,表1：伏安法测电阻实验数据,作图法处理实验数据步骤,例3：,94,2.标明坐标轴： 用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴的名称或符号、单位,再按顺序标出坐标轴整分格上的量值。,95,5.标出图线特征： 在图上空白位置标明实验条件或从图上得出的某些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点 A、B 的坐标就可求出 R 值。,6.标出图名： 在图线下方或空白位置写出图线的名称

19、及某些必要的说明。,由图上A、B两点可得被测电阻R为：,至此一张图才算完成,96,不当图例展示：,不当：曲线太粗，不均匀，不光滑。 应该用直尺、曲线板等工具把实验点连成光滑、均匀的细实线。,97,改正为：,98,不当：横轴坐标分度选取不当。 横轴以3 cm 代表1 V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字的要求又便于作图和读图，一般以1 mm 代表的量值是10的整数次幂或是其2倍或5倍。,99,改正为：,100,计算机作图的例子（ORIGIN）,作图方法可参见讲义附录，中心机房可提供计算机,101,最小二乘法直线拟合,设此两物理量 x、y 满足线性关系 y = a+b

20、x， 等精度地测得一组互相独立的实验数据 xi，yi i = 1,n 当所测各yi 值与拟合直线上的 a +bxi之间偏差的 平方和最小，即 所得系数a,b最好,拟合公式即为最佳经验公式。,102,103,解方程得:,104,相关系数r ： 最小二乘法处理数据除给出 a、b 外，还应给出相关系数 r ， r 定义为 r 表示两变量之间的函数关系与线性的符合程度，r-1，1。|r|1，x、y 间线性关系好， |r|0 ，x、y 间无线性关系，拟合无意义。 物理实验中一般要求 r 绝对值达到0.999以上(3个9以上) 。,其中,105,a、b、r 的具体求解方法： 1. 用计算机Excel 程序

21、; 2.用计算机Origin软件或Matlab软件，可以在以下地址下载Origin软件的试用版，; 3. 可以根据实际情况自己编程。 用最小二乘法处理前一定要先用 作图法作图, 以剔除异常数据!,106,周二、三、五 下午： 13:00-15.30 16:00-18:30 周二、三、四、五 晚上： 19:00-21:30,上课时间,第三部分.网上选课及教学环节注意事项,107,登录 http:/ 点击“网上选课系统”，填入个信息注册，完成后方可进入网上选课。,使用可连上校园网的任何一台计算机均可上网选课，服务器24小时开通（系统维护时除外）,选课网址,108,选课方式,网上选课,109,登入,

22、注册,110,可选实验内容,实验教学安排表,111,注册及选课时间安排,为避免大批同学集中选课造成网络拥堵，需按学生类别分时段注册、选课，具体安排如下： 选课系统开通时间：2月21日起 大物II类2月21日开始注册选课，大物I类第2周开始注册选课，暂可选第 26周内的课，该时间内每周最少须选1个最多可选2个实验，其余周次实验大约在第6周后开放。 医学类2月21日开始注册选课，可选2-14周的课。 其它类别学生从第2月21日起开始注册选课，不受上述限制,112,离做实验三天内，不可再取消选课。 如发现自己的选课内容被破坏，或有特殊情况，需要调整选课，请至B303与盛老师联系。 节假日按学校规定调

23、课。 请随时注意网上通知。,113,教学环节中应注意,1） 按本学期教学安排表，选够实验学时数，每周最多可选6学时。 2） 选课后，请记得上课时间，做好实验预习准时到实验室上课。无故缺课，不给补做机会，按缺课处理。确因特殊情况（须校医院 或学院证明），可酌情补做，这时你需要做的工作：如果离上课时间3天，可自行在网上取消选课；如3天，你需要到实验中心办公室申请退课。 3） 上课时请带好校园卡，以备查验。按照老师的点到序号对号入座，一人一组一套仪器。实验中有问题及时举手示意教师，不要走下位置。实验中，认真思考问题，按规范操作仪器，如实记录实验数据，实验教师会对你的操作考核评分。,114,4） 操作

24、结束，请保持好仪器状态，整理数据，举手示意教师检查，并出示预习报告，教师签字确认后，请你整理仪器归位，方可离开实验室，不要逗留在实验室影响其他同学实验。 5） 实验结束，带回教师签字实验数据，按要求认真写好实验报告。为方便教师分发报告，请务必在报告首页题头写明：A.上课时间：第几周、星期几、时间。B.班级编号：班（实验中心为每个班都编了序号，请查班级编号表）。 6） 提交已经写好的实验报告，请投递到实验中心二楼大厅的教师信箱，按照教师编号投递。领取已批阅的实验报告，需各班班长拿钥匙打开信箱取回（各班报告按班级编号存放）。 7） 对实验有任何问题，请你通过选课系统给教师留言或电话等方式，及时反映

25、，我们一定会及时给你答复。,以上内容可参阅网站“规章制度实验教学规程”,115,物理实验成绩评定方法,实验中心按学生类别规定了必须完成的学时，每位同学登录选课系统后，可以看到提示。一旦选择了实验项目就必须完成（包括预习、操作和实验报告），不然该实验成绩计为0分 2. 本学期的实验成绩将按所有成绩的平均分进行归一，归一后该成绩加权后的分数即为每位同学本学期的最后成绩,116,每次实验成绩，按满分100分进行评分，其中预习15分，操作、报告、创新等总计85分，具体分配按实验而定。 预习马虎、缺项（见预习要求）视情扣除5分至15分。缺交实验报告或实验操作0分，该实验均为0分。抄袭及被抄袭者，按考试作

26、弊处理。 违章操作损坏仪器者酌情扣除10至40分。 操作能力差和不能完成全部操作内容者扣除10至40分。 报告内容不完整等逐项扣分。,物理实验成绩评分标准,117,实验报告交接方法,1.实验完成后一周内须交报告。报告投入教师信箱； 2.教师收到报告后一周内批改完投入学生信箱； 3.班长或课代表开启信箱取回报告。 教材：大学物理实验（第2版）方利广主编 同济大学出版社 请到教务处教材科 报告纸购买：实验中心办公室206 3元/套 领取信箱钥匙时间： 2月21-28日(押金10元) 实验楼B206办公室：颜老师 联系电话：3969492,118,作业：见 P18思考题 1. 2. 3. 4. 6. 7. 8. 9,119,本教案已放在物理实验中心网站的网上教务上。,