物理实验绪论,物理实验中心,1.物理实验课的任务和作用 2.课程介绍和具体要求 3.测量误差 不确定度和测量结果的表示 测量中的有效数字 数据处理常用方法,目 录,一、物理实验课的地位、作用和任务,物理实验是进行实验基本训练的独立的必修的基础课。是 本科生接受系统实验方法和实验技能训练的开端。 物理实验课覆盖面广，有丰富的实验思想、方法、手段，提供综合性很强的基本技能训练，是培养科学实验能力、提高科学素质的重要基础；对培养严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际、适应科技发展的综合应用能力等方面具有其他实践类课程不可替代的作用。 培养基本科学实验技能，提高科学实验基本素质，初步掌握实验科学的思想和方法；培养的科学思维和创新意识，掌握实验研究的基本方法，提高分析能力和创新能力；提高科学素养，培养理论联系实际和实事求是的科学作风，认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪律，团结协作，爱护公共财产的优良品德。,应达到的基本要求,掌握测量误差的基本知识，具有正确处理实验数据的基本能力 测量误差与不确定度的基本概念，用不确定度的基本概念对直接测量和间接测量的结果进行评估。 处理实验数据的一些常用方法，包括列表法、作图法和最小二乘法等；用计算机通用软件处理实验数据的基本方法。 掌握基本物理量的测量方法。 了解常用的物理实验方法，并逐步学会使用。 掌握实验室常用仪器的性能，并能够正确使用。 掌握常用的实验操作技术。,实验课对培养与提高能力的要求：,通过阅读实验教材、参考资料和仪器说明书，能够正确使用常用的实验仪器；正确进行实验操作；正确记录和处理实验数据，绘制图线，做误差分析；能够运用所学的理论知识对实验现象进行分析判断；写出合格的报告。 希望同学们能重视并认真对待物理实验课，经过一定时间的学习，真正能有所得,在各自的基础上有提高。,应知应会： 基本仪器的使用及正确的实验操作、完整的数据处理 创新： 提高研究创造能力、发表论文,如何上好物理实验课,1.作好预习 2.独立完成实验操作 3.认真处理数据，高质量地完成实验报告 4.理解和遵守实验室的各项规定,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，通过什么实验方法和测量哪些数据才能实现实验的目的。,预习报告内容,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！,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 6. 整理仪器，清扫实验室。,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。,实验报告的要求,实验目的 实验原理 基本物理思想、实验设计原理、物理公式及其意义、电路图（光路图）等。要求清晰、简洁。 实验内容与操作步骤 实验内容和主要操作步骤 实验仪器名称 实验数据处理与分析 实验数据计算、不确定公式推导与计算、结果表示、误差分析、结果讨论 回答问题与实验总结,1、（1）上课不许迟到，否则按迟到时间扣除相应分数； （2）课前必须写好预习报告，没写预习报告，扣除该实 验成绩20%；预习报告马虎或不规范的扣5-10%。 （3）原始数据不得用铅笔记录，实验完毕原始数据需经任 课教师签字认可； （4）数据处理时必须先重新整理原始记录，然后进行计算 （应包含主要过程）、作图。最后附上教师签字的原始 记录。 （5）交报告的时间、地点：下周上课时交给当时的任课教 师。,具体要求,2. 绪论课作业随第一次实验报告交给任课老师。,3.上课时间：,北京邮电大学物理实验中心 物理实验中心网址：http:/ 2012211119物理实验课课表（28人）晚上：6：009：20,上课要求： （1）原始数据不得用铅笔记录，实验完毕原始数据需经任课教师签字认可； （2）没写预习报告，扣除该实验成绩20%。预习报告马虎或不规范的扣5-10%。 （3）每次实验的报告应在下次实验时交给任课教师，不按时交实验报告的，扣除该实验成绩10-30%。 （4）上课迟到5分钟以内的扣10%，5-10分钟的扣20%；迟到10分钟以上的扣30%，并要求在实验室开放的时间里重做该实验。 （5） 旷课一次或者两份实验报告不交，不允许考试，直接重修！,考 勤:,实验课不得无故迟到、缺席。若因病（要有医生证明）、因事（要有院里盖章和教学院长签字的证明）而缺课，必须提前请假（以便安排补实验的时间），并在规定时间补做实验，值班老师凭证明在补做报告上签字。课上未完成实验需要补做的，由任课教师在报告上签字注明，值班教师根据任课教师的签字，在补做数据上签字。 实验课迟到是引发实验事故的隐患之一，必须加以杜绝。,实验室开放： 在实验室规定的开放时间内，可以自由选择实验项目进行有关实验。既可以是在上实验课前做实验预习，也可以是对实验课上未完成的实验、或对实验课后某些不满意的结果做重新测量。 开放时间 :周六、周日上午（8：3011：50） （请注意确切时间的通知）,物理实验的通知,本学期物理实验选修课网上报名： 2学分，共选8个实验, 32学时。 上课时间：周三晚6：30 正式上课地点：主楼205和209实验室。 到教务处网站上报名。,物理实验课的相关通知贴在主楼308门口的橱窗里， 请及时察看！ 实验报告每套4.5元（包括实验数据表和报告册），请下课后各班及时到主楼308购买。,三. 误差理论,（一）常用名词,1.测量 直接测量: 是将待测物理量直接与认定为计量标准的 同类量进行比较就能直接得到测量结果的 测量; 间接测量: 经直接测量后,还要根据待测量与某几个 直接测量量的函数关系来计算才能得到 测量结果的,这一类测量称为间接测量.,测量所得值应包括数值和单位，缺一不可！,等精度测量 在测量条件相同的情况下进行的一系列测量。 不等精度测量 测量条件不同的情况下进行的测量。,2.真值: 物理量自身客观存在的量值称为 该物理量的真值. 3.误差与偏差: 测量误差可以用绝对误差和相对误差来表示 绝对误差 = 测量结果-真值 相对误差 = 偏差（残差） = 测量值-近真值 (通常把算术平均值作为近真值),(二)误差分类： 1.系统误差： 在重复条件下对一个物理量进行多次测量,测量结果对真值的偏离总是相同的，即误差的绝对值和符号保持不变或按一定的规律变化,具有此特点的误差称为系统误差. 系统误差的特点是具有确定性。 产生原因: 仪器误差如标尺的刻度偏差、指针的安装偏心等； 理论误差如伏安法测电阻中欧姆定律的使用； 观测误差如动态测量时，记录信号有滞后的倾向。 采用适当的测量方法，也能消除实际测量中的系统误差。 常用的方法有：异号法、交换法、替代法、对称法。,2.随机误差: 测量误差的大小、符号、正负，完全是随机的，在测量次数少时，显的毫无规律，但当测量次数足够多时，可以发现误差的大小以及正负都是总体服从某种统计分布规律的。 随机误差的特点是单个具有随机性，而总体服从统计规律。 常见的统计分布有：正态分布、t分布、均匀分布。 3. 粗大误差 (过失误差) 超出在规定条件下预期的误差。它可能是随机误差的某种极端情况，也可能是由于测量过程中的人为过失而产生的错误。,（三）测量结果的评定 评价测量结果，反映测量误差大小，常用到精密度、正确度和准确度三个概念。 精密度：反映随机误差大小的程度，它是对测量结果的重复 性的评价。 正确度：反映系统误差大小的程度。 准确度：反映系统误差与随机误差综合大小的程度。 准确度高是指测量结果既精密又正确，即随机误差与系统误差均小。,正确度,精密度,准确度,（四）随机误差的正态分布规律,对某一物理量进行等精测量，得一测量列： 曲线特点: 1)单峰性 2)对称性,f(x),3)有界性:,误差出现在区间 的概率为68.3%出现在区间 的概率为99.7%。 称为极限误差。,当 时，误差的概率分布如图，这种分布称为（高斯）正态分布,f(x),4)抵偿性,3. 多次测量结果的最佳值算术平均值,设在误差符合正态分布的情况下，一系列等精度测量值为：,假设相应的真值为, ,两边取和,根据正态分布的特点,当测量次数 时，有,即 （测量列的算术平均值等于真值）,在实际测量中，测量次数有限，,称为近真值，,称为标准差：,标准偏差:,无限次测量,有限次测量,(五)随机误差的评定,（一） 测量不确定度的基本概念,（1） 测量结果的评定不确定度的引入：,从误差分类上看界限不清,从误差的定义来看不易操作,四、 不确定度与测量结果评定,(2)不确定度概念：,是与测量结果相联系的参数，表征测量结果不能被肯定的程度，是恰当描述测量值的分散程度的物理量。,为了避免误差分类时界限不清的问题，不确定度可以按测量者是否采用统计分析而划分为两类： A类不确定度测量者对观测列进行统计评定： B类不确定度测量者对观测列进行非统计评定： 合成不确定度在具体的实验中一般需要对测量结果同时考虑A、B两类不确定度，如果 A、B两类不确定度相互独立，A、B两类方和根合成称为合成不确定度，表示为,(3) A类不确定度采用统计方法评定的不确定度,A类不确定度：,在实际测量中次数非常有限，测量误差分布并不符合正态分布，而是符合t分布。将标准偏差乘以一个因子 作为不确定度的A类分量,即：,测量次数足够多时，满足正态分布,测量次数：6 置信概率：95%,（4） B类不确定度 测量者采用非统计方法得到的不确定度,物理实验中B类不确定度主要由仪器误差引起，因此采用仪器的最大误差限 来估算。,实验中我们参照计量部门的仪器标准或仪器生产厂家给定的仪器误差的范围，确定仪器误差的大小，即仪器误差限 。为了方便计算B类不确定度，我们先给出实验室常用的几种仪器的误差限：,（1）米尺：最小刻度的一半。,（2）游标卡尺：游标上有50刻线 游标上有20刻线,（3）测量范围为 的一级螺旋测微仪(千分尺)： 仪器标定,（5）电压表、电流表：根据所使用的量程和仪表给定的精度或级别 计算得到,例如：用0.5级的电流表测电流，所用量程为20mA，,（4）电阻箱：根据使用情况通过计算得到。,(5) 不确定度合成： 其中 测量结果表达： 称为测量结果的相对不确定度,（二） 直接测量量不确定度估算,1、单次直接测量不确定度计算只考虑仪器误差限在一般情况下，单次直接测量可以只估计不确定度的B类分量，用作为测量的不确定度。假设测量值为 x.,结果表示：,例：用精度为1.0级，量程为10V的电压表测得的电压值为8.26V：,不确定度为：,结果表示为：,相对不确定度：,（1）计算被测量的算术平均值 ： （2）已知系统误差，修正得到测量结果: （3）计算A类不确定度: （4）确定B类不确定度： （5）合成不确定度: （6）最后的测量结果表示：,2、多次直接测量: 多次直接测量需要同时考虑A,B两类不确定度，对于测量数据进行处理的步骤比较多,例：用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值xi分别为：0.249, 0.250, 0.247, 0.251, 0.253, 0.250; 同时读得螺旋测微计的零点x0为：0.002, 单位mm，已知螺旋测微计的仪器误差为仪=0.004mm，请给出完整的测量结果。 解： 测得