物理实验知识总结2018/7/71. 实验理论 2. 液体表面张力系数测量 3. 测物体的转动惯量 4. 声速测量 5. 光的等厚干涉 6. 菲涅尔双棱镜干涉测波长 7. 迈克尔逊干涉仪测量空气折射率 8. 光的偏振实验第一学期教学内容：力第一学期教学内容：力 学、波动光学；配合教学、波动光学；配合教 学的实验：学的实验：第二学期教学内容：热学第二学期教学内容：热学 、电磁学、近代物理；配、电磁学、近代物理；配 合教学的实验：合教学的实验：1.测量不良导体的导热系数 2.示波器原理与使用 3.单双臂电桥测电阻及温度系数 4.线形电阻和非线性电阻伏安特性曲线的研究 5.液晶的电光特性实验 6.霍尔效应及霍尔元件基本参数的测量 7.磁阻传感器与地磁场测量 8.铁磁材料磁滞回线测量 9.光电效应和普朗克常数测定 测量结果与不确定度评定n（一）.测量不确定度的概念和定义n（二）.测量不确定度的分类及评定n 1). A类不确定度评定；n 2). B类不确定度评定；n 3). 总不确定度及其分类；n 4).间接测量不确定度的传递与合成;n（三）.测量结果的有效性测量结果与不确定度的评定测量结果与不确定度的评定（一）（一）. .不确定度的概念和定义不确定度的概念和定义v在报告实验结果时，应该提供一个描述实验结果可信赖程 度的相关参数，以便实验结果的使用、交流和比对等。这 个可用来评定测量结果可信赖程度的参数就是测量不确定 度。v不确定度定义为对被测量真值所处量值范围的评定，它表 示由于测量误差的存在，导致被测量真值不能确定的程度.v测量不确定度是与测量结果相联系的参数,表征合理的赋 予被测量之值的分散性。测量结果的最终表达形式测量结果的最终表达形式置信概率p=上式中x为被测量，x测为测量值，u为总不确定度， x测和u具有相同的物理单位。 不确定度具有概率的概念，以上测量结果表示被测 量的真值位于区间x+u，x-u内的概率为p= ， x+u，x-u称为置信区间。（二）（二）. . 测量不确定度的分类及评定测量不确定度的分类及评定考虑测量中各种因素的影响，估算出一个恰当的参数 ，来表述测量结果的真值在某个量值范围的可能性，就 是测量不确定度的评定问题。按评定的方法不同，不确 定度分为A类分量和B类分量：nA类：对多次重复测量值，由观测列的概率分布，按统计 方法估计的标准偏差称为A类不确定度。nB类：根据经验或其它信息，由其它方法得到的那些误差 分量称为B类不确定度。1 1）A A类不确定度的评定类不确定度的评定是一个统计参数，用以描述测量结果 的可信 赖程度，称为测量结果的 A类标准不确定度，用UA表 示。A类标准不确定度的置信水平是68.3%.等精度多次测量平均值的实验标准偏差的统计结果 可以描述测量列的分散情况，测量不确定度各分量恒只 用实验标准偏差给出而称为标准不确定度。对于等精度测量列：n最佳估计值：n实验标准偏差：n平均值的标准偏差：A类标准不确定度 ：v 依据相关信息对测量误差进行估算，得到近似的相 应方差或标准偏差，就是B类不确定度分量的评定。2 2）B B类不确定度评定类不确定度评定v 实际实验测量中，影响不确定度B类分量的因素可能存在很多方面，综合分析所有影响因素会有一定困难。 在没有特殊说明的情况下，本课程只考虑仪器误差这一 影响B类分量的主要部分，记作UB。 在A类不确定度评定中，A类标准不确定度的置信区 间相应于多次测量的实验标准偏差S(X),置信概率为 68.3%。而B类评定中仪器误差限的置信水平是100%。 因此仪要除以一个分布因子C，使B类标准不确定度满 足或接近置信概率为0.683。例如： 在区间-仪，+仪为正态分布，则C=3 为相应正态分布的分布因子。仪相应于3的置信水平99.7% 。UB（x）的置信水平是P =68.3%v 实际上仪器误差在-仪，+仪范围之内可能服 从的概率分布有：均匀分布、三角分布、正态分布 等。在实际工作中，常常忽略不同分布的差别。本 课程中仪器误差一律按均匀分布处理。 对于均匀分布，C值取 ，关于仪器误差的约定关于仪器误差的约定n刻度类测量量具如果没有明确给出仪器误差，一次 读数确定结果的取最小分度的一半作为仪器误差限 ；两次读数确定测量结果的取最小分度值作为仪器 误差限。n游标类仪器取最小分度值作为仪器误差限。（例如 分光计仪=1，50分度游标卡尺仪=0.02mm ）n电表类测量仪器按量程和准确度级别计算仪器误差对于等精度直接测量量Xi的测量结果，其不确定度来源 包括A类和B类，可能有数个互不相关的不确定度分量。对 各个不确定度分量采用“方和根方和根”方法加以合成，构成测 量结果的总不确定度Uc(x)。“方和根”合成法，即把各自独 立的不确定度分量平方、求和，再开平方。直接测量量Xi 共有数个互不相关的不确定度分量则3 3).).总不确定度及其分类总不确定度及其分类测量不确定度是表明测量结果分散区间的参数，位于不同的置信区间，具有不同的置信概率，总不确定度 有两种表达方式： (1).标准不确定度：用标准偏差表示的测量不确定度， 置信水平在0.68附近。 (2).扩展不确定度：用标准偏差的倍数表示，将标准不 确定度扩展k倍，即kUc(x)，它比标准不确定度有更高 的置信概率，一般取k=2或3，置信水平在0.95或1附近。 本课程教学中约定：除特殊要求外，一律用标准不确定度报告实验结果。3 3).).总不确定度及其分类总不确定度及其分类一般情况下，物理实验中各个独立的直接测量结果的合成标准不确定度为uA(x)和uB(x)是标准不确定度，合成后的uC(x)仍是标准不确定度，置信水平近似为0.68。例题1：用自准法测量透镜焦距f，相同实验条件下独立测 量6 次，结果分别为 144.2，145.1，144.8，145.4， 145.0，145.7（mm）；计算测量结果并评定不确定度。平均值：实验标准偏差：平均值的标准偏差：A类标准不确定度： B类标准不确定度： 合成标准不确定度：实验结果：关于测量结果表示关于测量结果表示不确定度取两位有效数字，中间计算过程 可以多保留一位，修约原则只进不舍；测量结果末位与不确定度末位取齐，修约 原则4舍6入5凑偶；相对不确定度保留两位有效数字。例题2：用准确度级别为a=1.5，量程Nm=15v的电压表测量一电压值为 V=12.56v，试计算不确定度并给出实验结果。注：对于这样的单次测量，它的A类标准不确定度一般 均用以前的测量结果进行统计，但鉴于多数实验没有 过多的数据进行统计，所以A类不确定度不予考虑。V=12.560.13(V)E=0.13/12.56100%=1.0%间接测量量Y是直接测量量x的函数： Y= f(x) 通过测 量x得到Y，则Y的不确定度可通过x与Y之间的微分关系 得到是传递系数。 是当直接测量量x有不确定度 时，引起函数y的变化量。4).4).间接测量标准不确定度的传递与合成间接测量标准不确定度的传递与合成例题3：计算y的不确定度，并表示实验结果。 间接测量量Y是N个直接测量量X的函数 是传递系数。 当 为乘除或方幂的函数关系时，首先计算相对不确定度可以简化不确定度的运算。例如：先对整个式子取对数：再求全微分：方和根合成：数据处理是指对测量数据的加工、整理、归纳的 过程，找出数据之间的相互联系，得出科学合理的实 验结果。2.52.5 实验数据处理基本方法实验数据处理基本方法 物理实验常用的数据处理方法有：列表法、作图法、逐差法和最小二乘法。v列表记录实验数据应用举例自准法测量薄凸透镜焦距数据记录 在研究两个物理量之间的关系时，把测得的实验数据 以及变化情况用图线表示出来，就是作图法。作图法简明直观，便于分析比较，有多次测量取平均 的效果。根据实验作图，可以方便的求出某些实验结果， 回归两个物理量之间的经验方程。通过图示，应能较准确 地反映出实验的情况，能大致看出测量的准确度、精密度 和离散程度 。 常用的有直角坐标作图，根据需要有时也用对数坐标 、半对数坐标、极坐标等。二、作图法二、作图法1列表记录作图数据。并注意名称、单位、符号以及有 效数字的规范使用。2根据需要选择合适的坐标纸，在适当的位置建立坐标 轴，并确定坐标方向，注明各坐标轴所代表的物理量的名 称及单位。（可以用相应的符号表示）3确定坐标分度，以不损失实验数据的有效数字和能包 括全部实验点为基本要求。两坐标轴的交点不一定从零开 始，一般可取比实验数据点中最小值再小一些的整数值开 始标值。坐标分度比例要选择得当，在坐标轴上等间隔的 用数字注明。v实验作图基本规则：4描点、连线作图。作图时不必强求图线必需通过所 有实验点，图线应反映出实验的总趋势，偏差较大的 实验点应当均匀的分布于图线两侧，所画图线由第一 个数据点起到最后一个数据点止。5在坐标纸的适当位置写明图名、作图人、作图日期 和有关图注。8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00I (mA)U (V)1.选择合适的坐 标纸3.标出实验点4.连接图线5.标出图名及 注解 电阻伏安特性曲线作图步骤：一般选用直角坐标纸。 选择图纸时以不损失实验数 据的有效位数并能包括所有 实验点为限度。2.确定坐标轴， 选择合适的坐标 分度值注意： 坐标分度时，忌用3、7等进行分度； 坐标分度可不从零开始； 尽可能使图线充满图纸。注意： 连线时应该使用相应的工具； 通常连线是平滑的； 要注意剔除错误的数据点； 直线尽量通过（x, y）这一点。不当做图示例：n(nm)1.650 0500. 0700. 01.670 01.660 01.700 01.690 01.680 0600. 0400. 0玻璃材料色散曲线图曲线太粗， 不均匀，不 光滑。n(nm)1.6500500.0700. 01.67001.66001.700 01.690 01.680 0600. 0400.0 玻璃材料色散曲线图改正为：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。I (mA)U (V)02.008.04.020.016.012.018.014.010.06.02.01.003.00电学元件伏安特性曲线横轴坐 标分度 选取不 当。I (mA)U (V)o1.002.003.004.008.04.020.016.012.018.014.010.06.02.0电学元件伏安特性曲线改正为定容气体压强温度曲线1.2001.6000.8000.400P(105Pa)t()60.0140.0100.0o120.080.040.020.0图纸使用不 当。定容气体压强温度曲线1.0001.1501.2001.1001.050P(105Pa)50.090.070.020.080.060.040.030.0t()实际作图时 ，坐标原点 的读数可以 不从零开始 。v1.图解法回归直线方程当所作图线是直线时，可通过图解求出直线方程的 参数，从而确定直线方程。设直线方程为 y = kx+b(1)求斜率:在图线上取两点P1(x1,y1),P2(x2,y2)，用数学 方法求出直线的斜率。 v作图法处理数据应用注意：* 通过图线求斜率一般不取测量点。* 在测量数据点范围之内取尽量远的两点。(2)求截距: 截距b是对应于x=0的y值。如果做图时，x轴 标度从零开始，直线又通过y坐标轴，可在y坐标轴上直 接读出直线的截距；也可在图上另取一点p3，将p3的坐标代入方程中求得。班级: 作图人： 作图日期：求斜率：