大学物理实验绪论2ppt课件

大学物理实验 绪论(下 ） 2010-2011学年第二学期 1、有效数字的定义 可靠的几位数字加上可疑的一位数字统称为测量 结果的有效数字。 2、与有效数字定义有关的几个概念 (1)有效数字位数与小数点和单位无关 用以表示小数点位置的“0”不是有效数字。 (2)当“0”不是表示小数点位置时为有效数字，因 此数据最后零不能随便加上，也不能随便减去。 例如：0.02040米中，“2”前面的“0”不是有效数字 ，而中间和最后的“0”为有效数字，最后的“0”不 能省略。 9 有效数字的几个概念 (3)有效数字反映仪器的精度。 读数时，必须读到估读的一位，即最后一位是估读 的，是有误差的。 例如：1.35cm，其中0.05为估读位。米尺的最小分度 值为0.1cm，因此估读位为0.01cm。因而1.35cm很可 能是用米尺测量的。而1.3500cm则一定不是用米尺测 量的，而是用千分尺测量的。 (4)有效数字的科学书写方式(浮点书写规则) 将有效数字首位作个位，其余各位均位于小数点 后，再乘以10的方幂. 例如：25.46cm=254.6mm=2.546105m 依照截尾数字分布的统计均匀规律，有效数字 的截尾采用四舍五入的原则。 有效数字在运算的过程中，会出现很多位数受估 读位的影响，如果都给予保留，既繁琐又不合理，下 面讨论如何合理地确定运算结果的有效数字的位数。 有效数字的运算规则 1.在有效数字计算时会遇到有效位的舍取，故先讨论 有效数字截尾的舍入规则 例1：保留三位有效数字 2.3473 2.35 2.3451 2.35 2.345 2.34 2.3449 2.34 2.3427 2.34 例2：保留三位有效数字 2.3773 2.38 2.3751 2.38 2.375 2.38 2.3749 2.37 2.3727 2.37 因纯五的情况较少见，故通常只遵循四舍五入也可以。 2. 在进行有效数字运算前，先确定几个运算规则： (1)有效数字相互运算后仍为有效数字，既最后一位可 疑其它位数均可靠。 (2)可疑数与可疑数相互运算后仍为可疑数，但其进位 数可视为可靠数。 (3)可疑数与可靠数相互运算后仍为可疑数。 (4)可靠数与可靠数相互运算后仍为可靠数。 在运算中，为了与可靠数字加以区别，可疑数字以 红色数字表示。 （1）有效数字的加减法则 计算10.1+1.551=? 10.1 + 1.551 11.651 3. 下面用实例讨论如何确定有效数字的运算法则。 数值11.651的末两位已无意义，根据舍入法改写为 11.7。 有效数字经过加减运算后，得数的最后一位数应该 与参与运算的诸数中可疑位数最高的位数一致。 计算 12.3851.1=? 12.385 1.1 1.2385 12.385 13.6235 93.50412 7.792 84 95 110 84 108 24 24 0 有效数字经过乘除运算后，得数的有效数字的位数与 参与运算的各数中有效数字位数最少那个数的有效数 字位数相同。 93.50512=? 舍入后13.6235变为14， 所以12.3851.1=14。 同理 93.50512=7.8。 （2）有效数字的乘除运算法则 （3）乘方、开方的有效数字运算后的有效数字位数与 底数的有效数字相同。 例：求cos7o26的数值。 （4）三角函数,对数,指数有效数字运算法则 一般可采用函数增量分析的方法，先决定误差位， 再将测量结果误差位对齐。 由误差传递公式可得cos7o26的误差 =（sin7o26） (1) 这里角度是直接测量量，其测量量具为角游标尺， 其最小分度值为1。所以 =1=(1/60)o=(1/60)(/180)(2) 将（2）代入（1）得 =（sin7o26）(1/60)(/180)=0.00004 所以，cos7o26=0.99198。 例： 例： 1. 对数 对数运算结果的小数点后面的位数与原值的位数 相同。当原值值的第一位数大于“5”时时，多取一位 对数,指数和三角函数有效数字取位简略规则如下： 2. 指数 运算结果的有效位数与原值指数的小数点后的位 数相同(包括零)。 （5）特殊数的有效数字位数 参与运算的准确数字或常数，比如2，e等的有 效数字的位数可以认为有无限位。 实验结果的表达 用0.1分度的水银温度计测量水温t为28.35， 温度计的误差为 ， ，则温度表示为 ： 不确定度的末位与有效位数的末位对齐，按宁大勿小 进位。 若实验仪器长期使用而又不被经常校准（如教学仪 器），不确定度通常只取一位，也按宁大勿小进位。 单次测量结果的表达 一位估读值 这时有效位数与不确定度的末位对齐，按宁大勿小进 位。可接受的不确定度位数一般为1或2位。若不确定度超 过有效位数两位的，说明相关的测量有待改进。 对于一般教学实验，不确定度通常只取一位，也按 宁大勿小进位。作为中间结果，可以多保留一位。 等精度多次测量结果的表达 这时有效位数也向不确定度的位数对齐，不确定度 按宁大勿小进位。可接受的不确定度位数一般为1或2位 。 对于一般教学实验，不确定度通常只取一位，按宁 大勿小进位。结果的有效位数向不确定度对齐。 间接测量结果的表达 间接量w的值按照有效数字计算规则和四舍五入法则 确定。 练习题 计算以下各式的结果及其误差（标准误差）： (1)y = A + 2B + C - 2D，其中 A = 38.206 0.001cm， B = 13.2487 0.0001cm， C = 161.25 0.01cm， D = 1.3242cm 0.01cm 。 (2)三角形边a = 10.000.01cm，b = 15.000.02cm， 夹角： = 30.00.5o。由其面积公式 ，求 面积S及其误差。 实验中，被记录下来的原始数据还需要经过适当 的处理和计算才能反映出事物的内在规律或得出测量 值，这种处理的计算过程称为数据处理。根据不同的 需要，可采用不同的数据处理方法。 10 物理实验的数据处理方法 一、列表法 把数据按一定的规律列成表格，可以使物理量之间 的一一对应关系简明，醒目，也有助于发现其间的规 律，比如递增或递减。 列表法要点： 1、表格设计力求合理、简明、便于观察。 2、各栏目中的物理量均应注其名称和单位。 3、各量排列顺序尽量与测量顺序一致，以便寻规律 。 作图要点: 1.标明横坐标和纵坐标的分度，变量名及单位。 2.实验数据点用“+” “” “” 等标标出，交点处处 即为实验为实验 数据的位置。多组组数据用不同颜颜色的“+” 等标出，并标明图例。 二、作图法 作图是指将自变测量量作为横坐标，因变测量量作 为纵坐标在坐标纸上一一找出对应点，称为实验点， 再把这些实验点连成曲线，从而发现两个测量量之间 的关系。坐标纸分为方格纸、单对数纸、双对数纸、 概率纸等多种，使用时，可根据需要选择。 * 统一用25X20毫米方格纸，可以将画图部分剪贴到 实验报告纸上。 例设用一实验方法测得出Y与X对应数据如下表， 试用作图法求其经验公式。 从数据表上看出Y 对均匀变化的X较为均 匀的变化，所以可估 计X-Y曲线为直线，令 Y=aX+b，如图可求得 a=tan(22.5o)=0.41， b=1.5。 所以经验公式为 Y=0.41X+1.5 手工画图时，数据点用十 字叉丝，交叉点为测量值 的位置 某些函数关系是非线性关系，图线常常不易画 ，而且也难判断实验结果的特点，但若能通过某些 坐标的变换来处理，就可以把曲线变换成直线，从 而获得许多好处。 例在热敏电阻温度测量实验中，所得实验数据 记录如下表： 在转换测量中，常将被测量量经某种方法转换为 另一种物理量显示，于是利用读出的量与被测量之间 的固定关系，由读出的量找出相应的被测量值。 作变换用lnRT1/T作图，就变为一条直线关系。 r=-0.973 r=0.995 11 曲线拟合 把实验数据画成图表，虽然可以通过曲线拟合表 示出一定的物理规律，求出相关物理量，但是它存在 着较多的主观随意性。对于同一组测量数据作图，不 同的人可以得出的不同的结果。 由一组实验数据找出一条最佳拟合曲线，常用的 方法是最小二乘法，所得的变量之间的函数关系称为 回归方程。这里介绍物理实验中最常用的最小二乘法 进行一元线性拟合方法 最小二乘法原理：最佳拟合直线上的函数值与各 相应点测量值之差的平方和在所有拟合直线中为最小 。 假定每个测量点xi,yi都是等精度的，且xi没有误 差。设拟合直线上的函数值 y 与各相应点测量值 yi 之差为vi=yi-(a+bxi)。 最小二乘法原理：最佳拟合直线上的函数值与各 相应点测量值之差的平方和在所有拟合直线中为最小 。 现在的目标是确定a和b，使差值vi的平方和最小。 假定每个测量点xi,yi都是等精度的，且xi没有误 差。设拟合直线上的函数值 y=a+bx 与各相应点测量 值 yi 之差为vi=yi-(a+bxi)。 最小二乘法原理：最佳拟合直线上的函数值与各 相应点测量值之差的平方和在所有拟合直线中为最小 。 现在的目标是确定a和b，使差值vi的平方和最小。 三 物理实验常用基础仪器的有关知识 1.游标卡尺 2.螺旋测微器 3.秒表 4.电表 5.磁电式仪表 6.数字仪表 7.电阻箱 8.电源 1.游标卡尺 外径量爪 内径量爪 深度量尺 游标 主尺 固定螺钉 数显游标卡尺 校零 电源开关 公制英制转换 为了提高米尺的测量精度，通常在米尺（主尺） 上附带一个可以沿尺身移动的小尺（游标）。游标上 的分度值x与主尺分度值y之间有一定关系，一般使游 标上p个分度格的长度与主尺上（p1）个分度格的 长度相等，即使得 p X（p1）y 主尺与游标上每个最小分格之差为：=y-x=y/p 差值称为游标尺的精度，它表示了游标尺能读准 的最小值，也就是游标的最小分度值。 常用的游标 =0.1mm =0.05mm =0.02mm =？ 游标尺的准确度，即仪器的误差限 1 卡尺的指示值为37.02 测量结果： 用误差限表达：D=(37.020.02)mm 用不确定度表达： D=(37.020.02)mm 测量结果：d=(3.100.02)mm 卡尺的指示值为3.1 测量结果： 用误差限表达： D=(指示值仪)mm 用不确定度表达：D=(指示值仪/3)mm 卡尺的指示值为3.10 2.螺旋测微器 尺架 锁紧装置 测砧 微动螺杆固定套筒 微分套筒 棘轮旋柄 纠正零点误差： -0.005mm 指示值：0.465mm 刻度间的估读方法：1/2估读，1/5估读 细丝直径的测量值： 0.460mm 3 秒表 启动，停止 按钮 日期时间，秒表 按钮 照明，清零 按钮 仪器误差： 仪=0.01+0.0000058t t为计时时间 人操作所产生的测量误差：0.2s 测量结果t=（12.80.2）s 4 电表 电测仪表的种类很多，根据结构原理不同，分磁电系仪表 、电磁系仪表、电动系仪表等，其用途各不相同。 在物理实验室中常用的绝大多数电表是磁电系仪表。它不 但可直接用于对直流电参量的测量，而且与附加整流器结合用 来测量交流电参量，或加上换能器，还可以对非电量进行电测 。 电表 当动圈中有电流通过时，动圈与磁场相互作用，产生一定大小的磁力矩，使线 圈发生偏转。与此同时，与动圈固定在一起的游丝因动圈偏转而发生形变，产生恢 复力矩，且随动圈的偏转角的增加而增大。当恢复力矩增加到与磁力矩相等时，动 圈则停止运动，与动圈固定在一起的仪表指针在标度尺上指示出测量数值来。 磁电系仪表是利用永久磁铁的磁 场和载流线圈的相互作用的原理制成 的。其内部结构如上左图所示。 1为强磁力的永久磁； 2是接在永久磁铁两端的半圆形“极掌”； 3是圆柱形铁心，它与两极掌间形成较 小的气隙，以便减小磁阻，增强磁感应 强度，并使磁场形成均匀的辐射状，如 上右图所示； 4是处于气隙中的活动线圈（简称动圈） ，它是在一个铝框上用很细的绝缘铜线绕 制成的； 5是装在转轴上的指针； 6是产生反作用力矩的两个螺旋方向相反的“游丝”，“游丝”的一端固定在仪表内部 的支架上，另一端固定在转轴上，并兼作电流的引线； 7是固定在动圈两端的“半轴”，其轴尖支持在宝石轴承里，可以自由转动。 电表 设I为通入动圈中的电流强度 ，N为动圈的匝数，S为动圈的 截面积，B为气隙中的磁感应强 度，则动圈所受的电磁力矩为 式中D是游丝的弹性恢复系数，它的大小与游丝材料的性质和尺寸有关。当磁力 矩与弹性恢复力矩达到平衡时，即 Ma=Mm ，可得 若线圈偏转的角度为，则游丝产 生的恢复力矩为Ma，它与偏转角度 成正比，故 这里系数k的大小仅与电表的结构有关。故上式表明在电表结构确定的情况下，线 圈的偏转角度与线圈通过的电流强度成正比。由此可见，磁电系仪表的标度尺的 刻度是均匀的。系数k在数值上等于线圈中通以单位电流所引起的偏转角度值，故 称k为电表的灵敏度。 名称符号名称符号 指示测量仪表的一般符号（ 举例） 负段钮 - 检流计正段钮 + 安培表 A 公共段钮 * 毫安表 mA 接地端钮 微安表 A 以标度尺量限百分数表 示的准确度等级 伏特表 V 以指示值百分数表示的 准确度等级 毫伏表 mV 标度尺垂直放置 千伏表 kV 标度尺水平放置 欧姆表 绝缘 强度试验电压 直流 - 调零旋钮 交流（单相） 防外磁场电场 等级 交直流磁电式仪表 A mV G II 2 0.5 0.5 0.5级 磁电式仪表 直流 水平放置 2kv绝缘试验 量程：15V 等级：0.5 测量值：11.34V 仪器误差：0.075V 测量结果（11.34+0.08）V 万用表 测量值 保持 电源开关 电阻测量 二极管测量 通路测量 交流电 压测量 直流电压 测量 三极管h值 测量 交流电流 测量 直流电流 测量 电容测量 电容放置端 公共接线端 电压，电流，二级管 接线端 微安级，毫安级电 流接线端 安培级电流 接线端 三极管插脚 端 5 电阻箱 常用的旋转式电阻箱外形如左图所示，它是由若干个准确的固定电阻，按 照一定的组合方式接在特殊的换向开关上而构成。其内部电路如上图