大学物理实验电子教案ppt课件

1、光光 电电 技技 术术 系系 物物 理理 实实 验验 室室二二OO七年二月七年二月蔡蔡 青青本学期课程课程安排本学期课程课程安排第1、2周实际根底知识23学时第 3 周 同窗们进展网上选实验工程/wlsys第 4 周 进展实际根底知识考试的考试成果第416周 循环进展所选实验工程的操作的平常成果绪绪 论论培育与提高学生的科学实验素养，逐渐养成严谨、科学的学习、实际态度。一、课程的目的、意义和详细义务一、课程的目的、意义和详细义务学习物理实验知识、实验方法和根本实验技艺，学习物理实验知识、实验方法和根本实验技艺，经过实验加深对物理学原理的了解；经过实验加深对物理学原理的了

2、解；锻炼和培育大家多方面的才干自学、动手实 践、思想表达、设计等；了解常用仪器的性能，并学会运用方法二、课程的根本要求二、课程的根本要求可以自行完成预习、进展实验和撰写报告可以自行完成预习、进展实验和撰写报告可以调整实验安装，并根本掌握常用的操作技术了解物理实验中常用的实验方法和丈量方法可以进展常用物理量的普通丈量阅读教材和有关资料写好预习报告三、课程教学的三个重要环节三、课程教学的三个重要环节仔细听教师提示性讲解仔细操作实验内容完好记录实验数据及实验景象1.实验前的预习阶段2.实验中的操作阶段 一、实验称号 二、实验目的 三、仪器和器具 四、原理简述 五、实验内容及步骤 六、本卷须知 七、实

3、验数据记录 八、数据处置 九、实验结果 十、讨论3.实验后的报告的撰写阶段平常成果考试成果总成果四、实验成果的评定方法四、实验成果的评定方法五、实验室规那么五、实验室规那么 详见教材详见教材P6物理实验根本知识物理实验根本知识1 .丈量的含义2 .丈量的分类直接丈量、间接丈量等精度丈量、非等精度丈量单次丈量、多次丈量按获得结果的方法分类：按丈量条件分类：按丈量次数分类：待测物理量与同类规范物理量相比较得出的倍数关系包含四要素：对象，单位，方法，准确度* 一一. .丈量丈量1 .真值2 .误差的定义误差 = 丈量值真值物理量客观存在的固有大小，用 表示。是不能够经过实践丈量获得的，任何丈量都存在

4、误差。二、误差二、误差11.000.05Lm20 .1 0 00 .0 0 8Lm10.05100%5.0%1.00E 20.008100%8.0%0.100E1212xxEE虽 然， 但 是.绝对误差 .相对误差100%xEx3、绝对误差和相对误差x12xx所以对于测量结果来说，比好0 xxx 0 x处理方法：替代法、交换法、修正法4、误差的分类A -系统误差：定 义：在一样条件下，对同一待丈量的多次丈量过程中，坚持恒定变化大小、正负不变或按特定规律变化的误差。普通在丈量前就应该知道的。产生缘由：仪器、方法、环境、人*B-偶尔误差：处理方法：多次反复丈量时符合统计分布规律定 义：在一样条件下

5、，对同一待丈量的多次丈量过程中，绝对值和符号以不可预知方式变化的误差分量。产生缘由：随机的、不可预见的发现方法：从大量反复丈量结果进展察看221(x)21f( x) e2正态分布规律正态分布规律.精细度：丈量数据的集中和分散程度。精细度：丈量数据的集中和分散程度。反映偶尔误差的大小.正确度：丈量的平均值偏离真值的程度。正确度：丈量的平均值偏离真值的程度。反映系统误差的大小.准确度：丈量数据集中在真值附近准确度：丈量数据集中在真值附近综合反映系统误差和偶尔误差反映丈量结果与真值的接近程度。5、丈量精度：图图(A)(A)图图(B)(B)图图 (C) (C)精细度高精细度高正确度低正确度低精细度低精

6、细度低正确度高正确度高准确度高准确度高物理实验根本知识一、真值的最正确近似值算术平均值 任一次的丈量误差：0iiixxxxx 偶系11mmiiiixxm x偶系011miixxxmiixxx真值的最正确近似值偏向m次：次：X1，X2，Xi，Xm102001()().()mimixxxxxxx各次丈量结果误差相加：1020001()(). ()mmiixxxxxxxmx0m x系系统误差在丈量之前就应消除，即：()10miixm偶根据偶尔误差所服从正态分布规律的抵偿性，有：那么：1、算术平均误差：1miixxxm2、规范偏向：()211niixxSn()21(1)niixxn n多次丈量中恣意一

7、次丈量的规范偏向算术平均值对真值的规范偏向 二、多次直接丈量的数据讨论二、多次直接丈量的数据讨论 教材上给大家引见了一种判别丈量列中异常数据的准确方法肖维涅。 如今我们说的是一种比较简单的用极限误差来判别丈量列中异常数据的方法极限误差法。lim3xSl i mixx 就是丈量中的异常数据，应在数据处置前予以剔除。ix我们令极限误差：只需那么3、异常数据的剔除用规范米尺测某一物体的长度共10次，其数据如下：计算算术平均值L判别并剔除丈量列中的异常数据算术平均值的规范偏向12 23 34 45 56 67 78 89 9101042.3242.3242.3442.3442.3542.3542.30

8、42.3042.3442.3442.3342.3342.3742.3742.3442.3442.3342.3342.3542.35()iL cmm计算丈量列的算术平均误差L解：1 0111 0iiLL1(42.3242.3442.3542.3042.3442.3342.3742.3 442.3342.35)104 2 .3 4 ()c m1、计算算术平均值:2、判别异常数据lim33 0.010.03()xScm 42.3242.3242.3442.3442.3542.3542.3042.3042.3442.3442.3342.3342.3742.3742.3442.3442.3342.334

9、2.3542.350.020.020 00.010.010.040.040 00.010.010.030.030 00.010.010.010.01()iL cm()iL cm42.3242.3242.3442.3442.3542.3542.3442.3442.3342.3342.3742.3742.3442.3442.3342.3342.3542.350.020.020 00.010.010 00.010.010.030.030 00.010.010.010.01比较得出 是异常数据。剔除后再判别。442.30Lcm()iL cm()iL cm42.34Lcm0.02Scm经过比较、判别，丈

10、量列中没有异常数据了。()10210.0059720.01()101iiLLScm3、计算算术平均值误差910 .0 1 ()9iiLLc m4、算术平均值的规范偏向()()9210.02()9 9 1iiLLcm真值落在 内的置信度是99.7%(3 )(3 )xSxS真值落在 内的置信度是68.3%() ()xx对于不同的误差表示，真值被包含的概率P不同。真值落在 内的置信度是57.5%() ()xxxx 只是一个经过数理统计意义的估算值，表示真值的一定概率被包含在 范围内，是一个具有统计意义的物理量，普通称之为置信概率或置信度，用P表示。() ()xx4、置信概率对于不同类型的仪器，仪器误

11、差的分析讨论方法也不同。三、单次直接丈量的数据分析讨论 对于有些物理量只能靠单次丈量获得结果，或者有的丈量多次的结果一样。我们说过，任何丈量都存在误差，那么此时只能阐明用以丈量该物理量的仪器精度不够，不能反映出丈量的真实情况，必需对仪器进展分析讨论。1、仪器的精度：反映丈量读数的可靠程度，普通为仪器的最小分度值。仪2、仪器误差：正确运用仪器时，产生的最大误差电表类：有等级、量程的仪器：游标卡尺类：螺旋测微计千分尺：%=%mX仪量程等级2 00 .0 55 00 .0 2m mm m仪仪分 度 ：分 度 ：0.004mm仪A.示值误差把最小分度值均分成10等份进展估读把最小分度值均分成5等份进展

12、估读把最小分度值均分成2等份进展估读普通估读为0、1、.9个1/10单位普通用于最小分度值为5时普通用于刻度较窄、指针较宽且有摆动综上所述，延续读数仪器12仪一个最小分度值B.延续读数式仪器在读数时需求估读1/10估读：1/5估读：1/2估读：仪一 个 最 小 分 度 值C.非延续读数式仪器数字式仪器表示丈量结果的好坏。在结果表示中，它的取位原那么仍是：可取12位，但尾数只进不舍、宁大勿小。 四、丈量结果的误差描画x（）1、绝对误差：表示丈量结果偏离真值的大小和方向。在结果表示中，它的取位原那么是：可取12位，但尾数只进不舍、宁大勿小。()xEE2、相对误差：单次丈量多次丈量1 0 0 xxE

13、x 测仪仪仪测（ 单 位 ）1 0 0 xxxxxEx （ 单 位 ）1 0 0 xxxEx（ 单 位 ）1 0 0 xxEx测仪仪仪测（ 单 位 ）对于多次丈量的绝对误差 应与用于丈量的仪器的 作比较，取大者。( )x仪仪（）3、表述方式：注注 意意绝对误差的取位决议丈量值的取位，丈量值的取位原那么：四舍六入五凑偶 。用长度为2000mm的钢卷尺单次丈量讲桌的长L为120.01cm，表示该丈量结果。由于是单次丈量，丈量结果的绝对误差就是钢卷尺的仪器误差：/ 30.5/ 30.30.03mmE仪仪仪0.50.05mmE仪仪解：结果表示为：1200.1 0.50.05LE仪 （mm）1200.1

14、 0.30.03LE仪（mm）或例1：解：42.3242.3242.3442.3442.3542.3542.3442.3442.3342.3342.3742.3742.3442.3442.3342.3342.3542.350.020.020 00.010.010 00.010.010.030.030 00.010.010.010.01()iL cm()iL cm用米尺丈量某物体9次，表示该丈量结果。()()9210.02()9 91iiLLcm或例2：结果：0.010.050.05LcmLcm Q仪仪=0.020.0330.03LLcmcmQ仪仪仪=910.019iiLLLcm 42.34Lc

15、m42.34 0.050.2LE(cm)42.34 0.030.08LE(cm)物理实验根本知识 如L6.480mm和L=6.48mm，大小一样但丈量精度不同，是完全不同的两个丈量值。二、有效数字的性质三、有效数字的运算规那么可疑任何可疑 可靠可靠可靠一、有效数字的定义 由于仪器误差的存在，所以丈量所得结果不光要反映出丈量值的大小，还要反映出丈量精度。有效数字一切可靠数字最后一位可疑数字四、有效数字的四那么运算只需加减：只需加减：只需乘除：只需乘除：3 5 .21 2 8 .551 6 3 .8()m m4322112386523.910 ()mm尾数取齐误差位最早出现的。位数取齐取有效位数最

16、少的。根本原那么：四舍六入五凑偶根本原那么：四舍六入五凑偶例：将以下各数修约为4位有效数字,单位：mm3.141592.717295.62353.216506.378501-3.142-2.717-5.624-3.216-6.378 五、有效数字的取舍原那么小节： 一 丈量的含义，要素，分类 二 误差的定义，分类, 精度 三 绝对误差，相对误差1、根据获得丈量结果的不同方法，丈量可分为、根据获得丈量结果的不同方法，丈量可分为_丈量和丈量和_丈量；根据丈量条件的不同，丈量分为丈量；根据丈量条件的不同，丈量分为_丈量丈量_丈量。丈量。2、在实验中，进展多次、在实验中，进展多次(等精度等精度)丈量时

17、，假设每次读数的反复性好，丈量时，假设每次读数的反复性好，那么那么_误差一定小，其丈量结果的误差一定小，其丈量结果的_高。高。直接直接间接间接等精度等精度非等精度非等精度偶尔偶尔精细度精细度3、丈量的四要素是、丈量的四要素是_、_、_和和_。4、误差按性质可分为、误差按性质可分为_误差和误差和_误差。误差。对象对象方法方法单位单位精度精度系统系统偶尔偶尔单峰性单峰性有界性有界性对称性对称性1、偶尔误差服从的正态分布规律四个特性是：、偶尔误差服从的正态分布规律四个特性是： _、_、_和和_。抵偿性抵偿性一一 算术平均值算术平均值二二 多次丈量结果的误差分析多次丈量结果的误差分析三三 单次丈量结果

18、的误差分析单次丈量结果的误差分析2、选出以下说法的正确者、选出以下说法的正确者( )可用仪器的一个最小分度或一个最小分度的一半作为该仪器的一次丈可用仪器的一个最小分度或一个最小分度的一半作为该仪器的一次丈量的误差；量的误差；可以用仪器精度等级估算该仪器一次的丈量的误差；可以用仪器精度等级估算该仪器一次的丈量的误差；只需知道仪器的最小分度值只需知道仪器的最小分度值,就可以大致确定仪器误差的数量级；就可以大致确定仪器误差的数量级；D. 以上三种说法都正确。以上三种说法都正确。D3、丈量一约为、丈量一约为1.5伏特的电压时要求其结果的相对误差小于伏特的电压时要求其结果的相对误差小于1.5%，那，那么

19、应选用以下那一种规格的伏特表么应选用以下那一种规格的伏特表( )0.5级，量程为级，量程为5伏；伏； 1.0级，量程为级，量程为2伏；伏；2.5级，量程为级，量程为1.5伏；伏； D. 0.5级，量程为级，量程为3伏。伏。B , D一一 有效数字定义、性质有效数字定义、性质二二 有效数字的运算规那么有效数字的运算规那么1、指出以下各数的有效数字的位数：、指出以下各数的有效数字的位数：0.005m是是 _ 位。位。 是是 _ 位。位。100.00mg是是_位。位。自然数自然数10是是_位。位。62 .91 0m m125无穷无穷物理实验根本知识 上述误差的分析方法主要基于在完全消除系统的条件下，

20、单纯的估算偶尔误差。但在详细实验中，客观的系统误差经常消除不了。所以国际上从1980年开场就建议在实验中用不确定度表示实验结果的不确定程度，用以评定结果的质量，表征被测物理量的真值在某个范围的可信程度。 我国参与WTO后，各方面要与国际接轨就要求有关丈量结果不得表示方式应与国际相一致，用不确定度来表示丈量结果。 不确定度是对丈量结果不确定范围的标度。普通用表示。 P=68.3% 丈量的不确定度也可以了解为丈量误差能够出现的范围，标示着丈量的不确定度也可以了解为丈量误差能够出现的范围，标示着丈量结果的可靠程度。假设不确定度越大，那么丈量结果可靠性差，丈量结果的可靠程度。假设不确定度越大，那么丈量

21、结果可靠性差，运用价值低，反之，那么丈量结果的可靠性好，运用价值大。运用价值低，反之，那么丈量结果的可靠性好，运用价值大。一、不确定度定义 A类不确定度 S：二、不确定度的分类及计算方法 B类不确定度 u：(xx单位）()21(1 )niiixxSnn A A类不确定度类不确定度 S S：可以经过统计方法来计算(如偶尔误差)2222123.mSSSSS不能用统计方法只能用其他方法估算(如仪器误差和丈量估计误差)2222123.nuuuuu B类不确定度 V：22iuuu仪估()/ 3 / 3uu仪仪估估相对不确定度-E 合成不确定度-三、不确定度的相关表述22Su P=68.3%100%xEx

22、四、间接丈量的不确定度 和间接丈量的误差传送一样，间接丈量的不确定度也要传送。知关系式为：绝对不确定度：22iyxifx12(,)kyfxxxL相对不确定度：22lniyxifExy五、用不确定度表示丈量结果结果表示为：100%xxxxEx （ 单 位 ） (P=?)物理实验根本知识 数据处置是实验中对数据的加工及运算过程,到达求得未知量的目的。在这一节中，我们将熟习以下在物理实验中常用的数据处置方法：1、列 表2、作 图 法 3、逐 差 法4、平 均 法5、最小二乘法一、列表法列表的要求： 简单明了，便于表示物理量的对应关系，处置数据方便。 在表的上方写明表的序号和称号，表头栏中标明物理量、

23、物理量的单位及数量级。 表中所列数据应是正确反映结果的有效数字。 丈量日期、阐明和必要的实验条件记在表外。次数12345低精度信号源 f(Hz)2 25 5. .0 05 50 0. .0 07 75 5. .0 01 10 00 0. .0 01 12 25 5. .0 0高精度信号源 f(Hz)2 26 6. .1 14 48 8. .0 07 77 7. .0 01 10 00 0. .0 01 12 24 4. .0 0修正值(f)1 1. .1 1- -2 2. .0 02 2. .0 00 0. .0 0- -1 1. .0 0二、作图法 可以直接反映各物理量之间的变化规律，协助找

24、出适可以直接反映各物理量之间的变化规律，协助找出适宜的阅历公式。可以从图上用外延、内插等方法求得实宜的阅历公式。可以从图上用外延、内插等方法求得实验点以外的其它点。可以消除某些恒定的系统误差。具验点以外的其它点。可以消除某些恒定的系统误差。具有取平均，减小随机误差的效果。可以较容易地判别过有取平均，减小随机误差的效果。可以较容易地判别过失误差。失误差。 1、作图应遵照的原那么选择相应类型的坐标纸如直角坐标纸、双对数坐标纸、半对数坐标纸等，普通一个图形用四分之一张坐标纸。正确选择坐标比例，使图线均匀位于坐标纸中间，坐标轴的交点可以不为零。丈量数据中的可靠数字在图上也应是可靠的，即图纸上一小格对应

25、数据中可靠数字的最后一位，而误差位在小格之间估计。注明图名及坐标轴所代表的物理量、单位和数值的数量级。描点应采用比较明显的标志符号，如等。对变化规律容易判别的曲线以平滑线衔接，曲线不用经过每个实验点，实验点应均匀分布在曲线的两侧；难以确定规律的可以用折线衔接。.求斜率：在曾经绘制好的直线上，尽量远的地方重新选取两点：x1，y1，x2，y22112byyxx2、求斜率与截距:.求截距：在x1，y1，x2，y2之间再取一点 x3，y3 (x2,y2)(x1,y1)(x3,y3)yabx213312ayxyyxx三、逐差法逐差法运用前提条件： 1自变量等间隔变化； 2函数关系可以写为多项式关系。四、

26、平均法用来处置丈量数据组数多于待定参量个数的问题。 y0=a+bx0 y1=a+bx1 y7=a+bx7如：总共有8组数据，只需两个待定参数a和b，平均法就是将前四个方程相加，后四个方程相加，得到两个方程，解出两个未知量a和b。可类推方程有1、 3、 4个待定参数的，可将方程组合并成1、 3、 4个方程求解。五、最小二乘法 最小二乘法回归分析法时求阅历方程最准确的方法。 最小二乘法运用非常广泛，不仅适用于线性函数，也可运用于非线性函数，由于本教材中涉及的大多为线性问题，而且一些非线性的问题也可以转化为线性问题，所以我们只讨论线性函数的最小二乘法。1最小二乘法原理最小乘数a和b的值是能使各次丈量

27、值误差平方和为最小的那个值。数学表达式为：21()m inKiiyy2一元线性回归直线拟合给定函数关系为yabx1实验数据为1212,.,.kkxxxyyy对应由于x和y的丈量存在误差，将1212,.,.kkxxxyyy和代入1式，等式两边并不相等。等式两端的差值用12,.k 表示，那么111()yabx222()yabx()kkkyabx.按最小二乘法原理，a、b最正确值应满足：2211()minkkiiiiiyabx22式对a和b求偏导应为0。由于 最小，21kii()21120kkiiiiiyabxa ()21120kkiiiiiiyabxxb 整理后得11211100kkiiiikkk

28、iiiiiiiykabxx yaxbx3由于11kiixxk11kiiyyk2211kiixxk11kiiixyx yk200yab xx ya xb x代入3式有：222xxyyxaxx22xyxyyabxxx3相关系数r相关系数：定量描画x、y变量之间线性相关程度的好坏x yx xy yLLL1111kkkxyiiiiiiiLx yxyk 22111kkxxiiiiLxxk22111kky yiiiiLyyk式中r0 拟合曲线斜率为正r0 斜率为负r=0 那么x和y无线性关系(a)(b)(c)(d)4举例以铜电阻温度关系为例，测得的一组数据如表所示。知Rt和t的函数关系为Rt=a+bt，试

29、用最小二乘法求出a、b。次数K 1 2 3 4 5 6 7 8 电阻Rt 1 10 0. .3 35 5 1 10 0. .5 51 1 1 10 0. .6 64 4 1 10 0. .7 76 6 1 10 0. .9 94 4 1 11 1. .0 08 8 1 11 1. .2 22 2 1 11 1. .3 36 6 温度t 5 5. .0 0 1 10 0. .0 0 1 15 5. .0 0 2 20 0. .0 0 2 25 5. .0 0 3 30 0. .0 0 3 35 5. .0 0 4 40 0. .0 0 ()()C解：()20111180.022.508kiitt

30、ck()11186.8610.868kttiiRRk31111.98102488ktitiitRt Rk2231115.10106388kiittk222222.50 248 10.86 63810.2422.50638ttttRRtatt10.8610.240.027622.50tRabt物理实验根本知识一、比较法：一、比较法：1、直接比较法、直接比较法 2、间接比较法、间接比较法二、放大法：二、放大法：1、积累放大法、积累放大法 2、螺旋放大法、螺旋放大法 3、 光学放大法光学放大法 4、电子学放大、电子学放大三、转换法：三、转换法：1、参量换测法、参量换测法 2、能量换测法、能量换测法四

31、、补偿法：四、补偿法： 五、模拟法：五、模拟法： 1、物理模拟、物理模拟 2、数学模拟、数学模拟 3、计算机模拟、计算机模拟物理实验根本知识 设计性实验是在经过一定的根底实验训练设计性实验是在经过一定的根底实验训练后，在教师的指点下，由学生自行设计，独立后，在教师的指点下，由学生自行设计，独立完成的实验工程。要求学生除了具有一定的实完成的实验工程。要求学生除了具有一定的实际知识，还须具备必要的实验技艺；在完成实际知识，还须具备必要的实验技艺；在完成实验的过程中，经过查阅文献，综合分析，推理验的过程中，经过查阅文献，综合分析，推理判别，自行处置实验中的问题，养成良好的科判别，自行处置实验中的问题

32、，养成良好的科学实验的习惯。学实验的习惯。 其根本流程：根据实验义务确定实验方案，其根本流程：根据实验义务确定实验方案，选择实验仪器，拟定实验程序，操作调试仪器，选择实验仪器，拟定实验程序，操作调试仪器，察看记录，数据处置，写出科学论文或报告。察看记录，数据处置，写出科学论文或报告。包括的丈量详细方法：如伏安法测电阻中选择电流表是内包括的丈量详细方法：如伏安法测电阻中选择电流表是内接还是外接。接还是外接。设计性实验的根本设计原那么和方法设计性实验的根本设计原那么和方法一、丈量方案的选择一、丈量方案的选择二、分析系统误差并消除减小二、分析系统误差并消除减小如伏安法测电阻中电表的内阻对结果的影响。

33、如伏安法测电阻中电表的内阻对结果的影响。三、丈量仪器的选择三、丈量仪器的选择1、仪器量程确实定：、仪器量程确实定：根据直接丈量值的大小和各仪器的配套进展选择。根据直接丈量值的大小和各仪器的配套进展选择。2、仪器误差确实定：、仪器误差确实定：1将总误差等分到直接丈量项，得到各直接丈量项的将总误差等分到直接丈量项，得到各直接丈量项的误差大小。误差大小。实验室只需求用最简单的最大平均误差传送公式，公式与实验室只需求用最简单的最大平均误差传送公式，公式与间接丈量的最大平均偏向合成公式一样。间接丈量的最大平均偏向合成公式一样。2根据误差传送系数得到各直接丈量的最大误差。忽根据误差传送系数得到各直接丈量的最大误差。忽略其它误差，确定仪器误差。略其它误差，确定仪器误差。3选择满足误差条件精度最低的仪器。本钱最低选择满足误差条件精度最低的仪器。本钱最低4用误差等分配