物理实验绪论(一)

1、 科学是用理论和实验这两只脚前进的，有时这只脚先迈出一步，有时是另一只脚先迈出一步，但是前进要靠两只脚：先建立理论然后做实验，或者是先在实验中得出了新的关系，然后再迈出理论这只脚并推动实验前进，如此不断交替进行。 罗伯特密立根大 学 物 理 实 验 孙仁兵 宁波工程学院物理实验教研室 2013年2月27日 绪论及实验理论联系方式短号635568是进行科学实验基本训练的一门独立的必修基础课程；是工科学生进入大学以后受到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，具有丰富的实验思想、方法、手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生科学实验能力、提

2、高科学素质的重要基础。它在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新意识、理论联系实际和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。 为什么要学习大学物理实验伽利略提出的现代实验方法注意探索性实验与验证性实验的区别具体实验与理想实验相接合实验观察与数学相结合学习的内容1.学习物理理论及实验知识通过对实验现象的观察、分析和对物理量的测培养和提高学生的物理实验技能。通过物理现象的观察、分析和对物理量的测量，学习物理思想，原理及方法，加深对物理实验设计创新思维的理解。2.培养实验能力能够通过阅读实验教材或资料，正确理解原理及方法，为进行实验作好准备。能够借助教材和仪器说明书，在老师指导

3、下正确使用仪器，尤其是对实验设计思想的理解，并进行正确的测试。能够正确的运用物理理论对实验现象初步分析和判断，逐步学会提出问题，分析问题和解决问题的方法。能够正确的记录和处理实验数据，绘制曲线，分析实验结果，撰写合格的实验报告。能够完成符合规范要求的设计性内容的实验。3.提高实验素养培养理论联系实际和实事求是的科学作风；严肃认真的工作态度；主动研究和创新的探索精神；遵守纪律、团结协作和爱护公共财产的优良品德。第1章 实验误差与不确定度评定 在科学实验中，总要进行大量的测量工作。要测量就会有误差，而误差的存在与大小将直接影响测量效果；测量效果的好坏即测量的质量由不确定度评定。因此，研究实验误差与

4、不确定度是从事任何科学实验必不可少的。 1.1测量和误差 1、直接测量和间接测量2、测量误差的基本概念（）误差的定义（）测量误差的分类 系统误差 随机误差接测量和间接测量测量，就是用一定的工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地与被测对象进行比较。直接测量是把待测物理量直接与认定为标准的物理量相比较，例如用直尺测量长度和用天平测物体的质量。间接测量是指按一定的函数关系，由一个或多个直接测量量计算出另一个物理量，例如测物体密度时，先测出该物体的体积和质量，再用公式算出物体的密度。在物理实验中进行的测量，有许多属于间接测量。 测量数据，直接测量和间接测量时单位的选择测量误差的基本概念（）误差的定义

5、（）测量误差的分类（）误差的定义真值与误差真值：反应事物本身特性的真实数据绝对误差与相对误差绝对误差=测量值-真值， 即 （1）相对误差= 即 （2） 绝对误差和相对误差的关系 （）测量误差的分类系统误差随机误差误差按性质和产生的原因不同分为：系统误差：a系统误差的概念在相同的条件下，多次测量同一物理量时，如果误差的大小和正负号总保持不变或按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。（见P7）b系统误差的修正已定系统误差例子：零值误差c估计上限的系统误差未定系统误差找不到规律，估计上限值，按随机误差处理。系统误差例子随机误差a随机误差的概念在相同的条件下，多次测量同一物理量时，如果误差的符号时正时

6、负，其绝对值时大时小，没有确定的规律，这种误差称为随机误差。多次测量减小随机误差b随机误差的两个量值测量结果的最佳估计值算术平均值，最接近真值：随机误差大小的估算测量值的标准偏差 称为贝塞尔公式： 大小反映测量值的离散性；测量可重复性好差。c常见的随机误差分布正态分布特征：单峰性 对称性有界性抵偿性-随机分布举例：抛硬币1.2 测量的不确定度评定和测量结果的表示由于测量误差的存在，测量结果中不可避免地含有误差，含有不确定的成分，实际上，这种不确定程度可以用一种科学合理的的方法来表征，这就是“不确定度”的评定。在测量方法正确的情况下，不确定度愈小，表示测量结果愈可靠。反之，不确定度愈大，测量质量

7、愈低，它的可靠性愈差，使用价值就愈低。由于一般测量量的真值不可知从而误差不可知，导致用误差来评价测量的质量有诸多不适。主要内容关于不确定度的一些概念和分类不确定度A类分量（ ）的评定； 不确定度B类分量（ ）的评定；总不确定度的合成测量结果的表示 6 . 间接测量不确定度的计算 关于不确定度的一些概念和分类由于误差来源众多，测量结果的不确定度一般包含几个分量。为了估算方便，按估计其数值的不同方法，它可以分为A、B两类分量量。A类分量能用统计方法计算出的标准偏差；B类分量是能用非统计方法估计出来的等价标准偏差。 .不确定度A类分量的评定 根据误差理论，当 时，即在置信概率为0.95的前提下，不确

8、定度 A类分量 可用测量值的标准偏差 估算。记为：(3)不确定度B类分量的评定大多数情况下把仪器误差 简化的直接作为用非统 计方法估计的分量 ，而写成(4) 当仪器误差呈均匀分布，一般都近似的取C=1.05,简化为C=1，因而得：(5) 仪器误差 ：仪器的示值和被测量的真值间可能出现的最大误差，可以通过查工具书获得。4.总不确定度的合成即(6) 若A类分量有n个，B类分量有m个，那么合成不确定度为：(7)(8)5.测量结果的表示（9）测量结果表达式 的含义：“测量结果是一个范围：它表示待测物理量的真值有一定的概率落在( ， )范围内；误差以一定的概率落在( )范围内；一定的概率就是置信概率。直

9、接测量不确定度计算举例例1：用螺旋测微器测某一钢丝的直径d，6次测量值di分别为: 0.602mm, 0.608mm, 0.603mm, 0.605mm, 0.606mm, 0.605mm; 已知螺旋测微器的仪器误差为仪=0.004mm，试用不确定度表示测量结果。解：钢丝的直径d的平均值为任意一次直径测量值的标准偏差为直径d不确定度的B类分量为：A类分量为：所以，直径d的合成不确定度为：相对不确定度为：测量结果表达为：6.间接测量不确定度的计算设待测量与各直接测量之间有函数关系：N是和差形式的函数时： （10）N是积商形式的函数时：（11）例2 己知金属环的内径 ，外径为 ，高度为 ， 求金属环的体积，并用不确定度表示实验结果。解：求金属环的体积间接测量不确定度计算举例求偏导：求相对不确定度：则所以实验结果：1.3有效数字及其运算规则1.3.1 有效数字的定义15.2mm有效数字可靠数字可疑数字1.3.2 确定测量结果有效数字的方法（1）不确定度的有效数字在一般情况下只取一位（只在第一位数值为1或2时一般取二位），如有尾数则进位。（2）测量值的最后一位应与不确定度的最后一位对齐。 （3）测量值在不确定度所在位以后的数字，小于50则舍，大于50则入