数据处理基础知识

大学物理实验课程

绪论教师：彭莉2010-9-9武汉理工大学物理实验中心第1页，共54页。课程的基本程序和要求第2页，共54页。一、课前预习看懂教材，明确目的，写出实验预习报告。

预习报告要求：写出实验目的；实验原理，包括主要公式，线路图或光路图；

强调：实验课之前一定要完成实验预习报告，否则不允许进入教室。二、实验操作阅读资料，调整仪器，观察现象，获取数据，仪器还原。

实验操作要求：认真听老师讲解实验，严格按要求进行实验。

强调：只有数据正确，仪器还原，教师签字后该实验才有效，同时注意安全。第3页，共54页。三、完成实验报告对实验原始数据进行处理，得到相关的实验结论，并回答实验思考题。

注意：实验报告应在下次实验时交到所带实验的任课老师处。第4页，共54页。数据处理基础知识

第5页，共54页。测量的概念

测量就是以确定被测量对象的量值为目的的所有操作。记录下来的测量结果应该包含测量值的大小和单位，二者缺一不可。

第6页，共54页。测量的分类按测量方式分：直接测量和间接测量

直接测量：待测物理量的大小可以从选定好的测量仪器或仪表上直接读出来的测量。相应的待测物理量称为直接测量量。

间接测量：待测物理量需根据直接测量的值，通过一定的函数关系，才能计算出来的测量过程。相应的待测量称为间接测量量。按测量条件分：等精度测量和不等精度测量

等精度测量：在相同的测量方法和条件下，多次测量同一个物理量。

不等精度测量：在不同的测量方法和条件下，多次测量同一个物理量。

第7页，共54页。误差真值：被测量物理量所具有的、客观的、真实的数值，记为。测量值：通过测量所获得的被测物理量的值，记为。真值、测量值、平均值（最佳估计值）平均值（最佳估计值）：在相同条件下，对某物理量进行n次测量，,这n个测量结果称为一个测量列，取这n次独立测量值的算术平均值，记为。即

注：在处理测量数据时常用物理量的平均值代替其真值。第8页，共54页。误差概念：测量值与真值之差定义为误差，记为，即分类：系统误差和随机误差表示方法：绝对误差=测量值—真值

相对误差=×100％第9页，共54页。系统误差概念：在相同的条件下，多次测量同一物理量时，若误差的大小及符号都保持不变或按一定规律变化，这种误差称为系统误差。特征：系统误差表现出恒偏大、恒偏小或周期性的特点。增加测量次数系统误差不能减少。来源：仪器、理论、观测等处理方法：修正已定系统误差；估计未定系统误差分布范围

第10页，共54页。随机误差定义：在相同条件下，多次测量同一物理量时，若误差的大小和符号都不确定，这种误差称为随机误差。特征：随机误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化，随机误差使测量值围绕某一平均值上下涨落。来源：环境、观测者等。处理方法：取多次测量的平均值有利于消减随机误差。

第11页，共54页。下面的三个靶图，形象地表明随机误差和系统误差对测量结果的影响。（a）图表示随机误差分量小而系统误差大；（b）图表示系统误差小而随机误差大；（c）图表示随机误差和系统误差都小。第12页，共54页。误差的估算

定义：测量值与相同条件下多次测量所得平均值的差值称为偏差或残差，记为，即

一、偏差（残差）说明：一般情况下，我们所说的误差就是指偏差。第13页，共54页。误差的估算二、(实验)标准偏差

算术平均值的实验标准偏差反映了测量结果的不确定度大小。三、算术平均值的实验标准偏差第14页，共54页。测量的不确定度概念：

测量不确定度是对被测量真值可能取值范围的评定，它表示由于测量误差的存在而对被测量值不能确定的程度。

说明：1.不确定度表示一个区间，被测量的真值以一定的概率存在于此区间中，此概率称为置信率，此区间称为置信区间。(而误差表示测量值偏离真值的大小，是个确定的值。)2.不确定度可以根据实验、资料、经验等进行评定，从而可以定量确定。（而误差无法计算。）第15页，共54页。不确定度的分量

按不确定度的数值评定方式，可分为

A类不确定度——用统计方法确定的分量

B类不确定度——用其他方法确定的分量要计算不确定度，首先要求出所有的A类和B类分量，然后再合成不确定度。

说明第16页，共54页。直接测量量的A类标准不确定度的计算

A类标准不确定度用一个测量列的算术平均值的实验标准偏差表示，记为，即使用此式时，测量次数n应充分多，一般认为n应大于6。说明第17页，共54页。直接测量量的B类标准不确定度的计算

如果已知被测量的测量值分散区间的半宽为a，且落在至区间的概率为100%，通过对其分布规律的估计可得出B类标准不确定度u为：

是包含因子，取决于测量值的分布规律。第18页，共54页。如果检定证书、说明书等资料明确给出了不确定度及包含因子时，则，B类标准不确定度为【例题】校准证书上给出标称值为1kg的砝码质量，包含因子，（扩展）不确定度为U=0.24mg，由此可确定砝码的B类标准不确定度

包含因子ki和半宽a的确定方式为：直接测量量的B类标准不确定度的计算（续）

第19页，共54页。直接测量量的B类标准不确定度的估算（续）包含因子ki

和半宽a的确定方式为：2.在缺乏任何信息的情况下，一般使用均匀分布，,而a则取仪器的最大允许误差（误差限）,所以B类标准不确定度为

大学物理实验中没有特别说明时，使用矩形分布（平均分布）计算B类不确定度，此时。

说明第20页，共54页。直接测量量的B类标准不确定度的估算（续）第21页，共54页。当进行的测量只有一次时，取则直接测量量的合成标准不确定度A类和B类不确定度的合成标准不确度：

如果一个测量量的B类不确定度由多个部分构成，则B类不确定度的合成不确定度为说明第22页，共54页。直接测量量的合成标准不确定度（续）【例题】用螺旋测微计测某一钢丝的直径，6次测量值分别为：0.245,0.255,0.249,0.247,0.253,0.251;单位mm，已知螺旋测微计的仪器误差为Δ仪=0.004mm，请给出测量的合成标准不确定度。

解：测量最佳估计值A类标准不确定度B类标准不确定度合成不确定度第23页，共54页。间接测量量的不确定度计算间接测量量，其中

为直接测量量.Y的估计值y的标准不确定度，要由的标准不确定度适当合成求得，称为估计值y的合成标准不确定度,记为。第24页，共54页。间接测量量的不确定度计算（续）【例题】某实验的测量式为，为直接测量量，其中，，则间接测量量的合成标准不确定度为对于形如的函数形式（和差关系）,合成标准不确定度的计算方法为:第25页，共54页。间接测量量的不确定度计算（续）对于形如的函数形式（积商关系），则先求其相对合成标准不确定度：说明：对于被测量Y的平均值，按如下方式计算：

合成标准不确定度第26页，共54页。间接测量量的不确定度计算（续）【例题】圆柱体的体积公式为。设已经测得，，写出体积的相对合成标准不确定度表达式。

解：此体积公式形如

其中，，，。体积的相对合成标准不确定度表达式为根据第27页，共54页。扩展不确定度

将合成不确定度乘以一个包含因子m，即得扩展不确定度,用U表示，即在物理实验课程中，包含因子m一般取2，即此时置信率约为95%说明第28页，共54页。测量结果的表达

物理实验中，用扩展不确定度报告测量结果

单位

单位

1.表达式中最佳估计值、不确定度、单位三者缺一不可。2.在结果表达式里，按国家技术规范，最多取两位有效数字，两位一位皆可。在学生实验中，可以只取一位有效数字，多余的位数按数字修约(三舍四入）的原则进行修约。

说明第29页，共54页。测量结果的表达（续）说明：3.最佳估计值的最后一位与不确定度的最后一位必须对齐。单位

测量结果V=0.2426m3±0.5cm3

例如：=242.63cm3，uc(v)=0.54cm3，不确定度保留一位，V=（242.6±0.6）cm3。不确定度保留了两位，V=（242.63±0.54）cm3。(×)(×)(√)V=2.426×102cm3±0.5cm3

V=(2.426±0.005)×102cm3

第30页，共54页。数据处理的步骤X1x11x12x13x14x15x16X2x21x22x23x24x25x26实验测量式1.由测量数据计算直接测量量的最佳估计值2.由测量式计算间接测量量的最佳估计值(1)计算X1的A类标准不确定度(2)计算X1的B类标准不确定度(3)计算X1的合成标准不确定度(4)重复(1)--(3)步骤计算X2的合成标准不确定度实验数据3.计算直接测量量的不确定度第31页，共54页。数据处理的步骤5.计算扩展不确定度4.计算间接测量量的不确定度积商形式和差形式6.写出测量结果表达式或第32页，共54页。数据处理举例【例题】用单摆测重力加速度的公式为。现用最小读数为1/100s的电子秒表测量周期T五次，其周期的测量值为2.001，2.004，1.997，1.998，2.000（单位：s）；用Ⅱ级钢卷尺测摆长L一次，L=100.00cm。试求重力加速度g及合成不确定度，并写出结果表达式。注：每次周期值是通过测量100个周期获得，每测100个周期要按两次表，由于按表时超前或滞后造成的最大误差是0.5s；Ⅱ级钢卷尺测量长度L的示值误差为（L是以米为单位得到的数值），由于卷尺很难与摆的两端正好对齐，在单次测量时引入的误差极限为±2mm。第33页，共54页。1.计算直接测量量的最佳估计值T的估计值：L的估计值：2.计算间接测量量g的最佳估计值

第34页，共54页。3.计算直接测量量的不确定度（1）计算摆长L的测量不确定度相应的不确定度为 测量时卷尺不能对准L两端造成的仪器误差相应的不确定度为L的合成不确定度为

仪器的示值误差L的相对不确定度摆长只测了一次，只考虑B类不确定度,有两个分量。第35页，共54页。（2）计算周期T的测量不确定度T的A类不确定度T的B类不确定度有两个分量，一个与仪器误差对应，一个与按表超前或滞后造成的误差对应因比小得多，可略去，故合成不确定度为T的相对不确定度

分别是第36页，共54页。扩展不确定度为4.计算间接测量量g的不确定度由于是积商关系，根据相对合成不确定公式有g的不确定度为5.写出结果表达式或第37页，共54页。有效数字及其运算规则仪器的读数规则首先读出能够从仪器上直接读出的准确数字，对余下部分再进行估计读数。即将读数过程分为直读和估读。

01234567直读——准确数字7.4cm——可靠数字估读——余下部分约为0.02cm——存疑数字物体的长度即为7.42cm

有效数字：物理实验中的有效数字是针对测量中的数据定义的概念,是一个有单位的数据,由若干位可靠数字及末尾一位存疑数字组成。第38页，共54页。对有效数字的几点说明2.单位的变换不能改变有效数字的位数。如2.327kg=2.327×10-3t=2327g=2.327×106mg3.实验中要求尽量使用科学计数法（小数点前仅写出一位非零数字）表示数据。数学上改变了有效数字的位数科学计数法不改变有效数字的位数

1.有效数字的位数与被测量的大小和仪器的精密度有关。第39页，共54页。直接测量量的有效数字1．游标类量具，有效数字最后一位与游标分度值对齐如:1/50mm的游标卡尺的游标分度值0.02mm,因此,记录测量结果时,最后一位有效数字应记录到1/100mm位.第40页，共54页。直接测量量的有效数字2．数显仪表及有十进步式标度盘的仪表（电阻箱、电桥、电位差计、数字电压表等）一般应直接读取仪表的示值。第41页，共54页。直接测量量的有效数字3.米尺、指针式仪表这类的刻度式仪器，应估读到最小分度值的1/10（不能估读到0.1分度以下）。第42页，共54页。直接测量量的有效数字4.如下图，尺子只标出整刻度和半刻度线时,则认为半刻度线没有标出，仍然按照3中的方式估读。因为图中的最小分度值为1，红色部分的长度估读为2.1或2.2都可以。

123第43页，共54页。中间运算结果的有效位数1.采用四舍五入法对有效数字进行取舍.2.加减法:结果的可疑位与参与运算数据中存疑位数量级最高的对齐.例如:2.327+10.8=13.1272.327+10.8=13.13.乘除法:结果的有效数字的位数与参与运算数据中有效数字位数最少的相同.例如：2327×108=2513162327×108=2.51×1054.π、g等或者在公式中出现的常数可视为无穷多位，使用时所取的位数不少于参与运算数据中位数最少的。例如：V=πD2/4=3.142×2.3272÷4或者=3.1416×2.3272÷4第44页，共54页。测量结果的有效数字取舍说明：对于测量结果（单位）的有效数字，要先确定不确定度的有效数字，再确定最佳估计值的有效数字。测量不确定度的有效数字最多不超过2位。多余数字按照1/3(3舍4入)法则进行取舍。

如：扩展不确定度U为0.324mm，保留两位有效数字，U=0.33mm；保留一位有效数字，U=0.3mm2)作为中间计算结果时，直接测量量的不确定度，可以取3位有效数字或者全部保留,以避免积累舍入误差。1.不确定度的有效数字第45页，共54页。测量结果的有效数字取舍2.最佳估计值的有效数字最佳估计值的最后一位必须和不确定度的末位对齐。多余的数字，按4舍5入规则进行取舍。如：V=5836.340lmm3，U=4.2mm3。最后结果的表达式为第46页，共54页。处理实验数据的几种方法列表法测电阻伏安特性数据记录表序号12345678910U/V0.01.02.03.04.05.06.07.08.09.0I/mA0.02.04.06.17.99.711.813.816.017.9要求：1.要在表的上方注明表的名称；2.结构要尽量简单，表格线条要清晰，便于记录运算和检查；3.要注明各物理量的符号和单位；4.数据的有效数字要能正确反映测量的误差。第47页，共54页。处理实验数据的几种方法作图法

伏安曲线要求：1.正确标注数据点一般同一条曲线上的数据点用同一种符号标注，不同曲线上的坐标点选用不同的符号，如“×、○、+”等。2.要有图名和说明应在图纸上标出图的名称，有关符号的意义和特定实验条件。3.可以使用一些数学、统计软件进行作图。第48页，共54页。处理实验数据的几种方法逐差法就是将2q(q≥2)个测量数据按如下的方式分为前后两组：x1,x2,…xq；xq+1,xq+2…x2q然后相隔q项求差值：yj=xj+q-xj最后求平均值逐差法

逐差法的适用条件：1.物理量y与x间的函数关系是线性的；2.自变量是等间距变化的；3.要有偶数个测量数据。第49页，共54页。Y(g)1.002.003.004.005.006.007.008.009.0010.00X(cm)2.004.016.057.859.7011.8313.7516.0217.8519.94iYii+5Yi+5△Y11.0066.005.0022.0077.005.0033.0088.005.0044.0099.005.0055.001010.005.00iXii+5Xi+5△X12.00611.839.8324.01713.759.7436.05816.029.9747.85917.8610.0159.701019.9410.24下表记录了测量弹簧倔强系数的数据，试用逐差法求算弹簧的倔强系数。表中Y代表砝码质量，X代表弹簧的伸长量。

逐差法举例1）对Y进行分组并求逐差2）对X进行分组并求逐差第50页，共54页。5.009.9581.99163）求倔强系数逐差法举例第51页，共54页。The