大学物理实验电子教案

大学物理实验电子教案大学物理实验电子教案大学物理实验电子教案绪论2大学物理实验大学物理实验电子教案大学物理实验电子教案大学物理实验电子教案绪论2大学物理实验绪论2大学物理实验大学物理实验课的作用大学物理实验课是高等工科院校的一门必修基础课程，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。物理实验课和物理理论课具有同等重要的地位。

3大学物理实验大学物理实验课的作用大学物理实验课是高等工科3大大学物理实验课的任务通过大学物理实验课的学习，学生应在习惯、知识、能力三方面达到如下要求。（一）培养良好的科学实验素养。（二）掌握物理实验理论基础知识,加深对物理学原理的理解。（三）具有相应的实验能力。4大学物理实验大学物理实验课的任务通过大学物理实验课的学习，学生应物理实验基本程序和要求1.实验课前预习(1)预习讲义中与本实验相关的全部内容。(2)写出预习报告（实验题目、目的、原理、主要计算公式、原理简图）,准备原始实验数据记录表格。2.课堂实验操作(1)上课需带实验讲义、笔、尺、计算器等。(2)必须在了解仪器的工作原理、使用方法、注意事项的基础上，方可进行实验。5大学物理实验物理实验基本程序和要求1.实验课前预习5大学物理实验(3)仪器安装调试后经教师检查无误后方可进行实验操作。(4)注意观察实验现象，认真记录测量数据，将数据填入实验记录表格,数据须经指导老师检查及签字。(5)实验后请将使用的仪器整理好，归回原处。经教师允许后方可离开实验室。(6)课后按要求完成实验报告,并在下次实验时交来。6大学物理实验(3)仪器安装调试后经教师检查无误后方可进6大学物理实验3、实验报告实验目的主要仪器名称实验原理,操作步骤回答问题:指导教师意见洛阳理工学院物理实验报告

学院

专业

班实验日前

学号

姓名作者

成绩

实验名称

第4页第1页………………………………………………………………………7大学物理实验3、实验报告实验目的主要仪器名称实验原理,操作步骤回答问实验数据，计算及分析第2页第3页…………………………………………………………………………………………………………………………8大学物理实验实验数据，计算及分析第2页第3页……教学安排本学期教学计划28学时，其中讲课4学时，基本实验24学时。具体安排如下。讲课：时间－第6周—第7周，内容－第一章、第二章实验：第7周—第19周，基本实验，每周1次2学时每班按课表排定时间，按实验循环表上课。每人做12个。第6周—第7周，讲课4学时9大学物理实验教学安排本学期教学计划28学时，其中讲课4学时，基本实验24第一章测量误差§1测量与误差§2误差处理§3有效数字的记录与运算§4测量结果的不确定度评定10大学物理实验第一章测量误差§1测量与误差10大学物理实验物理实验是对物理现象、运动规律的定量的认识,当然离不开测量,但决不仅仅是测量,还需从一定的理论出发，对测量数据加以分析,归纳出有关结论。§1测量与误差一.测量及其分类11大学物理实验物理实验是对物理现象、运动规律的定量的认识,当然离不开测量,它包含着：理论

实验方法

仪器选择

测量

数据处理

结果分析等环节，可见物理实验包括测量，但物理实验决不是单纯的测量。测量是用仪器通过一定的方法，进行实验比较，以某一计量单位，把待测量定量地表示出来。12大学物理实验它包含着：理论实验方法仪器选择测量测量的分类直接测量间接测量等精度测量不等精度测量方法比较、放大、补偿、模拟.转换非电量电测非光量的光测干涉计量13大学物理实验测量的分类直接测量间接测量等精度测量不等精度测量方法比较010X比较法：是将被测量与相关标准量进行直接或间接比较,得到测量值的方法。

如：米尺.电表都是根据比较法设计而成的仪器。50100200mA020014大学物理实验X比较法：是将被测量与相关标准量进行直接或间接比较,放大法：通过某种方法将被测量

放大后，再进行测量。如：螺旋测微计测长---200把螺纹细分而进行放大。15大学物理实验放大法：通过某种方法将被测量

放大后，再进行补偿法：用在标准量具上产生的精度很高的某种效应，完全补偿由待测量产生的同种效应，得到未知量的方法。如：电位差计I=0I=0I=0小时大时16大学物理实验补偿法：用在标准量具上产生的精度很高I=0I=0I=0小时大模拟法：对不易测量的量，用对模型的测量代替对原型的测量。+q-q17大学物理实验模拟法：对不易测量的量，用对模型的测量代替对原型的测量。+转换法：对无法直接测量的量，转换为对该量所产生的某种效应进行测量。如：测酸、碱、盐溶液的浓度.I18大学物理实验转换法：对无法直接测量的量，转换为对该量所产生的某种效应进行用压电传感器测驾驶员座椅的受力分布。待测粮食传送带粮食烘干装置待测粮食的含水量与反射光强I

有关F19大学物理实验用压电传感器待测粮食传送带粮食烘干装置待测粮食的含水量与干涉计量法:现代精密计量的基础。待测平面平晶待测平面平晶20大学物理实验干涉计量法:现代精密计量的基础。待测平面平晶待测平面平晶20利用声波反射，判断前方障碍物（冰山、暗礁、船只、鱼群等）。非电量电测21大学物理实验利用声波反射，判断前方障碍物非电量电测21大学物理实非光量的光测地球月球直角反射器

通过测发射与接收两光信号的时间间隔，在C已知的条件下，可知地球、月球之间距离为38万公里。激光具有良好的方向性。故制成各种激光测距仪。22大学物理实验非光量的光测地球月球直角反射器通过测发射与接收两光信二.误差与偏差1、真值与误差测量值x：通过直接测量或间接测量得到的物理量的值。绝对误差：真值x0:一个物理量客观存在的量值，与测量所用的理论方法及仪器无关。23大学物理实验二.误差与偏差1、真值与误差测量值x：通过直接测量或间接测量2、最佳值与偏差是评价测量值准确与否的客观标准。最佳值：多次测量的算术平均值偏差：相对误差：24大学物理实验2、最佳值与偏差是评价测量值准确与否的客观标准。最佳值：多次三、误差的分类系统误差随机误差过失误差25大学物理实验三、误差的分类系统误差随机误差过失误差25大学物理实验天平不等臂所造成的系统误差仪器误差1.系统误差26大学物理实验天平不等臂所造成的仪器误差1.系统误差26大学物理实验AOBb不偏心时，由于，所以可用弧长反映角度的大小。由于偏心，使之用弧长反映角度时产生的系统误差。如：这是由偏心造成的。

27大学物理实验AOBb不偏心时，由于由于偏心，使之用弧长反螺线管为无限长，管壁磁漏可忽略。如：

由于理论推导中的近似,产生的系统误差理论28大学物理实验螺线管为无限长，管壁磁漏可如：由于理论推导中公式

（忽略了空气阻力等）

意大利科学家伽利略在比萨斜塔上做的铁球落地实验。两个不同重量的铁球从高处落下，同时着地。说明理论在一般情况下都能较准确地反映物体真实的运动规律29大学物理实验公式（忽略了空气阻力等）下降时受空气阻力f与下落速度v乃至成正比，则v增大一定值f=mg物体将作匀速直线运动，下落物体的极限速度约为30大学物理实验下降时受空气30大学物理实验人为

心理作用，读数（估计）偏大或偏小。生理因素听觉嗅觉色觉视觉对音域（20HZ--20KHZ）的辨别。对音色的辨别。31大学物理实验人为心理作用，读数（估计）偏大或偏小。生理因素听觉对音环境市电的干扰输入光点检流计接近时，静电干扰，使光斑移动等。32大学物理实验环境市电的干扰输入光点检流计接近时，静32大学物理实验方法内接AVVRVAAVIRIV用V作为VR的近似值时，求外接33大学物理实验方法内接AVVRVAAVIRIV用V作为VR的近似值系统误差特点是

增加测量次数误差不能减少，只能从方法、理论、仪器等方面的改进与修正来实现。表现出恒偏大、恒偏小或周期性的特点。34大学物理实验系统误差特点是增加测量次数误差不能减少，只能从方法

测量过程中另一类不可避免的误差,来自于大量的微小的干扰的合成。其影响程度表现为随机特性，增加测量次数可减小其影响。2.随机误差误差=随机误差+系统误差3.精密度、正确度、准确度和精度精密度－随机误差、正确度－系统误差、准确度－随机误差与系统误差综合大小精度－一种泛指，物理意义不明确。35大学物理实验测量过程中另一类不可避免的误差,来自于大量的微小的干扰（a)jg,zd(b)jd,zg(c)jd,zd(d)jg,zg36大学物理实验（a)jg,zd(b)jd,zg(c)jd,zd(d)jg,§2误差处理一.处理系统误差的一般知识1、发现系统误差的方法2、系统误差的减小与消除理论分析法实验对比法数据分析法误差根源：减小、消除实验技巧：交换法、替代法、异号法等。37大学物理实验§2误差处理一.处理系统误差的一般知识1、发现系统误差的方

随机误差对任一次测量结果的影响具有随机性特点。但在多次测量中表现出确定的规律即统计规律。可用来对随机误差的影响程度作出客观的评价。二.随机误差及分布38大学物理实验随机误差对任一次测量结果的影响具有随机性特点。但在多1、标准误差与标准偏差标准误差（标准差)：实验标准（偏）差－贝塞尔法※测量次数n为有限次时用其计算直接测量量的实验标准差。39大学物理实验1、标准误差与标准偏差标准误差（标准差)：实验标准（偏）差－2、平均值的实验标准差有限次测量的算术平均值亦为随机变量，其实验标准差为：是用测量列的平均值作为真值x0的最佳估计值时，x0与两者之间的偏离程度。40大学物理实验2、平均值的实验标准差有限次测量的算术平均值亦为随机平均值的实验标准差比任何一次测量的实验标准差小,增加测量次数,可以减少平均值的实验标准差,提高测量的准确度.但是,n>10以后,n再增加,减小缓慢,因此,在物理实验教学中一般取n为6～10次s0510n15051015sn测量次数对的影响41大学物理实验平均值的实验标准差比任何一次测量的实验标准差s0513、随机误差的正态分布规律：例，用秒表测单摆的周期T，将各测量值出现的次数列表如下。测量值xi1.011.021.031.041.051.061.071.081.091.10次数n1128852210xin=30次n42大学物理实验3、随机误差的正态分布规律：测量值xi1.011.02测量值xi1.011.021.031.041.051.061.071.081.091.10次数n0241014167511n=60次10206161.05n测量值43大学物理实验测量值xi1.011.021.031.0411.0561016202630测量值次数

xin1.0111.0241.0371.04231.05251.06201.07111.0851.0921.102n=100次nxi44大学物理实验1.0561016202630测量值次数1.01

随着测量次数增多，统计显示出如下规律。在1.05附近，测量值出现的次数最多，表现为单峰性。与1.05相差越多，测量值出现的次数越少，表现为有界性。偏大的数据与偏小的数据基本相等表现为对称性。大部分数据存在于确定的范围内，该范围可评价随机误差的大小。45大学物理实验45大学物理实验可以预计，当测量次数无限增多时，曲线将表现为单峰、有界、严格对称的特征。在有限次测量下，得到的所有曲线，是以对称曲线为中心，左右摆动的曲线族。nxi30次60次100次46大学物理实验可以预计，当nxi30次60次100次46大学物理实验在数理统计上,描述具有单峰、有界、对称的统计函数.叫正态分布函数。常用来解释随机量测量过程中的随机行为与规律.在测量次数趋于无穷时，有：47大学物理实验在数理统计上,描述具有单峰、47大学物理实验ot分布大式中表示测量的随机误差,

是标准差,其数值标志误差的离散程度。当测量次数很少（n<10）服从t分布，置信系数tp与n，P的关系由相关表查出（第9页表1-1）。48大学物理实验ot分布大式中表示测量的随机误差,是标准差,其数值4、置信区间和置信概率置信概率置信区间49大学物理实验4、置信区间和置信概率置信概率置信区间49大学物理实验三.坏值的剔除继续检验，直到无坏值为止。检测流程1、拉依达准则（要求n>9)为粗差,为坏值应剔除.剔除(n-1)个数据继续，对保留。50大学物理实验三.坏值的剔除继续检验，直到无坏值为止。检测流程1、拉依达对某物体进行15次测量，测值为：11.4211.4411.4011.4311.4211.4311.4011.3911.3011.4311.4211.4111.3911.3911.40检测是否有坏值。例计算:51大学物理实验对某物体进行15次测量，测值为：11.4211.44所以11.30为坏值，应剔除。余下的数据继续检验：**检测情况与测量列构成有关，应n〉9。**14个测量值均满足条件，无坏值。52大学物理实验所以11.30为坏值，应剔除。余下的数据继续检验：**检2、肖维涅准则(要求n>4次）为粗差，xi为坏值检测流程为坏值，剔除。称为肖维涅系数。其值与测量次数n有关，第10页表1—2给出了各种测量次数对应的值。3、格拉布斯准则（较复杂）53大学物理实验2、肖维涅准则(要求n>4次）为粗差，xi为坏值检测流程为坏四.仪器误差1.仪器的示值误差（限）

国家技术标准或检定规程规定的计量器具最大允许误差或允许基本误差，经适当的简化称为仪器误差（限），用表示。它代表在正确使用仪器的条件下，仪器示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。

仪器误差（限）举例a:游标卡尺，仪器示值误差一律取卡尺分度值。54大学物理实验四.仪器误差1.仪器的示值误差（限）国家技术标准或b:螺旋测微计，量程在0—25mm及25—50mm的一级千分尺的仪器示值误差均为mm。c:天平的示值误差，本书约定天平标尺分度值的一半为仪器的示值误差。d:电表的示值误差，量程准确度等级%。e:数字式仪表，误差示值取其末位数最小分度的一个单位。f:仪器示值误差或准确度等级未知，可取其最小分度值的一半为示值误差（限）。g:电阻箱、电桥等，示值误差用专用公式计算。55大学物理实验b:螺旋测微计，量程在0—25mm及25—50mm的一级千分2.仪器的标准误差均匀分布规律一般仪器误差的概率密度函数遵从如图所示的均匀分布规律。在范围内，误差出现的概率相同，在区间外出现的概率为零。均匀误差的概率密度函数为仪器的标准误差与仪器误差（限）的关系：56大学物理实验2.仪器的标准误差均匀分布规律一般仪器误差的概率密度函数3.仪器的灵敏阈a:定义，指足以引起仪器示值可察觉变化的被测量的最小变化值。例，人眼察觉到的指针改变量为0.2分度值，0.2为指针仪表的灵敏阈。b:灵敏阈越小，仪器的灵敏度越高。c:仪器的灵敏阈＜示值误差限＜最小分度值。由于多次使用，仪器的灵敏阈变大，超过仪器示值误差限时，仪器示值误差应由灵敏阈来代替。57大学物理实验3.仪器的灵敏阈a:定义，指足以引起仪器示值可察觉变化的被§3.有效数字的

记录与计算数据左起第一位非零数起,到第一位欠准数止的全部数字。有效数字=准确数字+欠准数位一、有效数字的一般概念58大学物理实验§3.有效数字的

记录与计算数据左起第一位非零数有效数字来源于测量时所用的仪器。我们的任务是使测量值尽可能准确地反映出它的真实值。有两个特征：（2）在最小刻度之间可估计一位。欠准位准确位（1）以刻度为依据可读到最小刻度所在位。59大学物理实验有效数字来源（2）在最小刻度之间可估计一位。欠准位准确位

3536(cm)[1]位置为35.00cm,不能写成35cm。[1][2]位置为35.40cm[2][3][3]位置介于35.7--35.8之间,最接近真实位置的值,既不是35.7,也不是35.8,而是35.7--35.8之间的某值,可以估计为35.75.35.7635.77，不妨取35.76cm。

估计值只有一位，所以也叫欠准数位或可疑数位。60大学物理实验35有效数字的特点（1）位数与小数点的位置无关。35.76cm=0.3576m=0.0003576km（2）0的地位0.00035763.0053.000都是四位（3）科学计数法61大学物理实验有效数字的特点（1）位数与小数点的位置无关。35.76cm二、有效数字的读取进行直接测量时，由于仪器多种多样，正确读取有效数字的方法大致归纳如下：1、一般读数应读到最小分度以下再估一位。例如，1/2，1/5，1/4，1/10等。2、有时读数的估计位，就取在最小分度位。例如，仪器的最小分度值为0.5，则0.1-0.4,0.6-0.9都是估计的，不必估到下一位。62大学物理实验二、有效数字的读取进行直接测量时，由于仪器多种多样，正确3、游标类量具，读到卡尺分度值。多不估读，特殊情况估读到游标分度值的一半。5、特殊情况，直读数据的有效数字由仪器的灵敏阈决定。例如在“灵敏电流计研究”中，测临界电阻时，调节电阻箱“”，仪器才刚有反应，尽管最小步进为0.1电阻值只记录到“”。4、数字式仪表及步进读数仪器不需估读。6、若测值恰为整数，必须补零，直补到可疑位。63大学物理实验3、游标类量具，读到卡尺分度值。多不估读，特殊情况估读到游标三.有效数字的运算规则准准准欠欠欠[1]加减：与位数最高者对齐。[2]乘除：一般可与位数最少者相同。[3]幂运算、对数（指数）、三角函数(反三角）不改变有效数字位数。64大学物理实验三.有效数字的运算规则准准准[1]加减：与位数最加、减法约简可见，约简不影响计算结果。在加减法运算中，各量可约简到其中位数最高者的下一位，其结果的欠准数位与参与运算各量中位数最高者对齐。65大学物理实验加、减法约简可见，约简不影响计算结果。在加减法运算中乘、除法在乘除运算之前，各量可先约简到比其中位数最少者多一位。运算结果一般与位数最少者相同，特殊情况比最少者多（少）一位。多一位的情况全部欠准时，商所在位即为为欠准数位。比位数最少者少一位的情况。66大学物理实验乘、除法在乘除运算之前，各量可先约简到比其中位数最少者初等函数运算四位有效数字，经正弦运算后得几位？问题是在位上有波动，比如为，对正弦值影响到哪一位，哪一位就应是欠准数所在位。根据微分在近似计算中的应用，可知：第四位为欠准数位。67大学物理实验初等函数运算四位有效数字，经正弦运算后得几位？问题是1.误差的有效数字

一般情况下误差的有效数字取一位，精密测量情况下，误差的有效数字可取二位。2.测量结果的有效数字

测量结果最佳值的有效数字的末位与误差首位取齐。3.舍入规则：四舍六入五凑偶四、舍入法则68大学物理实验1.误差的有效数字一般情况下误差的有效数字取一位，一.测量不确定度的基本概念

一个测量过程存在诸多环节,用框图表示为:

人仪器环境理论方法[1]人为误差[2]理论误差[3]方法误差[4]仪器误差[5]环境误差每个环节都或多或少地影响着测量的准确度。§4测量结果的不确定度评定69大学物理实验一.测量不确定度的基本概念一个测量过程存在诸多环节,1、不确定度的定义（置信概率为P)测值N与真值N0之差的绝对值以一定的概率分布在之间，即：不确定度，表征真值以某种置信概率存在的范围，是测量结果含有误差情况的参考。70大学物理实验1、不确定度的定义（置信概率2、不确定度的分量A类分量：多次重复测量，用统计方法求出的分量。对于直接测量量：B类分量：用其它非统计方法估算的分量。主要因素为仪器误差：实验中通常取：71大学物理实验2、不确定度的分量A类分量：多次重复测量，用统计方法求二.直接测量结果的不确定度评定将测量得到的数据整理、计算得出有关结果,并对结果的好坏作出客观地评价。数据处理是整个实验中最后一个关键环节。72大学物理实验二.直接测量结果的将测量得到的数据整理、计算得出有关结1、合成不确定度＊各不确定度相互独立2、测量结果的不确定度表示（单位）…相对不确定度扩展不确定度73大学物理实验1、合成不确定度＊各不确定度相互独立2、测量结果的不确定度表注意1.根据有效数字运算规则,确定计算结果的位数。2.不确定度最后结果取1位,且与结论中有效数字最后一位对齐。相对不确定度可以取两位。74大学物理实验注意1.根据有效数字运算规则,确定计算结果的位数。74大学

3、直接测量量不确定度评定的步骤1、修正可定系统误差多次测量估算步骤对等精度测量列经如下运算75大学物理实验3、直接测量量不确定度1、修正可定系统误差多次测量估算步骤（已无坏值）4、剔除坏值后，重复步骤2、376大学物理实验（已无坏值）4、剔除坏值后，重复步骤2、376大学物理实验扩展不确定度8、最终结果：｛77大学物理实验扩展不确定度8、最终结果：｛77大学物理实验直接测量量数据处理举例1.某长度测6次,分别为29.1829.1929.2729.2529.2629.24(cm)

m=0.02cmcm取一位cm计算78大学物理实验直接测量量数据处理举例1.某长度测6次,分别为29.182不确定度保留1位,且与平均值的最后一位对齐.取一位最后结果：｛取一位79大学物理实验不确定度保留1位,且与平均值的最后一位对齐.最后结果：｛79单次测量当无需、无法多次测量、或仪器精密度差，只测量一次时，80大学物理实验单次测量当无需、无法多次测量、或仪器精密度差，只测量一三、间接测量量的不确定度评定间接测量量N与直接测量量的函数关系：直接测量量的不确定度为则N必具有不确定度81大学物理实验三、间接测量量的不确定度评定间接测量量N与直接测量量的函数关1、间接测量量的最佳值直接测量量的最佳值为间接测量量的最佳值为：82大学物理实验1、间接测量量的最佳值直接测量量的※不确定度传递系数2、间接测量量不确定度的合成83大学物理实验※不确定度传递系数2、间接测量量不确定度的合成83大学物理实3、间接测量结果不确定度评定的步骤1、计算2、计算3、计算4、最后结果{84大学物理实验3、间接测量结果不确定度评定的步骤1、计算2、计算3、计算4间接测量量数据处理举例测得某园柱体质量M，直径D，高度H值如下，计算其密度及不确定度。85大学物理实验间接测量量数据处理举例测得某园柱体质量M，直径D，高86大学物理实验86大学物理实验87大学物理实验87大学物理实验

研究在一定范围内的物理过程或运动规律时所进行的测量，称之为组合测量。经确定的处理方法，可得y=f(x)的具体形式。第二章数据处理§1数据处理的基本方法88大学物理实验研究在一定范围内的物理第二章数据处理§1数据处理的基一.列表法简单明了，要求数据清晰不能涂改，单位规范，并加必要说明。X(物理量)(单