物理实验绪论xfx2市公开课一等奖百校联赛特等奖课件

1大学物理试验课

绪

论中南大学物理试验中心2月第1页2

【1】.物理试验上课须知【2】.为何要上，怎样上好物理试验课【3】.测量、误差和不确定度预计【4】.数据处理方法介绍第2页31.上课须知

选课网址8/xuanke

可使用任何连网计算机进行上网选课，服务器二十四小时开通（系统维护时除外）。物理试验中心也能够提供上网选课：第3页4

学生网上选课须知学习委员认真阅读学习委员职责并认真传达给本班同学，帮助同学完成首次选课中心课程安排，考试安排等都经过网站通知栏公布，不再以其它形式通知到每位同学，请同学们随时关注中心选课网站通知并相互转告详细选课方法见学习委员职责购置试验汇报纸，预习册等（第2周周五晚7：00）

如有特殊情况，请至503或403与张剑老师或刘碧兰老师联络。中心电话：88836313第4页5第2次课为引导试验课每位同学必须完成1次安排在第3周和第4周各位同学自己登陆选择上课时间和地点8个教室同时开放，讲课内容是一样上课时间：早晨1：8:00—10:15早晨2：10:20---12:35下午1:2:00---4:15下午2:4:20----6:35第5页6试验项目及考评

试验项目和进度：每个同学按要求完成15个试验(48课时)或20个试验(64课时)或12个项目(40课时),试验课结束后未完成要求个数同学不再补课。

物理试验成绩以平时成绩为主，期末考试成绩为辅，期末考试形式多样，不论试验项目是否全部完成，均要参加考试。

第6页78/labcenter为中心网站，有丰富教学内容，包含教学课件、教案、教学录像、仪器库、仿真试验等，欢迎访问浏览。网络教学资源第7页8物理试验作用

物理学是研究物质运动普通规律及物质基本结构科学，是自然科学基础学科,是学习其它自然科学和工程技术基础。物理学是一门试验科学，物理试验在物理学产生、发展和应用过程中起着主要作用。【2】为何要上物理试验课第8页9

伽利略把试验和逻辑引入物理学,使物理学最终成为一门科学。经典物理学规律是从试验事实中总结出来。近代物理学是从试验事实与经典物理学矛盾中发展起来。很多技术科学是从物理学分支中独立出去。第9页10以诺贝尔物理学奖为例：80%以上诺贝尔物理学奖给了试验物理学家。其余20%奖中很多是试验和理论物理学家共享。试验结果能够很快得奖，而理论结果要经过最少两个试验检验。有建立在共同试验基础上结果能够连续几次获奖。第10页11

1997：创造了用激光冷却和俘获原子方法

StevenChu

Cohen-TannoudjiWilliamD.Phillips

1998：量子霍耳效应，电子能够形成新型粒子

RobertB.LaughlinHorstL.StormerDanielC.Tsui第11页12

：玻色-爱因斯坦凝聚

EricA.CornellWolfgangKetterleCarlE.Wieman第12页13

物理试验课目标学习试验知识培养试验能力提升试验素养第13页14

学习试验知识

经过对试验现象观察、分析和对物理量测量，学习物理试验知识和设计思想，掌握和了解物理理论。第14页15培养试验能力借助教材或仪器说明书正确使用惯用仪器；利用物理学理论对试验现象进行初步分析判断；正确统计和处理试验数据，绘制试验曲线，说明试验结果，撰写合格试验汇报；能够依据试验目标和仪器设计出合理试验。第15页16提升试验素养培养理论联络实际和实事求是科学作风；严厉认真工作态度；主动研究和创新探索精神；恪守纪律、团结协作和爱护公共财产优良品德。第16页17

物理试验课程不一样于普通探索性科学试验研究，每个试验题目都经过精心设计、安排，可使同学取得基本试验知识，在试验方法和试验技能诸方面得到较为系统、严格训练，是大学里从事科学试验起步，同时在培养科学工作者良好素质及科学世界观方面，物理试验课程也起着潜移默化作用。

希望同学们能重视这门课程学习，经过半年时间，真正能学有所得。第17页18【2】怎样上好物理试验课三个主要步骤，平时成绩起源试验预习—试验能否取得主动关键试验操作—试验课关键步骤试验汇报—试验总结第18页19试验预习

明确试验目标，预习试验原理，了解试验注意事项。

预习汇报是试验工作前期准备，是写给自己参考用，故要求简单明了。试验前应清楚此次试验应到达什么目标，经过什么试验方法和测量哪些数据才能实现试验目标。第19页20

实验名称，实验目；实验简图（电路图或光路图），记录主要公式；列出记录数据表格（分清已知量、指定量、待测量和单位）。无需照抄实验原理！预习汇报内容：第20页21试验操作要求恪守试验室规则；了解试验仪器使用及注意事项；正式测量之前可作试验性探索操作；仔细观察和认真分析试验现象；如实统计试验数据和现象;

用钢笔或圆珠笔统计数据，原始数据不得改动7.整理仪器，清扫试验室。第21页22试验汇报试验汇报是写给同行看，所以必须充分反应自己工作收获和结果，反应自己能力水平，要有自己特色，要有条理性，并注意利用科学术语，一定要有试验结论和对试验结果讨论、分析或评定。试验原理要简明扼要，要有必要电路图或光路图，要有主要数据处理过程，一定要列出试验结果，尤其是利用作图求得一些物理量。第22页23试验汇报内容实验名称，上课时间，指导老师，姓名学号等；实验目；原理简述（原理图、电路图或光路图，以及主要计算公式等）；主要实验仪器设备；实验数据表格、数据处理计算主要过程、作图及实验结果和结论；实验现象分析、误差评估、小结和讨论。第23页24教学步骤中应注意1.学生上课必须按时，不得迟到缺课。2.未完成预习和预习汇报者，教师有权停顿其试验或成绩降档！3.学生在试验室仪器组号应与其本人学号一一对应！离开试验室前，先将数据交给教师审阅署名，然后整理好仪器才能离开。4.试验汇报（内附教师签字数据）必须在一周内交至物理楼四楼试验汇报柜内！第24页25【3】测量、误差和不确定度预计3.1测量与有效数字3.2测量误差和不确定度估算基础知识第25页26测量与有效数字测量有效数字读取有效数字运算有效数字尾数舍取规则第26页27测量

物理试验以测量为基础，所谓测量，就是用适当工具或仪器，经过科学方法，将反应被测对象一些特征物理量（被测物理量）与选作标准单位同类物理量进行比较过程，其比值即为被测物理量测量值。第27页28

直接测量：直接将待测物理量与选定同类物理量标准单位相比较直接得到测量值；间接测量：利用直接测量量与被测量之间已知函数关系，求得该被测物理。测量值

=读数值(有效数字)+单位有效数字＝可靠数字＋可疑数字测量结果中，可靠几位数字加上可疑一位数字，统称为测量结果有效数字。

测量第28页29有效数字读取图a测量有效数字为2.4cm图b测量有效数字为2.43cm第29页30有效数字运算加、减法：诸量相加（相减）时，其和（差）数在小数点后所应保留位数与诸数中小数点后位数最少一个相同。

4.178+21.3

25.478=

25.5第30页31若各分量给出了误差，则先求绝对误差，计算时舍去小于分量中最大绝对误差1/3分误差，在误差运算过程中取两位，结果取一位；计算Y，各分量位数取到比误差所在位多一位；用绝对误差决定最终有效数字。求：Y=A+B-CA=(1.324±0.002)cmB=(35.7±0.4)cmC=(2.34±0.06)cm解（1）

(2)Y=1.32+35.7+2.34=39.36cm(3)Y=39.4±0.4cm有效数字运算第31页32

乘、除法：诸量相乘（除）后其积（商）所保留有效数字，只须与诸因子中有效数字最少一个相同。

4.178×10.1

41784178

421978=42.2第32页33若给出各分量误差，则误差在运算过程中取两位，最终结果取一位。最终由绝对误差决定最终结果有效数字到哪一位。第33页34函数运算规则及有效数字（1）通常函数有效数字同自变量相同；（2）若自变量给出了不确定度，则（1）结果多保留一位或几位，再用传递公式计算函数不确定度；（3）由不确定度决定最终有效数字位数。

另外，自变量未给出不确定度，还能够用近似不确定度方法确定函数有效数字位数。自变量近似不确定度即为量具最小分度值。第34页35例1：解：注意：若x未给出不确定度，可取其近似不确定度为量具最小分度值1分，进而可求出y不确定度，最终决定y有效数字位数，如例2。已知

，计算。第35页36例2：解：x近似不确定度为

已知，计算。

由y不确定度决定了y有效数字需保留到小数点后3位。通常对数小数点后位数与真数有效位数相同。第36页37有效数字尾数舍入规则例：若需保留四位有效数字

4.32749→4.3274.32751→4.3284.32750→4.3284.32850→4.328“四舍五入”规则入机会总是大于舍机会，因而不合理。现在通用规则是：“四舍六入五凑偶”，即被舍位数字小于五舍大于五入；等于五时，若保留末位数字为奇数时，则加1，为偶数时则不变，即把保留末位数凑为偶数。第37页381、“0”在数据中作用

“0”

在其它数字之间或之后为有效数字，在之前则不是有效数字。比如：O.3和0.03都是一位有效数字，而103.00则是五位有效数字。

2、单位换算对有效数字影响

非十进制单位换算时，有效数字位数能够改变。例如时间min，1.8为两位有效数字，误差位在O.1min=6s位上。若以秒为单位，应写成：

s，误差位仍在秒位上，并未改变数据精度，但108为三位有效数字。

有效数字几个注意问题第38页39十进制单位换算不影响有效数字

比如80.20g是四位有效数字，若用千克单位表示则为O.08020kg，仍为四位有效数字。不过用毫克单位表示写成80200mg，就有问题了，因为按有效数字要求，最终一位是有误差数，原来数据80.20g有误差数是在1/100g位上，当写成80200mg时有误差数是在1/1000g位上，则数据准确性变了。为了处理这个矛盾，应使用所谓科学记数法，即把数据写成小数点前只有一位，再乘以lO幂次来表示。如上述质量数据可写成8.020×104mg或8.020×10-2kg，它们都是四位有效数字，这么在十进制单位换算时，不会改变有效数字位数。第39页40测量误差和不确定度估算基础知识误差随机误差处理测量结果不确定度表示间接测量不确定度合成第40页41对一个待测物理量x而言：

误差dx＝测量结果x

－真值μ

真值：物理量在一定试验条件下客观存在值。误差第41页42

测量误差存在于一切测量过程中，能够控制得越来越小，不可能为零。误差第42页43系统误差定义：在对同一被测量屡次测量过程中，绝对值和符号保持恒定或随测量条件改变而按确定规律改变。产生原因：因为测量仪器、测量方法、环境带入。分类及处理方法：

1已定系统误差：必须修正

电表、螺旋测微计零位误差；测电压、电流时因为忽略表内阻引发误差。2未定系统误差：要预计出分布范围

如：螺旋测微计制造时螺纹公差等。误差第43页44

随机误差

定义：在对同一量屡次重复测量中绝对值和符号以不可预知方式改变测量误差分量。产生原因：试验条件和环境原因无规则起伏改变，引发测量值围绕真值发生涨落改变。

比如：电表轴承摩擦力变动；螺旋测微计测力在一定范围内随机改变；操作读数时视差影响屡次测量误差满足正态分布，含有以下特点：（1）对称性:正负误差出现概率基本相同；（2）有界性:存在绝对值最大误差；（3）单峰性:绝对值小误差出现概率大，绝对值大误差出现概率小；（4）抵偿性:当测量次数足够多时，绝对值相等正负误差出现概率大致相等，可相互抵消：第44页45

随机误差特点。第45页46标准差小：表示测得值很密集，随机误差分布范围窄，测量精密度高；标准差大：表示测得值很分散，随机误差分布范围宽，测量精密度低。

标准差表示测量值离散程度第46页47

任意一次测量值落入区间概率为这个概率叫置信概率，也称为置信度。对应区间叫置信区间，表示为:第47页48

扩大置信区间，可增加置信概率:第48页49

平均值假定对一个物理量进行了n次测量，测得值为xi(i=1,2，…，n)能够用屡次测量算术平均值作为被测量最正确预计值，测量次数n为无穷大时，算术平均值等于真值。第49页50

有限测量时，算术平均值不等于真值，它标准偏差为：

平均值偏差屡次测量能够减小随机误差第50页51直接测量结果表示及其总不确定度计算测量结果表示式：总不确定度：——指用统计方法计算出不确定度分量不确定度：是指因为测量误差存在而对被测量真值不能必定程度。

1)

不确定度类分量

第51页52对于有限次测量：测量列不确定度：平均值不确定度：这时：

上面两式中称为“因子”，与测量次数和置信概率相关，在大学物理试验中，当测量次数时，可近似取为1。直接测量结果表示及其总不确定度计算n23456789101520t1.841.321.201.141.111.091.081.071.061.041.031测量次数与t因子对应关系：第52页53——指用其它方法计算出不确定度分量2)

总不确定度

类分量

本课程中，近似地取：3)

总不确定度合成：

4)

误差判定与剔除

当测量列不确定度

时，待测量真值随机误差落在

这个区间以外概率仅为0.3%，所以，

称为测量列极限误差。

直接测量结果表示及其总不确定度计算第53页54注意：1.平均值有效数字位数不要超出测量值有效数字位数；2.不确定度最终只保留1位有效数字；平均值最终一位有效数字要和不确定度对齐；3.相对不确定度保留1-2位有效数字。第54页55直接测量不确定度计算举例例1：用螺旋测微计测某一钢丝直径，原始数据见下表，请给出完整测量结果。d0=+0.004mm,螺旋测微计仪器允差为Δ仪=0.004mm123456（mm）0.2490.2500.2470.2510.2530.250原始数据表格第55页56

例１解：

d0=+0.004mm,螺旋测微计仪器允差为Δ仪=0.004mm123456(mm)0.2490.2500.2470.2510.2530.250(mm)0.2450.2460.2430.2470.2490.246(mm)0.246(mm)0.0010.0000.003-0.001-0.0030.000没有异常数据,不用剔除第56页57

例１解：

第57页58测量结果表示为

第58页59间接测量结果表示和总不确定度预计

1)

间接测量结果普通表示：

即：间接测量量平均值等于将各直接测量量平均值带入函数关系式后结果。

2)

间接测量结果总不确定度：

第59页603)百分差第60页61惯用公式同学们能够用偏微分知识自己推导这些公式

第61页62间接测量不确定度合成过程1.求出各直接测量量平均值和合成不确定度(加减时)或相对不确定度(乘除、指数时);2.依据公式求出间接测量量合成不确定度或相对不确定度;3.用各量平均值求出间接测量量平均值。利用平均值并求出相对不确定度或合成不确定度;4.表示测量结果第62页63环体积对数及其偏导数为：解：这是间接测量问题。环体积为：间接测量量不确定度合成举例第63页64代入上式：第64页65所以，环体积为：第65页66【3】数据处理方法3.1作图法处理试验数据3.2最小二乘法直线拟合3.3逐差法第66页67

作图法可形象、直观地显示出物理量之间函数关系，也可用来求一些物理参数，所以它是一个主要数据处理方法。作图时要先整理出数据表格，并要用坐标纸作图。1.选择适当坐标分度值，确定坐标纸大小

坐标分度值选取应能基本反应测量值准确度或精密度。依据表１数据U轴可选1mm对应于0.10V，I轴可选1mm对应于0.20mA，并可定坐标纸大小（略大于坐标范围、数据范围）约为130mm×130m。表1：伏安法测电阻试验数据作图法处理试验数据步骤

例：

第67页682.标明坐标轴：

用粗实线画坐标轴，用箭头标轴方向，标坐标轴名称或符号、单位,再按次序标出坐标轴整分格上量值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.004.连成图线：

用直尺、曲线板等把点连成直线、光滑曲线。普通不强求直线或曲线经过每个试验点，应使图线线正穿过试验点时能够在两边试验点与图线最为靠近且分布大致均匀。图点处断开。3.标试验点：

试验点可用“”、“”、“”等符号标出（同一坐标系下不一样曲线用不一样符号）。

第68页695.标出图线特征：

在图上空白位置标明试验条件或从图上得出一些参数。如利用所绘直线可给出被测电阻R大小：从所绘直线上读取两点A、B坐标就可求出R

值。I(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.0002.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.006.标出图名：

在图线下方或空白位置写出图线名称及一些必要说明。A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)由图上A、B两点可得被测电阻R为：至此一张图才算完成电阻伏安特征曲线作者：xx第69页70不妥图例展示：nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图图

1不妥：曲线太粗，不均匀，不光滑。应该用直尺、曲线板等工具把试验点连成光滑、均匀细实线。第70页71nλ(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图更正为：第71页72图2I(mA)U(V)02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特征曲线不妥：横轴坐标分度选取不妥。横轴以3cm

代表1V，使作图和读图都很困难。实际在选择坐标分度值时，应既满足有效数字要求又便于作图和读图，普通以1mm代表量值是10整数次幂或是其2倍或5倍。第72页73I(mA)U(V)o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特征曲线更正为：第73页74计算机作图例子（ORIGIN）第74页75最小二乘法直线拟合设此两物理量x、y满足线性关系y=a+bx，等精度地测得一组相互独立试验数据

{xi，yi}i=1,…..,n当所测各yi

值与拟合直线上a+bxi之间偏差平方和最小，即

所得系数a,b最好,拟合公式即为最正确经验公式。第75页76

第76页77解方程得:第77页78

相关系数r

：

最小二乘法处理数据除给出a、b外，还应给出相关系数r，

r定义为