大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-陳秉巖(全套課件)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)1/34陳秉巖，博士2019.03.16,8:30-11:00厚德樓M1132/34物理實(shí)驗(yàn)中心教學(xué)-科研平臺(tái)2/34物理實(shí)驗(yàn)中心教學(xué)-科研平臺(tái)物理科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室示波器實(shí)驗(yàn)2/34物理實(shí)驗(yàn)中心教學(xué)-科研平臺(tái)2/34教材及內(nèi)容簡(jiǎn)介面向新工科基礎(chǔ)教育體系，突出物理學(xué)與多學(xué)科交叉復(fù)合、理科衍生新興工科的專業(yè)建設(shè)。以先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備培養(yǎng)人，重點(diǎn)突出學(xué)科綜合、自主設(shè)計(jì)、建模仿真和科研創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。2/34教材及內(nèi)容簡(jiǎn)介實(shí)驗(yàn)報(bào)告需小心拆卸；新印版本將獨(dú)立包裝。

看懂教材,明確目的,了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和操作過程并寫出實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告預(yù)習(xí)報(bào)告要求:根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告，把除數(shù)據(jù)記錄與處理部分和問答部分外的所有其他部分都填充完整實(shí)驗(yàn)課之前一定要完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)報(bào)告,否則不允許進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作.一、課前預(yù)習(xí)強(qiáng)調(diào):大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)基本程序及要求實(shí)驗(yàn)理論課作業(yè)，下周交給《大學(xué)物理》任課教師。3/34&

物理實(shí)驗(yàn)是一門獨(dú)立的課程，需嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)室的安排進(jìn)行。不得遲到和缺席。遲到者，由課程指導(dǎo)老師決定是否準(zhǔn)予實(shí)驗(yàn)；缺席者，需到指導(dǎo)老師處重新預(yù)約該實(shí)驗(yàn)時(shí)間．&

遵守有關(guān)的規(guī)章制度，愛護(hù)儀器設(shè)備，注意安全．&

動(dòng)手之前要先了解儀器的性能、規(guī)格、使用方法和操作規(guī)則，不要亂動(dòng)儀器．&

調(diào)整儀器裝置時(shí)要仔細(xì)認(rèn)真，一絲不茍．還要注意滿足測(cè)量公式所要求的實(shí)驗(yàn)條件．&

腦手并用，實(shí)驗(yàn)操作要做到準(zhǔn)確、熟練、快速。

二、實(shí)驗(yàn)操作閱讀資料、調(diào)整儀器、觀察現(xiàn)象、獲取數(shù)據(jù)、儀器還原4/34三、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告根據(jù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求，把數(shù)據(jù)記錄與處理部分和問答部分填寫完整.

給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果或結(jié)論.

注意:實(shí)驗(yàn)報(bào)告當(dāng)場(chǎng)遞交，其他時(shí)間遞交的報(bào)告將不被認(rèn)可。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求:5/34(一)平時(shí)實(shí)驗(yàn)考核1每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目獨(dú)立考核，最后總評(píng)。2每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目分三段進(jìn)行考核，實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)20％，實(shí)驗(yàn)操作與實(shí)驗(yàn)報(bào)告共80%。根據(jù)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的要求酌情打分。3同一學(xué)期實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目超過2個(gè)未完成者，不得參加期末考核，不予統(tǒng)計(jì)平時(shí)成績(jī)。(二)考核方式上半年:筆試(40﹪實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識(shí)+60﹪實(shí)驗(yàn)內(nèi)容)下半年:所有實(shí)驗(yàn)平均成績(jī)，或者撰寫研究論文。四、物理實(shí)驗(yàn)課的考核辦法6/34§1測(cè)量與誤差§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示§3有效數(shù)字及其運(yùn)算§4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報(bào)告單體超聲探測(cè)傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用7/34大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)測(cè)量三個(gè)要素(1)測(cè)量方法:比較法(2)測(cè)量設(shè)備:米尺(3)測(cè)量結(jié)果:90.70cm1.基本概念2.測(cè)量值3.

測(cè)量的分類直接測(cè)量間接測(cè)量測(cè)量值＝數(shù)值+單位單次測(cè)量多次測(cè)量測(cè)量測(cè)量是利用儀器設(shè)備通過一定方法，將待測(cè)物理量與一個(gè)選做為標(biāo)準(zhǔn)的同類物理量進(jìn)行比較，確定待測(cè)物理量大小的過程。90.70cm一、測(cè)量§1測(cè)量與誤差8/34例：長(zhǎng)度、重量、體積、密度、電荷量、溫度（模擬溫度計(jì)/數(shù)字溫度計(jì)）1.真值與誤差(1)真值(2)誤差真值（真實(shí)值），在一定條件下，被測(cè)量對(duì)象客觀存在的實(shí)際值（數(shù)值+單位）。誤差＝測(cè)量值-真實(shí)值真實(shí)值通常是一個(gè)未知量，一般說的真值是指理論真值、規(guī)定真值、相對(duì)真值。二、誤差(1)理論真值也稱絕對(duì)真值，如：三角形內(nèi)角和180度。(2)約定真值也稱規(guī)定真值，是一個(gè)接近真值的值，它與真值之差可忽略不計(jì)。實(shí)際測(cè)量中，在沒有系統(tǒng)誤差的條件下，使用足夠多次測(cè)量值的平均值作為約定真值。(3)相對(duì)真值使用更高一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的量具指示值作為較低等級(jí)量具的真值，此真值被稱為相對(duì)真值?！?測(cè)量與誤差9/342.誤差的分類(1)絕對(duì)誤差(2)百分誤差百分誤差也稱為相對(duì)誤差。測(cè)量值x與真值x0之差絕對(duì)誤差|Δx|與真值x0之比誤差的分類（按計(jì)算）§1測(cè)量與誤差絕對(duì)誤差相對(duì)誤差系統(tǒng)誤差隨機(jī)誤差誤差（計(jì)算）（來源）10/34指在測(cè)量過程中因一些確定的不合理因素，使得測(cè)量結(jié)果的過程中存在恒定的或按一定規(guī)律變化的誤差。(1)系統(tǒng)誤差誤差的分類（按來源）儀器誤差：儀器制造缺陷，使用不當(dāng)或者儀器未經(jīng)很好校準(zhǔn)所造成的誤差。方法誤差：實(shí)驗(yàn)所依據(jù)的理論和公式的近似性，測(cè)量條件或方法不能滿足理論公式所要求的條件等引起的誤差。環(huán)境誤差：測(cè)量?jī)x器規(guī)定的使用條件未滿足所造成的誤差。如室溫高于儀器所規(guī)定的實(shí)驗(yàn)溫度范圍，而引起的誤差稱之為環(huán)境誤差。人為誤差：由測(cè)量者的生理特點(diǎn)或固有習(xí)慣所帶來的誤差。例如反應(yīng)速度的快慢、分辨能力的高低，讀數(shù)的習(xí)慣造成的誤差。特點(diǎn)：恒定性，不能用增加測(cè)量次數(shù)的方法使它減少。系統(tǒng)誤差來源§1測(cè)量與誤差11/34系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差.在相同條件下，多次測(cè)量同一被測(cè)量時(shí)，測(cè)量值對(duì)真值的偏離（大小和方向）以不可預(yù)知的方式變化，這類誤差稱為偶然誤差。（2）隨機(jī)誤差不確定的因素，如實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境因素?zé)o規(guī)則的起伏變化，引起測(cè)量值圍繞真值發(fā)生漲落的變化。①有界性:誤差的絕對(duì)值不會(huì)超過某一最大值[-σ,+σ]。②單峰性:絕對(duì)值小誤差的出現(xiàn)概率大，而絕對(duì)值大的誤差出現(xiàn)的概率小。③對(duì)稱性:絕對(duì)值相同的正、負(fù)誤差出現(xiàn)的概率相等。④抵償性:誤差的算術(shù)平均值隨著測(cè)量次數(shù)的無限增加而趨于零。特點(diǎn)：當(dāng)測(cè)量次數(shù)足夠多時(shí)，這種偏離引起的誤差服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。來源：§1測(cè)量與誤差σ小σ大δP0-σ+σ12/34§1測(cè)量與誤差§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示§3有效數(shù)字及其運(yùn)算§4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報(bào)告單體超聲探測(cè)傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用13/34大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)測(cè)量結(jié)果應(yīng)包括數(shù)值、單位和不確定度(對(duì)測(cè)量結(jié)果精確程度的評(píng)價(jià))?！纠繙y(cè)量對(duì)象數(shù)值不確定度單位含義：R的真值有相當(dāng)大(例如95%)的可能(概率)位于區(qū)間(909.9,910.7)Ω之內(nèi)。電阻測(cè)量把測(cè)量值的誤差落在區(qū)間(-δ,+δ)內(nèi)的概率P

敘述為置信區(qū)間(-δ,+δ)的置信概率為P置信區(qū)間和置信概率§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示14/34被測(cè)量的真值以一定概率落在某個(gè)量值范圍不確定度越小，表示測(cè)量誤差值越小，測(cè)量的可信賴程度越高；不確定度越大，表示測(cè)量誤差值越大，測(cè)量的可信賴程度越低。U為不確定度不確定度：與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，表征合理賦予被測(cè)量之值的分散性。測(cè)量結(jié)果一、不確定度由于測(cè)量誤差的存在，對(duì)被測(cè)量值不能肯定的程度。

§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示15/34二、不確定度分類（按其數(shù)值評(píng)定方法分為A類和B類）A類不確定度：用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法計(jì)算出的測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差(多次重復(fù)測(cè)量時(shí))

，表示為：§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示t為分布因子，n為測(cè)量次數(shù)，S為標(biāo)準(zhǔn)偏差(均方根差)，xi為單次測(cè)量值。n2345678910152030t12.714.303.182.782.572.452.362.312.262.142.092.058.992.481.591.241.050.930.840.770.720.550.470.37

9.02.51.61.2≈116/34二、不確定度分類（按其數(shù)值評(píng)定方法分為A類和B類）B類不確定度：用非統(tǒng)計(jì)學(xué)方法評(píng)定的不確定度，各標(biāo)準(zhǔn)不確定度相互獨(dú)立時(shí)(多種測(cè)試設(shè)備)，表示為：§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示近似將儀器誤差限值△ins作為B類誤差。總不確定度17/34

§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示電磁學(xué)儀器誤差限：a為精度:5.0,2.5,...1.0,0.5,...0.1;Am為電表量程18/34三、不確定度計(jì)算直接測(cè)量間接測(cè)量單次測(cè)量多次測(cè)量測(cè)量（二）間接測(cè)量——不確定度傳遞單次測(cè)量（一）直接測(cè)量多次測(cè)量B類不確定度總不確定度A類不確定度B類不確定度§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示19/34

設(shè)間接測(cè)量值X

可寫成m個(gè)直接測(cè)得量x1,x2,..,xi,...,xm的函數(shù)直接測(cè)得間接測(cè)量結(jié)果的不確定度傳遞公式間接測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度傳遞公式§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示間接測(cè)量結(jié)果的表達(dá)式20/34間接測(cè)量——不確定度傳遞§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示計(jì)算例子pp:6例1.解答提示例2.解答(1)電功率平均值n=10(pp:3)：t=2.26(2)建立電功率平均值函數(shù)求不確定度傳遞函數(shù)電功率的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果11/34§1測(cè)量與誤差§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示§3有效數(shù)字及其運(yùn)算§4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報(bào)告單體超聲探測(cè)傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用22/34大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)有效數(shù)字的位數(shù)，第一位非零數(shù)字開始數(shù)到最后一位的位數(shù)，稱為有效數(shù)字位數(shù)。構(gòu)成：有效數(shù)字＝“可靠數(shù)字”＋“一位估讀數(shù)字”意義：測(cè)量?jī)x器設(shè)備的精確度和計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度。有效數(shù)字由表征測(cè)量結(jié)果的可靠數(shù)字與估讀(可疑)數(shù)字組成的。估讀數(shù)字在有效數(shù)字中一般只有一位。§3有效數(shù)字及其運(yùn)算15.86，四位有效數(shù)字5.32，三位有效數(shù)字5.320，四位有效數(shù)字0.0532，三位有效數(shù)字1.65cm一、有效數(shù)字基本概念23/342.00cm§3有效數(shù)字及其運(yùn)算5.695mm13.24mm(1)有指針或刻度的儀器：最小刻度以下再估讀一位。這不需要估讀！24/34§3有效數(shù)字及其運(yùn)算數(shù)字儀表擴(kuò)展內(nèi)容：傳感器(Sensor):pp.:212-216.ADC(Analog-to-DigitalConverter)MCU(MicroControllerUnit).(2)數(shù)字顯示儀表：顯示值均為有效數(shù)字，不再估讀。三位半:1.999～11bitADC四位半:1.9999～14bitADC.七位半:1.9999999～24bitADC25/34手機(jī)視頻電話：Sensor,ADC,DAC,MCU,Radio,Comm.,…當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)較多時(shí)，進(jìn)行取舍一般采用1/2（0.5）修約規(guī)則。(1)需舍去部分的總數(shù)值大于0.5時(shí)，所留末位需加1，即進(jìn)。(2)需舍去部分的總數(shù)值小于0.5時(shí)，末位不變，即舍。(3)需舍去部分的總數(shù)值等于0.5時(shí)，所留部分末位應(yīng)湊成偶數(shù)。即末位為偶數(shù)(0,2,...)，數(shù)字舍去；末位為奇數(shù)(1,3,...)，數(shù)字入進(jìn)變?yōu)榕紨?shù)。例如修約成4位有效數(shù)字3.14159→3.1426.378501→6.3792.71729→2.7174.51050→4.5103.21650→3.2165.6235→5.624進(jìn)進(jìn)舍湊偶湊偶湊偶三、有效數(shù)字的修約規(guī)則§3有效數(shù)字及其運(yùn)算四舍五入法則26/34加、減法二、有效數(shù)字的運(yùn)算法則加減結(jié)果的有效數(shù)字末位應(yīng)與參與運(yùn)算據(jù)中小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)最少的末位對(duì)齊。乘、除法幾個(gè)數(shù)相乘除，結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)與參與運(yùn)算的諸因子中有效數(shù)字位數(shù)最少的一個(gè)相同，即“位數(shù)取齊”。§3有效數(shù)字及其運(yùn)算單位換算單位換算不改變有效數(shù)字位數(shù)(使用科學(xué)計(jì)數(shù)法處理)。1.3m＝1.3×103mm≠

1300mm27/34乘方、開方有效數(shù)字位數(shù)與底數(shù)位數(shù)相同§3有效數(shù)字及其運(yùn)算其它函數(shù)運(yùn)算(見教材pp:6)28/34§1測(cè)量與誤差§2不確定度與測(cè)量結(jié)果表示§3有效數(shù)字及其運(yùn)算§4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法§5物理科技創(chuàng)新專題報(bào)告單體超聲探測(cè)傳感器電路系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用29/34大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)理論知識(shí)一、列表法表1伏安法測(cè)100

電阻數(shù)據(jù)表

2025/2/20注：（1）電壓表量程7.5V，精度等級(jí)1.0。（2）電流表量程50mA