哈工程物理實(shí)驗(yàn)緒論課講義一

1、物理實(shí)驗(yàn)緒論課講義,哈爾濱工程大學(xué)理學(xué)院 物理實(shí)驗(yàn)中心,第一節(jié) 教學(xué)目的和基本程序,一教學(xué)目的 二基本程序 （一）課前預(yù)習(xí) （二）課堂實(shí)驗(yàn)操作 （三）課后書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 （四）期末考查,一教學(xué)目的,物理學(xué)是在長(zhǎng)期實(shí)踐和大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生、發(fā)展和逐漸完善起來(lái)的。因此，物理學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，物理實(shí)驗(yàn)是發(fā)現(xiàn)和利用物理規(guī)律的基礎(chǔ)。作為大學(xué)中一門課程的物理實(shí)驗(yàn)，是學(xué)生受到系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練的開(kāi)端。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的主要有以下幾點(diǎn)： 1 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)技能的基本訓(xùn)練。 2 綜合能力的培養(yǎng)。 3 培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的作風(fēng)、實(shí)事求是的態(tài)度，以及優(yōu)良品德。 在物理學(xué)的發(fā)展中，人類積累了豐富的實(shí)驗(yàn)方法，創(chuàng)造設(shè)計(jì)

2、出了各種精巧的實(shí)驗(yàn)儀器，涉及到廣泛的物理現(xiàn)象。希望大家在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，不但要注意鍛煉自己分析問(wèn)題解決問(wèn)題的能力，更應(yīng)注意從中學(xué)到創(chuàng)造性的思維方式。,二基本程序,（一）課前預(yù)習(xí) 認(rèn)真閱讀實(shí)驗(yàn)講義，明確實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)原理，初步了解實(shí)驗(yàn)方法和關(guān)鍵步驟。認(rèn)真填寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告（按標(biāo)準(zhǔn)預(yù)習(xí)報(bào)告填寫(xiě)），畫(huà)出實(shí)驗(yàn)原理圖和實(shí)驗(yàn)表格。,（二）課堂實(shí)驗(yàn)操作,實(shí)驗(yàn)者應(yīng)準(zhǔn)時(shí)來(lái)到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)認(rèn)真對(duì)照講義上的儀器介紹或聽(tīng)老師的講解熟悉儀器，禁止盲目動(dòng)手。其次，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，嚴(yán)格遵守實(shí)驗(yàn)規(guī)則，愛(ài)護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器，未經(jīng)許可不得調(diào)換儀器。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)儀器設(shè)備出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)報(bào)告指導(dǎo)教師。最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要實(shí)事

3、求是地記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一律用鋼筆或圓珠筆填寫(xiě)。實(shí)驗(yàn)完畢后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)需經(jīng)教師檢查簽字后方可離開(kāi)。,關(guān)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課教學(xué)的補(bǔ)充規(guī)定,1.每班按序號(hào)平均分為A、B兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班，前半部分為A班，后半部分為B班； 2.上課時(shí)必須穿鞋套，不穿鞋套者不許上課； 3.遲到10分鐘者按曠課處理； 4.沒(méi)預(yù)習(xí)或預(yù)習(xí)不認(rèn)真的同學(xué)，任課教師有權(quán)另行安排； 5.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容應(yīng)在上課時(shí)間內(nèi)完成，逾期不補(bǔ)； 6.實(shí)驗(yàn)報(bào)告需全班統(tǒng)一按規(guī)定時(shí)間上交，科代表將報(bào)告按序號(hào)排好，個(gè)人單獨(dú)交報(bào)告不予受理； 7.自帶數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)操作結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告雷同者，一律按零分處理； 8.每個(gè)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的計(jì)算辦法為 預(yù)習(xí)（2分）+操作（3分）+實(shí)驗(yàn)報(bào)

4、告（5分）=10分； 9 .病假應(yīng)在上課前向任課教師請(qǐng)假，否則不予補(bǔ)課；事假原則上不批準(zhǔn)，極特殊情況需系里開(kāi)證明，經(jīng)任課教師批準(zhǔn)，否則不予補(bǔ)課； 10 .非教務(wù)處安排的各種活動(dòng)不許耽誤正常課程。,（三）課后書(shū)寫(xiě)實(shí)驗(yàn)報(bào)告,一份完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)包含以下幾個(gè)內(nèi)容： 1、實(shí)驗(yàn)名稱。 2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?3、實(shí)驗(yàn)儀器。 4、實(shí)驗(yàn)原理（簡(jiǎn)要敘述相關(guān)的物理學(xué)內(nèi)容，畫(huà)出原理圖、裝置示意圖或電路圖、光路圖，寫(xiě)出主要計(jì)算公式及公式中各量的物理含義和公式限定的條件等）。 5、數(shù)據(jù)表格（包括物理量名稱、單位、簡(jiǎn)單的公式）。,6、數(shù)據(jù)處理及結(jié)果。數(shù)據(jù)處理要有完整的計(jì)算、作圖和不確定度的估算，而且計(jì)算要有簡(jiǎn)潔的計(jì)算式子；代入

5、的數(shù)據(jù)要有根有據(jù)，作圖要美觀、規(guī)范。最后要給出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。 7、回答問(wèn)題或討論。 8、原始數(shù)據(jù)（完整的預(yù)習(xí)報(bào)告和簽字的實(shí)驗(yàn)記錄） 如發(fā)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)有錯(cuò)、漏等情況，應(yīng)予以重測(cè)或補(bǔ)測(cè)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)應(yīng)字跡工整、措詞簡(jiǎn)練、步驟完整、數(shù)據(jù)真實(shí)、圖表齊全、書(shū)寫(xiě)規(guī)范。,（三）期末考查,1.在完成規(guī)定數(shù)目的實(shí)驗(yàn)并交齊實(shí)驗(yàn)報(bào)告書(shū)后方可參加期末考察。 2.實(shí)驗(yàn)課成績(jī)是平時(shí)成績(jī)和期末考查成績(jī)的綜合。 3.考查內(nèi)容一般為本學(xué)期所做的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，包括實(shí)驗(yàn)原理，數(shù)據(jù)處理，以及課上補(bǔ)充的內(nèi)容。,第二節(jié) 測(cè)量、誤差和不確定度,一基本知識(shí) （一）測(cè)量和誤差,測(cè)量：借助儀器把待測(cè)物理量的大小表示出來(lái)的過(guò)程。,直接測(cè)量,11

6、0cm,從一個(gè)或幾個(gè)直接測(cè)量結(jié)果按一定的函數(shù)關(guān)系計(jì)算出來(lái)的的過(guò)程，稱為間接測(cè)量。,測(cè)量值x與真值之間總存在一定的差異，這種差異稱為測(cè)量誤差，表示為： 我們稱之為測(cè)量的絕對(duì)誤差。,真值:是反映物體特性的某一物理量在一定的條件下所具有的真實(shí)數(shù)值。,相對(duì)誤差,（二）誤差的分類,誤差的產(chǎn)生及其原因是多方面的，我們一般從其性質(zhì)和來(lái)源，將誤差分為三類： 1.系統(tǒng)誤差 2.偶然誤差 3.過(guò)失誤差,1.系統(tǒng)誤差,在相同條件下，多次測(cè)量同一量值時(shí)，絕對(duì)值和符號(hào)保持不變；或在條件改變時(shí)，按一定規(guī)律變化的誤差-稱為系統(tǒng)誤差。（服從因果規(guī)律）其來(lái)源包括以下幾個(gè)方面： （1）儀器誤差。由于儀器本身的缺陷或沒(méi)按規(guī)定條件調(diào)

7、整、使用所造成的誤差（如天平、砝碼、電壓電流表未按規(guī)定定期送檢，以及儀器零點(diǎn)校正不準(zhǔn)）。 （2）方法誤差。由于實(shí)驗(yàn)方法本身或理論不完善所造成的誤差（如用伏安法測(cè)電阻時(shí)未計(jì)及電表的內(nèi)阻）。,（3）個(gè)人誤差。由于觀察者生理或心理特點(diǎn)造成的誤差。通常與觀測(cè)人員的反映速度和固有習(xí)慣等有關(guān)（如有的人對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí)總是偏左或偏右，致使讀數(shù)偏大或偏?。?。 （4）環(huán)境誤差。由于外界環(huán)境（如溫度、光照、電磁等）的恒定偏離規(guī)定條件時(shí)而產(chǎn)生的誤差。 系統(tǒng)誤差具有確定性，它總向一個(gè)方向偏離或按一定規(guī)律變化。在實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)校準(zhǔn)儀器、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、選擇更好的實(shí)驗(yàn)方法或進(jìn)行理論修正來(lái)消除或盡量使之減小。對(duì)于那些既不能修正，又

8、不能消除的系統(tǒng)誤差應(yīng)根據(jù)具體情況在測(cè)量誤差（或測(cè)量不確定度）中反映出來(lái)。,2.偶然誤差,在實(shí)際測(cè)量中，由于某種偶然的原因，使測(cè)量結(jié)果在測(cè)量平均值附近起伏變化，由此產(chǎn)生的誤差稱為偶然誤差。,溫度忽高忽低,氣流飄忽不定,電壓漂移起伏,相關(guān)數(shù)學(xué)知識(shí),(1)隨機(jī)現(xiàn)象：在一定條件下，可能發(fā)生也可能不發(fā)生，或者出現(xiàn)多種結(jié)果的偶然現(xiàn)象。 (2)概率：某一事件在試驗(yàn)中發(fā)生的可能性的大小，用P(X)或PX|表示。,假如我們對(duì)某種規(guī)格的一批鋼球質(zhì)量 （10克左右）做測(cè)量,Px=10.00231053克0,P正面朝上=,事實(shí)上我們只關(guān)心鋼球質(zhì)量在某一范圍內(nèi)的概率有多大，即,某一小范圍內(nèi)的平均概率,稱為概率密度函數(shù),

9、令,測(cè)量值落在（a，b）中的概率大小為p(x)、x=a、x=b和x軸所組成的閉合曲線包圍的面積,偶然誤差的特點(diǎn)：在相同條件下，對(duì)同一物理量作多次重復(fù)測(cè)量（專業(yè)術(shù)語(yǔ)：等精度重復(fù)測(cè)量），其測(cè)量值將有時(shí)偏大，有時(shí)偏小。每次測(cè)量值的偏大偏小具有偶然性，但只要測(cè)量次數(shù)足夠多，測(cè)量所得到的一系列數(shù)據(jù)的偶然誤差就服從一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，即正態(tài)分布規(guī)律。,標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布如下圖所示：,均方根差（標(biāo)準(zhǔn)偏差）,反映了測(cè)量數(shù)據(jù)的離散程度 值小，測(cè)量值的誤差中絕對(duì)值小的誤差出現(xiàn)的機(jī)會(huì)多，數(shù)據(jù)比較集中，重復(fù)性好、測(cè)量的精密度高。反之亦然。,特點(diǎn)：1.對(duì)稱性 2.單峰性 3.有界性,增加測(cè)量次數(shù)可以 減小偶然誤差，但 不能消除,

10、3過(guò)失誤差,那些因?yàn)樵O(shè)計(jì)錯(cuò)誤、操作不當(dāng)、儀器損壞或測(cè)讀錯(cuò)誤等人為原因造成的測(cè)量錯(cuò)誤，將得到一些壞記錄。盡管有人把由此而產(chǎn)生的誤差歸類為過(guò)失誤差，但在實(shí)質(zhì)上它們不能算作是誤差。在工程上人們指定了若干法則(如3規(guī)則)，用來(lái)發(fā)現(xiàn)及剔除那些壞記錄，以消除過(guò)失誤差。,（三）測(cè)量不確定度,我們測(cè)量某物理量時(shí)，總是想要找到物理量的真值。而真值又無(wú)法確切知道，所以實(shí)際測(cè)量中，我們只能提供一個(gè)范圍。例如,然后我們說(shuō)：真值落在該范圍內(nèi)的概率是多少，這個(gè)x就叫做測(cè)量的不確定度。,*不確定度的權(quán)威文件是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國(guó)際 計(jì)量局(BIPM)等七個(gè)國(guó)際組織1993年聯(lián)合推出的 *不確定度表示由于測(cè)量誤差存在

11、而對(duì)被測(cè)量值不能 確定的程度。不確定度是一定概率下的誤差限值。 *由于真值的不可知，誤差一般是不能計(jì)算的，它可 正、可負(fù)也可能十分接近零；而不確定度總是不為 零的正值，是可以具體評(píng)定的。,測(cè)量誤差與不確定度,A類不確定度不確定度中服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的那一部分分量,B類不確定度不確定度中不服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律的那一部分分量,不確定度分類,合成不確定度,1. ， 互相獨(dú)立 2. 相同的置信概率,在物理實(shí)驗(yàn)中，常常遇到的儀器誤差是指國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的或生產(chǎn)廠家給出的計(jì)量工具、計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確等級(jí)或允許的誤差范圍，并且根據(jù)測(cè)試方法或使用條件的簡(jiǎn)化約定，我們通常用儀表示。它是儀器的最大可能誤差，其置信概率為99.7%，屬于

12、B類不確定度。,注意：,二、直接測(cè)量的數(shù)據(jù)處理,（一）單次直接測(cè)量的誤差估算： 單次測(cè)量中，A類不確定度為零， B類不確定度只考慮儀器誤差，,合成不確定度,測(cè)量結(jié)果,（二）多次測(cè)量的不確定度,1.算術(shù)平均值是真值的最佳估計(jì)值(無(wú)系統(tǒng)誤差情況下),2.多次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)偏差,但是由于測(cè)量次數(shù)有限，測(cè)量值的平均值將不符合正態(tài) 分布，而是符合t 分布。測(cè)量次數(shù)小時(shí)，t 分布偏離正 態(tài)分布較多。測(cè)量次數(shù)大時(shí)趨于正態(tài)分布。,標(biāo)準(zhǔn)偏差,n個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)中各個(gè)數(shù)據(jù)的離散程度,平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差,反映了平均值接近真值的程度,3.測(cè)量結(jié)果的合成不確定度,（三）不確定度的合成,例題:,以下解法對(duì)嗎?,令:,則:,正確方法:,

13、（四）測(cè)量結(jié)果的完整表示,用螺旋測(cè)微器測(cè)得一鋼絲直徑D，儀器誤差0.004mm，測(cè)量前進(jìn)行零點(diǎn)修正，修正后數(shù)據(jù)如下： D(mm) 1.516 1.519 1.514 1.522 1.513 1.523 1.517,第三節(jié) 有效數(shù)字,一、有效數(shù)字的概念,1.13 m,存疑數(shù),二、有效數(shù)字的性質(zhì)和說(shuō)明,1、有效數(shù)字的位數(shù)與小數(shù)點(diǎn)的位置無(wú)關(guān)； 2、“0”在有效數(shù)字中的特殊地位。 1206cm 2.0000mm 0.000125cm 0.001206mm 四位 五位 三位 四位， 3、參與計(jì)算的常數(shù)，如 4，e等，其有效數(shù)字的位數(shù)可以認(rèn)為是無(wú)限的； 4、如遇到測(cè)量結(jié)果是用科學(xué)計(jì)數(shù)法表示時(shí)，指數(shù)部分不計(jì)

14、入有效數(shù)字的位數(shù)。 電子的電荷 庫(kù)侖四位有效數(shù)字,三、有效數(shù)字的運(yùn)算,準(zhǔn)確數(shù)+準(zhǔn)確數(shù)=準(zhǔn)確數(shù) 準(zhǔn)確數(shù)+存疑數(shù)=存疑數(shù) 存疑數(shù)+存疑數(shù)=存疑數(shù) 進(jìn)位視為準(zhǔn)確數(shù) 計(jì)算結(jié)果保留一位存疑數(shù),一般規(guī)律,1.加減法（略） 2.乘除法：與參與運(yùn)算的有效數(shù)字 最少的那個(gè)數(shù)位數(shù)相同 3.乘方開(kāi)方：與底的有效數(shù)字位數(shù) 相同 4.指數(shù)、對(duì)數(shù)、三角函數(shù)：由改變量決定。 sin19.580=0.3351227； sin19.590=0.3352871 所以 sin19.580 =0.3351,約定：,1.表示測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字的末尾數(shù)永遠(yuǎn)與不確定度的末尾數(shù)具有相同的數(shù)量級(jí)（即尾數(shù)對(duì)齊）。 2.計(jì)算過(guò)程中，中間的運(yùn)算結(jié)果

15、可以適當(dāng)多保留一到二位有效數(shù)字。 3.絕對(duì)不確定度取一位有效數(shù)字，相對(duì)不確定度可以取二位有效數(shù)字。,改錯(cuò)：,1. N =（2.586 0.036） 2. N =（23.9560.0201） 3. N =（2.36105 1000） 4. N = 1.231.235=1.519,=（2.29 0.04） =（23.960.02） =（2.36 0.01)105 = 1.231.235=1.52,已知：A=71.3 0.5 cm ； B=6.262 0.002 cm ; C=0.751 0.001 cm ; D=271 1 cm 求：,解： （1）,（2）,第四節(jié) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表示與處理,一、列表法,二、圖示法與圖解法,（一）、圖示法,電信股指,LUCENT: -89%,2. 標(biāo)明坐標(biāo)軸： 方向，坐標(biāo)軸的名稱、單位, 分格。,4. 連成圖線： 用直尺、曲線板等把點(diǎn)連成