物理实验理论.ppt2010.3.8

5.课程安排和考核
物理实验是实践性比较强的基础课，全部课程60学 时，3.5学分，分两个学期完成。 第一学期：实验理论课1周 4学时， 实验操作8周 30学时； 第二学期：实验操作8周 26学时。 结课考核成绩由三部分组成： * 平时成绩 * 笔试成绩 * 操作成绩 由所有实验报告成绩给出 70% 30% 30%
实验21-示波器的使用
（402室） 实验13-测绘线性和非线性电阻的伏安 特性曲线 （401室） 实验12-稳态法测量不良导体导热系数 （318室）
物实4
实验10-用落球法测液体的粘滞系数 （406室）
第二章
误差与数据处理基础知识



测量及其分类 真值、测量值和测量误差 测量结果与不确定度的评定 有效数字和仪器读数规则 实验数据处理基本方法
物理实验理论与基础知识
2013-8-23
第一章
绪论
1.物理实验课的地位和任务

物理实验课程是高等理工科院校对学生进行科学实验 基本训练的一门独立设臵的必修基础课程。
本课程的基本任务是：学习实验物理知识，了解科学 实验的主要过程和基本方法，学习基本实验仪器的使 用，训练基本技能，培养和提高学生进行科学实验的 能力和素养。 培养和提高学生理论联系实际和实事求是的科学作风， 认真严谨的科学态度，积极主动的探索精神，遵守纪 律、爱护公共财产的优良品德，团结协作的团队精神。
要求每位学生独立完成每一个实验，仪器发生故障时， 不要沮丧，应看作是学习的机会，并在教师的指导下 学习排除故障的方法。实验结束后，应将实验仪器整 理复原。
数据是实验的语言，实验的成功与否要用数 据来说明。实验者应把操作所得原始数据真实 的记录在实验数据记录表格中，记录原始数据 应注意有效数字的位数和物理量的单位。实验 结束后，实验数据要交指导老师检查签字后才 有效。不得抄袭别人的实验数据，杜绝弄虚作 假。

误差的特点
绝对误差=测量值-真值 相对误差=绝对误差/真值×100%

普遍性：误差存在一切测量之中，贯穿于测量始终。 不可知性：一般真值是未知的，无法得到绝对误差。
测量误差不可避免，真值不能得到，绝对误差只有理 论上的价值。但可以研究误差的种类、性质和来源， 减小测量误差。估算测量的误差范围，这就是测量不 确定度评定问题。

例如：仪器零点不准、环境条件、方法或理论误差 等。其特征是具有确定性。

系统误差的大小直接影响测量结果的正确度，实验中 应尽量减小它的影响，并设法修正。
（2）随机误差
在相同条件下，对同一测量量的多次测量过程中， 每次测量的误差大小正负难以预测，其特征是它的不 确定性。

随机误差的来源：测量过程中各种随机的或不确定 的因素，例如温度、湿度、电压的起伏，测量环境中 电场、磁场的随机扰动，被测量本身的微小变化等。
3.物理实验课主要教学环节与基本规则
一、实验预习
仔细阅读教材， 明确实验目的和任务，弄清实验原理， 了解实验内容、测量方法以及实验注意事项。
认真写好预习报告，包括实验名称、实验目的、实验
原理等。实验原理要写出主要公式，画好电路图或光 路图，简述实验内容和注意事项。根据实验要求设计
好记录实验数据的表格（最好单独用一张作业纸）。


2.物理实验课教学基本要求



学习和掌握常用基本实验仪器的原理、性能和使用方 法，学会基本实验技术和一般物理量的测量方法和手 段。 学习和掌握实验数据的处理和不确定度的评定，能够 根据实验要求写出规范的实验报告。能够正确表述实 验结果和对结果进行分析讨论。 学好实验，要求学生要养成良好的实验习惯，不仅要 掌握知识，更要通过实验提高自己的综合素质。学习 观察、分析、研究实验现象，加深对某些重要物理现 象和实验规律的认识和理解。
满足正态分布的 xk 的特点： xk ( xk )
有界性：绝对值很大的误差出现的概 率极小，通常△XK绝对值小于3σ；
单峰性：曲线呈凸形，绝对值小的误 差出现的概率比绝对值大的误差出现 的概率大。
对称性：大小相等的误差正、负机会 均等。 低偿性：正负误差相互低消，误差的算术平均值随测量次 数的增加而趋近于零。
三、撰写实验报告
正确处理数据并写出一份简洁、清楚、有见解的实验 报告是物理实验基本训练的重要内容之一。数据处理 过程包括计算、作图、不确定度分析和评定等，按要 求对数据进行处理后应给出明确的实验结果，实验报 告还应包括小结和讨论、解答课后思考题等。 （实验报告要求见教材p5） 交实验报告的时间，每次实验课前交上一次实验的实 验报告，由课代表收齐交给实验教师。无故逾期不交 报告按无实验报告处理。每位学生应保存好自己的实 验报告。
完成一次循环的形式安排实验项目。（本科教学Bb平台， 南1-317门外橱窗）
分组
物实1 物实2
1组（A组）
实验36、37-光的干涉实验 （312室） 实验33、34-分光计的调整和使用 （313室） 实验13-测绘线性和非线性电阻的伏安 特性曲线 （401室） 实验12-稳态法测量不良导体导热系数 （318室） 实验31-薄透镜焦距的测定 （316室）
按获得结果的方法：测量可分为直接测量和间接测量 直接测量：被测量直接与 标准量（量具或仪表）进 行比较得到数据。 例如：用米尺测量长度； 以秒表计时间； 用天平称质量； 安培表测电流等等。 间接测量：通过直接测量与 待测量有函数关系的物理量， 再经过运算得到待测物理量。 例如：测量圆柱的体积，可 以直接测量直径D和高h，间 接得到体积值。 V=hπD2/4
第一学期结课后进行笔试考试 第二学期结课后进行操作考试
6. 上课安排和课表
实验操作上课地点：北校区实验大楼 实验操作晚上9-12节上课时间：6：00 实验报告纸：南1—317 实验项目课表：物理实验课Bb平台通知 实验分组：按实验选课班名单物实1、物实2、物实3、
物实4 每班各分为两个实验组（A组、B组），采取4周
标准差的统计意义
对于等精度测量列xi，其标准差 的数学表达式为
σ lim
(xi μ)2
i1
n
n
n
总体标准差σ 是测量列xi的一个统计参量，它表征了测得 值Xi对期望值μ 的偏离程度。σ 的大小可以表征随机误差 离散性的大小，或测量精密度的好坏。标准差小，离散程 度小，测量精密度高。
4.规则和纪律




遵守纪律按时到课：不允许随意迟到，无故不上课者 一律不予补课。生病或确有事情需请假者，要有相应 的假条，并且应在病好、事后及时找任课教师安排补 课。 离开实验室前必须整理仪器：学生做完实验必须整理 好仪器，填写仪器使用登记，保持实验室整洁卫生。 不得随意翻动实验室其它仪器。 每学期完成四个以上实验，有资格参加期末考试。

坏值的剔出原则：对于满足正态分布的随机变量，一般 取±3σ为误差极限，误差大于±3σ的测量值视为坏值。
随机误差的统计分布规律
随机误差不可避免，对随机误差的处理可根据随 机误差的统计分布规律估算其对实验结果的影响。 对同一被测量在相同条件 下进行多次测量，侧得值或其 误差可视为随机变量。理论和 实践表明，随机变量的取值表 现为一定的分布。在多数情况 下，随机变量服从正态分布规 律，也叫高斯分布。
P 称为臵信概率；相应的区间[+a,-a]称
为臵信区间；a为臵信区间的半宽。
对于满足正态分布的随机变量f(δ) ，任一测量数 据的误差落在[-kσ,+kσ]区间内的概率为
p
k
k
f ( )d
p为臵信概率；[-kσ,+kσ]为臵信区间；k称为包含因 子，也叫臵信系数； kσ为臵信区间的半宽。 对于一个测量结果，只要给出其在一定置信概率下的 置信区间，就表达出了测量的精密程度，即测量结果 值得信赖的程度，这就是标准差的统计意义。
置信概率
根据概率分布理论，概率密度函数f(δ )曲线 下的面积，代表随机变量δ出现的概率。理论说明， 随机误差δ在[+∞，-∞]区间内出现的概率为100%， 曲线下的总面积为1。
p


f ( )d 1
对于满足正态分布的随机变量f(δ)，从正态函数
的积分表可得到



f ( )d 0.683

如果测量次数很多时，随机误差的出现符合一定的统计 规律。可采取多次测量取平均的方法减少其影响。
（3）粗大误差
由于实验差错造成的粗差。例如：读数错误、记录 错误、计算错误等。这属于不正常的测量范畴，应尽 量避免。明显超出规定条件下预期的误差称为粗大误 差。

一般将含有粗差的测量值称为坏值或者异常值。在 实验测量过程中或数据处理时要尽量剔除这些坏值。
等精度测量的误差分析和数据处理相对简单，本课程 对物理量的测量均指等精度测量。
2.2. 真值、测量值和测量误差
真值：物理量在客观上存在着的确定数值。 真值是一个抽象的概念，一般无法得到。实际 应用中用约定真值：公认真值（物理常数）；计量 约定真值；修正过的算术平均值等等。 测量值：用实验手段测量出来的值叫测量值。 测量误差：测量涉及人员,仪器,环境,方法等条件影 响，测量结果与被测量真值之间总是存在一定的偏 差，称为测量误差。
在物理量的测量中，大多数是间接测量，但是直接 测量是一切测量的基础。
按测量条件：测量可分为等精度测量和不等精度测量 等精度测量: 相同测量 条件下，对同一被测量 进行重复性测量。测量 的所有数据称为测量列， 测量列中所有数据可信 赖程度相同。 不等精度测量：不相同测 量条件下，对同一被测量 进行重复性测量。各次测 量所得结果，可信赖程度 不同，按测量精度的高低， 区别对待。
没有预习报告或预习报告不合格者不能进行实验操作 （预习报告要求见教材P3）
二、实验操作
在上实验课时，应首先了解仪器性能，熟悉仪器的使 用方法和使用注意事项，而后进行实验操作。操作过 程中不可擅自离位更换仪器（特殊情况需经教师许可 才能更换），注意爱护实验设备，不得随意拆装仪器。 损坏仪器按学校有关规定处罚。