1、物理試驗緒論請各班學習委員將自己姓名、聯絡電話和班級公共電子信箱地址提交上來 廣東海洋大學物理試驗教學中心 .2第1頁講授內容物理試驗課性質、地位、作用和任務 物理試驗課主要教學步驟物理試驗課教學基本規則測量與誤差基本概念試驗結果表示測量不確定度估算有效數字慣用試驗數據處理方法介紹第2頁課程性質物理學基本理論滲透在自然科學各個領域，應用于生產技術各個方面，是其它自然科學和工程技術基礎。在人類追求真理、探索未知世界過程中，物理學展現了一系列科學世界觀和方法論，深刻影響著人類對物質世界基本認識、人類思維方式和社會生活，是人類文明基石，在人才科學素質培養中含有主要地位。第3頁課程性質物理學本質上是一

2、門試驗科學。物理試驗是科學試驗先驅，表達了大多數科學試驗共性，在試驗思想、試驗方法以及試驗伎倆等方面是各學科科學試驗基礎。第4頁課程地位物理試驗課是高等學校理、工、農類專業必修基礎課程，是本科生接收系統試驗方法和試驗技能訓練開端。第5頁課程作用物理試驗課程覆蓋面廣，含有豐富試驗思想、方法、伎倆，同時能提供綜合性很強基本試驗技能訓練，是培養學生科學試驗能力、提升科學素養主要基礎。它在培養學生嚴謹治學態度、活躍創新意識、理論聯絡實際和適應科技發展綜合應用能力等方面含有其它實踐類課程不可替換作用。第6頁 物理試驗課任務 物理試驗作為一門獨立基礎課，它有以下兩方面詳細任務： 1、經過對各種物理試驗現象

3、觀察、分析和對各種物理量測量練習，掌握物理試驗基本思想、基本方法和基本技能，培養學生科學思維和創新意識，提升學生科學試驗能力。 第7頁 物理試驗課任務 課程詳細培養基本能力包含自學能力：經過閱讀試驗教材或參考資料，正確了解試驗內容，作好試驗前準備；動手實踐能力：借助教材或儀器說明書，正確使用基本試驗儀器；第8頁 物理試驗課任務思維判斷能力：能夠利用物理學理論對試驗現象進行初步分析和判斷；書面表示能力：能夠正確統計和處理試驗數據，分析試驗結果，撰寫合格試驗匯報；簡單設計能力：能夠依據課題要求，獨立完成教學性設計性試驗。第9頁 物理試驗課任務2、培養從事科學試驗基本素質理論聯絡實際和實事求是科學作

4、風。嚴厲認真、精益求精工作態度。自覺自律、團結協作和珍惜公共資源良好意識。熱愛科學，勇于創新，力戒浮躁，講求誠信優異品德。第10頁 物理試驗課教學步驟 一、課前預習 每次實驗課前學生必須預習實驗教材和實驗指導書儀器說明書等有關資料，明確實驗目，基本弄懂實驗原理和實驗內容，并對測量儀器和測量方法有所了解，在此基礎上寫出實驗預習報告，報告內容包括：實驗名稱、實驗目、實驗儀器、實驗原理和實驗記錄表格。第11頁物理試驗課教學步驟二、試驗過程（在課表指定時間進行）了解和熟悉試驗特征、試驗儀器裝置安裝調整和使用方法、試驗操作注意事項。動手操作，按要求正確安裝調整試驗裝置。觀察試驗現象，分析和排除試驗故障。

5、正確讀取和統計測量數據。第12頁 物理試驗課教學步驟三、 課后試驗總結 試驗后要對試驗數據及時進行處理，并寫出完整試驗匯報。 試驗匯報要求用試驗匯報紙撰寫，第二次試驗課之前交第一次試驗匯報，第三次試驗之前交第二次試驗匯報，以這類推。 第13頁 試驗匯報格式和內容 實驗名稱實驗目 實驗儀器 實驗原理：簡要敘述實驗原理、計算公式、實驗電路圖或光路圖。 實驗內容和主要步驟第14頁 試驗匯報格式和內容數據統計與處理： 將原始統計數據轉記于試驗匯報上（署名原始數據也應附在匯報上，方便教師檢驗），按照試驗要求計算測量結果，計算要遵照有效數字運算規則進行，評定各級測量結果不確定度。第15頁 試驗匯報格式和內

6、容結果與討論： 該部分要明確規范地給出試驗測量結果完整表示式，并對結果進行討論（如試驗中觀察到現象分析、試驗中存在問題討論、回答思索題等）。也能夠對試驗本身設計思想、試驗儀器改進等提出建設性意見。 試驗者姓名、試驗日期第16頁預習匯報和試驗匯報關系能夠將預習匯報按試驗匯報要求書寫，即試驗名稱、試驗目標、試驗儀器、試驗原理，數據統計表格。上課時帶給教師檢驗，試驗結束時要讓教師檢驗統計試驗原始數據，而且署名，再將該匯報帶回去，加上數據統計與處理、結果與討論，組成一份完整試驗匯報。下次上課時交這份試驗匯報。第17頁物理試驗課程教學規程按本班試驗課程教學計劃安排，做好充分預習，帶著預習匯報、試驗教材和

7、必要文具用具，按時抵達試驗室。憑較完整試驗預習匯報進入試驗上課地點，不得遲到。進入試驗室后要服從試驗教輔老師引導，依據學號次序對號進入對應試驗臺位就座。食品、飲料等雜物不得帶入試驗室。第18頁物理試驗課程教學規程物理試驗教學計劃要求每個試驗均不能缺勤，除特殊（僅限個人傷病和直系親人遭遇意外變故兩種）情況外，物理試驗課不得請假。因特殊情況請假者，在銷假后必須及時主動與所缺做試驗指導教師聯絡，以安排插班補做所缺全部試驗。第19頁物理試驗課程教學規程每次試驗開始上課后先仔細聆聽指導老師講解。詳細動手操作前需要檢驗試驗設備和器材是否齊全完好，如有問題應主動向試驗教輔老師反應處理，并及時登記統計儀器使用

8、情況。操作完成，原始測量數據要經指導教師檢驗并署名認可。收拾整理好使用過儀器設備，請試驗教輔老師簽章驗收后，才能離開試驗室第20頁物理試驗課程教學規程各班每次試驗匯報由學習委員收齊后交到科317室，放入對應試驗指導老師姓名名牌所在課桌桌屜內。老師已經批閱過試驗匯報放在科317入門左邊格柜對應班級格子中，各學委請及時取回柜格內本班已改匯報。第21頁物理試驗課程教學規程課程考評標準：學生必須完成課程教學計劃要求全部試驗步驟才具備課程成績考評資格。無考評資格者按缺考處理，需在下一年申請重修，經過重修補齊所缺試驗，才取得課程考評資格。大學物理試驗x1和大學物理試驗總評成績=誤差理論成績0.2+試驗平均

9、成績0.8大學物理試驗x2總評成績=設計性試驗成績0.2+其它試驗平均成績0.8第22頁對學生忠言試驗教師有權拒絕未預習者和遲到者進入試驗課堂，由此造成后者未能完成該次試驗后果由后者自負！試驗教師拒絕批改未按要求完成試驗數據處理過程不合格試驗匯報，由此造成學生缺乏某次試驗成績后果由學生自負！試驗教師拒絕批改缺失誠信試驗匯報，一旦發覺不一樣組別學生試驗匯報中有相互剽竊數據情況，則剽竊者與被剽竊者均無該次試驗成績！第23頁第一章 測量誤差與試驗數據處理第24頁 第一節 測量和測量誤差 一、測量及其分類 測量就是在一定條件下使用含有計量標準單位計量儀器對被測物理量進行比較，從而確定被測量數值和單位。

10、直接測量與間接測量等精度測量與不等精度測量 單次測量與重復測量第25頁 直接測量直接測量是使用儀器或量具，直接測得被測量量值測量。由直接測量所得物理量，稱為直接測量量 。第26頁 間接測量間接測量是經過直接測量量，再依據某一函數關系把待測量計算出來測量。 第27頁間接測量比如，用單擺測量某地重力加速度g，是依據用米尺直接測得單擺擺長l和用秒表直接測得周期T，再經過單擺公式： g=（42l）/T2 把重力加速度g計算出來。 l和T 是直接測量量，g稱為間接測量量。lT第28頁 等精度、不等精度測量若對同一類物理量測量都是在相同條件（包含測量方法、使用儀器、外界環境條件和觀察者都不變）下進行，稱為

11、等精度測量；不然，稱為不等精度測量。 第29頁重復測量與單次測量重復測量是指在相同條件（包含測量方法、使用儀器、外界環境條件和觀察者都不變）下對同一狀態物理量進行屢次測量。當實際情況不能滿足重復測量所要求條件或不需要屢次重復測量（比如每次重復測量示值都完全一致）時，才采取單次測量處理方式。第30頁 第一節 測量和測量誤差 二、測量誤差及其分類（一）誤差定義 被測量物理量在特定條件下客觀存在真實量值稱為該物理量真值，記作T。 測量值X和真值T差定義為測量誤差，記為 即： = X - T 它反應了測量值偏離真值大小和方向第31頁第一節 測量和測量誤差 （二）誤差分類系統誤差偶然誤差（隨機誤差）粗差

12、（過失誤差）第32頁系統誤差 系統誤差是因為試驗系統原因，在測量過程中造成誤差。起源：儀器誤差、環境誤差、方法誤差、個人習慣誤差。特點：誤差大小和符號總是保持恒定，或按一定規律以可約定方式改變 。消除方法：找出原因，在試驗前或試驗后加以修正。第33頁系統誤差修正舉例儀器誤差 比如電表零點誤差修正：接入電路前，先調機械零點。電表指針不在零點機械零點調整螺釘第34頁操作者偏視習慣造成系統誤差及其消除方法視線偏左視線正確第35頁偶然誤差 偶然誤差是由一些偶然或不確定原因，在測量過程中造成誤差。起源：環境和試驗條件無規則改變。特點：偶然誤差量值和符號以不可約定方式改變著，對每次測量值來說，其改變是無規

13、則，但對大量測量值，其改變則服從確定統計分布（正態分布）規律。 第36頁正態分布xP-3 -2 0 2 3第37頁偶然誤差服從正態分布特點單峰性：絕對值小誤差出現概率大，而絕對值大誤差出現概率小。對稱性：絕對值相等正、負誤差出現概率大致相等。有界性：絕對值非常大正、負誤差出現概率趨于零。標準誤差定義：標準誤差統計意義：系統誤差已消除條件下，在n足夠大n次重復測量中，任一次測量偶然誤差絕對值小于概率為68.27%，小于2 概率為95.45%，小于3 概率為99.73%定量描述偶然誤差可能范圍與可信程度！第38頁預估并減小偶然誤差標準偶然誤差預估：最少先重復測量3次！重復測量顯示值完全一致時，表明

14、偶然誤差小于測量儀器分辨能力；各次重復測量值在僅最小12位數量級上有差異，表明偶然誤差大小與測量儀器精度匹配正常；減小偶然誤差對測量結果影響標準增加重復測量次數，普通重復510次即可。測量值波動范圍越大，則需重復次數越多。以測量平均值作為測量結果最正確預計值。以標準偏差代替標準誤差來評定偶然誤差范圍與可信度。第39頁粗差（過失誤差） 測量值顯著地偏離正常測量值異常誤差，稱為粗差。起源：使用儀器方法不對；粗心大意，統計犯錯；試驗條件突變等。消除方法：按一定科學標準判別和剔除。比如當重復測量次數較多時，若某一次測量值與測量平均值偏差絕對值大于3倍標準偏差時，則能夠認為該測量值是壞數據而剔除。第40

15、頁第二節 測量結果不確定度表示第41頁一、測量結果表示方式測量目標是想取得被測物理量真值！因為測量誤差不可防止，使真值無法確定，也無法確定誤差詳細大小。所以只能經過科學數據處理方法求出試驗最正確預計值及其不確定度，并把測量結果表示為： X = X測（單位） 物理量符號最正確預計值數值不確定度數值第42頁X = X測表示含義及格式表示真值以一定概率存在于X測范圍內；同一項測量結果對應不一樣置信概率要求，不確定度估算值也不一樣，通常要求概率值越高，對應值越大。值通常只保留最大一位非零數，尾數只進不舍，比如計算結果是0.051，保留結果是0.06。X測保留末位數與非零數位同數量級，例：L=3.566

16、 0.007(mm)第43頁二、不確定度基本概念與估算標準產生測量誤差原因通常不是單一，所以需要估算對應每種誤差起源不確定度分量。依據估算方法將不確定度分量分為兩類：用統計方法估算分量A類， 記為Ai用其它方法估算分量B類， 記為Bj不確定度是以上兩類全部分量合成，若各Ai、Bi相互獨立，并含有相同置信概率，則第44頁三 、直接測量不確定度估算（一）單次測量不確定度 當實際情況不滿足重復測量要求條件或不需要屢次重復測量時，才采取單次測量處理方式。單次測量主要誤差起源是儀器誤差時，以儀器誤差限儀作為單次測量不確定度： =儀。儀含義：在正常使用下儀器示值最大可能誤差，置信概率通常為95%99%。第

17、45頁物理試驗慣用儀器誤差限儀名稱量程最小分度或精度等級儀鋼卷尺2m1mm1.2mm鋼板尺300mm1mm0.5mm游標卡尺150mm0.02mm0.02mm千分尺25mm0.01mm0.004mm水銀溫度計1001 1 磁電式電表AKAK%第46頁例1數字萬用表儀用（讀數a%+N）方式給出，其中a為準確度等級，N為顯示末位上字數，若某數字萬用表量程為20k電阻測量檔a =0.8，N =3，用該檔單次測得某電阻示值為5.36 k，其測量結果應怎樣表示？解：=儀=5.360.8%+0.03=0.073 (k) 故測量結果：R=5.360.08 （ k ）第47頁（二）重復測量不確定度估算1、用測

18、量值算術平均值作為待測量X最正確預計值設對某一物理量X進行n次等精度測量，得一列測量值X1、X2、Xn，其測量平均值為第48頁（二）重復測量不確定度估算2. A類不確定度分量估算常規流程：先統計算出測量列標準偏差：再折算成測量平均值標準偏差值：最終將平均值標準差乘以一與置信概率、重復次數n相關t分布系數tp(n)得到：第49頁（二）重復測量不確定度估算實際中當重復次數為510次，要求置信概率在95%左右時，A與測量列標準偏差Sx在數值上都非?？拷?，故能夠按下式近似估算第50頁（二）重復測量不確定度估算 3、兩類不確定度分量合成A類分量ASX ，置信概率95% ； B類分量A= 儀，置信概率95

19、% ；則測量結果不確定度為:第51頁例題2用游標卡尺對某物體長度x 進行等精度測量10次，得測量列以下，儀器誤差限為0.02mm。求測量結果以及不確定度 。（1）算平均值 （2）標準偏差利用科學計算器統計功效快速算得到上述結果！1234567891083.5483.5883.5283.5683.6083.6483.5483.5683.5883.50第52頁例題2 （3）取B = 儀算合成不確定度（4）測量結果：X=83.560.05 (mm) 第53頁四、間接測量量不確定度估算 設間接測量量N是幾個相互獨立直接測量量x，y，z函數，即： 各直接測量量測量結果為：問：第54頁四、間接測量量不確定

20、度估算每個直接測量量誤差都會傳遞給N,若各直接測量量完全獨立無關，則N對應每個直接測量誤差起源都對應有一個獨立分量，分別記為Nx，Ny，Nz。其中Nxx，其正比系數就是函數f(x,y,z)對自變量x偏導數，故Nx估算式能夠由下面關系導出：第55頁四、間接測量量不確定度估算則N 合成算式： 稱為誤差傳遞系數。第56頁四、間接測量量不確定度估算慣用函數間接測量不確定度合成估算公式第57頁四、間接測量量不確定度估算慣用函數間接測量不確定度合成估算公式第58頁第三節 有效數字及其運算規則 在試驗中所測得被測量都是含有誤差數值，對這些數值尾數不能任意取舍，應能反應出測量值準確度。所以在統計數據和計算測量

21、結果時，應該取多少位，有嚴格要求。 1、有效數字定義測量結果中全部可靠數字加上末位可疑數字統稱為測量結果有效數字。 有效數字中全部位數個數稱為有效數字位數。 第59頁第三節 有效數字及其運算規則 2、有效數字讀取規則統計測量儀器精度、級別、最小分度值（最小刻度值）；預計測量儀器儀器誤差限；統計有效數字時要統計到誤差所在位。第60頁第三節 有效數字及其運算規則 例1：用300mm長毫米分度鋼尺測量長度。該鋼尺最小分度值為1mm，儀器誤差限取最小分度值二分之一，即 所以正確統計數值是除了確切讀出鋼尺上有刻線位數外，還應估讀一位，即讀到0.1mm位。比如22.5mm。 第61頁第三節 有效數字及其運

22、算規則 例2、伏安法測量電壓和電流值，用0.5級電壓表和電流表，量程分別為10V和10mA。由儀器誤差計算公式可得所以統計電壓和電流有效數字時，應分別統計到0.01V和0.01mA位。比如： 1.00V；2.00mA。第62頁第三節 有效數字及其運算規則有些儀器儀表普通不進行估讀或不可能估讀。比如：數字顯示儀表，只能讀出其顯示器上所統計數字。當該儀表對某穩定輸入信號表現出不穩定末位顯示時，表明該儀表不確定度可能大于末位顯示1，此時可統計一段時間間隔內平均值。 第63頁第三節 有效數字及其運算規則 3、有效數字性質有效數字位數伴隨儀器精度（最小分度值）而改變。 有效數字位數與小數點位置無關。 凡

23、數值中間和末尾“0”均為有效數字，但數值前“0”則不屬有效數字。50.07，2.400，0.012 第64頁第三節 有效數字及其運算規則對數量級很大或數量級較小測量值，常采取科學記數法，即寫成 冪次形式，其中a為19之間實數，n為任意整數。比如地球半徑是6 371 km，用科學記數法表示為 6.371106m。氦氖激光波長為632.8nm,用科學記數法表示為6.328107m。第65頁第三節 有效數字及其運算規則 4、有效數字運算規則 可靠數與可靠數運算，結果為可靠數。 可疑數與任何數運算，結果為可疑數，但進位數為可靠數。 運算過程中可保留2位可疑數，但結果只保留1位可疑數。第66頁第三節 有

24、效數字及其運算規則加減法運算 13. 51.62515.125，結果取15.1 71.30.75370.547，結果取70.5乘除法運算 23.12.250.82，結果取51 23.1 8.4194.04，結果取194 （有進位） 第67頁 2 3 . 1 2 . 2 4 6 2 4 6 2 5 0 . 8 2 2 3 .1 8. 4 9 2 4 1 8 4 8 1 9 4 .0 4 第68頁乘除法運算 普通情況下，積或商結果有效位數，和參加乘除運算各量中有效位數最少一個相同。 第69頁第三節 有效數字及其運算規則乘方、開方：普通與底位數相同 76525.85105 函數運算：三角函數、對數，

25、由其有效數字位數來定 Sin30012=0.5030第70頁第三節 有效數字及其運算規則尾數舍入規則 為了使運算過程簡單或準確地表示有效數字，需要對不應保留尾數進行舍入。四舍五入是通常采取舍入規則，但這種見五就入規則使入幾率大于舍幾率，輕易造成較大舍入誤差。為了使嚴格等于五舍入誤差產生正、負相消機會，采取新較為合理“四舍六入五湊偶”舍入規則，即：小于五舍，大于五入，等于五時則把保留尾數湊成偶數。 第71頁四舍六入五湊偶1.04346保留4位有效位數為：1.043 1.04368保留4位有效位數為：1.044 5.76453 保留4位有效位數為：5.764（舍5不進位） 5.76153保留4位有

26、效位數為：5.762 （舍5進位） 第72頁第三節 有效數字及其運算規則 5、測量結果有效數字 測量不確定度有效位數 ：只取一位有效數字 ，余數“只進不舍” 。間接測量結果值有效數字 ：測量結果值有效位數末位，要與不確定度所在位對齊，舍去其它多出存疑數字。 第73頁第三節 有效數字及其運算規則 例3、用單擺測量重力加速度g，直接測量量周期T 2.009 0.002，擺長L1.000 0.001， g=（42L）/T2，計算測量結果和不確定度。按有效數字運算規則算得: g測=(4 3.142 1.000)/2.0092=9.771第74頁第三節 有效數字及其運算規則計算g相對誤差第75頁第三節

27、有效數字及其運算規則只取一位有效數字 ，“只進不舍”， g0.03測量結果值有效位數末位，要與不確定度所在位對齊 g9.770.03 （m/s2)第76頁第四節 試驗數據處理 一、圖示與圖解法 圖示法是依據幾何原理將試驗數據用圖線來簡明、直觀、準確地揭示出物理量之間關系，以及繪制校正曲線。 圖解法是依據已作好曲線，用解析方法深入求得曲線所對應函數關系、經驗公式，以及其它參數值。 第77頁第四節 試驗數據處理圖示法規則圖紙選擇 按試驗參量要求，選取適當坐標紙 。依據試驗數據有效數字位數和數值范圍，確定坐標紙大小，標準上坐標紙一小格代表可疑數字前面一位數。定標 普通橫軸代表自變量，縱軸代表因變量。

28、標出坐標軸代表物理量和單位。第78頁圖示法規則分度 在坐標軸上按選下百分比標出若干等距離整齊數值標度，其數值位數應與試驗數據有效數字位數一致。標度通慣用1，2，5，而不用3，7，9。橫軸和縱軸標度能夠不一樣。 坐標原點不一定從0開始，應使曲線盡可能充滿整幅坐標紙。第79頁圖示法規則標試驗點，擬合曲線 用鉛筆尖在坐標圖上以小“”或“”標出各試驗數據點坐標，然后用直尺和曲線板將試驗點連成直線或光滑曲線。連線時應使多數試驗點在連線上，不在連線上試驗點大致均勻分布在圖線兩側。圖名與注解 普通在圖紙下部位置標出圖線名稱，必要時有注講解明。第80頁 圖示法例子 銅絲電阻溫度關系曲線 第81頁第四節 試驗數

29、據處理圖解法求直線斜率和截距 以x為橫坐標軸，為y縱坐標軸，按圖示法規則將試驗數據繪圖，若x和y函數關系是線性關系，則圖為直線，方程式為y=ax+b，直線斜率a采取兩點式方法求取。 注意：在物理試驗中坐標系中，縱坐標和橫坐標代表不一樣物理量，分度值與空間坐標不一樣，所以不能量取直線傾角求正切值方法求斜率。第82頁第四節 試驗數據處理兩點式求直線斜率 在靠直線兩端選取兩點 A(x1,y1),B(x2,y2)（普通不宜取測量點，因為測量點不一定在圖線上），則斜率為： 而截距為：第83頁第四節 試驗數據處理圖示圖解法在數據處理中即使是一個直觀而簡便方法，不過用圖示圖解法求斜率和截距是一個平均處理方法，這種方法有相當大主觀成份，所做直線有一定隨意性，結果經常因人而異。xy第84頁第四節 試驗數據處理 二、最小二乘法用最小二乘法擬協議一組試驗數據時，只要處理過程正確無誤，不論處理者是誰，結果都會相同，即得到是一條最正確擬合直線。這是一個更為客觀、更為準