大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)-緒論-海南大學(xué)儋州校區(qū).ppt

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大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 緒論數(shù)據(jù)處理 選用教材 網(wǎng)絡(luò)資源 校網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái) 儀器配套教材 08 09高年級(jí)同學(xué)有 第一章物理實(shí)驗(yàn)的重要性 一 什么是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 二 物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)研究與發(fā)展中的作用三 物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)在其他學(xué)科中應(yīng)用的意義 一 什么是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 最基本的物理實(shí)驗(yàn) 包括力 熱 電 光及近代物理實(shí)驗(yàn)理科 工科 醫(yī)科各專業(yè)都普遍要做的物理實(shí)驗(yàn) 二 物理實(shí)驗(yàn)在物理學(xué)研究與發(fā)展中的作用 從物理學(xué)史看物理實(shí)驗(yàn)的重要性經(jīng)典物理學(xué)的建立 力學(xué) 伽里略 電磁學(xué) 庫(kù)侖 法拉第 麥克斯韋 光學(xué) 楊氏 菲涅耳 近代物理學(xué)的建立 三大發(fā)現(xiàn) X光 放射性 電子 從宏觀到微觀兩朵烏云 黑體輻射 邁 莫實(shí)驗(yàn) 從經(jīng)典到近代 三 物理實(shí)驗(yàn)對(duì)物理學(xué)在其他學(xué)科中應(yīng)用的意義 材料 物性測(cè)試 新材料的發(fā)現(xiàn) 制備化學(xué) 光譜分析 放射性測(cè)量 激光分離同位素生物 各類顯微鏡 光學(xué)顯微鏡 電子顯微鏡 X光顯微鏡 原子力顯微鏡 DNA操縱 切割 重組以及雙螺旋結(jié)構(gòu)的分析醫(yī)學(xué) 診斷 X光 CT 核磁共振 超聲波治療 放射性 激光 微波 刀結(jié)論 物理實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)在其他學(xué)科中應(yīng)用的橋梁 第二章測(cè)量 物理實(shí)驗(yàn)以測(cè)量為基礎(chǔ)完整的測(cè)量結(jié)果應(yīng)表示為 以電阻測(cè)量為例包括 測(cè)量對(duì)象測(cè)量對(duì)象的量值測(cè)量的不確定度測(cè)量值的單位 Y y 表示被測(cè)對(duì)象的真值落在 y y 范圍內(nèi)的概率很大 的取值與一定的概率相聯(lián)系 第三章 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理 一 為什么要處理數(shù)據(jù) 二 誤差分析與不確定度評(píng)定三 不確定度的評(píng)定方法四 作圖與擬合 一 為什么要處理數(shù)據(jù) 1 大多物理規(guī)律是用物理量之間的定量關(guān)系來(lái)表述的 2 實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)只有經(jīng)過(guò)正確的處理才能得到公認(rèn)的 合理的結(jié)論 用毫米刻度尺測(cè)量某物體的長(zhǎng)度 左端讀數(shù)為 10 00cm右端讀數(shù)為 15 25cm 數(shù)字表測(cè)量某一電路中的電流 1 若數(shù)字表有穩(wěn)定的輸出 3 888A 2 若數(shù)字表輸出不穩(wěn)定呢 二 誤差分析與不確定度評(píng)定 測(cè)量 測(cè)量者采取某種測(cè)量方法用某種測(cè)量?jī)x器將待測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較 質(zhì)量 長(zhǎng)度 體積 二 誤差分析與不確定度評(píng)定 誤差 測(cè)量值與真值的差誤差的成因 1 測(cè)量方法 伏安法測(cè)電阻 熱電偶測(cè)溫度 2 測(cè)量者 經(jīng)驗(yàn) 估讀 疏忽 3 測(cè)量?jī)x器及標(biāo)準(zhǔn)量 定標(biāo) 環(huán)境 時(shí)效 誤差分析的重點(diǎn)在測(cè)量方法 體溫計(jì) 單擺測(cè)g 測(cè)量者的估讀 儀器和標(biāo)準(zhǔn)量的不確定程度是可以用一定的方法評(píng)定的 稱為 不確定度評(píng)定 三 關(guān)于測(cè)量不確定度的評(píng)定方法 不確定度的評(píng)價(jià)十分重要 過(guò)大 浪費(fèi) 過(guò)小 失誤 1993年由國(guó)際計(jì)量局 BIPM 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO 等四個(gè)國(guó)際權(quán)威組織制定了 測(cè)量不確定度表示指南 并由國(guó)際理論與應(yīng)用物理學(xué)會(huì) IUPAP 國(guó)際理論與應(yīng)用化學(xué)學(xué)會(huì) IUPAC 等七個(gè)國(guó)際組織批準(zhǔn)實(shí)施 不確定度 被測(cè)量分散性的表征 分為兩類 A類 由多次測(cè)量統(tǒng)計(jì)分析評(píng)定的不確定度B類 其他方法評(píng)定的不確定度 這些信息可能來(lái)自過(guò)去經(jīng)驗(yàn) 校準(zhǔn)證書(shū) 技術(shù)說(shuō)明書(shū) 來(lái)自計(jì)算 來(lái)自出版物信息 分度值等等 A類不確定度的評(píng)定方法 對(duì)待測(cè)量x進(jìn)行n次全同測(cè)量 測(cè)量次數(shù)n越多 uA越小一般可在科學(xué)型計(jì)算器上直接得出計(jì)算結(jié)果 單次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差 平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 10 標(biāo)準(zhǔn)偏差的特性 B類不確定度的評(píng)定方法 測(cè)量不確定度 與測(cè)量方法和測(cè)量經(jīng)驗(yàn)有關(guān) 可取 多次測(cè)量時(shí) uB1由uA代替 儀器不確定度 與儀器種類 級(jí)別及使用條件有關(guān) 可取 不確定度的合成 在長(zhǎng)度測(cè)量中 長(zhǎng)度值是兩個(gè)位置讀數(shù)x1和x2之差 其不確定度合成公式為 多次測(cè)量 單次測(cè)量 測(cè)量結(jié)果的表示方法 1 測(cè)量結(jié)果的一般表示法 如 長(zhǎng)度為 1 05 0 02 cm 2 測(cè)量結(jié)果的百分比表示法 如 長(zhǎng)度為1 05cm 相對(duì)不確定度2 3 測(cè)量結(jié)果的有效數(shù)字表示法 簡(jiǎn)略表示 有效數(shù)字表示法 有效數(shù)字 從第一個(gè)不為0的數(shù)開(kāi)始算起的所有數(shù)字 如 0 35 2個(gè) 3 54 3個(gè) 0 003540 4個(gè) 3 5400 5個(gè) 不確定度本身一般只取一個(gè)有效數(shù)字 測(cè)量值的末位有效數(shù)字應(yīng)與不確定度的有效數(shù)字對(duì)齊 即 測(cè)量值的末位有效數(shù)字是不確定的 計(jì)算結(jié)果的舍入原則 4舍6入 遇5末偶如 計(jì)算值為3 54835 3 65325若不確定度為0 0003 則取x 3 5484 3 6532若不確定度為0 002 則取x 3 548 3 653若不確定度為0 04 則取x 3 55 3 65若不確定度為0 1 則取x 3 5 3 7 加減法 與不確定度最大項(xiàng)的末位有效數(shù)字對(duì)齊 如 57 31 0 0156 2 24342 55 08218 55 08乘除法 與最少個(gè)數(shù)的有效數(shù)字相同 如 57 31 0 0156 2 24342 0 398514767 0 399注意 在前兩種不確定度表示方法中 測(cè)量值也必須按有效數(shù)字的規(guī)定來(lái)表示 有效數(shù)字的運(yùn)算規(guī)則 不確定度的傳遞 一般傳遞公式 當(dāng)各直接測(cè)量的量相互獨(dú)立無(wú)關(guān)時(shí) 在間接測(cè)量時(shí) 待測(cè)量是由直接測(cè)量的量通過(guò)計(jì)算而得的 此時(shí) 待測(cè)量的不確定度由各直接測(cè)量的量的不確定度傳遞而得 加減法 乘除法 乘方 用電子天平測(cè)得一個(gè)圓柱體的質(zhì)量M 80 36g 電子天平的最小指示值為0 01g 不確定度限值為0 02g 用鋼尺測(cè)量該圓柱體的高度H H2 H1 其中 H1 4 00cm H2 19 32cm 鋼尺的分度值為0 1cm 估讀1 5分度 不確定度限值為0 01cm 用游標(biāo)卡尺測(cè)量該圓柱體的直徑D 數(shù)據(jù)如下表所示 游標(biāo)卡尺的分度值為0 002cm 不確定度限值為0 002cm 試根據(jù)上述數(shù)據(jù) 計(jì)算該圓柱體的密度及其不確定度 例題1 P14 圓柱體高度 圓柱體的直徑的平均值 分析 對(duì)質(zhì)量的測(cè)量 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 材料的密度 四 作圖與擬合 作圖法最小二乘法 1 清晰地看到定性關(guān)系 螺線管的磁場(chǎng)分布 2 方便地比較不同特性 不同曲線用不同符號(hào)或不同顏色 3 合理地從圖上得到有用的信息 比如 求斜率或從圖上讀出曲線峰或谷處的信息等 作圖法直線擬合 一 為何作圖 二極管伏安特性 直線求斜率 螺線管中心軸線上的磁場(chǎng)分布 二 如何作圖 選擇圖紙 采用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙 反映有效數(shù)字 實(shí)圖占1 2以上 根據(jù)物理量的差 取整 選擇圖紙的格數(shù)根據(jù)自變量 因變量選擇圖紙的方向 一般取自變量為橫坐標(biāo) 畫(huà)坐標(biāo)軸 分度線 等間距 勿太密 并標(biāo)明物理量名稱 斜體 及單位 正體 畫(huà)數(shù)據(jù)點(diǎn) 不標(biāo)數(shù)據(jù)值 符號(hào)長(zhǎng)度反映不確定度 畫(huà)直線或曲線 標(biāo)明特殊點(diǎn)的坐標(biāo)值 計(jì)算斜率用的點(diǎn) 峰 谷等 作圖規(guī)則1 用標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)紙 坐標(biāo)軸不一定取圖紙的邊線 標(biāo)度不一定從0開(kāi)始 2 在選擇比例時(shí) 應(yīng)使圖紙上的1格所表示的物理量為原數(shù)據(jù)的量值的1 2 5等倍 或它們的十進(jìn)倍率 3 對(duì)每一坐標(biāo)軸 要標(biāo)明物理量的名稱及單位符號(hào) 每隔一定距離劃上短線并注明標(biāo)度值 標(biāo)度值不必取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的全部有效數(shù)字位數(shù) 4 數(shù)據(jù)點(diǎn)要用端正的符號(hào)來(lái)表示 不同的數(shù)據(jù)組應(yīng)使用不同的符號(hào) 直線或曲線的線條務(wù)必勻 細(xì) 光滑 不通過(guò)圖線的數(shù)據(jù)點(diǎn)應(yīng)勻稱地分布在圖線的兩側(cè) 且盡量靠近圖線 5 如用計(jì)算機(jī)作圖 可不用坐標(biāo)紙 但仍應(yīng)畫(huà)分隔線 其間隔仍應(yīng)取1 2 5的十進(jìn)倍率 以便于讀圖 三 如何讀圖 1 從圖上讀數(shù)據(jù)點(diǎn)的值 X Y 時(shí) 應(yīng)正確反映有效數(shù)字 2 從圖上讀某點(diǎn)的單一坐標(biāo)值 X或Y 時(shí) 不僅應(yīng)正確反映有效數(shù)字 還要標(biāo)明單位 3 從圖上求直線斜率時(shí) 取兩數(shù)據(jù)點(diǎn)的距離應(yīng)遠(yuǎn)些 但不超過(guò)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的范圍 斜率應(yīng)有相應(yīng)的單位 實(shí)驗(yàn)名稱 量子論實(shí)驗(yàn)圖名 Ip UG曲線實(shí)驗(yàn)者 郝時(shí)彥實(shí)驗(yàn)時(shí)間 2007 2 12 三 如何讀圖 最小二乘法認(rèn)為 假設(shè)各xi的值是準(zhǔn)確的 所有的不確定度都只聯(lián)系著yi 若最佳擬合的直線為 則所測(cè)各值與擬合直線上相應(yīng)的各估計(jì)值之間的偏差的平方和最小 即 直線方程中 最小二乘法直線擬合 解方程得 相關(guān)系數(shù) 如果y和x的相關(guān)性好 可以粗略考慮b的有效位數(shù)的最后一位與y的有效數(shù)字最后一位對(duì)齊 k的有效數(shù)字與yn y1和xn x1中有效位數(shù)較少的相同 最小二乘法直線擬合 最小二乘法直線擬合的不確定度估算 以為例 在假設(shè)只有存在隨機(jī)誤差的條件下 且y的儀器不確定度遠(yuǎn)小于其A類不確定度 k和b的不確定度分別為 式中 Sy是測(cè)量值yi的標(biāo)準(zhǔn)偏差 即 巳知某銅棒的電阻與溫度關(guān)系為 實(shí)驗(yàn)測(cè)得7組數(shù)據(jù) 見(jiàn)表1 如下 試用最小二乘法求出參量R0 以及它們的不確定度 表1 分析 此例中只有兩個(gè)待定的參量R0和 為得到它們的最佳系數(shù) 所需要的數(shù)據(jù)有n 和六個(gè)累加數(shù) 為此在沒(méi)有常用的科學(xué)型計(jì)算器時(shí) 通過(guò)列表計(jì)算的方式來(lái)進(jìn)行 這對(duì)提高計(jì)算速度將會(huì)有極大的幫助 參見(jiàn)表2 并使工作有條理與不易出錯(cuò) 例2 例2 表2 根據(jù)表2中所求得的數(shù)據(jù) 代入公式可得 說(shuō)明 電阻Rt與溫度t的線性關(guān)系良好 所以取R0的有效數(shù)字與R對(duì)齊 即 R0 70 76 又因?yàn)閠7 t1 31 00 R7 R1 8 80 取k有效數(shù)字為以上兩個(gè)差值中較少的位數(shù)3位 則k 0 288 C 由此可以得到電阻與溫度的相關(guān)關(guān)系為 例2 表2 例2 例2 例2 計(jì)算k和b的不確定度 由公式計(jì)算 可得 故 則 用電子天平測(cè)得一個(gè)圓柱體的質(zhì)量M 80 36g 電子天平的最小指示值為0 01g 不確定度限值為0 02g 用鋼尺測(cè)量該圓柱體的高度H H2 H1 其中 H1 4 00cm H2 19 32cm 鋼尺的分度值為0 1cm 估讀1 5分度 不確定度限值為0 01cm 用游標(biāo)卡尺測(cè)量該圓柱體的直徑D 數(shù)據(jù)如下表所示 游標(biāo)卡尺的分度值為0 002cm 不確定度限值為0 002cm 試根據(jù)上述數(shù)據(jù) 計(jì)算該圓柱體的密度及其不確定度 利用office Excel處理例題1 P14 SQRT POWER C4 2 POWER C5 SQRT 3 2 對(duì)質(zhì)量的測(cè)量 對(duì)圓柱體的高 SQRT 2 POWER C11 2 POWER C12 SQRT 3 2 圓柱體直徑的平均值 uB2 D C15 SQRT 3 SQRT DEVSQ C17 C26 10 9 uA D u D SQRT E16 E16 E15 E15 利用office Excel處理 作圖 湖南師大出版社P91 線膨脹系數(shù)測(cè)定 某同學(xué)在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得銅棒在溫度上升和溫度下降時(shí)的數(shù)據(jù)如下 利用Excel處理數(shù)據(jù)過(guò)程如下 1 打開(kāi)Excel軟件 如圖5所示 在對(duì)應(yīng)空格輸入數(shù)據(jù) 圖6圖52 選中所有數(shù)據(jù) 點(diǎn)擊 插入 選中 圖表 選 標(biāo)準(zhǔn)類型 中的 XY散點(diǎn)圖 再點(diǎn)擊其 子圖表類型 中的 折線散點(diǎn)圖 再點(diǎn)擊 下一步 將出現(xiàn)圖6所示 在 圖表標(biāo)題 填入 線膨脹系數(shù) 數(shù)值 X 軸輸入 溫度 攝氏度 在 數(shù)值 Y 軸 輸入 千分表讀數(shù) 10 7 米 點(diǎn)擊完成 將得到圖表 圖5 圖6 3 選中圖中的數(shù)據(jù)點(diǎn)后擊鼠標(biāo)右鍵 將得到如圖7窗口選項(xiàng) 選中添加 添加趨勢(shì)線 在 類型 中選 線性 L 在 選項(xiàng) 中點(diǎn)擊 顯示公式 將出現(xiàn)如圖8所示的曲線和直線方程 4 計(jì)算線膨脹系數(shù) 式與圖8中直線方程的斜率k比較 得 當(dāng)溫度上升時(shí) 從圖8可得 代入 4 式得 當(dāng)溫度下降時(shí) 從圖8可得 代入 4 式得 因此 通過(guò)作圖法得到的膨脹系數(shù)為 利用office Excel處理 利用office Excel處理 第四章如何做好大學(xué)物理實(shí)驗(yàn) 1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)看懂教材 明確目的 寫(xiě)出預(yù)習(xí)報(bào)告 預(yù)習(xí)報(bào)告要求 寫(xiě)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?主要原理 公式 包括式中各量意義 線路圖或光路圖及關(guān)鍵步驟 畫(huà)好原始數(shù)據(jù)表格 使用學(xué)校專門印刷的原始記錄紙 課上教師要檢查預(yù)習(xí)情況 記錄預(yù)習(xí)分 閱讀資料 調(diào)整儀器 觀察現(xiàn)象 獲取數(shù)據(jù) 儀器還原 重視實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?作風(fēng)培養(yǎng) 珍惜獨(dú)立操作的機(jī)會(huì) 完成基本內(nèi)容 爭(zhēng)取做提高內(nèi)容 教師在評(píng)分上予以鼓勵(lì) 強(qiáng)調(diào)記錄數(shù)據(jù)時(shí)不得用鉛筆 只有數(shù)據(jù)正確 儀器還原 教師簽字后該次實(shí)驗(yàn)才有效 提倡研究問(wèn)題 注意安全操作 2 實(shí)驗(yàn)操作 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要用海南大學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙 新欣商城文具門市部有賣 請(qǐng)買A4規(guī)格的 報(bào)告內(nèi)容 凡預(yù)習(xí)報(bào)告中已有的原理 圖 步驟等不必重寫(xiě) 可在討論或小結(jié)里用自己的實(shí)驗(yàn)體會(huì)加以補(bǔ)充 數(shù)據(jù)處理時(shí)必須先重新整理原始記錄 然后進(jìn)行計(jì)算 應(yīng)包含主要過(guò)程 作圖 最后附上教師簽字的原始記錄 交報(bào)告的時(shí)間 地點(diǎn) 本周的實(shí)驗(yàn)報(bào)告下周做實(shí)驗(yàn)時(shí)由小組長(zhǎng)收好上課前交任課教師 逾期未交報(bào)告 酌減報(bào)告分 下下周不交 按無(wú)報(bào)告處理 3 實(shí)驗(yàn)報(bào)告 實(shí)驗(yàn)報(bào)告規(guī)格 實(shí)驗(yàn)題目 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?實(shí)驗(yàn)原理 主要公式和必要光路 電路或示意圖 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 這是保證實(shí)驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行必須清楚的 應(yīng)在課前記一下 若個(gè)別的難以的在課前弄清楚 可在預(yù)操作時(shí)制定 寫(xiě)在原始記錄上 實(shí)驗(yàn)步驟 要求簡(jiǎn)明扼要 可以寫(xiě)在原始記錄上 原始數(shù)據(jù)記錄 包括主要儀器名稱 規(guī)格 編號(hào) 數(shù)據(jù)處理 作圖 誤差分析 有些實(shí)驗(yàn)可不作誤差分析 要保留計(jì)算過(guò)程 以便檢查 結(jié)論 一定要寫(xiě)清楚 不要淹沒(méi)在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中 討論 分析和心得體會(huì) 沒(méi)有或不愿寫(xiě) 可以不寫(xiě) 不強(qiáng)求