大学物理实验-绪论(2013)

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1、浙大宁波理工学院唐九耀大学物理实验绪论冬夜读书示子聿陆游古人学问无遗力,少壮功夫老始成。纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行。观书有感朱熹半亩方塘一鉴开，天光云影共徘徊。问渠哪得清如许？为有源头活水来。一.绪论物理学是研究自然界物质运动规律的学科,研究的基本方法是实验.大学物理实验是培养学生综合应用能力和成为高素质科技人才的重要基础课.1.课程的目的与要求大学物理实验的重要任务是验证物理规律,锻炼动手能力,学习数据处理,培养严谨学风,提高综合素质.在课程安排上,通过做一系列实验,使学生对科学实验过程有一个初步了解.同时在实验方法、测量技

2、术、数据采集和处理等方面接受基本训练.2.实验程序主要分为实验预习,实验操作,实验分析,写实验报告等过程.二.误差与数据处理物理实验离不开对物理量的测量,测量总存在有误差,误差是测量中的不可靠量值,测量结果中存在的不可靠量值现在称为不确定度.1.测量1).测量的定义:测量就是将待测量与标准量进行比较,确定被测量的量值的过程.2).测量的类型(1)按测量方式划分:直接测量,间接测量a.直接测量:用测量仪器能直接测出被测量量值的测量过程,相应的被测量称为直接测量量.单次测量:只测一次的直接测量.单次测量主要用于测量精度要求不高,再次测

3、量比较困难的直接测量中.多次测量:测量次数超过一次的直接测量.可分为等精度测量和非等精度测量.a.间接测量:对于某些待测的物理量,由于没有合适的测量仪器,不便或不能进行直接测量,因而只能先测出与待测量有一定函数关系的直接测量量,再将直接测量的结果代入函数关系式进行计算,得到待测的物理量,这个测量过程称为间接测量,相应的被测量称为间接测量量.2.误差1.)误差的定义在实际测量中,常用的测量主要是单次测量,等精度测量和间接测量.当测量精度要求不高时用单次测量,当测量精度要求比较高时用多次测量,在无法进行直接测量时才用间接测量.误差定义

4、为测量值和真值之差,分为绝对误差和相对误差.(1)绝对误差:绝对误差反映了测量的准确度,但由于误差存在于一切测量过程中,真值虽然客观存在,却无法得到,因此,在等精度测量中常用测量值和平均值之差估算绝对误差.(2)相对误差:相对误差用绝对误差和真值之比的绝对值表示,也称百分误差.2.)误差的类型及处理方法在估算绝对误差时,有时用被测量的公认值、理论值或更高精度的测量值来代替真值x0,这些值称为’约定真值’.测量中的误差按产生的原因可分为:系统误差、随机误差和粗大误差三类.(1)系统误差:对同一物理量进行多次等精度测量时,误差为常量或

5、以一定规律变化的称为系统误差,系统误差分为可定系统误差和未定系统误差.可定系统误差:在测量中大小和正负可确定的误差,在测量中应消除掉该项误差.未定系统误差:在测量中只能确定大小,不能确定正负的误差(如由仪器的精度产生的测量误差).系统误差的产生原因:a.)由仪器的不确定度产生的系统误差:即由仪器本身缺陷、校正不完善或没有按规定条件使用产生的误差.b.)由测量原理产生的系统误差:测量公式本身的近似性或没有满足理论公式所规定的条件所产生的误差.c.)由测量环境产生的系统误差:在测量过程中,因周围温度、湿度、气压、振动及电磁场等环境条件

6、发生有规律的变化而引起的误差.d.)由操作人员产生的系统误差:如由操作人员的不良习惯或生理、心理等因素引起的误差.发现系统误差的方法:理论分析法,实验对比法,数据分析法(2)随机误差:随机误差是指在多次等精度测量中,误差的绝对值和符号以不可预知的方式变化,忽大忽小,忽正忽负,似乎没有规律性(随机性);但当测量次数比较多时误差分布就满足另一种规律统计规律,最常见的就是正态分布(高斯分布),如下图所示,a.)正态分布的特性高斯方程中σ称为标准差,是随机误差δx,即(x-μ)分布函数f(δx)的特征量,μ表示x出现概率最大时的值,即被测

7、量x的平均值.从高斯分布的表达式可见,σ确定,f(δx)就唯一地确定了;反之,f(δx)确定,σ的大小也就唯一地确定了.σ越小,测量精度越高,分布曲线越陡,峰值越高,随机误差越集中;σ越大,则反之.高斯分布曲线与x轴之间所包围的面积等于1,表示测量值x落在-∞--+∞之间的概率为100%,设随机误差落在区间[-σ，+σ]之内的概率为P,则而测量值落在[-2，+2]区间的概率为95.4%;落在[-3，+3]区间的概率为99.7%.正态分布的四个重要特性:单峰性,对称性,有界性,抵偿性b.)测量列的标准差当测量次数n∞

8、,随机误差δx或测量值x才趋于高斯分布.在实际测量中,n是有限的,而有限次测量的随机误差实际上遵从t分布,因而需对上述理论进行适当的修正.①计算多次测量值的算术平均值作为被测量的最佳近似值.②按Bessle公式计算测量值的标准偏差S(x).(3)粗