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文檔簡介
1、主講教師: 鄭 喬聯(lián)系電話:87935553;E-mail:zhengq@stdu.edu.cn物理實驗中心網(wǎng)站: phylab.stdu.edu.cn(外網(wǎng))或(校內(nèi):172.16.127.125),大學(xué)物理實驗,歡迎大家開始學(xué)習(xí),2,第一章 緒論,3,物理學(xué)是自然科學(xué)、現(xiàn)代高新技術(shù)的基礎(chǔ)。其本身是以實驗為基礎(chǔ)的科學(xué),物理實驗既為物理學(xué)的發(fā)展創(chuàng)造條件,同時也為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的研究打下基礎(chǔ)。物理學(xué)的基本概念和技術(shù)已被應(yīng)用到所有的
2、自然科學(xué)領(lǐng)域,并且一定意義上是當(dāng)代自然科學(xué)中,第一章 緒論,最有可能獲得豐碩成果的領(lǐng)域!,4,量子通訊,第一章 緒論,6,努力學(xué)好物理學(xué)! 認(rèn)真做好物理實驗!會使你終身受益!,第一章 緒論,7,第1章 緒論先回答三個問題一、大學(xué)物理實驗課是一門什么樣的課程?二、怎樣才能學(xué)好這門課程?三、大學(xué)物理實驗課程安排,第一章 緒論,8,一、大學(xué)物理實驗課是一門什么樣的課程? 1、是學(xué)時最多的、課內(nèi)對學(xué)生進(jìn)行系
3、統(tǒng)的科學(xué)實驗基本訓(xùn)練的必修實驗課程。著重以下幾點訓(xùn)練:,(1) 能夠正確地采集實驗數(shù)據(jù),(2) 根據(jù)儀器說明書,能正確地調(diào)節(jié)和使用儀器…,(3) 根據(jù)測量要求,初步學(xué)會設(shè)計實驗方案、選擇 實驗儀器、實驗方法……,(4) 學(xué)會正確表達(dá)實驗結(jié)果……,第一章 緒論,9,2、科學(xué)實驗的初步訓(xùn)練(打基礎(chǔ)), 培養(yǎng)科學(xué)作風(fēng),重視實踐。,嚴(yán)謹(jǐn)求實,悟物窮理,勤于思考,勤于實踐。,第
4、一章 緒論,10,二、怎樣才能學(xué)好這門課程?,1、快樂地學(xué)習(xí)!(手腦并用、成功的體驗)2、遵守規(guī)則!(讀取數(shù)據(jù)、儀器參數(shù)、調(diào)試、結(jié)果表達(dá)等)3、不放過任何稍縱即逝的“思想火花”!,第一章 緒論,2024/3/16,三、大學(xué)物理實驗課程安排 1、時間:一年;共52學(xué)時(分兩學(xué)期上);3.0學(xué)分 2、課程安排:物理實驗Ⅰ(本學(xué)期):32學(xué)時;2.0 學(xué)分 其中4學(xué)時實驗理論課(很重要?。?2
5、8學(xué)時實驗操作課(5-15周,兩個實驗層次)物理實驗Ⅱ (下學(xué)期):20學(xué)時;1.0 學(xué)分 其中2學(xué)時實驗理論課(時間待定) 18學(xué)時實驗操作課 (時間待定),第一章 緒論,2024/3/16,3、成績:本課程屬于必修考試課,成績按百分計。 總成績由兩部分組成:物理實驗Ⅰ(本學(xué)期)成績: 平時成績總和(4個必做,3個選做) 有兩個以上(含兩個)實驗項目不及格者,最終成績將判定為不及
6、格;沒有做全實驗項目的不及格。物理實驗Ⅱ (下學(xué)期)成績:平時實驗占40%;期末考試(操作)占60%,第一章 緒論,13,必做實驗,,選作實驗,必做實驗必須在校歷第11周前做完!選作實驗必須在校歷第15周前做完!,4、本學(xué)期實驗安排及要求,第一章 緒論,2024/3/16,要求:①根據(jù)給出的課程安排表進(jìn)行網(wǎng)上預(yù)約(網(wǎng)址phylab.stdu.edu.cn;或172.16.127.125)登錄物理實驗中心網(wǎng)站。,第一章 緒論,2
7、024/3/16,要求在自己班課表時間內(nèi)選 (星期六上午有資源可自由選擇)若沒有可選時間的話,到基礎(chǔ)教學(xué)樓1204室找崔建坡老師進(jìn)行調(diào)劑。,30日下午3:00時網(wǎng)絡(luò)資源開通!,堅決反對制造恐慌氣氛!,第一章 緒論,②實驗前做好預(yù)習(xí),填寫預(yù)習(xí)報告(儀器、原理、步驟、表格及預(yù)習(xí)作業(yè)),無預(yù)習(xí)報告者不允許做實驗?。ń處熢谡n堂上會抽查預(yù)習(xí)效果)③網(wǎng)站提供的實驗報告模板,自行下載并用B5紙打印。④實驗數(shù)據(jù)要求課堂用鋼筆或
8、水性筆、圓珠筆記錄并當(dāng)堂由教師檢查簽字。沒有教師簽字的實驗報告視為無效!⑤實驗報告要求當(dāng)天完成,次日交基礎(chǔ)教學(xué)樓11樓西樓梯口實驗報告箱內(nèi)。(實驗報告雷同零容忍)⑥學(xué)生做完實驗后,必須及時參與教學(xué)評價!時間:(11:00~24:00),2024/3/16,第一章 緒論,⑥對實驗過程出現(xiàn)的問題、個人建議、意見等可直接向任課教師反映或通過課代表反應(yīng)。,2024/3/16,物理實驗中心辦公室:第一實驗樓103,87935553,第一章 緒
9、論,18,第二章 測量誤差與不確定度理論,2.1 測量與誤差的基本概念2.2 偶然誤差的理論分析和處理2.3 測量結(jié)果的不確定度評定2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,19,2.1 測量與誤差的基本概念,2、誤差,4、測量結(jié)果的定性評價,3、誤差的分類,1、測量的定義和分類,第二章 測量誤差與不確定度理論,20,1、測量的定義和分類 測量(measurement):將待測物的某物理量與相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)量做定量比較。
10、 測量分為兩類: (1)直接測量(direct method of easurement) (2)間接測量 (indirect method of easurement),2.1 測量與誤差的基本概念,21,(1)直接測量: 將待測量與預(yù)先選定好的儀器、量具比較,直接從儀器中讀出待測量的大小,(2)間接測量: 將待測量表示成另外幾個可直
11、接測量的量的函數(shù),根據(jù)直接測量量通過函數(shù)計算,得出待測量。,2.1 測量與誤差的基本概念,例: 金屬環(huán)的體積:,可見V是間接測量量。內(nèi)徑D1 外徑D2、高度h是直接量,22,(3)等精度測量(equal / unequal precision easurement) 同樣的測量,若儀器不同、方法差異、測量條件改變以及測量者素質(zhì)的參差都會造成測量結(jié)果的變化。 當(dāng)同一個人、用同樣的方法、使用同樣的儀器并在
12、相同的條件下對同一物理量進(jìn)行的多次測量,叫做等精度測量。(否則為非等精度測量),若無另加說明,本實驗課程所提的多次測量均指等精度測量!,2.1 測量與誤差的基本概念,23,2、真值與誤差(1)真值:某物理量客觀存在的值x0,下列幾種情況可視為真值:(a)理論值:如三角形內(nèi)角和180?、Л(b)公認(rèn)值:如普朗克常數(shù)、基本電荷(c)計量學(xué)約定真值:計量部門約定的長度、時間、質(zhì)量等。(如當(dāng)?shù)刂亓铀俣萭)(d)相對真值:用準(zhǔn)確度
13、度高一個數(shù)量級 的儀器校準(zhǔn)的測量值。,2.1 測量與誤差的基本概念,(常用約定真值來代替),(真值是個理想的概念,一般不可能準(zhǔn)確知道),24,(2)測量誤差:,誤差也是個理想概念,一般不可能準(zhǔn)確得到。只能通過一定的計算方法對它進(jìn)行估計。,誤差的表達(dá)有兩種方式:絕對誤差 相對誤差,2.1 測量與誤差的基本概念,(不要與誤差絕對值相混淆),25,a.?X是可正、可負(fù)的量,其數(shù)值大小與所取單位有關(guān),可反映誤差的大小和方向。E(x
14、)數(shù)值大小與所取單位無關(guān),是一個無量綱的量!可反映測量工作的精細(xì)程度。b.誤差存在于一切測量的始終。c.誤差可以減少,但不能完全消除。d.不能一味地為減少誤差而選擇過于精確的儀器和方案。,關(guān)于誤差的幾點說明:,2.1 測量與誤差的基本概念,26,3、誤差的分類 為了處理上的方便,根據(jù)產(chǎn)生誤差的原因和誤差所表現(xiàn)出的性質(zhì),將誤差分為兩類:,系統(tǒng)誤差( systematic error ) 隨機(jī)誤差(rando
15、m error : ),2.1 測量與誤差的基本概念,27,在同一條件下多次測量同一物理量時,其結(jié)果的符號和大小按一定規(guī)律變化的誤差(測量系統(tǒng)不完善造成的),儀器局限方法近似環(huán)境非理想生理限制,,來源,環(huán)境微小擾動、人為感官,,來源,系統(tǒng)誤差 (systematic error),偶然誤差 (accidental error)(對于數(shù)學(xué)期望值為零的隨機(jī)誤差通常稱它為偶然誤差),2.1 測量與誤差的基本概念,測量環(huán)境
16、中大量微小的、隨機(jī)的或不確定的因素引起的。(測量環(huán)境不穩(wěn)定造成的),性質(zhì):不確定性和滿足統(tǒng)計性,性質(zhì):確定性和規(guī)律性(已定系統(tǒng)誤差),28,2.1 測量與誤差的基本概念,例1:單擺測重力加速度g,,,,,,,,,,,,,,,,,g,,,單擺周期與振幅的關(guān)系:,單擺測重力加速度g公式:近似條件: ?<5º,系統(tǒng)誤差!,29,,,,,,,,,,,,,,例2:等臂天平不等臂,2.1 測量與誤差的基本概念,系統(tǒng)
17、誤差,30,,,,,A,O,B,b,,不偏心時,由于 所以可用弧長反映角度的 大小。,由于偏心,使之用弧長反映角度 時產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。如: 這是由偏心造成的,,2.1 測量與誤差的基本概念,例3:具有轉(zhuǎn)軸的儀器出現(xiàn)偏心,,,,系統(tǒng)誤差,31,例4: 測量環(huán)境出現(xiàn)氣流、溫度的擾動或起伏; 環(huán)境中雜散電磁場的存在;噪聲的存在。,人的感官受環(huán)境干擾(聽、視、觸覺),隨機(jī)誤差!,隨堂練習(xí):教材
18、:練習(xí)一(P30(6)題)答案:,32,過失誤差將會引起測量失敗,必須避免!,粗大誤差(過失誤差):明顯超出規(guī)定條件下所預(yù)期的誤差,粗大誤差(過失誤差)產(chǎn)生于某些突然發(fā)生的不正常因素。如:較強(qiáng)的外界干擾、測量條件的意外變化(粗大誤差);測量者操作不當(dāng)、粗心大意;儀器損壞有問題等(過失);,2.1 測量與誤差的基本概念,33,精密度:反映隨機(jī)誤差大小的程度。它是對測量結(jié)果重復(fù)性的評價。精密度高,指測量重復(fù)性好,測量值分布密集
19、 準(zhǔn)確度:反映系統(tǒng)誤差大小的程度。準(zhǔn)確度高指測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值偏離真值較少。 精確度:反映隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差綜合大小程度。精確度高是指測量結(jié)果既精密又準(zhǔn)確,,,,,2.1 測量與誤差的基本概念,4、測量結(jié)果的定性評價,34,2.2 偶然誤差的理論分析和處理,,偶然誤差滿足的統(tǒng)計規(guī)律—正態(tài)分布測量結(jié)果的最佳近似值 — 算術(shù)平均值有限次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sx和平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,第二章 測量誤差與不確定度理論,35,1、偶然誤差
20、遵從的統(tǒng)計規(guī)律——正態(tài)分布 (前提:已定系統(tǒng)誤差已消除),其中: △xi=xi-x0 為測量值的隨機(jī)誤差(偶然誤差); σ是與測量條件有關(guān)的參量(標(biāo)準(zhǔn)誤差); f(Δx)是對應(yīng)誤差Δx出現(xiàn)的概率密度,①正態(tài)分布函數(shù),2.2 偶然誤差的理論分析和處理,設(shè):測量某一物理量x,其真值為x0,一系列測量值為xi, (i=1,2,3……),每次測量值的隨機(jī)誤差為△xi=xi-x0,大量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn):隨機(jī)誤差△x在整個測
21、量中的分布,滿足下列函數(shù)關(guān)系—正態(tài)分布函數(shù),36,②對應(yīng)正態(tài)分布的圖:,特點:①有界性: ②單峰性: ③對稱性: ④抵償性:,正態(tài)分布與σ的關(guān)系,σ越大,曲線的峰值越低,圖線越胖,表示測量數(shù)據(jù)越離散σ越小,曲線的峰值越高,圖線越瘦,表示測量數(shù)據(jù)越聚集,2.2 偶然誤差的理論分析和處理,37,其中參數(shù)σ,具有以下特點:1)它是與測量條件有關(guān)的量。2)σ在量綱、表
22、現(xiàn)形式上具有誤差性質(zhì)。3)由正態(tài)分布函數(shù)可以證明,σ就是方均根誤差,故其名為標(biāo)準(zhǔn)誤差。,2、正態(tài)分布的一個特征量—標(biāo)準(zhǔn)誤差σ的意義,2.2 偶然誤差的理論分析和處理,38,標(biāo)準(zhǔn)誤差σ的數(shù)學(xué)表達(dá)式:(方均根誤差),2.2 偶然誤差的理論分析和處理,證明:σ就是方均根誤差--標(biāo)準(zhǔn)誤差,39,即:當(dāng)對某一物理量無限次等精度測量后,其算術(shù)平均值就等于真值。因此,在有限次測量條件下,把算術(shù)平均值作為真值的最佳值。,,,,,,4、測量結(jié)果的最佳近
23、似值 — 算術(shù)平均值,證明:設(shè)n 次等精度測量,得測量數(shù)據(jù):,由偶然誤差的抵償性:,2.2 偶然誤差的理論分析和處理,40,,標(biāo)準(zhǔn)誤差,樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差,5、樣本的標(biāo)準(zhǔn)偏差(Sx)和算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,,算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差,,,2.2 偶然誤差的理論分析和處理,41,Sx 的物理意義:在等精度測量條件下,任一次測量值的隨機(jī)誤差落在區(qū)間[- Sx , Sx ]內(nèi)的概率為68.3%.。即:,即 Sx是一個統(tǒng)計性特征量!,同理, 的意義
24、是算術(shù)平均值的隨機(jī)誤差落在區(qū)間 內(nèi)的概率為68.3%.。,,2.2 偶然誤差的理論分析和處理,42,由隨機(jī)誤差的分布函數(shù)知:測量值的隨機(jī)誤差超出[-3σ,3σ]的概率僅為0.3%故: 則可懷疑xb為異常值。,當(dāng)測量次數(shù)大于10次,使用 作為壞值剔除標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)測量次數(shù)小于10次,使用 作為壞值剔除標(biāo)準(zhǔn)。其中C(n)是與測量次數(shù)有關(guān)的數(shù)值。,,6、壞值(粗大誤差)的剔除,2.2
25、 偶然誤差的理論分析和處理,拉依達(dá)法則或稱3σ準(zhǔn)則,43,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定一、測量不確定度的基本概念,1、 不確定度的定義2、 不確定度與誤差,二、不確定度的兩類分量及合成 1、 A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 2、 B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度 3、合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度,第二章 測量誤差與不確定度理論,44,四、間接測量量的不確定度評定 1、間接測量量的不確定度的定義 2、不確定度的傳遞與合成,三、直接測量量的
26、不確定度評價 1. 多次(等精度)直接測量量的不確定度估算 2. 單次測量量的不確定度評定,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,45,一、測量不確定度的基本概念1. 不確定度的定義由于誤差的存在,使得測量結(jié)果具有一定程度的不確定性。所以,對某一物理量進(jìn)行測量,我們只能知道測量值X與真值x0 之差的絕對值以一定概率分布在某一數(shù)值u范圍內(nèi),用公式表示為:,(置信概率為P)其中u值可以通過一定方法進(jìn)行估算,“u” 稱為不確定度。
27、,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,46,,,,,,,,,,,,,,,,十環(huán),,九環(huán),2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,如何理解測量不確定度的概念?以打靶為例:通過確定環(huán)數(shù)來判斷準(zhǔn)確率,,張三(九環(huán)),,,,,,,,,,,,十環(huán),,九環(huán),,八環(huán),李四(八環(huán)),測量結(jié)果的準(zhǔn)確度判斷:測量不確定度(它表達(dá)的是一個范圍)即:用測量不確定度評定測量結(jié)果可信程度!,47,,,A類不確定度,B類不確定度,,,誤差,,不確定度,對不滿足統(tǒng)計規(guī)律的誤
28、差(教學(xué)簡化僅考慮儀器誤差)大小的估算,對滿足統(tǒng)計規(guī)律的誤差(僅考慮滿足正態(tài)分布)大小的估算,2、不確定度的分類 由于誤差的來源很多,測量結(jié)果的不確定度一般也包含幾個分量。在修正了可定系統(tǒng)誤差之后,將其余的各種誤差按計算方法分為二類:A類、B類,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,48,3、關(guān)于不確定度的幾點說明:,a)引入不確定度的概念,是規(guī)范科學(xué)提法的必然。(error→uncertainty)它表征被測量的真值所處的量值范
29、圍的評定. 它表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能確定的程度. 用測量不確定度評定測量結(jié)果的可信程度!b)測量不確定度表明一個事實:被測量的測量結(jié)果和被測量不是一個值,而是分散在被測量附近的無窮多個值。對給定的測量結(jié)果是:按不同的置信概率賦予的被測量一個統(tǒng)計值。,,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,49,c)不確定度和誤差之間既有聯(lián)系又有本質(zhì)區(qū)別,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,d)嚴(yán)格的不確定度理論比較復(fù)雜,本課程在保
30、證其科學(xué)性的前提下,適當(dāng)簡化。,50,二、直接測量量的不確定度估算 1、不確定度估算 A類:統(tǒng)計不確定度,(默認(rèn)置信概率68.3%),,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,51,B類:非統(tǒng)計不確定度,合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度(即測量結(jié)果的總的不確定度)用下式估算: 即:,此估算方法在區(qū)間 內(nèi)的置信概率為68.3%,,,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,另外,
31、還有用擴(kuò)展不確定度來表達(dá)測量結(jié)果的總的不確定度。我們不用!,52,關(guān)于儀器誤差限值 Δins的說明:儀器誤差來源很多,大多數(shù)情況下,只考慮儀器誤差的綜合指標(biāo),即:最大允許誤差或允許基本誤差—儀器誤差限Δins 。,長度測量儀器:米尺:最小刻度1mm, Δins =0.5mm 卡尺: Δins =游標(biāo)分度值 千分尺(一級): Δins =0.004mm,電表:
32、 Δins =量程×準(zhǔn)確度等級%,數(shù)字儀表: Δins=末位數(shù)最小分度值單位,個別儀器有專用公式來計算Δins !(電橋、電位差計、電阻箱…),2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,53,五、直接測量量的不確定度評定步驟,,,,3/16/2024,△儀=量程×α%,450×1.5%=6.8,54,上式的物理意義:1)用 表示直接測量量的測量結(jié)果。2)用 評定測量結(jié)果 的測量質(zhì)量。3
33、) 表示測量值 包含真值的不確定范圍: ,且置信概率68.3% 。,3、直接測量量的結(jié)果表示:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,55,4、單次測量量不確定度評價: (沒有測量列,無統(tǒng)計意義) 結(jié)果表示:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,,56,[解]:1)修正可定系統(tǒng)誤差(零點修正d=di-d0)2)計算
34、測量列的算術(shù)平均值作為測量結(jié)果的最佳估值。,例3:用千分尺測鋼絲直徑,不同方位共測n=10次,測量數(shù)據(jù)如表所示,試寫出測量結(jié)果,,千分尺量程:25mm;分度值:0.01mm;Δins=0.004mm;零點:d0=+0.008mm,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,57,3)計算標(biāo)準(zhǔn)偏差:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,58,4)剔除壞值。 經(jīng)檢查無壞值(標(biāo)準(zhǔn): )
35、5)計算A類不確定度: 6)計算B類不確定度: 因為千分尺的儀器誤差: Δins =0.004mm 因此:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,59,7)測量結(jié)果的不確定度——合成不確定度:,8)測量結(jié)果表示:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,60,1. 間接測量量不確定度定義:1) 不確定度的傳遞:設(shè)間接測量量N與直接測量量x、y、z…的函數(shù)關(guān)系為: N=f (x,y,
36、z,….)其中:直接測量量x、y、z…的不確定度分別是: 則間接測量量N的不確定度 是由直接測量量的不確定度 傳遞而來。,三、間接測量量不確定度評定,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,61,傳遞的意義: 由于直接測量量x、y、z…具有不確定度
37、 而導(dǎo)致由函數(shù)N=f (x,y,z…)計算出的間接測量量N也具有不確定 ,叫做不確定度傳遞。,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,62,傳遞的意義來自數(shù)學(xué)中的微分概念, 即:當(dāng)一個函數(shù)N的自變量x有一個微小變化時,會引起因變量y的變化,寫成數(shù)學(xué)式子即:,也可寫成下列形式:,兩種式子是完全等價的。,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,63,,其中:稱為不確定度傳
38、遞系數(shù)。,2) 間接測量量不確定度的合成(定義):,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,絕對不確定度,相對不確定度,64,②以上兩式是完全等價的。一般以加減運(yùn)算為主的函數(shù),先用第一式求 ,再用第二式求 。而對以乘除運(yùn)算為主的函數(shù),則先用第二式求出 ,再用 求 。這樣計算比較簡便。,3).幾點說明:①求“方和根”時要保證各項是獨(dú)立的。如果出現(xiàn)多個
39、 , 要先合并同類項,再求“方和根”。,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,65,③ 對間接測量量的不確定度,必須通過上式由直接測量量的不確定度經(jīng)傳遞公式計算得到。不能通過 求出。,④間接測量量為三角函數(shù)時,直接測量量是角度。注意,此時角度要先化為弧度再進(jìn)行不確定度計算。角度θ與弧度α的換算關(guān)系:,這一點一定記?。?2.3 測量結(jié)果與
40、不確定度的評定,66,(1)先確定求 還是 (看求哪一個方便)。顯然求 方便 。根據(jù) 公式,先求ln?得:,例4:求間接測量量?的不確定度。,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,67,(2)分別求兩個直接測量量u、v的傳遞系數(shù),2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,68,(4)求 :,(3)代入公式求 得:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,69,注意:,,,,(1)按
41、照直接測量量不確定度評定步驟求出各直接測量量的不確定度(2)求出間接測量量的最佳值:,2.間接測量結(jié)果的不確定度評定步驟,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,,70,上式的物理意義與直接測量量結(jié)果表示的意義相同。不再重述。,(4)寫出最后結(jié)果的表達(dá)式:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,(3)用不確定度傳遞公式分別求出N的不確定度 uN 和相對不確定度EN,71,例5:已知質(zhì)量m=(213.04±0.05)g,的銅圓柱體,用0
42、~125mm、分度值為0.02mm的游標(biāo)卡尺測量其高度h六次;用一級0~25mm千分尺測量其直徑D也是六次,其測值列入下表(儀器零點示值均為零),求銅的密度。,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,72,解:銅圓柱體的密度:可見ρ是間接測量量。由題意,質(zhì)量m是已知量,直徑D、高度h是直接測量量。,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,73,(1)高度h的最佳值及不確定度:,游標(biāo)卡尺:Δins=0.02mm,因此得:(中間運(yùn)算,多取一
43、位),2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,74,(2)直徑D的最佳值及不確定度:千分尺:Δins=0.004mm因此得(中間運(yùn)算,多取一位),2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,75,(3)密度的算術(shù)平均值:(4)密度的不確定度:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,76,因此得:(5)密度測量的最后結(jié)果為:,2.3 測量結(jié)果與不確定度的評定,77,2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,1、有效數(shù)字定義測量結(jié)果中可靠
44、的幾位數(shù)字加上可疑的一位數(shù)字(可疑數(shù)字不要多了,只一位),統(tǒng)稱為有效數(shù)字。,2、有效數(shù)字的位數(shù)根據(jù)定義,有效數(shù)字的位數(shù)等于全部的準(zhǔn)確數(shù)的個數(shù)加上一位可疑數(shù)。或從左邊非零數(shù)算起直至所有數(shù)的個數(shù)(數(shù)量級不參與個數(shù)計算)。如: 0.5870(4位);0.001(1位); 5.376×10³(4位),不確定度決定有效數(shù)字的位數(shù)!,2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,78,3、有效數(shù)
45、字的讀取既要保證結(jié)果的準(zhǔn)確度不因位數(shù)取舍而影響, 又要避免因位數(shù)多而做無用功.,,原則:讀取的測量數(shù)據(jù),其最后一位數(shù)字恰為誤差所在位(可疑位)—儀器誤差限Δins,2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,例:① 長度測量儀器: 米尺: Δins=0.5mm , d=7.8mm; 千分尺: Δins=0.004mm, d=7.821mm游標(biāo)類量具 Δins→游標(biāo)分度值
46、如:50 分度卡尺:Δins=0.02mm d=7.82mm,79,如:②數(shù)字類、步進(jìn)式儀表:直讀!,數(shù)顯儀表及有十進(jìn)步式標(biāo)度盤的儀表(電阻箱、電橋、電位差計、數(shù)字電壓表等)一般應(yīng)直接讀取儀表的示值,2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,80,③其它儀器,一般來說,儀器的分度值是考慮到儀器誤差所在位來劃分的,若不知Δins值時,有效數(shù)字的最后一位按最小分度值的1/10或1/5或1/2估讀取值即可。 如電表表盤讀數(shù)等,2.4有效數(shù)字
47、的記錄與運(yùn)算,81,2.02cm(最小分度值:0.1cm),2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,注意指針指在整刻度線上時讀數(shù)的有效位數(shù)。(最小分度值:0.02v),82,①實驗數(shù)據(jù)必須按有效數(shù)字法則書寫,否則數(shù)據(jù)無意義!,關(guān)于有效數(shù)字的幾點注意:,②有效數(shù)字的位數(shù)是件嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)問題。不能任意取舍!,③有效數(shù)字位數(shù)與十進(jìn)制單位無關(guān)。 6.32cm=0.0632m=63.3mm=6.32×10mm,④參與計算的
48、常數(shù)如:π、3、e、?、 可以根據(jù)需要取舍。,⑤測量結(jié)果的絕對不確定度 ux 一般取一位有效數(shù)字;相對不確定度 Ex 取兩位(針對教學(xué)實驗)。,⑥測量結(jié)果的有效數(shù)字的最后一位一定與絕對不確定度 ux位數(shù)對齊!,⑦計算過程中的中間數(shù)據(jù),可多保留一位可疑位,2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,83,錯誤有三處:①ρ值的有效數(shù)字位數(shù)錯了。最后一位應(yīng)與 所在位對齊。即:8.00×103kg/m3,例:以下結(jié)果表示為
49、什么錯?1) kg/m3 E =0.003,②書寫形式不對。正確寫法: (8.00±0.07)×103kg/m3③相對不確定度E應(yīng)保留二位有效數(shù)字且應(yīng)寫成百分?jǐn)?shù)形式。即:E=0.30%,2.4 有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,84,2) kg/m3 E
50、=0.32365×10-2,錯誤有三處:① 的有效數(shù)字位數(shù)錯了。應(yīng)取一位即:0.08×103kg/m3.且ρ值的有效數(shù)字位數(shù)錯了。最后一位應(yīng)與 所在位對齊。即: 8.00×103kg/m3,②書寫形式不對。正確寫法: (8.00±0.07)×103kg/m3,③相對不確定度E應(yīng)保留二位有效數(shù)字且應(yīng)寫成百分?jǐn)?shù)形式。即:E=0.32%,2.4
51、有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,85,運(yùn)算的總原則:由測量的絕對不確定度決定有效數(shù)字的位數(shù)。即:絕對不確定度所在位決定有效數(shù)字最后一位應(yīng)卡在哪一位上。關(guān)于具體運(yùn)算和簡化運(yùn)算見講義:P23~P24,4、有效數(shù)字的運(yùn)算 (這主要針對間接測量量而談),2.4有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,86,5、有效數(shù)字的舍入法則 (rules for rounding off of numerical value),“小于五舍去,大于五進(jìn)位,等于五湊偶
52、”,將下列數(shù)據(jù)保留三位有效數(shù)字:,,,,,,,3/16/2024,2.4有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,87,6、數(shù)值的科學(xué)表示—科學(xué)記數(shù)法 科學(xué)記數(shù)法的書寫方法: 無論大數(shù)、小數(shù),小數(shù)點前的數(shù)只寫一位,且整個數(shù)值滿足有效數(shù)字位數(shù)的書寫原則;數(shù)的大小用10的冪次體現(xiàn)。,如:某年人口普查:七億五千萬,統(tǒng)計誤差(統(tǒng)計不確定度)兩千萬。寫成: 750,000,000±20,000,000人(錯誤)正確:同理
53、(0.000623±0.000003)m 應(yīng)寫成:,2.4有效數(shù)字的記錄與運(yùn)算,88,3.1 數(shù)據(jù)處理的常用方法,要想從實驗數(shù)據(jù)中得到科學(xué)的、達(dá)到一定精度要求的實驗結(jié)果,必須對數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的分析和處理—數(shù)據(jù)處理。,數(shù)據(jù)處理是實驗內(nèi)容不可分割的一部分!,3.1 實驗數(shù)據(jù)的處理方法,89,1、列表法2、作圖法3、逐差法4、最小二乘法,物理實驗中常用的幾種數(shù)據(jù)處理方法,3.1 數(shù)據(jù)處理的常用方法,數(shù)據(jù)處理方法本
54、學(xué)期為自學(xué)內(nèi)容!尤其選作“剛體、楊氏實驗”的同學(xué)必須提前預(yù)習(xí),90,參考書,《大學(xué)物理實驗》王振彪等 主編 中國鐵道出版社《物理實驗教程》丁慎訓(xùn) 主編 清華大學(xué)出版社《大學(xué)物理實驗》 張志東 主編 科學(xué)出版社《基礎(chǔ)物理實驗》 呂斯驊等 主編 北京大學(xué)出版社《普通物理實驗教程》曾貽偉 主編 北京師范大學(xué)出版社 《大學(xué)物理實驗》 陸廷濟(jì)等編著 同濟(jì)大學(xué)出版社,91,2、請做教材30頁練習(xí)題
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