物理：如何评价一个实验的实验过程？

物理实验对于有限次测量，用来表征

标准偏差 标准偏差＝√[∑（Xi-平均值）^2]/n （∑表示从i=1到n的求和） 偶然误差的估算 1。测量列的标准偏差 测量值与真值之差称为误差。由于实际测量中都进行有限次测量,故实际测量中得不到 真值。 因此,也得不到测量的误差,只能得到测量值与算术平均值之差。测量值与算术平均 值之差称为偏差。因为算术平均值是真值的最佳近似值,故用偏差来估算误差是合理的。我 们用测量列的标准偏差来估算误差。 在相同条件下多次测量x,定义该测量列的标准偏差为 ()()∑ = = n i inxx 1 21/σ (2) σ是表征测得值对其平均值ixx分散程度的参数。 其统计意义是指当测量次数足够多 时...全部

  标准偏差 标准偏差＝√[∑（Xi-平均值）^2]/n （∑表示从i=1到n的求和） 偶然误差的估算 1。测量列的标准偏差 测量值与真值之差称为误差。由于实际测量中都进行有限次测量,故实际测量中得不到 真值。
  因此,也得不到测量的误差,只能得到测量值与算术平均值之差。测量值与算术平均 值之差称为偏差。因为算术平均值是真值的最佳近似值,故用偏差来估算误差是合理的。我 们用测量列的标准偏差来估算误差。 在相同条件下多次测量x,定义该测量列的标准偏差为 ()()∑ = = n i inxx 1 21/σ (2) σ是表征测得值对其平均值ixx分散程度的参数。
  其统计意义是指当测量次数足够多 时,测量列中任一测量值与平均值的偏离落在[]σσ, 区间的概率为0。683,这一公式称为 贝塞尔公式。 2。A类不确定度 实验中得不到误差,因而用偏差去估算误差。
  我们把用统计方法计算得到的偏差称为测 量结果的A类不确定度。 实际测量中,由于测量次数较少,A类不确定度一般表示为 σ n tP A= (3) 8 pt的数值可以根据测量次数和置信概率查表得到。
   您的查询字词都已标明如下：对于 有限次测量 用来 表征 列中任一 次 (点击查询词，可以跳到它在文中首次出现的位置) (百度和网页 -------------------------------------------------------------------------------- 绪 论 一,物理实验的地位和作用 物理学是研究物质运动的最一般的规律及物质基本结构的科学。
  物理学是实验科学,实 验是物理学的基础。 物理实验在科学,技术的发展中有着独特的作用。历史上每次重大的技术革命都源于物 理学的发展。热力学,分子物理学的发展,使人类进入热机,蒸汽机时代;电磁学的发展使 人类跨入电气化时代;原子物理学,量子力学的发展,促进了半导体,原子核,激光,电子 计算技术的迅猛发展。
  然而物理学本质上是一门实验科学。三四百年前,伽利略和牛顿等学 者,以科学实验方法研究自然规律,逐渐形成了一门物理科学。从此一切物理概念的确立, 物理规律的发现,物理理论的建立都有赖于实验,并受实验的检验。
   物理学史上,如果没有法拉第等实验科学家进行电磁学的实验研究,发现了电磁感应定 律等一系列实验规律,麦克斯韦就不可能建立麦克斯韦方程组。在确定了经典电磁学理论后, 麦克斯韦预言了电磁波的存在,经过赫兹的实验研究,证实了电磁波的存在,从而使经典电 磁学理论更为人们所信服。
  被称为"牛顿以来最伟大的发现之一"的能量量子化概念,就是 在人们面对着黑体辐射实验,遇到了运用经典理论无法克服的困难时,普朗克紧紧抓住了 1900年夏天德国物理学家康尔鲍姆和鲁本斯对热辐射光谱所作的新的精确测量结果,大胆地 提出了能量子的假设,运用合理的数学方法,从理论上导出了符合实验结果的黑体辐射公式, 为量子力学的发展开辟了道路。
   物理实验在物理学自身发展中有着重要的作用,同时在推动其他科学,工程技术的发展 中也起着重要的作用。特别是近代各学科相互渗透,发展了许多交叉学科。物理实验的构思, 物理实验的方法和技术与化学,生物学,天文学等学科相互结合已经取得了丰硕的成果,而 且必将发挥更大的作用。
   作为人类追求真理,探索未知世界的工具,物理实验对于学生加深理解物理原理,规律, 学习探索物理规律的方法,培养严谨的科学态度和创造性解决问题的能力起着至关重要的作 用。 二,物理实验基础入门课的任务 物理实验基础入门作为一门独立的基础课程,直接针对过去接触物理实验较少,基础较 差的理工科初年级学生和文科学生。
  它有以下三方面的任务: 1。通过对实验现象的观察,分析和对基本物理量的测量,使学生学习物理实验的基本方 法,熟悉基础实验的原理和常用仪器的使用方法,初步掌握数据处理的基本方法,从理论和 实践的结合上加深对物理学原理的理解。
   2。培养学生严谨细致的科学态度,包括:理论联系实际和实事求是的科学作风,严肃认 真的工作态度,主动研究的探索精神和遵守纪律,遵守操作规程,爱护公共财产,团结协作 的优良品德。 1 3。在提高学生学习物理实验兴趣的同时,培养和提高学生基本的科学实验能力,包括: 自学能力:通过自行阅读实验教材或参考资料,正确理解实验内容,做好实验前的准备; 动手实践能力:借助教材和仪器说明书,正确调整和使用常用的基本仪器; 思维判断能力:运用所学知识,对实验现象和结果进行初步的分析和判断; 表达书写能力:正确记录和处理实验数据,绘制曲线,正确表达实验结果,撰写合格的 实验报告。
   三,物理实验基础入门课的基本教学环节 物理实验是学生在教师指导下独立进行实验的一种实践活动。物理实验包括内容很多, 对同一内容,测量方法也不尽相同,但是基本教学环节大都相同,一般地可分为三个阶段, 即实验前的预习,进行实验,撰写实验报告。
   1。实验前的预习 课堂上实验时间有限,每次实验从理解内容,熟悉仪器,到准确测量,任务是很重的, 需要一定的时间。为了有效地利用课上时间,高质量地完成实验课的任务,要求学生课前对 所要进行的实验内容进行预习。
   预习的主要要求是:认真阅读实验教材中所做实验的章节及相关的资料,了解本次实验 的目的,要求,依据的基本原理,使用仪器以及实验方法步骤,要测哪些物理量,等等。 预习时要写书面预习报告,内容包括: (1)实验名称。
   (2)实验目的。 (3)实验依据的简要原理。 (4)实验仪器。 (5)实验的主要步骤。 (6)记录数据需用的表格。表中要标明已知物理量和待测物理量的文字符号及单位, 测量次数,等等。
   (7)预习中遇到的问题和实验中的注意事项。 总之,在课前对所要进行的实验要做到心中有数,以便在课上能够抓住实验的关键,及 时,准确,迅速地获得待测量的数据。 2。进行实验 (1)实验前要对照教材熟悉仪器,了解仪器的工作原理及用法。
   (2)经教师允许后,开始安装,调整仪器。实验时要先观察实验现象后进行精确测量。 (3)每次测量后,应立即用钢笔或圆珠笔将数据记录在预习报告中的数据表格内,要 根据仪表的最小刻度和级别,决定实验数据的有效数字位数。
  各个数据之间,数据与图表之 间不要太挤,要留有空地,以供必要时补充或更正。但所测的数据不能随便涂改,要培养实 事求是的学风。数据确实有错,可将其划掉,说明理由,将正确的写在旁边。 数据记录应包括以下几个部分: ①实验条件:如温度,湿度,气压等。
   ②仪器的规格和初始条件:如初读数,主要仪器的型号,精度,级别等。 ③实验数据(不经运算的原始数据)。 实验结束时,要经教师检查实验数据和仪器,整理仪器和实验台,签字后离开实验室。 2 3。
  撰写实验报告 实验报告是实验工作的全面总结,要用简明的形式将实验结果完整而又真实地表达出 来。实验报告不但是给自己看的,一般也为他人所看,故要用简练的文字撰写,要求文字通 顺,字迹清楚,图表规范,结果正确。
   实验报告一般应包含如下各项: (1)实验的年,月,日,天气,温度,气压,姓名,专业,班,组等。 (2)实验题目。 (3)实验目的。要写明在实验中解决什么问题。 (4)实验原理。写明实验的基础理论,不是简单地抄写教科书,而是经过自己认真研 究,归纳,整理,简明易懂地精练写出。
   (5)仪器设备。写明实验中所用的仪器,材料和工具。 (6)主要的实验步骤。 (7)实验数据。将课上测得的数据整理好,填在表格里。 (8)数据处理。写清所用公式,处理数据的计算过程。即使只需将最后结果填在表格 里,也要给予说明。
   (9)误差分析。 (10)正确地表示实验结果。 (11)讨论。包括回答实验的思考题,分析实验中观察到的异常现象及可能的解释,对 于实验仪器装置和实验方法的改进建议等。对印象很深的实验,还可写出收获和体会。
   3 第一章 测量误差及数据处理 §1。1 测 量 物理实验作为一门定量的科学,建立在对物理现象和物理量进行观察和测量的基础上。 因此,物理实验离不开对物理量的测量。为了进行测量,每一个物理量都有相应的计量单位。
   测量就是将待测的物理量与相应的计量单位进行比较的过程,其倍数即为物理量的测量值。 如测得摆长为1 m的0。8656倍,则摆长就为0。8656 m。测量时所用的量具和仪器一般都按一 定的倍数刻度,以便直接读出测量的数值。
   待测物理量的测量可分为两类:一类是用量具或仪器直接读出测量的结果,这一类测量 称为直接测量,相应的物理量为直接测量量。另一类是间接测得的,由直接测量量代入公式 进行计算得出测量结果。这类测量称为间接测量,相应的物理量称为间接测量量。
   值得注意的是:有的物理量既可以直接测量,也可以间接测量,这主要取决于使用的仪 器和测量方法。随着测量技术的发展,用于直接测量的仪器越来越多。但在物理实验中,有 许多物理量仍需要间接测量。 按测量条件的不同,测量还可分为等精度测量和不等精度测量。
  等精度测量是指测量过 程中,影响测量的诸因素相同的测量。即在测量条件相同的情况下进行的一系列测量是等精 度测量。例如,由同一个人在同一组仪器上采用同样测量方法,在同一环境下对同一被测物 理量进行多次重复测量,每次测量的可靠程度都相同,这些测量就是等精度测量。
  相应的一 组数列称为等精度测量列(简称测量列)。在所有的测量条件中,只要有一个发生变化,这时 所进行的测量即为不等精度测量。 等精度测量,其测量结果的数据处理比较容易;而不等精度测量其数据处理很复杂。
  所 以只有在非用不可的情况下,才采用不等精度测量。在我们的实验中,说到对一个物理量的 多次测量,如无另加说明,都是指等精度测量,应尽可能保持等精度测量条件不变。以下介 绍的误差理论和数据处理的方法只限于等精度测量。
   (a)正确度高,精密度低 (b)精密度高,正确度低 (c)精密度,正确度均高 图1。1-1 测量中的三种情况示意图 评价测量结果常用正确度,精密度和精确度三个概念。对同一物理量进行多次等精度测 量,其结果也不完全相同。
  这好比打靶,着弹点会有一定的弥散性。如图1。1-1,结果比较接 4 近客观实际的测量正确度高;结果彼此相近的测量精密度高;而既精密又正确的测量则为精 确度高。正确度表示测量结果系统误差的大小,精密度表示测量结果随机性误差的大小,精 确度则综合反映出测量的系统误差与随机性误差的大小。
   §1。2 有效数字及其运算规则 一,测量结果的有效数字 实验数据是通过测量得到的。读出的数据有几位,运算后应保留几位在实验数据处理中 都有明确的规律可寻。为了理解有效数字的概念,我们先举一个例子。
  如图1。2-1所示,用 米尺测量一棒的长度,测量结果记为4。14cm,4。15cm或4。16cm都可以。换不同的测量者进 行测量,前两位数不会变化,我们称之为可靠数字,但最后一位数字每个人估读的结果可能 略有不同,我们把这位数称为欠准数字或可疑数字。
  虽然最后这位数字欠准,但是记上它客 观地反映出该物体比4。1cm长,比4。2cm短的实际情况,比较合理。我们把测量中得到的全 部可靠数字和欠准数字,总称为有效数字。当被测物理量和测量仪器选定以后,测量值的有 效数字的位数就已经确定了。
  用不同的量具或仪器测量同一物理量,精度较高的量具或仪器 得到的测量值有效位较多。另外,有效位的多少还与被测量的大小有关。 图1。2-1 用米尺测量棒的长度 有效数字的上述定义,适用于直接测量量,也适用于间接测量量。
   特别需要指出,一个物理量的测量值和数学上的一个数有着不同的意义。在数学上, 4。27cm和4。270cm没有区别,但是从测量的意义上看,4。27cm表示百分位上的"7"是欠准 数;而4。270cm表示百分位上这个"7"是准确测量出来的,而千分位的"0"才是欠准的。
   有效位的多少,是测量实际的客观反映,不能随意增减测得值的有效位。因为有效数字只有 最后一位是欠准的,因此大体上说有效数字的位数越多,相对不确定度就越小。 写有效数字时应注意的要点: 1。
  有效数字的位数与小数点位置无关。用以表示小数点位置的"0"不是有效数字。在 单位换算时,有效数字的位数不变。例如4。07cm和0。0407m都是三位有效数字。 2。对较大或较小的数,为了方便地反映有效数字的位数,应尽量采用科学记数法。
  即 在小数点前只写一位数字,用10的n次幂来表示其数量级。例如地球的平均半径6371km可 写作6。371m,表明有四位有效数字。这样可避免有效数字写错,也便于识别和记忆。 610× 直接测量量的有效数字读取 在进行直接测量时,要用到各种各样的仪器和量具。
  从仪器和量具上直接读数应反映出 有效数字,它是进一步估算不确定度和数据处理的基础。 5 一般而言,仪器的分度值是考虑到仪器误差所在位来划分的。由于仪器多种多样,读数 规则也是略有区别。正确读取有效数字的方法大致归纳如下: 1。
  一般读数应读到最小分度以下再估一位。但不一定估读十分之一,也可根据情况(如 分度的间距,刻线及指针的粗细,分度的数值等)估读最小分度值的1/5或1/2。但无论怎样 估,最小分度位总是准确位,最小分度的下一位是估计的欠准位。
   2。有时读数的估读位,就取在最小分度位。如TW—05型物理天平的最小分度值为0。05g, 则0。01,0。02,0。03,0。04及0。06,0。07,0。08,0。09都是估读的,不必再估到下一位。
   3。游标类量具,只读到游标分度值,一般不再估读。 4。数字式仪表不需要进行估读,仪器所显示的末位,就是欠准数字。 5。实验仪器或仪表给出仪器的示值误差时,应读到仪器误差所在的那一位。 6。
  在读取数据时,如果测量值恰好为整数,则必须补"0",一直补到可疑位。例如: 用最小刻度为1mm的钢板尺测量某物体的长度恰为12mm时,应记为12。0mm;如果改用游 标卡尺测量同一物体,读数也为整数,应记为12。
  00mm;如再改用千分尺来测量,读数仍为 整数,则应记为12。000mm;切不可一律记为12mm。 二,有效数字的运算规则 间接测量量测量结果的有效数字,最终应由测量不确定度的所在位来决定。
  但是在计算 不确定度之前,间接测量量需要经过一系列的运算过程。运算时,参加运算的量可能很多, 有效数字的位数也不一致。为了简化运算过程,一般可以按以下规则进行运算: 1。加减法运算 和或差的末位数字所在的位置,与参与加减运算的诸数中末位数字位 置最高的一个相同。
  例如:278。2+12。451=290。7。 2。乘除法运算 其结果的有效数字的位数一般与参与运算诸数中有效数字位数最少的 那个相同。例如:5。348×20。5=110。 3。藉查表(或计算器)定函数值位数的简要方法 设对某测量值x取一函数值(如乘方,开方,三角函数,自然对数,常用对数,指数函 数等),而x的有效数字已知,则可通过改变x的末位数的一个单位,并观察函数值的变化, 以决定原来函数值的位数。
   例:,求。 620′=oxxsin 由于和 34393。0720sin=′o34339。0520sin=′o 故(由计算器显示)只能取四位有效数字,即。 3436596946。0620sin=′o3437。
  0 4。对于常数π,2,3等可看成有任意多位有效数字,不影响最后的计算结果。运 算中其位数比计算式中其它测量值中有效位最少的多取一位。 以上所述的有效数字运算规则,只是一个基本原则。在实际问题中,为防止多次取舍而 造成误差的累积效应,常常采用在中间运算时多取一位的办法。
  最后结果表达时,有效数字 的取位再由不确定度的所在位来一并截取。修约规则基本上按照四舍五入规则,但遇到被舍 数字恰为"50"或"5"时,有时入,有时舍,应使有效数字末位保持为偶数。这样可使舍 6 和入的机会均等,可以避免在处理较多数据时因入比舍多而带来的偏差。
  有效数字不可连续 修约。例如: 1。23451m修约成4位有效数字,为1。235m 1。23349m修约成4位有效数字,为1。233m 1。23450m修约成4位有效数字,为1。234m 1。
  23350m修约成4位有效数字,为1。234m §1。3 测量的误差 人们用仪器对某一物理量进行测量时,由于仪器,实验条件等各种因素的限制,测量值 总是与客观存在的实际值——真值之间有一定的偏差,这个偏差值称为测量的误差。
  它的大 小反映了人们的认识接近于客观真实的程度。误差存在于一切测量中,而且贯穿于测量的始 终。 测量的目的是设法减小测量误差,尽可能得到被测物理量的最接近值;并估算出测量结 果的误差。 根据误差的性质和产生的原因,直接测量的误差可分为系统误差,偶然误差(或称随机误 差),过失误差(或称粗差)三种。
   一,系统误差 系统误差的特征是其确定性。在同一条件(方法,仪器,环境和观测者均不变)下进行多 次测量时,误差的大小和正负或保持不变,或在条件改变时按一定的规律变化。增加测量次 数并不能减少这种误差对测量结果的影响。
   系统误差主要来源于:测量工具或仪器本身的缺陷而产生的仪器误差(如天平不等臂); 实验方法或理论不完善而导致的方法误差(如伏安法测电阻时,电表内阻产生的误差);周围 环境与实验要求不一致而引起的环境误差;观测者生理或心理特点所造成的人身误差。
   系统误差一般都有较明显的原因,因此可以采取适当的措施加以限制或消除它对测量结 果的影响。通常采用符合实际的理论公式;严格保证仪器和实验所要求的条件;找出修正值, 对测量结果进行修正。 二,偶然误差(随机误差) 偶然误差的特征是其随机性。
  在同一条件下多次测量某一物理量时,即使消除了一切引 起系统误差的因素,测量结果也仍然存在着误差,这种误差称为偶然误差。 偶然误差是由于人的感官灵敏程度和仪器精密度(最小刻度)的限制,周围环境的干扰及 随测量而来的其他不可预测的偶然因素所造成的。
  当对某一物理量进行测量次数较多时,偶 然误差服从一定的统计规律。 三,过失误差(粗差) 过失误差即实验过程中由于过失,错误所产生的误差。含有粗差的测量值称为异常值或 坏值,应剔除。 7 §1。
  4 直接测量结果与误差的估算 一般情况下,对直接测量量进行多次等精度测量,测量值取其算术平均值,结果的误差 由偶然误差和系统误差综合估算,称为测量结果的不确定度,最后结果用平均值和不确定度 一起表示。
   一,多次测量的算术平均值 由于测量误差的存在,测量结果是一个随机变量。在任何测量中,真值总是不能确切知 道的。在测量条件不变的情况下,以多次测量的算术平均值作为真值的最佳值。 如在相同的条件下,对某物理量x做n次等精度测量,得到包含n个测量值 的一个测量列,其平均值为 nxxx,,,21L ∑ = = n i ix n x 1 1 (1) 平均值x为x的最佳值。
   二,偶然误差的估算 1。测量列的标准偏差 测量值与真值之差称为误差。由于实际测量中都进行有限次测量,故实际测量中得不到 真值。因此,也得不到测量的误差,只能得到测量值与算术平均值之差。
  测量值与算术平均 值之差称为偏差。因为算术平均值是真值的最佳近似值,故用偏差来估算误差是合理的。我 们用测量列的标准偏差来估算误差。 在相同条件下多次测量x,定义该测量列的标准偏差为 ()()∑ = = n i inxx 1 21/σ (2) σ是表征测得值对其平均值ixx分散程度的参数。
  其统计意义是指当测量次数足够多 时,测量列中任一测量值与平均值的偏离落在[]σσ, 区间的概率为0。683,这一公式称为 贝塞尔公式。 2。A类不确定度 实验中得不到误差,因而用偏差去估算误差。
  我们把用统计方法计算得到的偏差称为测 量结果的A类不确定度。 实际测量中,由于测量次数较少,A类不确定度一般表示为 σ n tP A= (3) 8 pt的数值可以根据测量次数和置信概率查表得到。
   三,系统误差的估算 1。仪器的示值误差 直接测量的结果除了偶然误差外,还存在系统误差。系统误差主要来源于实验仪器,实 验方法,仪器安装环境条件和人身误差。由于实验方法,环境条件和人身误差是应该和可以 消除或忽略的,一般情况下,我们只考虑仪器产生的系统误差。
   在物理实验中,常常把国家技术标准规定的计量器具最大允许偏差或允许基本偏差经过 适当的简化称为仪器的示值误差(限),用表示。一般写在仪器的标牌上或说明书中。它 表示在正确使用仪器的条件下,仪器示值与被测量真值之间可能产生的最大误差的绝对值。
   有的仪器直接给出的是精度等级。仪器的示值误差可以是一个定值,如游标卡尺,级别和量 程一定的电表。但在有些情况下(如电磁测量中的电阻箱,电位差计等),仪器的示值误差与 测量值大小有关。 m 2。
  B类不确定度 测量中用其它非统计方法估算出的误差称为B类不确定度,记为B 。通常用仪器的示 值误差(限)来表示,即 mB = (4) 仪器示值误差m 的概率水平基本和95%相当。 四,直接测量结果的误差估算——合成不确定度 测量结果的质量国际上是用合成不确定度xσ来评定的。
  考虑到物理实验的特殊性,一 般情况下认为只有一个A类不确定度分量和一个B类不确定度分量,且假定这两类分量完 全独立,具有相同的置信概率,因此测量结果的合成不确定度公式可简化为 22 BAx + =σ (5) 考虑到通常实际测量次数6≤≤10,取置信概率为0。
  95时,式(5)变为 n 2222 95。0)(mmxn t +≈ +=σ σ σ (95。0=P) (6) 式中σ为次测量列的标准偏差。上式说明被测量的真值落在n[]xxxxσσ+ ,范围内的概 率为0。
  95。 不确定度表示由于测量误差的存在而对于被测量值不能确定的程度,它反映了可能存在 的误差范围。 9 §1。5 间接测量结果的误差估算 间接测量中,待测量是由直接测量的量通过计算而得到的。
  若间接测量量与各直接 测量量的函数关系为 N nxxx,,,21L ),,,(21nxxxfNL= 且各直接测量量彼此独立,则间接测量量的最佳值为 nxxx,,,21L ),,,(21nxxxfNL= (7) 其中nxxx,,,21L为各直接测量量的最佳值。
   间接测量量的误差估算——不确定度公式为: ∑ = = n i i i Nx f 1 2)(σσ (8) 或 ∑ = == n i i i N x f N NE 1 2) ln ()(σ σ (9) 其中nσσσ,,,21L分别为各直接测量量的合成不确定度,其系数及 称为不确定度传递系数。
   nxxx,,,21Lixf / ixf /ln所谓"不确定度符号",可以指各直接测量量的示值误差或合成不确定度。但在同一式 中必须具有相同的置信概率,这样,间。收起