1、大学物理实验指导书物理实验室2015 年 2 月目 录实验一 气垫技术 .22实验二 用拉伸法测金属丝的杨氏模量 26实验四 多量程电表的设计与校准 .31实验五 惠斯登电桥测电阻 .35实验六 用霍尔法测直流线圆圈与亥姆霍兹线圈磁场 42实验九 示波器的使用 47实验十一 牛顿环实验 57实验十二 分光计的调节和应用 63大学物理实验指导书1测量误差及数据处理物理实验的任务不仅是定性地观察各种自然现象，更重要的是定量地测量相关物理量。而对事物定量地描述又离不开数学方法和进行实验数据的处理。因此，误差分析和数据处理是物理实验课的基础。本章将从测量及误差的定义开始，逐步介绍有关误差和实验数据处理
2、的方法和基本知识。误差理论及数据处理是一切实验结果中不可缺少的内容，是不可分割的两部分。误差理论是一门独立的学科。随着科学技术事业的发展，近年来误差理论基本的概念和处理方法也有很大发展。误差理论以数理统计和概率论为其数学基础，研究误差性质、规律及如何消除误差。实验中的误差分析，其目的是对实验结果做出评定，最大限度的减小实验误差，或指出减小实验误差的方向，提高测量质量，提高测量结果的可信赖程度。对低年级大学生，这部分内容难度较大，本课程尽限于介绍误差分析的初步知识，着重点放在几个重要概念及最简单情况下的误差处理方法，不进行严密的数学论证，减小学生学习的难度，有利于学好物理实验这门基础课程。1.1
3、 物理量的测量一、测量与单位物理实验不仅要定性的观察物理现象，更重要的是找出有关物理量之间的定量关系。因此就需要进行定量的测量，以取得物理量数据的表征。对物理量进行测量，是物理实验中极其重要的一个组成部分。对某些物理量的大小进行测定，实验就是将此物理量与规定的作为标准单位的同类量物理量进行比较，得出结论，这个比较的过程就叫做测量。例如，物体的质量可通过与规定用千克作为标准单位的标准砝码进行比较而得出测量结果；物体运动速度的测定则必须通过与两个不同的物理量，即长度和时间的标准单位进行比较而获得。比较的结果记录下来就叫做实验数据。测量得到的实验数据应包含测量值的大小和单位，二者是缺一不可的。显然测
4、量值的大小与选取的标准有关，例如，要测量一杯水的质量，在天平两侧将这杯水与选作质量单位的砝码进行比较，如果采用 1g 的砝码做计量标准，测得结果为标准 1g 砝码的 100 倍，则表示测得该杯水的质量为 100g。如果采用 1的砝码做计量标准，测得结果为标准 1kg砝码的 1/10 倍，则表示测得该杯水的质量为 0.1。同样一个物理量，其测量值与选用的单位有关。物理量的单位构成了计量的单位制，但是并非每一个单位都是基本单位。通过对各个物理量的量纲分析可以证明，只有长度-米(m)、质量-千克(Kg)、时间-秒(s)、电流强度-安培(A)、热力学温度-开尔文(K)、物质的量-摩尔(mol)和发光强
5、度-坎德拉(cd)是基本单位，其他单位为导出单位。各个国家和民族都有自己的度量衡单位。1960 年第 11 届国际计量大会建议各国采用以米（m）、千克（k）、秒（s）、安培（A）、开尔文（K）、摩尔（mol）和坎德拉（cd）为 7 个基本计量单位，称作国际单位制（SI）。1984 年 2 月 27 日我国国务院颁布以国际单位制（SI）为基础的单位制为我国的法定单位制。本书采用以国际单位制为基础的我国法定单位制。二、直接测量和间接测量测量按其过程可分为直接测量和间接测量。直接测量是指将待测量与定标的测量仪器或量具进行比较，直接读出待测物理量的量值。例如用米尺测量人的身高、用秒表测量单摆的周期、用
6、电流表测量回路的电流强度等。但是有些物理量是无法用仪表或量具直接测量的。例如物体运动的速度、材料的密度和原子的能级等，它们只能通过对一些相关物理量的测量，再通过物理量间的关系间接求出大小。如要测量圆柱体的密度，应首先测出圆柱体的直径 D、高度 h 和质量 m，再通过公式 =4m/(D 2h)间接测得圆柱体的密度；又如大学物理实验指导书2在单摆实验中，通过对单摆长 L 和摆动周期 T 的测量，利用公式 g=4 2L/T2可以间接测得当地的重力加速度。间接测量与直接测量的划分不是绝对的，有些间接测量量经过传感器的转化也可以变为直接测量量。例如通过测量小线圈内的感应电量，可以间接测得小线圈所在磁场的
7、磁感强度，但是当采用霍尔元件作传感头，就可以直接在表盘上读出磁场的磁感强度，这时磁场的磁感强度又成为直接测量量。在测量某一物理量时，通常要对物理量重复多次测量，但是对该物理量的测量结果往往与测试条件有关。如果同一观察者在相同环境下，用同一种测试方法和同一台仪器进行多次测量，此时可以认为每一次的测量精度都相同，称作等精度测量。如果在测试中有某一条件不同，例如用两台感量不同的天平测量同一物体的质量，则称作不等精度测量。等精度测量与不等精度测量的数据处理方法是不同的，本书在不作特殊说明时，都认为是等精度测量。测量仪器是进行测量的必要工具。熟悉仪器性能。掌握仪器的使用方法及正确进行读数，是每个测量者必
8、备的基础知识。如下简单介绍仪器精密度、准确度和量程等基本概念。仪器精密度是指仪器的最小分度相当的物理量。仪器最小的分度越小，所测量物理量的位数就越多，仪器精密度就越高。对测量读数最小一位的取值，一般来讲应在仪器最小分度范围内再进行估计读出一位数字。如具有毫米分度的米尺，其精密度为 1 毫米，应该估计读出到毫米的十分位；螺旋测微器的精密度为 0.01 毫米，应该估计读出到毫米的千分位。 仪器准确度是指仪器测量读数的可靠程度。它一般标在仪器上或写在仪器说明书上。如电学仪表所标示的级别就是该仪器的准确度。对于没有标明准确度的仪器，可粗略地取仪器最小的分度数值或最小分度数值的一半，一般对连续读数的仪器
9、取最小分度数值的一半，对非连续读数的仪器取最小的分度数值。在制造仪器时，其最小的分度数值是受仪器准确度约束的，对不同的仪器准确度是不一样的，对测量长度的常用仪器米尺、游标卡尺和螺旋测微器它们的仪器准确度依次提高。量程是指仪器所能测量的物理量最大值和最小值之差，即仪器的测量范围（有时也将所能测量的最大值量程）测量过程中，超过仪器量程使用仪器是不允许的，轻则仪器准确度降低，使用寿命缩短，重则损坏仪器。12 测量误差及其分类如前所述，测量是指将一个客观存在的物理实体与选作单位的计量标准进行比较，测量值是指物理实体与标准计量单位的倍数。我们所要测量的物理量在一定的条件下客观的真正大小，称为真值，通常用
10、 表示。在大多数情况下我们不可能得到待测物理量的真值，0x在实际测量过程中由于测量仪器精度的不够，测量原理和方法的不完善，测量者感官能力的限制等，每一次测量的结果和真值之间总存在一定的差异。我们将测量值 与真值 之x0差 称为测量误差。e（1-1）0ex对任何测量而言，测量误差是不可避免的。我们可以通过改善实验条件、选择合理的实验方法或精度更高的测量仪器来减少测量误差，但是要完全消除误差是不可能的。由于大学物理实验指导书3真值在多数情况下无法确定，测量的误差也不可确定。处理实验数据的目的是估算测量误差的大小，求出在给定条件下真值的最佳估计值，并对实验结果的精确程度做出评估。测量时并非仪器的精度
11、越高、测量误差越低越好，对物理量的测量也需要考虑测量成本。例如，测量人的体重只需要磅秤而无须用天平。设计实验就是要在一定的允许测量误差下，选用低成本的测量方法和测量仪器，获得最佳的测量结果。误差产生的原因相当复杂，有些是实验仪器、测量方法和测量环境造成的，也有些是人为因素造成的。根据误差产生的原因，误差可分为系统误差、随机误差和粗大误差。一、系统误差在同一条件下对同一物理量进行等精度测量，误差呈现的符号、数值不变或按照一定的规律变化，这类误差称作系统误差。例如用天平测量质量时，由于天平两臂不等长使测量值偏大或偏小，与实际真值相比产生定向的偏离。产生系统误差的可能原因有：（1） 测量仪器本身的缺
12、陷。例如计量标准偏差、零点偏移等。（2） 实验理论和方法的不完善。在实验时由于忽略了一些次要因素，或由于理论的不完善导致某些要素被忽略。例如测量回路电流时忽略电流表的内阻，测量霍尔电压时忽略了接触电势差等。（3） 环境影响或没有在规定条件下使用仪器。例如标准电池在不同环境温度下电动势不同，测量其电动势时没有根据具体情况对其进行修正或者标准电池没有在安全电流下工作。（4） 实验人员读数时的习惯偏差。由于实验人员所受的训练和习惯差异，使读数偏大或偏小。系统误差的特点是它的确定规律性。由于其符号的可确定性，不能通过在相同条件下进行多次重复测量来消除和发现系统误差，但是通过对实验过程的详细分析，可以确
13、定部分系统误差的量值与符号，这部分系统误差称为可定系统误差。对于可定系统误差，可以在测量值中进行修正，修正后的测量值为实际值=示值+修正值例如螺旋测微器有一初读数 0.006mm，即修正值为-0.006mm。现在测得细金属丝直径的示值为 0.215mm，则金属丝直径 d 的实际值为d=0.215-0.006=0.209(mm)对未能确定大小和符号的系统误差，称为未定系统误差。未定系统误差是一个较为复杂的问题，没有普遍可以遵循，只能确定误差的范围（极限）。二、随机误差在同一条件下对同一物理量进行等精度测量，消除系统误差后剩余的误差符号和数值变化不定，依照随机规律变化，这类误差称作随机误差。例如用
14、天平测量圆柱体质量时，由于天平轻微地抖动或观察天平平衡时视线的差异，造成读数与真值相比呈现随机起伏。产生随机误差的主要原因有：（1（ 观察者感觉器官的分辨能力或心理能力的限制。例如在估读某一测量值时多次估读值会不同。（2）实验环境、电源和电信号背景噪声的随机变化。环境温度、电源电压、电源频率和背景噪声的变化是一种随机性波动，例如用数字万用表测量日光灯的工作电流，电流表显示读数的末位不断闪烁变化，表明电流的随机起伏。随机误差的特点是它出现的随机性，误差的大小和符号以不可预大学物理实验指导书4定的方式变化。尽管在一次测量值中，随机误差的数值和符号无法确定，但是当测量次数增加时，随机误差服从一定的统
15、计规律。不同的测试仪器统计规律也不同，最常见的是正态分布和均匀分布。根据随机误差服从的统计分布规律，可对随机误差的大小和测量结果的可靠性作出合理的评价。以测量值 为变量，正态分布和均匀分布的误差函数 的曲线分别如图 1-1 和图 1-2 所x ()fx示。估读数引起的误差通常呈正态分布，估读数偏大和偏小出现的概率相同；而仪器误差（定义参见1.4）大多呈均匀分布，不同测量值附近误差值几乎相同。呈正态分布的误差具有下列特点： 单峰性：测量值与真值相差愈小，这种测量值（或误差）出现的概率（可能性）愈大，与真值相差大的，则概率愈小。 对称性：绝对值相等、符号相反的正、负误差出现的概率相等。 有界性：绝
16、对值很大的误差出现的概率趋近于零。也即是说，总可以找到这样一个误差限，某次测量的误差超过此限值的概率小到可以忽略不计的地步。 抵偿性：随机误差的算术平均值随测量次数的增加而越来越趋向于零，即 01niixlm由于呈正态分布的随机误差正负出现的概率相同，而小误差出现的概率又较大，因而当消除系统误差后多次测量的算术平均可以减小随机误差。但是在大多数情况下，需要通过随机误差的统计规律对测量值的误差和真实性做出判断。三、粗大误差（过失误差）凡是明显歪曲测量结果，又无法根据测量的客观条件作出合理解释的误差，都称为粗大误差。产生粗大误差的原因是多方面。主要原因是观测者的缺乏经验、或过于疲劳而造成的。测错、
17、读错、计错、算错等测量过失。此外，外界的突发性干扰使实验条件发生不能容许的偏离而未被发现等。四、精密度、准确度和精确度由于真值不可确定，为了判断一组测量值的准确性和精确性，我们可以引入精密度、准确度和精确度的概念。以打靶为例。将打靶比作测量，每一次的弹着点表示一次测量值，而靶心为真值。当我们瞄准靶心射击时，子弹实际的弹着点与枪的质量、射手的射击技能和风速等因素有关。如果射手是一名高水平的狙击手，遗憾的是当时遇到侧风或枪支瞄准具不准，靶面上的弹着点如图 1-3(a)所示。这表明弹着点的离散程度较小，但子弹弹着点总体偏离了靶心。如果射手是一名业余射手，在风和日丽的环境下用一支精确校准过的枪支射击，
18、靶面上的弹着点如图 1-3(b)所示。这表明弹着点的离散程度较大，子弹弹着点均匀散布在靶心四周。如果射手是一名高水平的狙击手，在风和日丽的环境下用一支精确校准过的枪支射击，靶面上的弹着点如图 1-3(c)所示。这表明弹着点的离散程度较小，子弹弹着点总体集中在靶心四周。大学物理实验指导书5上述三张图实际反映了对测量数据三种评价的描述：（1）精密度：重复测量所得测量结果的离散程度。测量结果彼此非常接近，则精密度高；反之测量结果彼此差异较大，则精密度低。（2）准确度：测量结果接近真值的程度。测量结果接近真值，准确度高；反之准确度低。（3）精确度：综合反映离散程度和准确程度。如果一组测量值离散程度小、
19、准确度高则精确度高；反之如果一组测量值离散程度大、准确度低则精确度低。精密度、准确度、精确度客观地评价了一组测量量，例如图 1-3(a)表示射击精密度高，但准确度欠佳；图 1-3(b)表示准确度高，但精密度较差；图 1-3(c)则表示精密度、准确度均较高，即精确度高。要定量地对一组测量值进行评价，给出测量的最终结果，仅仅用精确度评价还是不够的，需要结合各类误差的分布特点，估算出待测物理量的真值和误差。三、不确定度在实际测量过程中，影响测量结果精确度的既有测量的系统误差，也有测量的随机误差，我们需要分别估算它们的大小，然后进行误差的综合，用测量的精确度全面评价测量结果，1981 年 10 月第
20、17 届国际计量委员会大会通过决议，建议采用“不确定度”作为测量结果正确程度的评价。1991 年 8 月国家计量监督局颁布的关于测量误差及数据处理技术规范中也明确提出“对标准差以及系统误差中不可掌握的部分的估计，是测量不确定度平定的主要对象。”所谓不确定度，就是由于测量误差的存在而对被测量不能肯定的程度，即具有一定置信概率的误差估值的绝对值。它是表征被测量的真值所处的量值范围的评定。不确定度 应该包含两个方面：u（1）多次重复测量中用统计方法计算的 A 类不确定度， 表示。Au（2）用其他非统计方法估算的 B 类不确定度，例如仪器误差、未定系统误差的估值等，用 表示。Bu最后将 A、B 两类不
21、确定度合成后，用合成不确定度作为测量值正确程度的评价。应该指出，将误差分为 A 类、B 类不确定度与将误差分为系统误差和随机误差，两者之间并不存在简单的对应关系。前者着重是否用统计方法计算来划分，后者则从误差产生的原因来区分。1.3 直接测量中真值和测量误差的估 算大学物理实验指导书6由于在大多数情况下无法求得待测物理量的真值，有（1-1）式定义的测量误差也就无法确定。下面我们将利用不确定度的概念，通过对误差的合理估算，得出待测物理量的真值和误差，并对这种估算的可信程度做出评价。一、真值的估算对物理量的测量可分为单次测量和多次测量。1.单次测量在外界条件不允许对一个物理量多次重复测量时，或者在
22、某些情况下随机误差对测量的总影响不大，不必进行多次测量时，往往只作单次测量。例如测量一个作变加速运动质点的速度和加速度，测量气体节流膨胀过程中温度的变化等，这时单次测量值就作为真值的最佳估值。2.多次测量大部分测量值的随机误差服从正态分布。基于正态分布的对称性，对同一物理量多次重复测量时，测量值的平均能使正负误差相互抵消。当忽略系统误差或对测量值修正后，算术平均值就趋于真值。假设测量中对物理量 测量了 次，其测量值分别为 、 、 xn1x23可以证明此时算术平均值 是待测物理量真值的最佳估值（数学期望值） ，即x（1-2）1nix应该强调的是待测量的最佳估值并非就是真值 ，仅仅是比测量值更加接
23、近真值。只a有修正了系统误差后无数次测量值的平均才等于真值，即（1-3）1limniax二、测量误差的估算1A 类不确定度的估算多次测量量往往呈现一定的离散性，A 类不确定度就是对这类离散性做出评价。主要包含了随机误差、可以用统计规律估算的系统误差等。当 A 类不确定度为正态分布时，测量值的离散程度可以用标准差 表示，根据标准差的定义 （1-4）21()niixa由于在有限多次测量中，上式中的真值 无法确定。我们取多次测量得到的一组物理量 、 、 为一组抽样值，在样本空间内可用算术平均值代替真值，则根据统计理1x23论标准差 的无偏估值 （简称标准偏差）为 （1-5）s 21()niixs大学
24、物理实验指导书7标准偏差 是评估测量值离散程度的特征量。对一组测量值而言，标准偏差小表示该s组测量值的离散程度低，测量值的精密度高；标准偏差大表示该组测量值的离散程度高，测量值的精密度低，如图 1-4 所示。但是应该注意，标准偏差 并不表示测量值与平均值s的偏差，而只是对测量值离散程度的一种评估。从统计意义上讲，测量值落在区间内的概率 ，即测量值在算(,)xs0.683P术平均值附近 范围内的可能性为 ；落在%区间的内的概率 ，因此常(3,).97常将 称为 A 类极限误差。几乎所有测量值都不会超s出真值最佳估值附近 范围。我们将标准偏差所表示3s的区间称为置信区间，相应的概率 称为置信度。a
25、P算术平均值作为真值的最佳估值依然有一定的离散性，由于在计算待测量的算术平均值时，各测量量的随机误差相互抵消，因而算术平均值的离散程度要比测量值的离散程度小得多。为了研究算术平均值的离散程度，我们将算术平均值与真值的差称为残差。由于真值的不可确定，残差无法直接计算，只能根据正态分布的统计理论对残差进行估算。理论分析可以证明算术平均值残差的无偏估值 为 xs（1-6）21()niixxs又称为算术平均值的标准偏差，算术平均值的x标准偏差是测量值标准差的 ，这表明增加测量次数1n可以提高测量值的精度。如图 1-5 所示随着 的增大，n n标准偏差 减小。当 10 时标准偏差 的减小变得xsxs十分
26、缓慢，因此通常取 610 次测量次数为佳。测量次数过多，将会延长测量时间，增大环境或电源波动造成实验误差的机会，而这时随机误差的减小已不明显。当然测量次数不同，将会得到不同的近似结果。当随机误差服从正态分布时，取 A 类不确定度为(0.683)AxusP（1-7）97()Aaaxts是与分布律和置信度相关的参数。A 类不确定度并不表示测量值与真值的差，标准at大学物理实验指导书8偏差 也不是测量值与平均值的偏差，它已不是原来意义上的误差，而是对算术平均值偏xs离真值的一种评估，是不确定的程度。根据 A 类不确定度（1-7）式可将测量结果表达为（1-8）axts（1-8）式中的 与误差的分布律和
27、置信度有关。当测量次数较多时，随机误差呈正态分布。at=1 时的置信度 ，表示待测物理量算术平均值 偏离真值的范围不超过 的at0.683Pxxs可能性为 68.3%； =3 时的置信度 ，表示待测物理量算术平均值 偏离真值的at0.973P范围不超过 的可能性为 99.73%。xs对于不同的置信度 和测量次数 ，可以通过查阅附表 1-1 求得参数 。anat2.B 类不确定度的估算B 类不确定度是指用非统计方法计算的误差分量，它通常是指仪器误差和一些特殊估测的极限误差。所谓仪器误差是指在仪器规定的使用条件下，正确使用仪器时，仪器的指示数和被测量的真值之间可能产生的最大误差，通常用 表示。它由
28、仪表制造厂商采用精确度更高的测量仪表检测并考虑一定的误差余量后给出，它是仪表的一个重要指标。仪器误差通常用级别表示为仪器误差=级别量程仪器误差的具体计算可查阅所用仪器量具的使用说明。仪器误差既包括随机误差，又包括系统误差，其性质在很大程度上取决于仪器的精度。对于精度级别较低的仪表（0.5 级以下） ，仪器误差主要表现为系统误差；对于精度级别较高的仪表（0.2 级以上） ，仪表误差主要表现接近随机误差。仪器误差是可能出现误差的极限值，无法确定误差的真实大小与符号，仍属于 B 类不确定度范畴。在实验中由于实验条件的限制，或者由于没有在规定条件下使用仪器，无法保证仪器误差不大于出厂时给定的误差限值，
29、例如弯曲的卷尺、电极的接触电势等，这时需要根据实际情况估计其误差限。对于一些低精度仪器无法确切地给出仪器误差，也常常取仪表量具的最小分度值或感量作为误差限。大学物理实验指导书9仪器误差通常遵从的是均匀分布，如图 1-6 所示。对于一般的精密仪器，可以算出仪器的标准差为3仪仪对于刻度式仪表，测量估算的不确定度 估 常常小于仪器最小刻度的一半；对于数字式仪表，如果数字稳定，没有估算不确定度;如果数字跳动变化，记录其稳定表示的值。三、实验中粗差的剔除剔除测量列中异常数据的标准有几种，有 准则、肖维准则、格拉布斯准则等。这3x里我们只介绍 准则。3x统计理论表明，一般测量的误差出现在 内的概率为 68
30、.3%，误差出现在 内x2x的概率为 95.5%，而出现在 区间内的概率为 99.7%，而一般我们的测量次数又不是3x很多，故测量值误差超出 区间的可能性极小，测量值的偏差超过 的概率已小于3x1。因此，可以认为偏差超过 的测量值是其他因素或过失造成的，为异常数据，应当x剔除。剔除的方法是将多次测量所得的一系列数据，算出各测量值的偏差 和标准偏差i，把其中最大的 与 比较，若 ，则认为第 j 个测量值是异常数据，舍xjx3x3jx去不计。剔除 后，对余下的各测量值重新计算偏差和标准偏差，并继续审查，直到各j个偏差均小于 为止。x1.4 测量结果的表达一、单次测量结果的表达在物理实验中，常常由于
31、条件不允许或测量精度要求不高，或者这一物理量的误差对整体影响较小等原因，对一个物理量的直接测量只进行一次即可满足测量要求。此时可根据实际情况，对测量值的误差进行合理的具体估计，不能一概而论。一次测量的误差包括系统误差和随机误差。对于随机误差很小的测量值，可用仪器误差作为单次测量的误差。这时，设 为测量值， 为仪器误差，则测量结果可表示成：x仪（单位）仪其中， 可按仪器出厂标定或仪器上直接注明的仪器误差进行计算。若没注明，也可取仪最小刻度的一半作为仪器误差，即（单位） /2x仪 器 最 小 刻 度二、多次测量结果的表达由于测量中存在随机误差，为了能获得测量最佳值，并对结果做出正确评价，就需要对待
32、测量进行多次重复测量。虽然测量次数增加时，能减少随机误差对测量结果的影响，但在基础物理实验中，考虑到测量仪器的准确度和测量方法、环境等因素的影响，对同一量作多次直接测量时，一般把测量次数定在 510 次较为妥当。多次重复测量结果的最佳估计值和不确定度的计算公式：图 1-6大学物理实验指导书10算术平均值： n1ix偏差： 标准偏差： )(2nSix不确定度： 2x仪测量结果的表示：x其中： 的有效数字由不确定度 来决定； 与 的小数末位要对齐。xx例 1 用一把毫米尺测量某一物体长度 ，得到五次的重复测量值分别为 3.42、3.43、l3.44、3.44、3.43cm，试求其测量值。解： )(
33、432.51暂 不 考 虑 有 效 数 字 位 数cmlli)(03. 5/1(2. )21(86.)1 字不 确 定 度 取 一 位 有 效 数的读 数 估 计 到 最 小 分 度 值 位至中 间 过 程 可 多 保 留仪仪 cSlxil :)(果 最 佳 值 的 有 效 数 字由 不 确 定 度 决 定 测 量 结结 果 )(.043.末 位 取 齐ml需要注意的是：测量值的标准偏差并不表示测量值的误差的实际大小，因为测量值的偶然误差是随机的，所以测量值的标准偏差只表示，任一测量值的误差落在区域（ 、xS）内的概率为 68.3%,这就是标准偏差的统计意义。xS三、直接测量值的相对不确定度绝
34、对不确定度与测量值有相同的单位，其大小直接反应了测量结果接近真值的程度没，对同一测量值来说，绝对不确定度越小，测量的精度越高。误差也可用相对不确定度来表示。若以符号 代表，则定义式为xE10%xE这里： 为绝对不确定度， 为测量值。相对不确定度是个比值，没有单位，且通常x化为百分数，所以也称为百分误差。对于不同的被测量，特别是不同类的被测量，不能仅由绝对不确定度的大小判断测量精度的高低，还要看被测量本身的大小，因此相对不确定度更完全地评价了测量的好坏。例如，测得两个物体的长度分别为 =(23.500.03)cm 和1l=(2.350.03)cm，则其相对不确定度分别为：2l大学物理实验指导书1
35、110.3%0.1325E.从绝对不确定度来看，两者相等，但从相对不确定度来看，后者比前者却大了 10 倍，因此第一个测量当然具有更高的精度。 和 只要求取 12 位有效数字。EX1.5 间接测量结果的不确定度估算直接测量是间接测量的基础，由于直接测量不可避免地存在误差，必然会导致间接测定量产生误差。相应地，各直接测量不确定度将会按某种规律影响间接测量结果的总不确定度。这就是间接测量结果的不确定度的合成。一、间接测量量不确定度传递公式间接测量值是通过一定函数式由直接测量值计算得到。显然，把各直接测量结果的最佳值代入函数式就可得到间接测量结果的最佳值。这样一来，直接测量结果的不确定度就必然影响到
36、间接测量结果，这种影响大小也可以由相应的函数式计算出来，这就是不确定度的传递。首先讨论间接测量量的函数式（或称测量式）为单元函数（即由一个直接测量量计算得到间接测量量）的情况：)x(FN式中 N 是间接测量量，x 为直接测量量。若 ，即 x 的不确定度为 ，它必然影x响间接测量结果，使 N 值也有相应的不确定度 。由于不确定度都是微小量（相对于测N量值） ，相当于数学中的增量，因此间接测量量的不确定度传递的计算公式可借用数学中的微分公式。根据微分公式：dx)(F可得到间接测量量 N 的不确定度 为Nxd)(其中 是传递系数，反映了 对 的影响程度。dx)(FxN例如球体体积的间接测量式3D61
37、V若 ，则 D2V但是，大多数间接测量量所用的测量式是多元函数式，即由多个直接测量量计算得到一个间接测量结果。所以更一般的情况是：大学物理实验指导书12间接待测量： .),(zyxFN式中 是相互独立的直接测量量，它们的不确定度 是如何影响间接测,zyx zyx,量量 N 的不确定度 的呢？仿照多元函数求全微分的方法，单考虑 x 的不确定度 对 x的影响时，有xxxNF)z,y(F)( 单考虑 y 的不确定度 对 影响时，有yyyyN)z,x()( 同理可得zzzNF),(F)( 把它们合成时，不能象求全微分那样进行简单地相加。因为不确定度不简单地等同于数学上的“增量” 。在合成时要考虑到不确
38、定度的统计性质，所以采用方和根合成，于是得到间接测量结果合成不确定度的传递公式： 数学微分公式： .dzFydxN不确定度传递公式： 2zyxN F22如果测量式是积商形式的函数，在计算合成不确定度时，往往两边先取自然对数，然后合成要方便得多，且得到相对不确定度传递公式： 22y2xN zln)(ln)(Fln利用相对不确定度传递公式先求出 ,再求 。NENE例如求铜棒电阻率 ,RLd42有 (注意应将各量的平均值代入) 2求出 ,224dRLd2R2L E4E 大学物理实验指导书13再计算 ,E最后将结果表示为标准形式。二、 间接测量结果的表示10%)( NEr单 位其中 Nfxy(,.)请
39、同学们课后自己推导常用函数的不确定度差传递公式。例 2 用单摆测定重力加速度的公式为 今测得 s, cm，glT42,02.l10.试计算重力加速度 g 及不确定度与相对不确定度 。gE解： %1.0,.lTE0236542TLg22.987scmgElg结果表示：%2.0).987(2g所有运算结果的有效数字位数均应由不确定度来决定，就是简单的四则混合运算也应遵循这一原则。如例 1，应先求出 （可疑位保留一位） ，然后再确定 的有效数字0.3cml l位数（小数后第二位可疑，因此，结果保留三位效数字） ；同样，如例 2，先确定（可疑位保留两位） ，因此，结果保留五位有效数字（尾数对齐） 。2
40、cm/s.g1.6 有效数字及其运算一、有效数字的概念测量值是将待测物理量与标准量比较，但是比较值总是包含了系统误差、估读造成的随机误差和其他一些误差，因而测量值包含了准确数字和欠准数字。我们将准确数字和欠准数字总称为有效数字。在大学物理实验和其他测量中，通常只取 1 位欠准数字，特殊情况下不超过 2 位欠准数字。在本书中我们采取只取 1 位欠准数字。因此有效数字由若干位准确数字和 1 位欠数字组成。有效数字不仅反映了待测量的大小，正确书写的有效数字还可以粗略地反映测量的精确程度。例如测量小于 1cm 物体的长度，采用不同的量具分别得到下列不同结果：大学物理实验指导书14米尺：L=0.32cm
41、 2 位有效数字游标卡尺：L=0.320cm 3 位有效数字螺旋测微计：L=0.3202cm 4 位有效数字有效数字与数学上的数字具有不同的含义，只有最高一位非零数字后的数字才是有效数字。例如 0.0345m 与 3.45cm 是一回事，都是 3 位有效数字；0.20m 不等于 200mm，因为前者准确到 0.1m 为 2 位有效数字，后者准确到 10mm 为 3 位有效数字。二、有效数字的基本性质1十进制中有效数字的位数与单位换算无关单位的换算并不会改变测量值的准确程度，例如 4.63cm=46.3mm=0.0463m 都是 3 位有效数字。2.最高位非零数字前的“0”不是有效数字，而非零数
42、字后的“0”都是有效数字0.286 为 3 位有效数字，0.2860 为 4 位有效数字。末位的“0”反映了测量值的大小与精度，例如 1.26cm 表示测量量具的最小分度值为 0.1cn（准确位），估读到 0.01cm（误差位）；1.260cm 表示测量量具的最小分度值为 0.01cm（准确位），估读到 0.001cm（误差位），显然 1.260cm 的精度要比 1.26cm 的精度高。3.数量较大或较小的数字采用科学记数法，以方便单位换算1.26cm=1.2610-2m=1.260101mm=1.260104m科学记数法中一般小数点前只保留 1 位数字。例如4.600s=4.6103ms三、
43、有效数字的规则1.直接测量量的读数规则测量值的有效数字能够反映测量的精度，通常测量仪器的最小分度值与仪器的精度有一定的关联。对于可估读的仪器或量具应估读到最小分度的 1/10，也可根据刻度的细密程度估读到最小分度的 1/51/2；对于不可估读的量具如游标，应读到最小分度值。现在广泛使用的数字仪表，误差一般反映在末位的示值上，因而仪表上所显示的数字均为有效数字。2.有效数字的修约规则过去数字的修约采用“四舍五入法则”，但是这种修约规则在数字末位恰好等于 5 时进一位，这就使得数字修约时“进”的概率大于“舍”的概率，在数据处理时增加了截尾误差。因此现改用国家标准 GB8017-87 规定的数值修约
44、法则“四舍六入五凑偶”。即小于5 的数字舍，大于 5 的数字进，等于 5 则将尾数凑成偶数。例如： 2.375 取 3 位有效数字为 2.383.645 取 2 位有效数字为 3.63.645 取 3 位有效数字为 3.643.64502 取 3 位有效数字为 3.653.有效数字的运算规则（1）有效数字的加减运算不同有效位数的数相加减时，欠准数字与准确数字加减后仍然是欠准数字，最后结果只保留 1 位欠准数字。通常简化运算可以将参与运算的数字修约到与欠准数字末位数最高的数对齐，然后再运算。在加法运算时，运算结果有时会增加 1 位有效数字，而在减法运算时，运算结果有时会减少 1 位有效数字。（2
45、）有效数字的乘除运算不同有效位数的数相乘除时，欠准数字与准确数字乘除后仍然是欠准数字，最后结果只保留 1 位欠准数字。通常简化运算可以将参与运算的数字修约到与有效数字位数最少的大学物理实验指导书15数相同，然后再运算。运算结果在数字相乘时，运算结果在数字相乘时，运算结果有时会增加 1 位有效数字；相除时，运算结果有时会减少 1 位有效数字。（3）有效数字的乘方、开方运算有效数字的乘方、开方运算，在乘方、开方次数不太高时，其结果的有效数字位数不变。但当乘方、开方次数增大时，开方运算的结果有效数字位数会减小，乘方运算的有效数字位数会增大。（4）函数运算对数函数运算后的有效数字看小数点后的位数，它的
46、位数与真数位数相同。lg1.855=0.2753lg1855=3.2753指数函数运算后的有效数字位数与指数小数部分的位数（包含零）相同。106.25=1.8106100.0045=1.010三角函数的有效数字位数与角度有关。（5）其他常数的有效数字位数通常比测量值多取 1 位 。运算中间结果的有效数字应多保留 1 位。有效数字的简化运算可以在手工计算时节约时间，但同时也会增加截位误差。实际上实验的数值运算通常由计算机完成，因此往往将数字不经修约地直接由计算机求得最终结果。因为根据约定最终结果只包含 1 位欠准数字，误差（或不确定度）也只取 1 位有效数字的原则，由末位对齐原则可确定最终结果的
47、欠准位。1.7 数据处理的基本方法实验中获得了大量的测量数据，实验人员需要对实验数据进行记录、整理、计算与分析，从而寻找出测量对象的内在规律，正确地给出实验结果，这就需要学会正确的数据处理方法。所以说，数据处理是实验工作不可缺少的一部分。数据处理的方法很多，这里将介绍列表法、图示法、图解法、逐差法等。一、列表法对一个物理量进行多次测量，或者测量几个量之间的函数关系，往往借助于列表法把实验数据列成表格。它的好处是简单、方便， ，使大量数据表达清晰醒目，条理化，易于检查数据和发现问题，避免差错，同时有助于反映出物理量之间的对应关系。但要进行深入的分析，表格就不能胜任了。它对数据变化的趋势不如图解法
48、明了和直观，但列表法是图示法和经验公式法的基础。列表格没有统一的格式，但在设计表格时要求能充分反映上述特点，因此要注意以下各点。（1）各栏目均应标明物理量的名称和单位（用 SI 单位的国际符号字母表示） 。单位应写在标题栏中，一般不要重复地记在各数字后面。（2）列入表中的主要应是原始数据，计算过程中的一些中间结果和最后结果也可列入表中，但应写出计算公式，从表格中要尽量使人看到数据处理的方法和思路，而不能把列表变成简单的数据堆积；对原始数据不应随便涂改，确实需要修改时，也应该将原来的数据画条杠以备查。（3）栏目的顺序应充分注意数据间的联系和计算顺序，力求简明、齐全、有条理。（4）反映测量值函数关系的数据表格，应按自变量由小到大或由大到小的顺序排列。如测一电阻丝在不同温度下的电阻值的测量数据，如下表所示：大学物理实验指导书16二、图示法物理规律既可以用解析函数关系表示，也可以借助图线表示。工程师和科学家一般对定量的图线最感兴趣，因为定量图线形象直观，使人看了一目了然。它不仅可以简明地显示物理量之间的相互关系、变换趋势，而且可以方便地找出函数的极大值、极小值、转折点、周期性和其他奇异性。尤其是对那些尚未找到适当的解析函数表达式的实验结果，可以从所画出的图线中去寻
