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高中物理竞赛之实验理论


实验理论 物理学是一门实验科学, 几乎所有的物理定律都来自于物理实验并不断地受到新的物理 实验的检验,因此研究物理实验是每个对物理感兴趣的同学必须做的工作,正因为如此,物 理实验在物理竞赛中也占有重要的地位, 不论是全国物理竞赛, 还是国际奥林匹克物理竞赛, 实验内容都要占 30%—50%的比例。 一、 有关实验的基础知识 (一)实验误差的概念 1、为什么要讨论测量误差 任何物质都有自身的各种各样的特性,反映这些特征的 量所具有的客观真实数值, 称为真值。 测量的目的就是力图得到真值, 但是由于测量的方法、 仪器、环境和测量者本身都必然存在着某些不理想情况,所以测量不能无限精确,在绝大多 数情况下,测量结果与客观存在的真值之间总有一定的差异,这就是测量误差,测量误差的 大小反映我们的测量偏离客观真实数值的大小,反映测量结果的可信程度。 从某种意义上说,不给出测量误差的测量结果是没有意义的,是无法使用的,例如我们 测量出某种合金的密度是( 3.2 ? 0.2) ?10 kg m ,即说明这种合金的密度不会小于 3 3 3.0 ? 103 kg m3 ,不会大于 3.4 ? 103 kg m3 。如果用这种合金制造飞机,就可以估计出飞 机的最大和最小质量。相反,如果测出的密度没有误差范围,是没有实际使用意义的。 测量误差是反映测量结果好坏的物理量,它与实验的各个方面都有密切的关系,例如, 我们要根据测量误差的限度制定实验方案,即确定实验原理和步骤,并选用器材,在实验操 作过程中,要千方百计减小误差,最后,通过对实验数据的处理,确定实验结果的误差,由 此可见,考虑实验误差是贯穿于实验全过程的事。 2、实验误差的分类 (1)绝对误差和相对误差 误差按其表达形式可分为绝对误差和相对误差。 1)绝对误差:测量值与真值之差的绝对值叫绝对误差,定义为: 绝对误差( ? )= 测量值( x) ? 真值( A) 绝对误差反映了测量值偏离真值的大小。 2)相对误差:绝对误差无法表示测量质量的高低,例如在测量上海到北京的距离时, 如果绝对误差是 1 米,测量质量已很高;但是如果测量百米跑道时产生 1 米的误差,则测量 质量就不好了,为了说明测量质量的高低,我们还要引入相对误差的概念,其定义为: 相对误差(E)= 绝对误差( ? ) ? 真值(A) 相对误差常用百分数的形式来表示: (2) 系统误差和偶然误差 误差按其性质及其产生的原因, 又可以分为系统误差和偶 然误差两种。 1)系统误差:系统误差的特征是带有确定的方向性,在相同的条件下,对同一量进行 多次测量,误差的正负保持不变,如果测量值偏大,则总是偏大;如果测量值偏小,则总是 偏小,系统误差的来源主要有以下几个方面: 原理误差:由于测量所依据的理论公式的近似性(不完善性)而造成的误差,例如,单 E? ? ? 100 % A T ? 2? 摆的周期公式 用伏安法测电阻时, 因忽略了电流表的分压作用或电压表的分流作用, 测得的结果只能是近 似值。 仪器误差:由于测量仪器本身的缺陷而造成的误差,例如尺子过长或过短、秒表零点不 准、天平不等臂、砝码不够标准等等。 环境误差:由于测量时周围的环境(温度、压力、湿度等)不理想而造成的误差。例如 1 l g ,它成立的条件是摆角趋近于零,否则就是一个近似公式;又如 在 20℃时定标的标准电阻在 30℃的环境中使用等。 很明显,由于系统误差有固定的偏向性,所以用多次测量求平均值不能减小系统误差, 但如果我们找到了某个系统误差产生的原因, 就可以采取一定的方法去减小它

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