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第11章 实验与发现(5)

通过对数据的分析,霍耳得出结论:汤姆逊电流计的作用与磁力和通过金箔的电流之积成比例。即横向电动势:E∝HII′。通过金箔带的电流I磁场的强度H通过汤姆逊电流汁的电流I′I×HI′0.616114202.32×10-93.03×10120.249112400.85×10-93.29×1012。0.389110601.35×10-93.19×10120.59876701.47×10-93.12×1012。0.59557001.04×10-93.26×1012。

又如,用一只电压表和一只毫安电流表来研究一个定值电阻的电压一电流关系,从而求出该电阻的阻值,由于在研究过程中,需要从零开始改变定值电阻上的电压、电流,所以将变阻器接成分压器的形式。设实验中电压依次取值为2.00V,4.00V,6.00V,8.00V,10.00V,测得通过定值电阻的电流依次为15.4mA,31.0mA,47.2mA,68.8mA,76.6mA。下面先把这些数据是如何采集的分析一下。

因为在电压、电流两个变量中有一个是独立的,为了处理方便,不妨使其中的一个取计算方便的值,在此就控制电压为整数值;因为电阻上的电压、电流基本上是线性关系,所以,可以使所取的电压值均匀分布,这样就可以比较清楚地反映整个实验取值范围内电阻上电流随电压的变化情况。

采集到实验数据之后,还要用正确的方法把它记录下来,才便于整理、分析。试把上面测得的电压、电流值记录成如下表的格式。

12345、电压V电流mA电压V电流mA电压V电流mA电压V电流mA电压V电流mA2.0015.44.0031.06.0047.28.0068.810.076.6。

显然,这样一张数据表很难给人一个清晰的印象。但如把记录表格改成如下表的格式,就使人一目了然(表中电阻一项是以后通过计算得到的)。

测量次数12345、电压U(V)2.004.006.008.0010.0、电流I(mA)15.431.047.268.876.6、电阻R=U(I/)128129127116131。

从这个表格的设计中还可以看出,一份完整的数据表除了将各组数据合理地排列外,通常应该包括以下内容:①所测得的数据或数据组的编号;

②直接测量和间接测量的物理量的名称、符号、单位;⑧间接测量的物理量的计算式。

在采集数据时,应该尽可能使数据点合理地分布在所研究的整个区域里。如果所研究的几个物理量之间不是线性关系,则在一个量随着其他的量变化较快的区域,数据点应取得密一些;变化较慢的区域,则可以取得疏一些。

例如,在研究物体所受外力一定的条件下加速度与物体质量的关系时,按相同的间隔将物体的质量取100g,150g,200g,250g,300g,350g,然后用作“α-1/m”图线的方法来检验加速度是否与物体的质量成反比关系。从表面上看起来,数据的分布是均匀的,但实际上,由于加速度和物体的质量呈反比关系,当用上面的数据作成“α-1/m”图线时,数据点将集中在质量大,即1/m值较小的区域。为了使作图时数据点在“α-1/m”图线中基本上能均匀分布,应使连续两次所取的物体质量的倒数之差大致上是一常量。

例如,将物体的质量取为100g,120g,140g,180g,250g,350g就比较合理了。

误差理论是进行实验数据处理的依据

(1)各个物理量的测量不可避免地都存在误差。

我们对常用的仪器和一般的测量方法误差的大小要有一个初步的概念。例如,用带毫米刻度的米尺来测量物体的长度,测量的误差一般可以控制在±0.5mm之内;用最小分度为0.02A的电流表来测电流,测量的误差一般可以控制在土0.01A之内,等等。这样,就能对自己测得的数据的合理性有一个基本的估计,而不是去拼凑实验的数据了。

(2)用绝对误差或相对误差来表示误差大小时是如何反映测量的精确程度的。

设用皮尺来测量一条百米跑道的长度,误差为10cm,用螺旋测微器来测粗细约为0.07mm的头发的直径,误差为0.01mm,就绝对误差来说,后者要小得多,但就实际的精确程度来说,前者就要高得多了。

在间接测量中,如果要测量的是几个直接测量的量的和或差时,测量的精度主要由直接测量的量中绝对误差最大的量决定,因此,测量中应首先考虑提高绝对误差最大的量的精确程度。例如,测“单摆”的摆长时,摆线长度测量的绝对误差显然要比摆球直径测量的绝对误差大得多,因此,首先要测准摆线的长度。而如果间接测量的量是几个直接测量的量的积或商时,测量的精度主要由直接测量中相对误差最大的量的精确程度决定。

因此,测量中应首先考虑如何提高相对误差较大的量的精确程度,例如,用天平称出一不规则物体的质量,再用量筒量出物体的体积,然后由式ρ=m/V求出物体的密度,显然体积测量的相对误差要比质量测量的相对误差大得多,实验中就应首先考虑提高体积测量的精确程度。

(3)系统误差、偶然误差的初步概念、特点和消除的方法。

系统误差的特点是在同一条件下(方法、仪器、环境和观测者不变)、多次测量同一量时,误差的大小和符号总按一定的规律变化,消除的方法或者是校准仪器,或者是改进测量的原理,或者是改善实验的环境,或者是克服观测者的不良习惯。

例如,用“伏安法”测导体的电阻,用电压表内接的电路,不论经过几次测量,测量值总是偏小。解决的办法或是换用内阻更大的电压表或是根据电压表的内阻值对测量结果进行修正,或是改用电桥法进行测量等等。偶然误差是由于各种难以确定的因素引起的特点是每次测量偏大或偏小的机会差不多,因此,消除的方法可以在相同的条件下对同一个量进行多次测量,然后取它们的平均值。

例如,用螺旋测微计测一片金属片的厚度,或者由于每次的测量时施加的压力不同,或者每次估读时有偏差,每次的读数可能偏大或偏小,但若取多次测量结果的平均值,误差就小得多了。

需要说明,偶然误差不是没有因果关系可以追寻的,只是有时观测者对实验中的各种因素不能完全把握,或者虽然知道某种因素对实验结果有什么影响,但处理起来过于复杂,不能或不便于对测量结果进行修正罢了。同时,系统误差和偶然误差的区分也不是绝对的。

例如,用一只电流表来测量一个电路里的电流,由于指针转动时轴上有摩擦,每次测量同样大小的电流时,指针并不准确地停在同一刻度上,这样造成的误差大小和符号是不能确定的,这就属于偶然误差。

电流表表头内磁铁的磁场沿半径方向的分布并不是绝对均匀的,这使得表头的刻度也不是绝对准确的。如果已经用高一级的电流表对每一个刻度进行了校正,则测量时就可以根据校正值对凑数进行修正,这时电流表读数的误差就属于系统误差;如果没有对电流表进行校正,则对每个电流值进行测量时误差的大小就无法预计,这样造成的读数误差就作为偶然误差来处理。

处理实验数据的几种方法

(1)用计算法求测量的平均值处理实验数据。

在相同条件下对某—物理量进行多次的直接测量,各次测量值的算术平均值就是最终的测量值(有时还要涉及加权平均问题)。当然在对某—物理量进行间接测量的情况下,求平均值时要慎重处理。

例如,测定了—个定值电阻上的若干组“电压—电流”值来求该电阻的阻值,正确的方法是先根据各组电压、电流值计算出电阻数目,然后再求电阻的平均值。

例如,先求得R1=2.00V/15.4mA=128ΩR2=4.00V/31.0mA=129ΩR3=6.00V/47.2mA=127ΩR4=8.00V/68.8mA=116ΩR5=10.00V/76.6mA=128Ω通过比较,第四组数据和其余各组平均值相差太大,超过所用仪表的基本误差很多(假定所用电流表是2.5级的),说明测量中有某些差错,应舍弃不用。这样,求得电阻的测量值R=(R1+R2+R3+R5)/4=(128+129+127+128)/4=128Ω如果用以下的方法求平均值:先求电压的平均值U=(2.00+4.00+6.00+8.00+10.00)/5=6.00V再求电流的平均值I=(15.4+31.0+47.2+68.8+76.6)/5=42.2mA然后求得电阻R=U/I=142Ω。显然,这种方法是毫无意义的。

又如,在用打点计时器测量匀加速直线运动物体的加速度时,可以用“逐差法”。设连续6个时间间隔T内物体的位移依次是s1,s2,s3,s4,s5,s6。先求得a1=(s4-s1)/3T2

a2=(s5-s2)/3T2

a3=(s6-s3)/3T2。