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1、物理实验的基本检测方式系统偏差的剖析与处理设计性实验检测的方式比较法是将被检测与相关标准量进行直接或间接比较得到检测值的方式如米尺水表都是按照比较法设计而成的仪器50100200mA0200比较法可分为直接比较法和间接比较法比较法间接比较检测法因为个别数学量难以进行直接比较检测故需设法将待测数学量转变为另一种能与已知标准量直接比较的数学量其实这些转变必须服从一定的单值函数关系如用水银的热膨胀去检测气温用弹簧的形变去测力等均为这类检测此种检测称间接比较检测法直接比较检测法把待测数学量X与已知其值的同类化学量或标准量S相比较而直接获取量值的方式这些比
2、较一般要依靠仪器或标准量具比较系统有些比较要依靠于或简或繁的仪器设备经过或简或繁的操作就能完成这种仪器设备称为比较系统天平电桥电位差计等均是常用的比较系统为了进行比较常用以下方式直读法均衡法补偿法或示零法比率检测法交换法和取代法米尺测长电压表测电压硬度电子秒表测时间等都是由标度尺示值或数字显示窗示值直接读出被测值称为直读法直读法直读法操作简便实用但它的检测精度取决于标准量具或检测仪器的精度因而标准量具和检测仪器一定要定期校正还要根据规定条件使用否则都会形成很大的系统偏差均衡法补偿法或示零法把标准值S选择或调节到与待测化学量X值相等用于抵消
3、或补偿待测化学量的作用使系统处于平衡或补偿状态处于平衡状态的检测系统待测化学量X与标准值S具有确定的关系这些检测方式称为均衡法或补偿法检测系统中包含有标准量具和平衡器或示零器在检测过程中待测化学量X与标准量S直接比较调整标准量S使S与X之差为零故也有人称其为示零法这个检测过程就是调节平衡或补偿的过程可以免去一些附加的系统偏差当系统具有高精度的标准量具和平衡指示器时可获得较高的帧率灵敏度及检测的精确度均衡法的运用是十分广泛的诸如等臂天平称重惠斯顿电桥在比列臂为11时测内阻电位差计测电流以及各类平衡电桥的调节等特征优点补偿法用
4、在标准量具上形成的精度很高的某种效应完全补偿由待检测形成的同种效应得到未知量的方式如电位差计I0I0I0小时大时将一个未知量X与一已知量S的某分数或倍数进行比较XKSK为比列系数可由实验定出因而得到未知量X值的方式比如惠斯顿电桥的倍率旋钮挡的设计就是借助了百分比检测法的原理即借助KK0001001011101001000来达到改变阻值的目的百分比检测法用天平称衡物体质量时第一次称衡在左盘放置被测物体右盘放砝码第二次称衡在右盘放置被测物体左盘放砝码取两次称衡结果的几何平均值作为被测物体的质量可以去除可能存在的天平不等臂误
5、差的影响类似的检测方式称为交换法在用平衡电桥测内阻时先接入待测内阻调电桥平衡再用可调内阻箱替换待测内阻并保持其它条件不变调内阻箱重新使电桥平衡则内阻箱示值即为被测内阻的电阻类似的检测方式称为取代法交换法和取代法交换法和取代法常被拿来清除系统偏差提升检测的精确度交换法取代法积累和放大法当待检测或待测讯号数值过小难以测准时可以将其放大后再进行检测因为待测化学量的不同放大的原理和技巧也不同常用的放大法有以下几种累积放大法机械放大法热学放大法光学放大法放大法通过某种方式将被检测放大后再进行检测如螺旋测微计测长150把螺纹细分而进行放大累积放大法
6、在化学实验中我们经常可能碰到这样一些问题即受检测仪器精度的限制或受人的反应时间的限制单次检测的偏差很大或难以测出待检测的有用信息这就须要采用累积放大法来进行检测比如单摆实验的周期检测假设单摆周期T为200s人开启和关掉秒表的平均反应时间为t02s则单次检测周期的相对偏差为tT10若我们检测50个周期则将由人开启和关掉秒表的平均反应时间造成的偏差降到t50T02回旋加速器也是借助了累积放大的原理电子每通过加速器半圆的出口进行一次加速使电子的能量不断降低机械放大法机械放大是利使劲学量之间的几何关系进行转换放大的一种最直观的放大方式螺旋测微原理是一种机
7、械放大将缸径螺旋进一圈的推动距离通过螺栓上的圆周来进行放大放大率Dd其中d是斜度D是微分筒半径因为放大作用增强了检测仪器的帧率因而提升了检测精度热学放大法电子学的放大电路将微弱的联通号放大后进行检测这就是热学放大法如今各类新型的高集成度的运算放大器不断涌现热学放大的放大率可以远低于其它放大形式因而经常把其它化学量转换成联通号放大之后再转换回来如压电转换光电转换电磁转换等同样为了防止失真要求联通号放大的过程也应尽可能是线性放大光学放大法光学放大法分为视角放大和微小变化量微小宽度微小角度放大两种放大镜显微镜和望远镜等都属于视角放大的仪器这
8、类仪器只是在观察中放大视角并不是实际规格的变化所以并不降低偏差从而许多精密仪器都是在最后的读数装置上加一个视角放大装置以提升检测精度微小变化量的放大原理常用于检流计光杠杆等装置中如检测微小厚度变化的光杠杆镜尺法则是通过检测放大的数学量来获得微小的厚度变化模拟法对不易检测的量用对模型的检测替代对原型的检测模拟法般可分为以下几种几何模拟法数学模拟法物理模拟法转换法对未能直接检测的量转换为对该量所形成的某种效应进行检测如测酸碱盐碱液的含量I转换法转换检测法是按照化学量之间的各类效应和定量函数关系借助变换原理将不能或不易检测的待测数学量转换成能测或易测的
9、物理量进行检测之后再求待测化学量实际上就是间接检测法的具体应用因为化学量之间存在多种关系和效应因而也就有不同的转换法这恰恰反映了化学实验中最有启发性和开创性的一面热阻转换法能量转换法转换法通常可分为1把测不准的量转换成可检测的量2用检测化学量的改变量取代检测化学量3把不可测的量转换成可测的量4把单个检测点的估算方式改变为多个检测点的画图法或回归法热阻转换法热阻转换法是借助化学量之间变换的某种函数关系进行的间接检测用压电传感测驾驶员坐椅的受力分布待测粮食传送带粮食烘干装置待测粮食的含水量与反射光强I有关干涉计量法现代精密计量的基础借助声波反射
10、判断前方障碍物冰山暗礁渔船鱼群等非电量电测非光量的光测月球地球直角反射器通过测发射与接收两光讯号的时间间隔在C已知的条件下可知月球地球之宽度离为38万公里激光具有良好的方向性故制成各类激光测距仪化学实验的基本操作技术1仪器初态和安全位置2零值零点调整3水平铅直调整4清除视差的调整5变焦6等高共轴调整7清除空程偏差8逐次迫近调整9先定性后定量原则10回路接线法11跃接法二偏差的分类系统偏差随机偏差过错偏差天平不等臂所导致的系统偏差仪器偏差1系统偏差AOBb因为理论推论中的近似形成的系统偏差理论公
11、式忽视了空气阻力等增长时受空气阻力f与下落速率v乃至成反比则v减小一定值fmg物体将作匀速直线运动下落物体的极限速率约为人为心理作用读数恐怕偏大或偏小环境市电的干扰输入光点检流计接近时静电干扰使光斑联通等方式内接VVRVAVIRIV用V作为VR的近似值时求外接降低检测次数偏差不能减少表现出恒偏大恒偏小或周期性的特征只能从方式理论仪器等方面的改进与修正来清除或减少系统偏差的特性系统偏差的特点与规律定值系统偏差变值系统偏差图表示各类系统偏差随检测过程t变化而表现出的不同的特点按对系统偏差的表现方式分已定系统偏差未定系
12、统偏差按对系统偏差把握的程度来分在整个检测过程中偏差的大小和符号恒定不变这些偏差称为定值系统偏差如图中直线a所示定值系统偏差诸如卡尺未校正零值天平砝码的标称值不准等都将对检测结果引入这些定值系统偏差1已定系统偏差这类偏差在检测过程中能确定其大小和方向在处理时可以对检测结果进行修正2未定系统偏差这类偏差在检测过程中不能确定其大小和方向在处理时常用恐怕偏差限的方式得出并将其划入不确定度中的B类份量处理已定系统偏差和未定系统偏差线形累进变化非线形变化周期性变化复杂规律变化变值系统偏差在检测过程中当检测条件变化时偏差的大小和符号按一定的规律变化的误
13、差称为变值系统偏差按其变化规律又可以分为发觉系统偏差的方式系统偏差的减少与清除理论剖析法实验对比法数据剖析法偏差症结减少清除实验方法交换法取代法异号法等用修正值修正检测结果周期性系统偏差清除法系统偏差的发觉与清除首先应仔细剖析所采用的实验方式仪器设备环境条件和检测者的素养等方面对可能形成系统偏差的诱因尽可能预先处理清除系统偏差形成的症结诸如检测仪器要求铅直或水平放置能够正常工作的则应在检测前做好调整工作为了保证仪器仪表的确切可靠应定期对其进行校准为了清除仪表之间的互相干扰则应在检测布局上正确安排合理布局假如外界的气温压力和震动等变化会引入系
14、统偏差则应稳定其体温压力等外界条件降低震动后再进行检测解决系统偏差的根本办法用修正值修正检测结果包括对仪器仪表的示值进行校正引入修正值或做出校正曲线之后取与偏差数值大小相同而符号相反的值作为修正值将实际测得值加上相应的修正值即可以得到不包含系统偏差的检测结果要求对仪器仪表提供修正值的标准用具应具有较高的精确度通常均应比被校仪器高出两个精度等级也可以对理论公式进行修正找出修正值本次课内容设计性实验的通常程序具有设计性内容的实验主要设计内容包括构建数学模型确定实验方式选择仪器设备制订实验步骤设计性实验检测型实验对某一数学量如电容折射率静态磁特
15、性的检测等进行测定达到设计要求研究型实验用实验确定两化学量或多化学量之间的关系电源特点研究并对其化学原理外界条件的影响或应用价值等进行研究制做型实验设计并组装装置如万用表全息光栅等三种类型通常要求第一次为打算实验要求先有方案和参考资料列表了解所需实验仪器性能和操作方式进行试做研究设计方案的可行性第二次带可行的设计方案精做实验设计性实验的通常程序构建化学模型一构建化学模型按照实验对象的数学性质研究与实验对象相关的化学过程原理及过程中各化学量之间的关系推论物理公式例检测上海地区的重力加速度g检测精度要求哪些化学现象或化学过程与g有关
16、自由落体运动物体在斜面上的滑动抛体运动单摆数学模型的构建要测某一地区的重力加速度或则构建一个单摆的数学模型可构建个自由落体运动的数学模型注意适用条件1只有系小球的细线的质量比小球质量小好多2小球的半径比细线的厚度小好多3小球在重力作用下做小角度摆动等周期才满足公式检测重力加速度的数学模型自由落体模型只能测一个单程的时间与位移当下落行程h为2m时所需时间t只有06s多这就对计时仪器的精度提出了很高的要求单摆模型可测n个周期的累积摆动时间对于摆长L1m的单摆周期T约为2s若累计测50个周期则时间间隔达100s左右似乎采用此方案既简单
17、又确切因而选单摆模型比自由落体要好诸如在检测气温时可以使用水银体温计热电偶热敏内阻等多种用具检测电流可以用万用表数字电流表电位差计示波器等一个实验中可能要检测多个数学量而每位化学量又都可能有多种检测方式必须按照被测对象的性质和特征列举各类可能的实验方式剖析各类技巧的适用条件比较各类技巧的局限性及可能达到的实验精度等诱因并考虑各类方式施行的可能性异同点综合后作出选择通常情况下为减少偏差应尽可能采取等精度的多次检测对于等间隔线性变化的实验数据的处理可采用逐差法最小二除法等实验方式的选择检测仪器的选择与配套在间接检测中每位独立检测量的不
18、确定度就会对最终结果的不确定度有贡献若检测结果的合成不确定度为则中的每一项都要大致相等选择的方式是通过待测的间接检测量与各直接检测量的函数关系导入不确定度传递公式并根据不确定度均分原理将对间接检测量的不确定度要求分配给各直接检测量再由此选择精度和阻值适宜的仪器诸如不确定度均分原理选择检测仪器不确定度传递公式单摆实验测长仪器的容许最大不确定度示值偏差为35mm计时仪器的容许最大不确定度示值偏差为00036s考虑到检测便捷选摆长L约为lm则周期约为2s选择lmm刻度的米尺测长完全可以达到要求考虑到用停表计时时最小显示为001s又因为操作者技术引
19、起的偏差在02s左右所以需采用累积计时法如先检测100个周期的时间再转换成一个周期的时间才能满足上述设计要求由此计算出诸如因为条件限制某一数学量检测的不确定度稍大继续增加不确定度又比较困难这时可以容许该量的不确定度大一些而将其它化学量的检测不确定度降得更低以保证合成不确定度达到设计要求另外由有效数字运算法则可知所选检测仪器的检测精度有效数字位数应大致相同为了合理使用仪器达到相应的检测精度在选择仪器时应按照实际情况兼具仪器的等级和阻值使仪器的阻值略小于检测值即可不确定度均分只是一个原则上的分配方式对于具体情况还可具体处理诸如若待测电压为60
20、mA05级阻值为300mA的电压表10级阻值为75mA的电压表仪器示值偏差限偏差限值的相对值因为待检测的量值与仪器的阻值不匹配用05级的表测得的结果反倒不如10级的表好比较其结果可见在实验方式及仪器选取的情况下选择有利的检测条件最大限度地减少系统偏差检测条件与最佳参数的确定如用单摆测重力加速度时我们选用的实验装置必须满足球要小可看成质点线要轻可忽视摆线质量摆角要大于以满足公式的要求又如通常水表读数的最有利条件是选定水表刻度盘的23附近的区域另外环境条件如气温温度气压射线电磁场震动等对仪器的正常工作就会有一定的影响也会导致系统误
21、差所以选取合适的检测环境也是不可忽略的提出具体方案撰写打算报告整个过程中要查阅足够的参考资料在实验室实地考查仪器情况并进行打算性实验参考资料学院数学化学实验教科书不同版本有关检测传感方面的教材和著作仪器仪表元件指南仪器说明书国家标准行业标准技术规范等实验操作实验报告实验打算报告实验题目一实验任务二实验要求三实验方案1化学模型的比较与选择2实验方式的比较与选择3仪器的选择与配套1偏差公式的推论2仪器的选择4检测条件与最佳参数的确定1检测条件2最佳参数四实验步骤粗略五实验注意事项实验报告实验题目一实验任务二实验要求三实验方案通过试测选取的实验方案包括原理公式和原理图四实验步骤粗略五数据处理实验数据数据处理偏差计算偏差剖析六实验总结包括对本实验的总结实验中的感受收获对实验选题的建议意见等