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1、物理實驗的基本檢測方式系統偏差的剖析與處理設計性實驗檢測的方式比較法是將被檢測與相關標準量進行直接或間接比較得到檢測值的方式如米尺水表都是按照比較法設計而成的儀器50100200mA0200比較法可分為直接比較法和間接比較法比較法間接比較檢測法因為個別數學量難以進行直接比較檢測故需設法將待測數學量轉變為另一種能與已知標準量直接比較的數學量其實這些轉變必須服從一定的單值函數關系如用水銀的熱膨脹去檢測氣溫用彈簧的形變去測力等均為這類檢測此種檢測稱間接比較檢測法直接比較檢測法把待測數學量X與已知其值的同類化學量或標準量S相比較而直接獲取量值的方式這些比
2、較一般要依靠儀器或標準量具比較系統有些比較要依靠于或簡或繁的儀器設備經過或簡或繁的操作就能完成這種儀器設備稱為比較系統天平電橋電位差計等均是常用的比較系統為了進行比較常用以下方式直讀法均衡法補償法或示零法比率檢測法交換法和取代法米尺測長電壓表測電壓硬度電子秒表測時間等都是由標度尺示值或數字顯示窗示值直接讀出被測值稱為直讀法直讀法直讀法操作簡便實用但它的檢測精度取決于標準量具或檢測儀器的精度因而標準量具和檢測儀器一定要定期校正還要根據規定條件使用否則都會形成很大的系統偏差均衡法補償法或示零法把標準值S選擇或調節到與待測化學量X值相等用于抵消
3、或補償待測化學量的作用使系統處于平衡或補償狀態處于平衡狀態的檢測系統待測化學量X與標準值S具有確定的關系這些檢測方式稱為均衡法或補償法檢測系統中包含有標準量具和平衡器或示零器在檢測過程中待測化學量X與標準量S直接比較調整標準量S使S與X之差為零故也有人稱其為示零法這個檢測過程就是調節平衡或補償的過程可以免去一些附加的系統偏差當系統具有高精度的標準量具和平衡指示器時可獲得較高的幀率靈敏度及檢測的精確度均衡法的運用是十分廣泛的諸如等臂天平稱重惠斯頓電橋在比列臂為11時測內阻電位差計測電流以及各類平衡電橋的調節等特征優點補償法用
4、在標準量具上形成的精度很高的某種效應完全補償由待檢測形成的同種效應得到未知量的方式如電位差計I0I0I0小時大時將一個未知量X與一已知量S的某分數或倍數進行比較XKSK為比列系數可由實驗定出因而得到未知量X值的方式比如惠斯頓電橋的倍率旋鈕擋的設計就是借助了百分比檢測法的原理即借助KK0001001011101001000來達到改變阻值的目的百分比檢測法用天平稱衡物體質量時第一次稱衡在左盤放置被測物體右盤放砝碼第二次稱衡在右盤放置被測物體左盤放砝碼取兩次稱衡結果的幾何平均值作為被測物體的質量可以去除可能存在的天平不等臂誤
5、差的影響類似的檢測方式稱為交換法在用平衡電橋測內阻時先接入待測內阻調電橋平衡再用可調內阻箱替換待測內阻并保持其它條件不變調內阻箱重新使電橋平衡則內阻箱示值即為被測內阻的電阻類似的檢測方式稱為取代法交換法和取代法交換法和取代法常被拿來清除系統偏差提升檢測的精確度交換法取代法積累和放大法當待檢測或待測訊號數值過小難以測準時可以將其放大后再進行檢測因為待測化學量的不同放大的原理和技巧也不同常用的放大法有以下幾種累積放大法機械放大法熱學放大法光學放大法放大法通過某種方式將被檢測放大后再進行檢測如螺旋測微計測長150把螺紋細分而進行放大累積放大法
6、在化學實驗中我們經常可能碰到這樣一些問題即受檢測儀器精度的限制或受人的反應時間的限制單次檢測的偏差很大或難以測出待檢測的有用信息這就須要采用累積放大法來進行檢測比如單擺實驗的周期檢測假設單擺周期T為200s人開啟和關掉秒表的平均反應時間為t02s則單次檢測周期的相對偏差為tT10若我們檢測50個周期則將由人開啟和關掉秒表的平均反應時間造成的偏差降到t50T02回旋加速器也是借助了累積放大的原理電子每通過加速器半圓的出口進行一次加速使電子的能量不斷降低機械放大法機械放大是利使勁學量之間的幾何關系進行轉換放大的一種最直觀的放大方式螺旋測微原理是一種機
7、械放大將缸徑螺旋進一圈的推動距離通過螺栓上的圓周來進行放大放大率Dd其中d是斜度D是微分筒半徑因為放大作用增強了檢測儀器的幀率因而提升了檢測精度熱學放大法電子學的放大電路將微弱的聯通號放大后進行檢測這就是熱學放大法如今各類新型的高集成度的運算放大器不斷涌現熱學放大的放大率可以遠低于其它放大形式因而經常把其它化學量轉換成聯通號放大之后再轉換回來如壓電轉換光電轉換電磁轉換等同樣為了防止失真要求聯通號放大的過程也應盡可能是線性放大光學放大法光學放大法分為視角放大和微小變化量微小寬度微小角度放大兩種放大鏡顯微鏡和望遠鏡等都屬于視角放大的儀器這
8、類儀器只是在觀察中放大視角并不是實際規格的變化所以并不降低偏差從而許多精密儀器都是在最后的讀數裝置上加一個視角放大裝置以提升檢測精度微小變化量的放大原理常用于檢流計光杠桿等裝置中如檢測微小厚度變化的光杠桿鏡尺法則是通過檢測放大的數學量來獲得微小的厚度變化模擬法對不易檢測的量用對模型的檢測替代對原型的檢測模擬法般可分為以下幾種幾何模擬法數學模擬法物理模擬法轉換法對未能直接檢測的量轉換為對該量所形成的某種效應進行檢測如測酸堿鹽堿液的含量I轉換法轉換檢測法是按照化學量之間的各類效應和定量函數關系借助變換原理將不能或不易檢測的待測數學量轉換成能測或易測的
9、物理量進行檢測之后再求待測化學量實際上就是間接檢測法的具體應用因為化學量之間存在多種關系和效應因而也就有不同的轉換法這恰恰反映了化學實驗中最有啟發性和開創性的一面熱阻轉換法能量轉換法轉換法通常可分為1把測不準的量轉換成可檢測的量2用檢測化學量的改變量取代檢測化學量3把不可測的量轉換成可測的量4把單個檢測點的估算方式改變為多個檢測點的畫圖法或回歸法熱阻轉換法熱阻轉換法是借助化學量之間變換的某種函數關系進行的間接檢測用壓電傳感測駕駛員坐椅的受力分布待測糧食傳送帶糧食烘干裝置待測糧食的含水量與反射光強I有關干涉計量法現代精密計量的基礎借助聲波反射
10、判斷前方障礙物冰山暗礁漁船魚群等非電量電測非光量的光測月球地球直角反射器通過測發射與接收兩光訊號的時間間隔在C已知的條件下可知月球地球之寬度離為38萬公里激光具有良好的方向性故制成各類激光測距儀化學實驗的基本操作技術1儀器初態和安全位置2零值零點調整3水平鉛直調整4清除視差的調整5變焦6等高共軸調整7清除空程偏差8逐次迫近調整9先定性后定量原則10回路接線法11躍接法二偏差的分類系統偏差隨機偏差過錯偏差天平不等臂所導致的系統偏差儀器偏差1系統偏差AOBb因為理論推論中的近似形成的系統偏差理論公
11、式忽視了空氣阻力等增長時受空氣阻力f與下落速率v乃至成反比則v減小一定值fmg物體將作勻速直線運動下落物體的極限速率約為人為心理作用讀數恐怕偏大或偏小環境市電的干擾輸入光點檢流計接近時靜電干擾使光斑聯通等方式內接VVRVAVIRIV用V作為VR的近似值時求外接降低檢測次數偏差不能減少表現出恒偏大恒偏小或周期性的特征只能從方式理論儀器等方面的改進與修正來清除或減少系統偏差的特性系統偏差的特點與規律定值系統偏差變值系統偏差圖表示各類系統偏差隨檢測過程t變化而表現出的不同的特點按對系統偏差的表現方式分已定系統偏差未定系
12、統偏差按對系統偏差把握的程度來分在整個檢測過程中偏差的大小和符號恒定不變這些偏差稱為定值系統偏差如圖中直線a所示定值系統偏差諸如卡尺未校正零值天平砝碼的標稱值不準等都將對檢測結果引入這些定值系統偏差1已定系統偏差這類偏差在檢測過程中能確定其大小和方向在處理時可以對檢測結果進行修正2未定系統偏差這類偏差在檢測過程中不能確定其大小和方向在處理時常用恐怕偏差限的方式得出并將其劃入不確定度中的B類份量處理已定系統偏差和未定系統偏差線形累進變化非線形變化周期性變化復雜規律變化變值系統偏差在檢測過程中當檢測條件變化時偏差的大小和符號按一定的規律變化的誤
13、差稱為變值系統偏差按其變化規律又可以分為發覺系統偏差的方式系統偏差的減少與清除理論剖析法實驗對比法數據剖析法偏差癥結減少清除實驗方法交換法取代法異號法等用修正值修正檢測結果周期性系統偏差清除法系統偏差的發覺與清除首先應仔細剖析所采用的實驗方式儀器設備環境條件和檢測者的素養等方面對可能形成系統偏差的誘因盡可能預先處理清除系統偏差形成的癥結諸如檢測儀器要求鉛直或水平放置能夠正常工作的則應在檢測前做好調整工作為了保證儀器儀表的確切可靠應定期對其進行校準為了清除儀表之間的互相干擾則應在檢測布局上正確安排合理布局假如外界的氣溫壓力和震動等變化會引入系
14、統偏差則應穩定其體溫壓力等外界條件降低震動后再進行檢測解決系統偏差的根本辦法用修正值修正檢測結果包括對儀器儀表的示值進行校正引入修正值或做出校正曲線之后取與偏差數值大小相同而符號相反的值作為修正值將實際測得值加上相應的修正值即可以得到不包含系統偏差的檢測結果要求對儀器儀表提供修正值的標準用具應具有較高的精確度通常均應比被校儀器高出兩個精度等級也可以對理論公式進行修正找出修正值本次課內容設計性實驗的通常程序具有設計性內容的實驗主要設計內容包括構建數學模型確定實驗方式選擇儀器設備制訂實驗步驟設計性實驗檢測型實驗對某一數學量如電容折射率靜態磁特
15、性的檢測等進行測定達到設計要求研究型實驗用實驗確定兩化學量或多化學量之間的關系電源特點研究并對其化學原理外界條件的影響或應用價值等進行研究制做型實驗設計并組裝裝置如萬用表全息光柵等三種類型通常要求第一次為打算實驗要求先有方案和參考資料列表了解所需實驗儀器性能和操作方式進行試做研究設計方案的可行性第二次帶可行的設計方案精做實驗設計性實驗的通常程序構建化學模型一構建化學模型按照實驗對象的數學性質研究與實驗對象相關的化學過程原理及過程中各化學量之間的關系推論物理公式例檢測上海地區的重力加速度g檢測精度要求哪些化學現象或化學過程與g有關
16、自由落體運動物體在斜面上的滑動拋體運動單擺數學模型的構建要測某一地區的重力加速度或則構建一個單擺的數學模型可構建個自由落體運動的數學模型注意適用條件1只有系小球的細線的質量比小球質量小好多2小球的半徑比細線的厚度小好多3小球在重力作用下做小角度擺動等周期才滿足公式檢測重力加速度的數學模型自由落體模型只能測一個單程的時間與位移當下落行程h為2m時所需時間t只有06s多這就對計時儀器的精度提出了很高的要求單擺模型可測n個周期的累積擺動時間對于擺長L1m的單擺周期T約為2s若累計測50個周期則時間間隔達100s左右似乎采用此方案既簡單
17、又確切因而選單擺模型比自由落體要好諸如在檢測氣溫時可以使用水銀體溫計熱電偶熱敏內阻等多種用具檢測電流可以用萬用表數字電流表電位差計示波器等一個實驗中可能要檢測多個數學量而每位化學量又都可能有多種檢測方式必須按照被測對象的性質和特征列舉各類可能的實驗方式剖析各類技巧的適用條件比較各類技巧的局限性及可能達到的實驗精度等誘因并考慮各類方式施行的可能性異同點綜合后作出選擇通常情況下為減少偏差應盡可能采取等精度的多次檢測對于等間隔線性變化的實驗數據的處理可采用逐差法最小二除法等實驗方式的選擇檢測儀器的選擇與配套在間接檢測中每位獨立檢測量的不
18、確定度就會對最終結果的不確定度有貢獻若檢測結果的合成不確定度為則中的每一項都要大致相等選擇的方式是通過待測的間接檢測量與各直接檢測量的函數關系導入不確定度傳遞公式并根據不確定度均分原理將對間接檢測量的不確定度要求分配給各直接檢測量再由此選擇精度和阻值適宜的儀器諸如不確定度均分原理選擇檢測儀器不確定度傳遞公式單擺實驗測長儀器的容許最大不確定度示值偏差為35mm計時儀器的容許最大不確定度示值偏差為00036s考慮到檢測便捷選擺長L約為lm則周期約為2s選擇lmm刻度的米尺測長完全可以達到要求考慮到用停表計時時最小顯示為001s又因為操作者技術引
19、起的偏差在02s左右所以需采用累積計時法如先檢測100個周期的時間再轉換成一個周期的時間才能滿足上述設計要求由此計算出諸如因為條件限制某一數學量檢測的不確定度稍大繼續增加不確定度又比較困難這時可以容許該量的不確定度大一些而將其它化學量的檢測不確定度降得更低以保證合成不確定度達到設計要求另外由有效數字運算法則可知所選檢測儀器的檢測精度有效數字位數應大致相同為了合理使用儀器達到相應的檢測精度在選擇儀器時應按照實際情況兼具儀器的等級和阻值使儀器的阻值略小于檢測值即可不確定度均分只是一個原則上的分配方式對于具體情況還可具體處理諸如若待測電壓為60
20、mA05級阻值為300mA的電壓表10級阻值為75mA的電壓表儀器示值偏差限偏差限值的相對值因為待檢測的量值與儀器的阻值不匹配用05級的表測得的結果反倒不如10級的表好比較其結果可見在實驗方式及儀器選取的情況下選擇有利的檢測條件最大限度地減少系統偏差檢測條件與最佳參數的確定如用單擺測重力加速度時我們選用的實驗裝置必須滿足球要小可看成質點線要輕可忽視擺線質量擺角要大于以滿足公式的要求又如通常水表讀數的最有利條件是選定水表刻度盤的23附近的區域另外環境條件如氣溫溫度氣壓射線電磁場震動等對儀器的正常工作就會有一定的影響也會導致系統誤
21、差所以選取合適的檢測環境也是不可忽略的提出具體方案撰寫打算報告整個過程中要查閱足夠的參考資料在實驗室實地考查儀器情況并進行打算性實驗參考資料學院數學化學實驗教科書不同版本有關檢測傳感方面的教材和著作儀器儀表元件指南儀器說明書國家標準行業標準技術規范等實驗操作實驗報告實驗打算報告實驗題目一實驗任務二實驗要求三實驗方案1化學模型的比較與選擇2實驗方式的比較與選擇3儀器的選擇與配套1偏差公式的推論2儀器的選擇4檢測條件與最佳參數的確定1檢測條件2最佳參數四實驗步驟粗略五實驗注意事項實驗報告實驗題目一實驗任務二實驗要求三實驗方案通過試測選取的實驗方案包括原理公式和原理圖四實驗步驟粗略五數據處理實驗數據數據處理偏差計算偏差剖析六實驗總結包括對本實驗的總結實驗中的感受收獲對實驗選題的建議意見等
