Основные положения методов обработки результатов прямых измерений с многократными наблюдениями определены в ГОСТ 8.207-76.
За результат измерения принимают среднее арифмети-ческое данных n наблюдений, из которых исключены систематичес-кие погрешности. При этом предполагается, что результаты наблю-дений после исключения из них систематических погрешностей принадлежат нормальному распределению. Для вычисления резуль-тата измерения следует из каждого наблюдения исключить система-тическую погрешность и получить в итоге исправленный результат i –го наблюдения. Затем вычисляется среднее арифметическое этих исправленных результатов, которое принимается за результат измерения. Среднее арифметическое является состоятельной, несмещенной и эффективной оценкой измеряемой величины при нормальном распределении данных наблюдений.
Следует отметить, что иногда в литературе вместо термина результат наблюдения иногда применяют термин результат отдельного измерения , из которого исключены систематические погрешности. При этом за результат измерения в данной серии из нескольких измерений понимают среднее арифметическое значение. Это не меняет сути излагаемых ниже процедур обработки результатов.
При статистической обработке групп результатов наблюдений следует выполнять следующие операции :
1. Исключить из каждого наблюдения известную систематическую погрешность и получить исправленный результат отдельного наблюдения x .
2. Вычислить среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений, принимаемое за результат измерения:
3. Вычислить оценку среднего квадратического отклонения
группы наблюдений:
Проверить наличие грубых погрешностей – нет ли значений , которые выходят за пределы ±3S . При нормальном законе распределений с вероятностью, практически равной 1 (0,997), ни одно из значений этой разности не должно выйти за указанные пределы. Если они имеются, то следует исключить из рассмотрения соответствующие значения и заново повторить вычисления и оценку S.
4. Вычислить оценку СКО результата измерения (среднего
арифметического)
5. Проверить гипотезу о нормальности распределения результатов наблюдений.
Существуют различные приближенные методы проверки нормальности распределения результатов наблюдений. Некоторые из них приведены в ГОСТ 8.207-76. При числе наблюдений меньше 15 в соответствии с этим ГОСТ принадлежность их к нормальному распределению не проверяют. Доверительные границы случайной погрешности определяют лишь в том случае, если заранее известно, что результаты наблюдений принадлежат этому распределению. Приближенно о характере распределения можно судить, построив гистограмму результатов наблюдений. Математические методы проверки нормальности распределения рассматриваются в специальной литературе.
6. Вычислить доверительные границы e случайной погрешности (случайной составляющей погрешности) результата измерения
где t q - коэффициент Стьюдента, зависящий от числа наблюдений и доверительной вероятности. Например, при n = 14, P = 0,95 t q = 2,16. Значения этого коэффициента приведены в приложении к указанному стандарту.
7. Вычислить границы суммарной неисключенной систематической погрешности (НСП) результата измерений Q (по формулам раздела 4.6).
8. Проанализировать соотношение Q и :
Если , то НСП по сравнению со случайными погрешностя-ми пренебрегают, и граница погрешности результата D = e.. Если > 8, то случайной погрешностью можно пренебречь и граница погрешности результата D = Θ. Если оба неравенства не выполняются, то границу погрешности результата находят путем построения композиции распределений случайных погрешностей и НСП по формуле: , где К – коэффициент, зависящий от соотношения случайной погрешности и НСП; S å - оценка суммарного СКО результата измерения. Оценку суммарного СКО вычисляют по формуле:
.
Коэффициент К вычисляют по эмпирической формуле:
.
Доверительная вероятность для вычисления и должна быть одной и той же.
Погрешность от применения последней формулы для композиции равномерного (для НСП) и нормального (для случайной погрешности) распределений достигает 12 % при доверительной вероятности 0,99.
9. Записать результат измерений. Написание результата измерений предусмотрено в двух вариантах, так как следует различать измерения, когда получение значения измеряемой величины является конечной целью, и измерения, результаты которых будут использоваться для дальнейших вычислений или анализа.
В первом случае достаточно знать общую погрешность результата измерения и при симметричной доверительной погреш-ности результаты измерений представляют в форме: , где
где – результат измерения.
Во втором случае должны быть известны характеристики составляющих погрешности измерения – оценка среднего квадратического отклонения результата измерения , границы НСП , число выполненных наблюдений . При отсутствии данных о виде функций распределения составляющих погрешности результата и необходимости дальнейшей обработки результатов или анализа погрешностей, результаты измерений представляют в форме:
Если границы НСП вычислены в соответствии с п.4.6, то дополнительно указывают доверительную вероятность Р.
Оценки , и производные от их величины могут быть выражены как в абсолютной форме, то есть в единицах измеряемой величины, так и относительной, то есть как отношение абсолютного значения данной величины к результату измерения. При этом вычисления по формулам настоящего раздела следует проводить с использованием величин, выраженных только в абсолютной или в относительной форме.
Физика - наука экспериментальная, это означает, что физические законы устанавливаются и проверяются путем накопления и сопоставления экспериментальных данных. Цель физического практикума заключается в том, чтобы студенты изучили на опыте основные физические явления, научились правильно измерять числовые значения физических величин и сопоставлять их с теоретическими формулами.
Все измерения можно разделить на два вида – прямые и косвенные .
При прямых измерениях значение искомой величины непосредственно получается по показаниям измерительного прибора. Так, например, длина измеряется линейкой, время по часам и т. д.
Если искомая физическая величина не может быть измерена непосредственно прибором, а посредством формулы выражается через измеряемые величины, то такие измерения называются косвенными .
Измерение любой величины не дает абсолютно точного значения этой величины. Каждое измерение всегда содержит некоторую погрешность (ошибку). Ошибкой называют разность между измеренным и истинным значением.
Ошибки принято делить на систематические и случайные .
Систематической называют ошибку, которая остается постоянной на протяжении всей серии измерений. Такие погрешности обусловлены несовершенством измерительного инструмента (например, смещением нуля прибора) или методом измерений и могут быть, в принципе, исключены из конечного результата введением соответствующей поправки.
К систематическим ошибкам относятся также погрешность измерительных приборов. Точность любого прибора ограничена и характеризуется его классом точности, который, как правило, обозначен на измерительной шкале.
Случайной называется ошибка, которая изменяется в разных опытах и может быть и положительной и отрицательной. Случайные ошибки обусловлены причинами, зависящими как от измерительного устройства, (трение, зазоры, и т. п..), так и от внешних условий (вибрации, колебания напряжения в сети и т.п.).
Случайные ошибки нельзя исключить опытным путем, но их влияние на результат можно уменьшить многократными измерениями.
Вычисление погрешности при прямых измерениях среднее значение и средняя абсолютная ошибка.
Предположим, что мы проводим серию измерений величины Х. Из-за наличия случайных ошибок, получаем n различных значений:
Х 1 , Х 2 , Х 3 … Х n
В качестве результата измерений обычно принимают среднее значение
Разность между средним значением и результатом i – го измерения назовем абсолютной ошибкой этого измерения
В качестве меры ошибки среднего значения можно принять среднее значение абсолютной ошибки отдельного измерения
(2)
Величина
называется средней арифметической (или
средней абсолютной) ошибкой.
Тогда результат измерений следует записать в виде
(3)
Для характеристики точности измерений служит относительная ошибка, которую принято выражать в процентах
(4)
В основе точных естественных наук лежат измерения. При измерениях значения величин выражаются в виде чисел, которые указывают во сколько раз измеренная величина больше или меньше другой величины, значение которой принято за единицу. Полученные в результате измерений числовые значения различных величин могут зависеть друг от друга. Связь между такими величинами выражается в виде формул, которые показывают, как числовые значения одних величин могут быть найдены по числовым значениям других.
При измерениях неизбежно возникают погрешности. Необходимо владеть методами, применяемыми при обработке результатов, полученных при измерениях. Это позволит научиться получать из совокупности измерений наиболее близкие к истине результаты, вовремя заметить несоответствия и ошибки, разумно организовать сами измерения и правильно оценить точность полученных значений.
Если измерение заключается в сравнении данной величины с другой, однородной величиной, принятой за единицу, то измерение в этом случае называется прямым.
Прямые (непосредственные) измерения – это такие измерения, при которых мы получаем численное значение измеряемой величины либо прямым сравнением ее с мерой (эталоном), либо с помощью приборов, градуированных в единицах измеряемой величины.
Однако далеко не всегда такое сравнение производится непосредственно. В большинстве случаев измеряется не сама интересующая нас величина, а другие величины, связанные с нею теми или иными соотношениями и закономерностями. В этом случае для измерения необходимой величины приходится предварительно измерить несколько других величин, по значению которых вычислением определяется значение искомой величины. Такое измерение называется косвенным.
Косвенные измерения состоят из непосредственных измерений одной или нескольких величин, связанных с определяемой величиной количественной зависимостью, и вычисления по этим данным определяемой величины.
В измерениях всегда участвуют измерительные приборы, которые одной величине ставят в соответствие связанную с ней другую, доступную количественной оценке с помощью наших органов чувств. Например, силе тока ставится в соответствие угол отклонения стрелки на шкале с делениями. При этом должны выполняться два основных условия процесса измерения: однозначность и воспроизводимость результата. эти два условия всегда выполняются только приблизительно. Поэтому процесс измерения содержит наряду с нахождением искомой величины и оценку неточности измерения .
Современный инженер должен уметь оценить погрешность результатов измерений с учетом требуемой надежности. Поэтому большое внимание уделяется обработке результатов измерений. Знакомство с основными методами расчета погрешностей – одна из главных задач лабораторного практикума.
Почему возникают погрешности?
Существует много причин для возникновения погрешностей измерений. Перечислим некоторые из них.
· процессы, происходящие при взаимодействии прибора с объектом измерений, неизбежно изменяют измеряемую величину. Например, измерение размеров детали с помощью штангенциркуля, приводит к сжатию детали, то есть к изменению ее размеров. Иногда влияние прибора на измеряемую величину можно сделать относительно малым, иногда же оно сравнимо или даже превышает саму измеряемую величину.
· Любой прибор имеет ограниченные возможности однозначного определения измеряемой величины вследствие конструктивной неидеальности. Например, трение между различными деталями в стрелочном блоке амперметра приводит к тому, что изменение тока на некоторую малую, но конечную, величину не вызовет изменения угла отклонения стрелки.
· Во всех процессах взаимодействия прибора с объектом измерения всегда участвует внешняя среда, параметры которой могут изменяться и, зачастую, непредсказуемым образом. Это ограничивает возможность воспроизводимости условий измерения, а, следовательно, и результата измерения.
· При визуальном снятии показаний прибора возможна неоднозначность в считывании показаний прибора вследствие ограниченных возможностей нашего глазомера.
· Большинство величин определяется косвенным образом на основании наших знаний о связи искомой величины с другими величинами, непосредственно измеряемыми приборами. Очевидно, что погрешность косвенного измерения зависит от погрешностей всех прямых измерений. Кроме того, в ошибки косвенного измерения свой вклад вносят и ограниченность наших познаний об измеряемом объекте, и упрощенность математического описания связей между величинами, и игнорирование влияния тех величин, воздействие которых в процессе измерения считается несущественным.
Классификация погрешностей
Значение погрешности измерения некоторой величины принято характеризовать:
1. Абсолютной погрешностью – разностью между найденным на опыте (измеренным) и истинным значением некоторой величины
. (1)
Абсолютная погрешность показывает, на сколько мы ошибаемся при измерении некоторой величины Х.
2. Относительной погрешностью равной отношению абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины Х
Относительная погрешность показывает, на какую долю от истинного значения величины Х мы ошибаемся.
Качество результатов измерений какой-то величины характеризуется относительной погрешностью . Величина может быть выражена в процентах.
Из формул (1) и (2) следует, что для нахождения абсолютной и относительной погрешностей измерений, нужно знать не только измеренное, но и истинное значение интересующей нас величины. Но если истинное значение известно, то незачем производить измерения. Цель измерений всегда состоит в том, чтобы узнать не известное заранее значение некоторой величины и найти если не ее истинное значение, то хотя бы значение, достаточно мало от него отличающееся. Поэтому формулы (1) и (2), определяющие величину погрешностей на практике не пригодны. При практических измерениях погрешности не вычисляются, а оцениваются. При оценках учитываются условия проведения эксперимента, точность методики, качество приборов и ряд других факторов. Наша задача: научиться строить методику эксперимента и правильно использовать полученные на опыте данные для того, чтобы находить достаточно близкие к истинным значения измеряемых величин, разумно оценивать погрешности измерений.
Говоря о погрешностях измерений, следует, прежде всего, упомянуть о грубых погрешностях (промахах) , возникающих вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры. Грубых ошибок следует избегать. Если установлено, что они произошли, соответствующие измерения нужно отбрасывать.
Не связанные с грубыми ошибками погрешности опыта делятся на случайные и систематические.
с лучайные погрешности. Многократно повторяя одни и те же измерения, можно заметить, что довольно часто их результаты не в точности равны друг другу, а «пляшут» вокруг некоторого среднего (рис.1). Погрешности, меняющие величину и знак от опыта к опыту, называют случайными. Случайные погрешности непроизвольно вносятся экспериментатором вследствие несовершенства органов чувств, случайных внешних факторов и т. д. Если погрешность каждого отдельного измерения принципиально непредсказуема, то они случайным образом изменяют значение измеряемой величины. Эти погрешности можно оценить только при помощи статистической обработки многократных измерений искомой величины.
Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, неравномерно растягивающаяся пружина, неравномерный шаг микрометрического винта, не равные плечи весов и т. д.) и с самой постановкой опыта. Они сохраняют свою величину (и знак!) во время эксперимента. В результате систематических погрешностей разбросанные из-за случайных погрешностей результаты опыта колеблются не вокруг истинного, а вокруг некоторого смещенного значения (рис.2). погрешность каждого измерения искомой величины можно предсказать заранее, зная характеристики прибора.
|
|
|
Расчет погрешностей прямых измерений
Систематические погрешности . Систематические ошибки закономерным образом изменяют значения измеряемой величины. Наиболее просто поддаются оценке погрешности, вносимые в измерения приборами, если они связаны с конструктивными особенностями самих приборов. Эти погрешности указываются в паспортах к приборам. Погрешности некоторых приборов можно оценить и не обращаясь к паспорту. Для многих электроизмерительных приборов непосредственно на шкале указан их класс точности.
Класс точности прибора – это отношение абсолютной погрешности прибора к максимальному значению измеряемой величины , которое можно определить с помощью данного прибора (это систематическая относительная погрешность данного прибора, выраженная в процентах от номинала шкалы ).
.
Тогда абсолютная погрешность такого прибора определяется соотношением:
.
Для электроизмерительных приборов введено 8 классов точности: 0,05; 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4.
Чем ближе измеряемая величина к номиналу, тем более точным будет результат измерения. Максимальная точность (т. е. наименьшая относительная ошибка), которую может обеспечить данный прибор, равна классу точности. Это обстоятельство необходимо учитывать при использовании многошкальных приборов. Шкалу надо выбирать с таким расчетом, чтобы измеряемая величина, оставаясь в пределах шкалы, была как можно ближе к номиналу.
Если класс точности для прибора не указан, то необходимо руководствоваться следующими правилами:
· Абсолютная погрешность приборов с нониусом равна точности нониуса.
· Абсолютная погрешность приборов с фиксированным шагом стрелки равна цене деления.
· Абсолютная погрешность цифровых приборов равна единице минимального разряда.
· Для всех остальных приборов абсолютная погрешность принимается равной половине цены деления.
Случайные погрешности . Эти погрешности имеют статистический характер и описываются теорией вероятности. Установлено, что при очень большом количестве измерений вероятность получить тот или иной результат в каждом отдельном измерении можно определить при помощи нормального распределения Гаусса. При малом числе измерений математическое описание вероятности получения того или иного результата измерения называется распределением Стьюдента (более подробно об этом можно прочитать в пособии «Ошибки измерений физических величин»).
Как же оценить истинное значение измеряемой величины?
Пусть при измерении некоторой величины мы получили N результатов: 
. Среднее арифметическое серии измерений ближе к истинному значению измеряемой величины, чем большинство отдельных измерений. Для получения результата измерения некоторой величины используется следующий алгоритм.
1). Вычисляется среднее арифметическое серии из N прямых измерений:
2). Вычисляется абсолютная случайная погрешность каждого измерения – это разность между средним арифметическим серии из N прямых измерений и данным измерением:
.
3). Вычисляется средняя квадратичная абсолютная погрешность :
.
4). Вычисляется абсолютная случайная погрешность . При небольшом числе измерений абсолютную случайную погрешность можно рассчитать через среднюю квадратичную погрешность и некоторый коэффициент , называемый коэффициентом Стъюдента:
,
Коэффициент Стьюдента зависит от числа измерений N и коэффициента надежности (в таблице 1 отражена зависимость коэффициента Стьюдента от числа измерений при фиксированном значении коэффициента надежности ).
Коэффициент надежности – это вероятность, с которой истинное значение измеряемой величины попадает в доверительный интервал.
Доверительный интервал
– это числовой интервал, в который с определенной вероятностью попадает истинное значение измеряемой величины.
Таким образом, коэффициент Стъюдента – это число, на которое нужно умножить среднюю квадратичную погрешность, чтобы при данном числе измерений обеспечить заданную надежность результата.
Чем большую надежность необходимо обеспечить для данного числа измерений, тем больше коэффициент Стъюдента. С другой стороны, чем больше число измерений, тем меньше коэффициент Стъюдента при данной надежности. В лабораторных работах нашего практикума будем считать надежность заданной и равной 0,9. Числовые значения коэффициентов Стъюдента при этой надежности для разного числа измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1
|
Число измерений N | ||||||||||||
|
Коэффициент Стъюдента |
5). Вычисляется полная абсолютная погрешность. При любых измерениях существуют и случайные и систематические погрешности. Расчет общей (полной) абсолютной погрешности измерения дело непростое, так как эти погрешности разной природы.
Для инженерных измерений имеет смысл суммировать систематическую и случайную абсолютные погрешности
.
Для простоты расчетов принято оценивать полную абсолютную погрешность как сумму абсолютной случайной и абсолютной систематической (приборной) погрешностей, если погрешности одного порядка величины, и пренебрегать одной из погрешностей, если она более чем на порядок (в 10 раз) меньше другой.
6). Округляется погрешность и результат . Поскольку результат измерений представляется в виде интервала значений, величину которого определяет полная абсолютная погрешность, важное значение имеет правильное округление результата и погрешности.
Округление начинают с абсолютной погрешности!!! Число значащих цифр, которое оставляют в значении погрешности, вообще говоря, зависит от коэффициента надежности и числа измерений. Однако даже для очень точных измерений (например, астрономических), в которых точное значение погрешности важно, не оставляют более двух значащих цифр. Бóльшее число цифр не имеет смысла, так как определение погрешности само имеет свою погрешность. В нашем практикуме сравнительно небольшой коэффициент надежности и малое число измерений. Поэтому при округлении (с избытком) полной абсолютной погрешности оставляют одну значащую цифру.
Разряд значащей цифры абсолоютной погрешности определяет разряд первой сомнительной цифры в значении результата. Следовательно, само значение результата нужно округлять (с поправкой) до той значащей цифры, разряд которой совпадает с разрядом значащей цифры погрешности . Сформулированное правило следует применять и в тех случаях, когда некоторые из цифр являются нулями.
Если при измерении массы тела получен результат , то писать нули в конце числа 0,900 необходимо. Запись означала бы, что о следующих значащих цифрах ничего не известно, в то время как измерения показали, что они равны нулю.
7). Вычисляется относительная погрешность .
При округлении относительной погрешности достаточно оставить две значащие цифры.
р езультат серии измерений некоторой физической величины представляют в виде интервала значений с указанием вероятности попадания истинного значения в данный интервал, то есть результат необходимо записать в виде:
Здесь – полная, округленная до первой значащей цифры, абсолютная погрешность и – округленное с учетом уже округленной погрешности среднее значение измеряемой величины. При записи результата измерений обязательно нужно указать единицу измерения величины.
Рассмотрим несколько примеров:
1. Пусть при измерении длины отрезка мы получили следующий результат: см и см. Как грамотно записать результат измерений длины отрезка? Сначала округляем с избытком абсолютную погрешность, оставляя одну значащую цифру см. Значащая цифра погрешности в разряде сотых. Затем округляем с поправкой среднее значение с точностью до сотых, т. е. до той значащей цифры, разряд которой совпадает с разрядом значащей цифры погрешности 
см. Вычисляем относительную погрешность
.
см; 
; .
2. Пусть при расчете сопротивления проводника мы получили следующий результат: 
и 
. Сначала округляем абсолютную погрешность, оставляя одну значащую цифру . Затем округляем среднее значение с точностью до целых . Вычисляем относительную погрешность
.
Результат измерений записываем так:
; 
; .
3. Пусть при расчете массы груза мы получили следующий результат: 
кг и кг. Сначала округляем абсолютную погрешность, оставляя одну значащую цифру 
кг. Затем округляем среднее значение с точностью до десятков 
кг. Вычисляем относительную погрешность
.
.
Вопросы и задачи по теории погрешностей
1. Что значит измерить физическую величину? Приведите примеры.
2. Почему возникают погрешности измерений?
3. Что такое абсолютная погрешность?
4. Что такое относительная погрешность?
5. Какая погрешность характеризует качество измерения? Приведите примеры.
6. Что такое доверительный интервал?
7. Дайте определение понятию «систематическая погрешность».
8. Каковы причины возникновения систематических погрешностей?
9. Что такое класс точности измерительного прибора?
10. Как определяются абсолютные погрешности различных физических приборов?
11. Какие погрешности называются случайными и как они возникают?
12. Опишите процедуру вычисления средней квадратичной погрешности.
13. Опишите процедуру расчета абсолютной случайной погрешности прямых измерений.
14. Что такое «коэффициент надежности»?
15. От каких параметров и как зависит коэффициент Стьюдента?
16. Как рассчитывается полная абсолютная погрешность прямых измерений?
17. Напишите формулы для определения относительной и абсолютной погрешностей косвенных измерений.
18. Сформулируйте правила округления результата с погрешностью.
19. Найдите относительную погрешность измерения длины стены при помощи рулетки с ценой деления 0,5см. Измеренная величина составила 4,66м.
20. При измерении длины сторон А и В прямоугольника были допущены абсолютные погрешности ΔА и ΔВ соответственно. Напишите формулу для расчета абсолютной погрешности ΔS, полученной при определении площади по результатам этих измерений.
21. Измерение длины ребра куба L имело погрешность ΔL. Напишите формулу для определения относительной погрешности объема куба по результатам этих измерений.
22. Тело двигалось равноускоренно из состояния покоя. Для расчета ускорения измерили путь S, пройденный телом, и время его движения t. Абсолютные погрешности этих прямых измерений составили соответственно ΔS и Δt. Выведите формулу для расчета относительной погрешности ускорения по этим данным.
23. При расчете мощности нагревательного прибора по данным измерений получены значения Рср = 2361,7893735 Вт и ΔР = 35,4822 Вт. Запишите результат в виде доверительного интервала, выполнив необходимое округление.
24. При расчете величины сопротивления по данным измерений получены следующие значения: Rср = 123,7893735 Ом, ΔR = 0,348 Ом. Запишите результат в виде доверительного интервала, выполнив необходимое округление.
25. При расчете величины коэффициента трения по данным измерений получены значения μср = 0,7823735 и Δμ = 0,03348. Запишите результат в виде доверительного интервала, выполнив необходимое округление.
26. Ток силой 16,6 А определялся по прибору с классом точности 1,5 и номиналом шкалы 50 А. Найдите абсолютную приборную и относительную погрешности этого измерения.
27. В серии из 5 измерений периода колебаний маятника получились следующие значения: 2,12 с, 2,10 с, 2,11 с, 2,14 с, 2,13 с. Найдите абсолютную случайную погрешность определения периода по этим данным.
28. Опыт падения груза с некоторой высоты повторяли 6 раз. При этом получались следующие величины времени падения груза: 38,0 с, 37,6 с, 37,9 с, 37,4 с, 37,5 с, 37,7 с. Найдите относительную погрешность определения времени падения.
Цена деления – это измеряемая величина, вызывающая отклонение указателя на одно деление. Цена деления определяется как отношение верхнего предела измерения прибора к числу делений шкалы.
а) Погрешности измерений.
Количественная сторона процессов и явлений в любом эксперименте изучается с помощью измерений, которые делятся на прямые и косвенные.
Прямым называется такое измерение, при котором значение, интересующее экспериментатора величины находятся непосредственно из отсчета по прибору.
Косвенное - это измерение, при котором значение величины находится как функция других величин. Например, сопротивление резистора определяют по напряжению и току (R=).
Измеренное
значение х
изм. некоторой
физической величиных
обычно
отличается от ее истинного значениях
ист.. Отклонение результата,
полученного на опыте, от истинного
значения, т.е. разностьх
изм. –х
ист. = ∆х
– называется
абсолютной ошибкой измерения, а
– относительной ошибкой (погрешностью)
измерения. Погрешности или ошибки
делятся на систематические, случайные
и промахи.
Систематическими ошибками называются такие ошибки, величина и знак которых от опыта к опыту сохраняется или изменяется закономерно. Они искажают результат измерений в одну сторону – либо завышая, либо занижая его. Подобные ошибки вызываются постоянно действующими причинами, односторонне влияющие на результат измерений (неисправность или малая точность прибора).
Ошибки, величина и знак которых непредсказуемым образом изменяются от опыта к опыту, называются случайными. Такие ошибки возникают, например, при взвешивании из-за колебаний установки, неодинакового влияния трения, температуры, влажности и т.д. Случайные ошибки возникают и из-за несовершенства или дефекта органов чувств экспериментатора.
Случайные погрешности исключить опытным путем нельзя. Их влияние на результат измерения может быть оценено с помощью математических методов статистики (малые выборки).
Промахами или грубыми погрешностями называются погрешности, существенно превышающие систематические и случайные погрешности. Наблюдения, содержащие промахи отбрасываются как недостоверные.
б) Обработка результатов непосредственных измерений.
Для
надежности оценки случайных погрешностей
необходимо выполнить достаточно большое
количество измерений п
. Допустим,
что в результате непосредственных
измерений получены результатых
1 ,х
2 ,х
3 , …,х
п
.
Наиболее вероятное значение определяется
как среднее арифметическое, которое
при большом числе измерений совпадает
с истинным значением:
.
Затем
определяют среднюю квадратичную ошибку
отдельного измерения:
.
При этом можно оценить наибольшую среднюю квадратичную ошибку отдельного измерения: S наиб. = 3S.
Следующий этап заключается в определении средней квадратичной ошибки среднего арифметического:
.
Ширина доверительного интервала около
среднего значения
измеряемой величины будет определяться
поабсолютной погрешности среднего
арифметического:
,
гдеt α , n
– так называемый коэффициент
Стьюдента для числа наблюденийп
и
доверительной вероятности α (табличная
величина). Обычно доверительная
вероятность в условиях учебной
лаборатории выбирается 0,95 или 95%. Это
значит, что при многократном повторении
опыта в одних и тех же условиях, ошибки,
в 95 случаях из 100 не превысят значения
.
Интервальной оценкой измеряемой величиныxбудет доверительный
интервал
,
в который попадает её истинное значение
с заданной вероятностью α. Результат
измерения записывается:
.
Эту запись можно понимать как неравенство:.
Относительная
погрешность:
Е ≤ 5% в условиях учебной лаборатории.
в) Обработка результатов косвенных измерений.
Если величину у измеряют косвенным
методом, т.е. она является функцией п
независимых величинх
1 ,х
2 ,
…,х
п
: у =f(х
1 ,х
2 , …,х
п
), а значит
.
Средняя квадратичная ошибка среднего
арифметического определяется по формуле:
,
где
частные производные вычисляются для
средних значений
вычисляется
по формуле средней квадратичной ошибки
для непосредственного измерения.
Доверительная вероятность для всех
погрешностей, связанных с аргументамих
i
функции
у задается одинаковый (Р = 0,95), такой же
она задается и для у. Абсолютная
погрешность
среднего значения
определяется по формуле:
.
Тогда
или.
Относительная погрешность
будет равна Е =
≤5%.
В общем случае порядок обработки результатов прямых измерений следующий (предполагается, что систематических ошибок нет).
Случай 1. Число измерений меньше пяти.
x , определяемый как среднее арифметическое от результатов всех измерений, т.е.
2) По формуле (12) вычисляются абсолютные погрешности отдельных измерений
3) По формуле (14) определяется средняя абсолютная погрешность
.
4) По формуле (15) вычисляют среднюю относительную погрешность результата измерений
5) Записывают окончательный результат по следующей форме:
Случай 2 . Число измерений свыше пяти.
1) По формуле (6) находится средний результат
2) По формуле (12) определяются абсолютные погрешности отдельных измерений
3) По формуле (7) вычисляется средняя квадратическая погрешность единичного измерения
.
4) Вычисляется среднее квадратическое отклонение для среднего значения измеряемой величины по формуле (9).
5) Записывается окончательный результат по следующей форме
Иногда случайные погрешности измерений могут оказаться меньше той величины, которую в состоянии зарегистрировать измерительный прибор (инструмент). В этом случае при любом числе измерений получается один и тот же результат. В подобных случаях в качестве средней абсолютной погрешности принимают половину цены деления шкалы прибора (инструмента). Эту величину иногда называют предельной или приборной погрешностью и обозначают (для нониусных приборов и секундомера равна точности прибора).
Оценка достоверности результатов измерений
В любом эксперименте число измерений физической величины всегда по тем или иным причинам ограничено. В связи с этим может быть поставлена задача оценить достоверность полученного результата. Иными словами, определить, с какой вероятностью можно утверждать, что допущенная при этом ошибка не превосходит наперед заданную величину ε. Упомянутую вероятность принято называть доверительной вероятностью. Обозначим её буквой .
Может быть поставлена и обратная задача: определить границы интервала , чтобы с заданной вероятностью можно было утверждать, что истинное значение измерений величины не выйдет за пределы указанного, так называемого доверительного интервала.
Доверительный интервал характеризует точность полученного результата, а доверительная вероятность - его надёжность. Методы решения этих двух групп задач имеются и особенно подробно разработаны для случая, когда погрешности измерений распределены по нормальному закону. Теория вероятностей даёт также методы для определения числа опытов (повторных измерений), при которых обеспечивается заданная точность и надёжность ожидаемого результата. В данной работе эти методы не рассматриваются (ограничимся только их упоминанием), так как при выполнении лабораторных работ подобные задачи обычно не ставятся.
Особый интерес, однако, представляет случай оценки достоверности результата измерений физических величин при весьма малом числе повторных измерений. Например, . Это именно тот случай, с которым мы часто встречаемся при выполнении лабораторных работ по физике. При решении указанного рода задач рекомендуется использовать метод, в основе которого лежит распределение (закон) Стьюдента.
Для удобства практического применения рассматриваемого метода имеются таблицы, с помощью которых можно определить доверительный интервал , соответствующий заданной доверительной вероятности или решить обратную задачу.
Ниже приведены те части упомянутых таблиц, которые могут потребоваться при оценке результатов измерений на лабораторных занятиях.
Пусть, например, произведено равноточных (в одинаковых условиях) измерений некоторой физической величины и вычислено её среднее значение . Требуется найти доверительный интервал , соответствующий заданной доверительной вероятности . Задача в общем виде решается так.
По формуле с учётом (7) вычисляют
Затем для заданных значений n и находят по таблице (табл. 2) величину . Искомое значение вычисляется на основе формулы
При решении обратной задачи вначале вычисляют по формуле (16) параметр . Искомое значение доверительной вероятности берётся из таблицы (табл. 3) для заданного числа и вычисленного параметра .
Таблица 2. Значение параметра при заданных числе опытов
и доверительной вероятности
| n | 0,5 | 0,6 | 0,7 | 0,8 | 0,9 | 0,95 | 0.98 | 0,99 | 0.995 | 0,999 |
| 1,000 | 1,376 | 1,963 | 3,08 | 6,31 | 12,71 | 31,8 | 63,7 | 127,3 | 637,2 | |
| 0,816 | 1,061 | 1,336 | 1,886 | 2,91 | 4,30 | 6,96 | 9,92 | 14,1 | 31,6 | |
| 0,765 | 0,978 | 1,250 | 1,638 | 2,35 | 3,18 | 4,54 | 5,84 | 7,5 | 12,94 | |
| 0,741 | 0,941 | 1,190 | 1,533 | 2,13 | 2,77 | 3,75 | 4,60 | 5,6 | 8,61 | |
| 0,727 | 0,920 | 1,156 | 1,476 | 2,02 | 2,57 | 3,36 | 4,03 | 4,77 | 6,86 | |
| 0.718 | 0,906 | 1,134 | 1,440 | 1,943 | 2,45 | 3,14 | 3,71 | 4,32 | 5,96 | |
| 0,711 | 0,896 | 1,119 | 1,415 | 1,895 | 2,36 | 3,00 | 3,50 | 4,03 | 5,40 | |
| 0,706 | 0,889 | 1,108 | 1,397 | 1,860 | 2,31 | 2,90 | 3,36 | 3,83 | 5,04 | |
| 0,703 | 0,883 | 1,110 | 1,383 | 1,833 | 2,26 | 2,82 | 3,25 | 3,69 | 4,78 |
Таблица 3 Значение доверительной вероятности при заданном числе опытов n и параметре ε
| n | 2,5 | 3,5 | ||
| 0,705 | 0,758 | 0,795 | 0,823 | |
| 0,816 | 0,870 | 0,905 | 0,928 | |
| 0,861 | 0,912 | 0,942 | 0,961 | |
| 0,884 | 0,933 | 0,960 | 0,975 | |
| б | 0,898 | 0,946 | 0,970 | 0,983 |
| 0,908 | 0,953 | 0,976 | 0,987 | |
| 0,914 | 0,959 | 0,980 | 0,990 | |
| 0,919 | 0.963 | 0,983 | 0,992 | |
| 0,923 | 0,969 | 0,985 | 0,993 |
Обработка результатов косвенных измерений
Очень редко содержание лабораторной работы или научного эксперимента сводится к получению результата прямого измерения. Большей частью искомая величина является функцией нескольких других величин.
Задача обработки опытов при косвенных измерениях заключается в том, чтобы на основании результатов прямых измерений некоторых величин (аргументов), связанных с искомой величиной определённой функциональной зависимостью, вычислить наиболее вероятное значение искомой величины и оценить погрешность косвенных измерений.
Существует несколько способов обработки косвенных измерений. Рассмотрим следующие два способа.
Пусть по методу косвенных измерений определяется некоторая физическая величина.
Результаты прямых измерений ее аргументов х, у, z приведены в табл. 4.
Таблица 4
| Номер опыта | x | y | z | … |
| … | ||||
| … | ||||
| … | … | … | … | … |
| … | … | … | … | … |
| … | … | … | … | … |
| n | … |
Первый способ обработки результатов заключается в следующем. С помощью расчетной (17) формулы вычисляют искомую величину по результатам каждого опыта
(17)
Описанный способ обработки результатов применим, в принципе, во всех без исключения случаях косвенных измерений. Однако наиболее целесообразно применять его тогда, когда число повторных измерений аргументов небольшое, а расчётная формула косвенно измеряемой величины сравнительно проста.
При втором способе обработки результатов опытов вначале вычисляют, используя результаты прямых измерений (табл. 4), средние арифметические значения каждого из аргументов, а также погрешности их измерения. Подставив , , ,... в расчетную формулу (17), определяют наиболее вероятное значение измеряемой величины
(17*)
