Лабораторная работа 0-1: обработка результатов физического эксперимента. В физическом практикуме
 Скачать 0.56 Mb.
|
1 2 Систематические ошибки. Систематические ошибки связаны с несовершенством методики измерений, с ограниченностью точности измери-тельных приборов, с особенностями объекта исследования. Как правило, эти ошибки могут быть учтены. Так, например, измерение силы тока и напряжения для определения сопротивления проводника по закону Ома сопровождается нагреванием последнего, т.е. изменением сопротивления исследуемого объекта. Для учета возникающей при этом систематической погрешности следует ввести в расчетную формулу соответствующую поправку и добавить к измерениям силы тока и напряжения измерение температуры. Более простой способ –включение тока на короткий промежуток времени для исключения возможности заметного нагревания проводника. Отметим, что каких-либо универсальных правил учета систематических погрешностей, связанных с методикой измерений, не существует. В каждом случае это вопрос отдельного анализа и критического отношения к эксперименту. Систематические ошибки, связанные с ограниченной точностью приборов, подлежат учету. Характеристики электроизмерительных приборов: Предел измерения – максимальное значение измеряемой данным прибором величины. У одного прибора может быть несколько пределов измерения. Цена деления – для равномерной шкалы это величина, равная пределу измерения прибора, деленному на число делений шкалы. Класс точности – число, равное максимальной относительной погреш-ности в процентах, которую вносит прибор при измерении на пределе используемой шкалы. Это число определяет максимальную абсолютную погрешность измерения данным прибором. Класс точности электроизмерительных приборов, как правило, указан на лицевой части прибора в виде отдельного числа: 0.2 или 0.5 или 1.0 или 1.5 и т.д. Рассмотрим миллиамперметр, предел измерения которого равен 150 мА; число делений шкалы 30; цена деления 150:30=5 мА; класс точности 2.0. Максимальная абсолютная погрешность (приборная погрешность):  мАПример 1: отклонению стрелки или светового индикатора на 5 делений соответствует показание прибора  мА. Результат измерения:   . Относительная погрешность измерения:   .Пример 2: отклонению стрелки или светового индикатора на 30 делений соответствует показание прибора  . Результат измерения:  . Относительная погрешность измерения:  Приведенные два примера иллюстрируют как, зная класс точности прибора и абсолютную погрешность, определить относительную погрешность изме-рения. Из этих же примеров видно, что наименьшую относительную пог-решность прибор вносит при измерении на пределе используемой шкалы (пример 2). В случае отсутствия класса точности следует исходить из паспортных данных прибора. Обычно, в качестве максимальной абсолютной погреш-ности  берут целое или 0,5 цены деления шкалы прибора (секундомер, линейка, нониус микрометра, штангенциркуля и т.п.).Вероятность, с которой истинное значение величины X не выйдет за границы интервала  , близка к единице (полагаем при этом, что случайная погрешность не играет роли, и вся погрешность определяется погрешностью прибора). Для удобства сложения приборной и случайной погрешностей доверительную вероятность, для которой вычисляется случайная погрешность, в этом случае желательно брать близкой к единице. Например, α = 0,95. Для окончательной записи результата прямых равноточных измерений вычисляется погрешность измерений, учитывающая как случайную, так и систематическую погрешности измерения. В теории ошибок [2] суммарную погрешность прямых измерений определяют по формуле:  . (6)Если одна из погрешностей  или превышает другую более, чем в 3 раза, меньшей погрешностью можно пренебречь. Например: =0,1, =0,5. Вычислим погрешность  : В приведенном примере погрешность определяется фактически только приборной погрешностью. Это тот случай, когда число измерений n может быть уменьшено, а для получения большей точности результата следует сменить измерительный прибор на более точный. В другом случае, когда =0,5 > =0,1 , также равно 0,51. И для получения большей точности результата необходимо увеличить число равноточных измерений n .Для иллюстрации выше изложенного порядка определения погрешности прямых измерений вернемся к виртуальной лабораторной работе «Определение ускорения свободного падения при помощи математического маятника». Длину нити маятника L измеряем 5 раз при помощи обычной ученической линейки, для которой  . . Время одного полного колебания T измеряем 5 раз при помощи секундомера, для которого  = 0,2 с.  . В таблицах 2 и 3 приведены результаты равноточных измеренийL и T , вычислены средние значения и суммы квадратов отклонения результатов измерений от их среднего значения для последующего расчета случайной погрешности.Табл.2
 см  Табл.3
 с  Следует отметить, что среднее значение измеряемой величины (формула 3) записывают с точностью, с которой получены результаты прямых измерений. Для  – с точностью до десятых сантиметра: см.Для  - с точностью до десятых секунды: с.В этих примерах выражение (3) для более удобного вычисления  используется в виде: , (7)где  - произвольное число, близкое к  , и называемое ложным нулем.Из формул (4) и (5) получим формулу для вычисления квадрата случайной погрешности:  . (8) В нашем примере для  ,  0,7 и  =1,2 (см. выше) квадраты случайных погрешностей будут равны: ; Заметим, что при расчетах погрешностей вычисления производят, сохраняя не более 2-х значащих цифр. Более точные вычисления не имеют смысла, т.к. в окончательном результате в погрешности сохраняется только одна значащая цифра. Наконец, с учетом случайной и систематической погрешностей по формуле (6) определим погрешности прямых равноточных измерений:  . .Как видно из расчетов, в случае длины преобладающей была случайная погрешность. Поэтому с вероятностью 70% значение длины нити маятника находится в пределах от 99,9 до 100,1см. В случае периода преобладающей явилась приборная погрешность. Поэтому с вероятностью большей 70% и близкой к 1 время одного полного колебания находится в пределах от 1,8 до 2,2 с. Результаты прямых равноточных измерений после округления принимают вид:  α ≈ 0,7, α ≈ 1.В данном примере при измерении величиныL оказалась преобладающей случайная погрешность, а при расчете величины T - систематическая погрешность, поэтому для них указаны разные доверительные вероятности. В тех случаях, когда эти погрешности сравнимы между собой, рекомендуется указывать наименьшую из заданных для них доверительных вероятностей. В лаборатории физики это будет доверительная вероятность, выбранная для случайной погрешности. Подставляя результаты прямых измерений в формулу (1), получаем величину ускорения свободного падения g:  . (9) Принимая во внимание, что во всех работах учебной лаборатории относительная погрешность косвенного измерения не бывает меньше 1%, для предварительной записи результата косвенного измерения достаточно использовать не более 3-х значащих цифр. Точность окончательной записи результата (число значащих цифр) определяется погрешностью косвенного измерения, вычислению которой посвящен следующий раздел данного пособия. Определение погрешности косвенного измерения. Формулы вычисления погрешностей косвенных измерений основаны на представлениях дифференциального исчисления. Пусть зависимость величины Y от измеряемой величины Z имеет простой вид:  .Здесь  и  - постоянные, значения которых известны. Если z увеличить или уменьшить на некоторое число  , то  соответственно изменится на  : Е  сли - погрешность изме-ренной величины Z, то  соответственно будет пог-решностью вычисляемой ве-личины Y.Получим формулу абсолютной погрешности в общем случае функции од-ной переменной  . Пусть график этой функции имеет вид, показанный на рис.1. Точному значениюаргумента z0 соответствует точное значение функции y0 = f(z0). Измеренное зна-чение аргумента отличается от точного значения аргумента на величину Δz вследствие ошибок измерений. Значение функции будет отличаться от точного на величину Δy. Из геометрического смысла производной как тангенса угла наклона касательной к кривой в данной точке (рис. 1) следует:  . (10)Формула для относительной погрешности косвенного измерения в случае функции одной переменной будет иметь вид:  . (11)Учитывая, что дифференциал функции  равен  , получим (12)Если косвенное измерение представляет собой функцию m переменных  , то погрешность косвенного измерения будет зави-сеть от погрешностей  прямых измерений  . Частную погрешность, связанную с ошибкой измерения аргумента , обозначим  . Она составляет приращение функции за счет приращения при условии, что все остальные аргументы неизменны. Таким образом, частную абсолютную погрешность запишем согласно (10) в следующем виде:  (13)Таким образом, чтобы найти частную погрешность косвенного измерения , надо, согласно (13), частную производную  умножить на погрешность прямого измерения . При вычислении частной производной функции по остальные аргументы считаются постоянными.Результирующая абсолютная погрешность косвенного измерения определяется по формуле, в которую входят квадраты частных погрешностейкосвенного измерения [1]:  или с учетом (13)  (14)Относительная погрешность косвенного измерения  определяется по формуле: Или с учетом (11) и (12)  . (15)Пользуясь (14) и (15), находят одну из погрешностей, абсолютную или относительную, в зависимости от удобства вычислений. Так, например, если рабочая формула имеет вид произведения, отношения измеряемых величин, ее легко логарифмировать и по формуле (15) определить относительную погрешность косвенного измерения. Затем абсолютную погрешность вычислить по формуле (16): .  (16)Для иллюстрации вышеизложенного порядка определения погреш-ности косвенных измерений вернемся к виртуальной лабораторной работе «Определение ускорения свободного падения при помощи математического маятника». Рабочая формула (1) имеет вид отношения измеряемых величин:  .Поэтому начнем с определения относительной погрешности. Для этого прологарифмируем данное выражение, а затем вычислим частные произ-водные :  ;  ;  .Подстановка в формулу (15) приводит к формуле относительной погрешности косвенного измерения:  (17)После подстановка результатов прямых измерений { ;  } в (17) получаем: (18)Для вычисления абсолютной погрешности используем выражение (16) и ранее вычисленное значение (9) ускорения свободного падения g:  .Результат вычисления абсолютной погрешности округляем до одной значащей цифры. Вычисленное значение абсолютной погрешности определяет точность записи окончательного результата :  , α ≈ 1. (19)При этом доверительная вероятность определяется доверительной вероятностью тех из прямых измерений, которые внесли решающий вклад в погрешность косвенного измерения. В данном случае это измерения периода. Таким образом, с вероятностью близкой к 1 величина g лежит в пределах от 8 до 12  . Для получения более точного значения ускорения свободного падения g необходимо совершенствовать методику измерений. С этой целью надо уменьшить относительную погрешность  , которая в основном, как следует из формулы (18), определяется погрешностью измерения времени. Для этого надо измерять время не одного полного колебания, а, например, 10-ти полных колебаний. Тогда, как следует из (2), формула относительной погрешности примет вид:  . (20) В табл.4 представлены результаты измерения времени  для N = 10полных колебаний маятника. Табл.4
 ;  .Проведя расчет по формуле (8) (как и в случае измерения периода возьмем α = 0,7), получаем  .Полная погрешность измерения времени  .Здесь случайной погрешности соответствует доверительная вероятность α = 0,7, а приборной погрешности соответствует доверительная вероятность, близкая к 1. В данном случае случайная и приборная погрешности оказались сопоставимы между собой. В такой ситуации берется наименьшая из доверительных вероятностей. Следовательно, для полной погрешности следует взять α = 0,7. Для величины L возьмем результаты измерений из табл.2. Подставляя результаты прямых измерений в формулу (20), найдем относительную погрешность косвенного измерения:  .По формуле (2) вычислим значение косвенно измеряемой величины:  .Далее вычислим абсолютную погрешность:  .Окончательный результат записывается в виде:  ;  ;  .В этом примере показана роль формулы относительной погрешности в анализе возможных направлений совершенствования методики измерений. Вторая методика обработки результатов измерений. Вторая методика обработки результатов измерений применяется в случае, когда невозможно осуществить серию равноточных измерений. Возможно также ее применение вместо вышеизложенной методики (назовем ее первой методикой). Суть второй методики состоит в том, что для каждого значения прямого измерения вычисляется собственное значение косвенного измерения. В результате получается последовательность близких по величине n чисел  . За наиболее вероятное значение косвенного измерения принимается его среднее арифметическое значение:  (21)Затем для заданной величины доверительной вероятности  определяется коэффициент Стьюдента  и вычисляется квадрат случайной погрешности косвенного измерения:  (22)Систематическую (приборную) погрешность косвенного измерения определяют по формулам погрешностей ( см. формулы 14, 15, 16 ). При этом используют результаты «наилучшего» опыта. Под «наилучшим» опытом мы понимаем тот, для которого результат косвенного измерения  оказался ближе всего к среднему значению косвенных измерений  .Наконец, определяют полную погрешность косвенного измерения по формуле, аналогичной формуле (6):  . (22)Результат, как и в первой методике, записывают с указанием доверительного интервала и вероятности. Правила округления Ввиду наличия погрешностей измерений не имеет смысла проводить излишне точные вычисления. Вычисления должны проводиться лишь с такой точностью, которая не увеличивает погрешность измерений, не более того. С учетом этого вводятся правила округления при проведении вычислений. Окончательный результат лабораторной работы (результат косвенного измерения) рекомендуется округлять следующим образом. 1. В относительной погрешности оставить две значащие цифры. Пример: δR = 0,12. 2. В абсолютной погрешности оставить одну значащую цифру. Пример: ΔR = 0,03 кОм. 3. У среднего значения последняя значащая цифра должна находиться в том же десятичном разряде, что и значащая цифра абсолютной погрешности. Пример:  Ом.Промежуточные вычисления делают с одной дополнительной значащей цифрой, что дает возможность точнее округлить окончательный результат. В частности, абсолютные погрешности прямых измерений следует вычислять с двумя значащими цифрами. Промежуточные расчеты физических величин можно рекомендовать выполнять с четырьмя значащими цифрами; такой точности достаточно для всех лабораторных работ, но для большинства работ достаточно и трех значащих цифр. ЛИТЕРАТУРА [1] А. Н. Зайдель Погрешности измерений физических величин. Изд-во «Наука», Ленинград, 1985. [2] Р. М. Пилосян Обработка результатов измерений. Изд-во ЛЭИС, Ленинград, 1979. 1 2 |
см
см
c
c
, с2