13259

Погрешности измерений. Цели математической обработки результатов эксперимента

Лабораторная работа

Физика

Погрешности измерений Основой всего естествознания является наблюдение и эксперимент. Наблюдение - это систематическое целенаправленное восприятие того или иного объекта или явления без воздействия на изучаемый объект или явление. Наблюдение позволяет получит...

Русский

2013-05-11

107 KB

7 чел.

Погрешности измерений

 

Основой всего естествознания является наблюдение и эксперимент.

Наблюдение это систематическое, целенаправленное восприятие того или иного объекта или явления без воздействия на изучаемый объект или явление. Наблюдение позволяет получить первоначальную информацию по изучаемому объекту или явлению.

Эксперимент метод изучения объекта, когда исследователь активно и целенаправленно воздействует на него путем создания искусственных условий или использует естественные условия, необходимые для выявления соответствующих свойств. Достоинствами эксперимента по сравнению с наблюдением реального явления или объекта является:

  1.  Возможность изучения в «чистом виде», без влияния побочных факторов, затемняющих основной процесс;
  2.  В экспериментальных условиях можно получить результат более быстро и точно;
  3.  При эксперименте можно проводить испытания столько раз, сколько это необходимо.

Результат эксперимента или измерения всегда содержит некоторую погрешность. Если погрешность мала, то ею можно пренебречь. Однако при этом неизбежно возникают два вопроса: вопервых, что понимать под малой погрешностью, и, вовторых, как оценить величину погрешности. То есть, и результаты эксперимента нуждаются в определенном теоретическом осмыслении.

Цели математической обработки результатов эксперимента

Целью любого эксперимента является определение качественной и количественной связи между исследуемыми параметрами, либо оценка численного значения какого-либо параметра.

В некоторых случаях вид зависимости между переменными величинами известен по результатам теоретических исследований. Как правило, формулы, выражающие эти зависимости, содержат некоторые постоянные, значения которых и необходимо определить из опыта.

Другим типом задачи является определение неизвестной функциональной связи между переменными величинами на основе данных эксперимента. Такие зависимости называют эмпирическими.

Однозначно определить неизвестную функциональную зависимость между переменными невозможно даже в том случае, если бы результаты эксперимента не имели погрешностей. Тем более не следует этого ожидать, имея результаты эксперимента, содержащие различные погрешности измерения.

Поэтому следует четко понимать, что целью математической обработки результатов эксперимента является не нахождение истинного характера зависимости между переменными или абсолютной величины какой-либо константы, а представление результатов наблюдений в виде наиболее простой формулы с оценкой возможной погрешности ее использования.

Виды измерений и причины погрешностей

Под измерением понимают сравнение измеряемой величины с другой величиной, принятой за единицу измерения.

Различают два типа измерений: прямые и косвенные. При прямом измерении измеряемая величина сравнивается непосредственно со своей единицей меры. Например, измерение микрометром линейного размера, промежутка времени при помощи часовых механизмов, температуры термометром, силы тока амперметром и т.п. Значение измеряемой величины отсчитывается при этом по соответствующей шкале прибора.

При косвенном измерении измеряемая величина определяется (вычисляется) по результатам измерений других величин, которые связаны с измеряемой величиной определенной функциональной зависимостью. Например, измерение скорости по пройденному пути и затраченному времени, измерение плотности тела по измерению массы  и объема, температуры при резании по электродвижущей силе, величины силы по упругим деформациям и т.п.

При измерении любой физической величины производят проверку и установку соответствующего прибора, наблюдение их показаний и отсчет. При этом никогда истинного значения измеряемой величины не получить. Это объясняется тем, что измерительные средства основаны на определенном методе измерения, точность которого конечна. При изготовлении прибора задается класс точности. Его погрешность определяется точностью делений шкалы прибора.

Кроме приборной погрешности на результат измерения влияет еще ряд объективных и субъективных причин, обуславливающих появление погрешностей измерения разности между результатом измерения и истинным значением измеряемой величины. Погрешности измерения обычно неизвестна, как неизвестно и истинное значение измеряемой величины. Исключение составляют измерения известных величин при определении точности измерительных приборов или их тарировке. Поэтому одной из важнейших задач математической обработки результатов эксперимента и является оценка истинного значения измеряемой величины по данным эксперимента с возможно  меньшей погрешности.

Типы погрешностей измерения

Кроме приборной погрешности измерения (определяемой методом измерения) существуют и другие, которые можно разделить на три типа:

1. Систематические погрешности обуславливаются постоянно действующими факторами. Например, смещение начальной точки отсчета, влияние нагревания тел на их удлинение, износ режущего лезвия и т.п. Систематические погрешности выявляют при соответствующей тарировке приборов и потому они могут быть учтены при обработке результатов измерений.

2. Случайные погрешности содержат в своей основе много различных причин, каждая из которых не проявляет себя отчетливо. Случайную погрешность можно рассматривать как суммарный эффект действия многих факторов. Поэтому случайные погрешности при многократных измерениях получаются различными как по величине, так и по знаку. Их невозможно учесть как систематические, но можно учесть их влияние на оценку истинного значения измеряемой величины. Анализ случайных погрешностей является важнейшим разделом математической обработки экспериментальных данных.

3. Грубые погрешности (промахи) появляются вследствие неправильного отсчета по шкале, неправильной записи, неверной установки условий эксперимента и т.п. Они легко выявляются при повторном проведении опытов.

В дальнейшем будем считать, что систематические и грубые погрешности из результатов эксперимента исключены.

Свойства случайных погрешностей

Случайные погрешности бывают как положительные, так и отрицательные разной величины, не превосходящей определенного предела. Если обозначить через  истинное значение измеряемой величины, а результат первого измерения , то их разность  или  называют истинной абсолютной погрешностью одного измерения. Одновременно она является случайной (при исключении систематических и грубых погрешностей).

Если измерения провести многократно в одних и тех же условиях, то результаты отдельных измерений одинаково надежны. Такую совокупность измерений , ,..., называют равноточными измерениями. Если проанализировать достаточно большую серию равноточных измерений и соответствующих случайных погрешностей измерений, то можно выделить 4 свойства случайных погрешностей:

  1.  Число положительных погрешностей почти равно числу отрицательных;
  2.  Мелкие погрешности встречаются чаще, чем крупные;
  3.  Величина наиболее крупных погрешностей не превосходит некоторого определенного предела, зависящего от точности измерения. Самую большую погрешность в ряду равноточных измерений называют предельной погрешностью;
  4.  Частные от деления алгебраической суммы всех случайных погрешностей на их общее близко к нулю, т.е.

Погрешности косвенных измерений

Часто измеряется не непосредственно интересующая нас величина, а другая, зависящая от нее некоторым образом. Например, при резании металлов часто непосредственно измеряются деформации, ЭДС, по которым судят о возникающих силах и температурах. При этом также необходимо оценить погрешность измерения.

При косвенных измерениях значение y измеряемой величины находят по некоторой формуле:

где ,,…, средние арифметические измеряемые непосредственно величины. Рассмотрим функцию общего вида:

где ,,…, независимые переменные, для определения которых производятся n прямых независимых измерений по каждой .

Обозначим значения переменных через среднее значение и отклонения

Эту функцию представим рядом Тейлора, ограничив его первыми членами ряда (принимая )

,

где   производная функции по , взятая в точке .

Учитывая, что  получаем:

.

Чтобы учесть погрешности  всех  опытов целесообразно использовать средние квадратические оценки , так как .

Возведем в квадрат левую и правую части уравнения и разделим на

.

Здесь суммы удвоенных произведений типа

 

согласно четвертому свойству случайных ошибок ().

Тогда в левой и правой частях имеем среднеквадратические погрешности функции и аргументов

.

В качестве меры точности лучше выступает не абсолютная, а относительная погрешность :

где - действительное значение измеряемой величины, - абсолютная погрешность измерения.

Рассмотрим ее определение на примере. Пусть

 

Тогда

; ;

Аналогично можно определить относительную погрешность и при других зависимостях.  Зная относительную погрешность, можно определить и абсолютное ее значение: .

Порядок обработки результатов измерений

При практической обработке результатов измерений необходимо последовательно выполнить следующие операции

  1.  Записать результаты измерений;
  2.  Вычислить среднее значение из  измерений
  3.  Определить погрешности отдельных измерений ;
  4.  Оценить относительную погрешность результатов измерений
  5.  Записать окончательный результат ;


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

24026. Крестцовое сплетение, его топография, нервы, области иннервации 284.5 KB
  Крестцовое сплетение его топография нервы области иннервации. Крестцовое сплетение plexus sacralis образовано передними ветвями V поясничного Lv верхних четырех крестцовых Si Siv и части передней ветви IV поясничного Lfv спинномозговых нервов. Передняя ветвь V поясничного спинномозгового нерва а также присоединяющаяся к нему часть передней ветви IV поясничного нерва образует пояснйчнокрестцовый ствол truncus lumbosacralis. Он спускается в полость малого таза и на передней поверхности грушевидной мышцы соединяется с передними...
24027. Кость как орган; ее развитие, строение, рост. Классификация костей 251 KB
  Кости разнообразны по величине и форме занимают определенное положение в теле. имеет удлиненную цилиндрической или трехгранной формы среднюю часть тело кости диафиз diaphysis от греч. Участок кости где диафиз переходит в эпифиз выделяют как м е т а ф и з metaphysis. Трубчатые кости составляют скелет конечностей выполняют функции рычагов.
24028. Голеностопный сустав: строение, форма, движения; мышцы, действующие на этот сустав, их кровоснабжение и иннервация; рентгеновское изображение голеностопного сустава 211 KB
  Строение мышцы как органа. Скелетные мышцы прикрепляясь к костям приводят их в вижение участвуют в образовании стенок полостей тела: ротовой грудной брюшной таза входят в состав стенок некоторых внутренних органов глотка верхняя часть пищевода гортань находятся в числе вспомогательных органов глаза глазодвигательные мышцы оказывают действие на слуховые косточки в барабанной полости. Под воздействием импульсов поступающих по нервам из центргльной нервной системы скелетные мышцы действуют на костные рычаги активно изменяют...
24029. Паховый канал, его стенки, глубокое и поверхностное кольцо 212.5 KB
  Он проходит в толще передней стенки живота у нижней её границы от глубокого пахового кольца ббразованного поперечной фасцией над серединой паховои связки до поверхностногог пахового кольца находящегося над верхней ветвью лобковой кости между латеральной и медиальной ножками апоневроза наружной косой мышцы живота рис. Оно ограничено ножками апоневроза наружной косой мышцы живота: сверху_ медиальной crus mediate снизу латер а л ь н о й cms laterdle. reflexum состоящая из ответвления волокон паховой связки и латеральной ножки...
24030. Медиальные и задние мышцы и фасции бедра: их топография, Функции, кровоснабжение и иннервация 217.5 KB
  Задние мышцы К задней группе мышц бедра относятся двуглавая мышца бедра полусухожильная и полуперепончатая мышцы см. Ниже в задней области бедра полусухожильная и полуперепончатая мышцы располагаются медиально прилежат к большой приводящей мышце; двуглавая мышца бедра занимает латеральное положение и прилежит к латеральной широкой мышце бедра. Начиная от уровня границы между средней и нижней третями бедра мышцы расходятся в стороны поэтому полусухожильная и полуперепончатая мышцы ограничивают подколенную ямку с медиальной стороны а...
24031. Тонкая кишка, ее отделы, их топография, отношение к брюшине, строение стенки, кровоснабжение, иннервация 262.5 KB
  Располагается тонкая кишка в области чревья средняя область живота книзу от желудка и поперечной ободочной кишки достигая входа в полость таза. Длина тонкой кишки у живого человека колеблется от 22 до 44 м; у мужчин кишка длиннее чем у женщин. У трупа вследствие исчезновения тонуса мышечной оболочки длина тонкой кишки составляет 5 6 м. Верхней границей тонкой кишки является привратник желудка а нижней илеоцекальный клапан у места ее впадения в слепую кишку.
24032. Кровоснабжение и иннервация легких. Пути оттока лимфы от правого и левого легких, их регионарные лимфатические узлы 206 KB
  У женщин тазовая часть мочеточника проходит позади яич ника затем мочеточник с латеральной стороны огибает шейку матки после чего ложится между передней стенкой влагалища и мочевым пузырем. У женщин задняя поверхность моче вого пузыря соприкасается с передней стенкой шейки матки и влагалища а дно с мочеполовой диафрагмой. Эта связка в виде круглого тяжа идет от маточного конца яичника к латеральному углу матки располагаясь между двумя листками широкой связки матки. Яичник фиксирован также короткой брыжейкой mesovarium которая...
24033. Влагалище: строение, топография, кровоснабжение, иннервация, отношение к брюшине 277 KB
  Влагалищные артерии происходят из маточных артерий а также из нижних мочепузырных средних прямокишечных и внутренних половых артерий. Большие и малые половые губы получают кровь по передним губным ветвям из наружной половой артерии правой и левой ветви соответствующей бедренной артерии а также по задним губным ветвям из промежностных артерий являющихся ветвями внутренних половых артерий. В кровоснабжении клитора и луковицы преддверия принимают участие парные глубокая артерия клитора дорсальная артерия клитора артерии луковицы...
24034. Острые лейкозы. Классификации 37.38 KB
  Неотложная помощь при гипертоническом кризе гиперкинетического типа Неотложную терапию при гипертоническом кризе гиперкинетического типа начинают с внутривенного введения 6 10 мл 05ного раствора или 3 5 мл 1ного раствора дибазола. Для купирования криза индерал или обзидан вводят внутривенно струйно в дозе 5 мг на 10 15 мл изотонического раствора натрия хлорида. Внутривенно или внутримышечно вводят 1 мл 01ного раствора рауседила. Внутривенно капельно вводят 1 мл 25ного раствора аминазина на 100 250 мл 5ного раствора глюкозы или...