4125

Обробка результатів вимірювань при виконанні лабораторних робіт з курсу Фізика

Лабораторная работа

Физика

Обробка результатів вимірювань при виконанні лабораторних робіт з курсу Фізика Вимірювання фізичних величин є метою кожної лабораторної роботи з фізики. Вимірювання – це процес порівняння фізичної величини з іншою, якає є однорідною з нею, і як...

Украинкский

2012-11-13

126 KB

7 чел.

Обробка результатів вимірювань при виконанні лабораторних робіт з курсу Фізика

Вимірювання фізичних величин є метою кожної лабораторної роботи з фізики. Вимірювання – це процес порівняння фізичної величини з іншою, якає є однорідною з нею, і яка прийнята за одиницю вимірювання. При цьому розрізняють прямі та непрямі вимірювання.

Виміряти фізичну величину (ФВ)  це значить знайти дослідним шляхом значення фізичної величини, використовуючи технічні засоби. Вимірювання поділяються на прямі та непрямі. Прямі вимірювання отримуються шляхом безпосерднього спостереження за мірою або приладом. Непрямі вимірювання отримуюмуються шляхом розв’язування рівнянь.

Результати вимірювань ФВ, наприклад, в лабораторії завжди є не абсолютно точними, а наближеними. Точність вимірювань залежить від багатьох факторів. Мірою точності вимірювань є похибка. Похибки вимірювань можна класифікувати по-різному. Наприклад: похибки методу вимірювань, інструментальні похибки, похибки через зовнішні впливи на засоби і об’єкти вимірювань, похибки відліку, суб’єктивні похибки. В основному похибка складається з інструментальної похибки та похибки відліку.

Похибки поділяються також на абсолютні та відносні.

Абсолютна похибка ФВ х - це іменоване число, яке показує межі вимірюваної ФВ.

Абсолютна похибка  визначається різницею між істинним та наближеним значеннями вимірюваної ФВ.

Відносна похибка – це відношення абсолютної похибки вимірювання до істинного значення вимірюваної величини. Відносна похибка вимірюється у відсотках, використовується для порівняння якості вимірювань різнорідних величин.

Існують різні методи визначення величин похибок.

Метод середнього арифметичного

Метод середнього арифметичного застосовується при прямих вимірюваннях, коли похибка вимірювального приладу менша похибки відліку.

Найбільше до істинного значення вимірюваної ФВ наближається її середнє арифметичне значення. Нехай маємо n прямих вимірювань ФВ х:

.

  1.  Визначається середнє арифметичне ФВ х

                                             (1)

Примітка. При кінцевому числі n величина  називається виборочним середнім або середнім вибірки.

  1.  Визначається абсолютна похибка кожного вимірювання

  1.  Обчислюється середня абсолютна похибка

                                         (2)

  1.  Обчислюється відносна похибка

                                                   (3)

Якщо в процесі багатократних вимірювань вимірювальний прилад дає однакові покази, то за максимальну абсолютну похибку приймають похибку вимірювального приладу або ціну поділки шкали приладу.

  1.  Записується результат вимірювання

                                                    (4)

Статистичний метод

Похибки також поділяються на систематичні, випадкові, промахи. Систематичні похибки та промахи можна звести до мінімального значення, наприклад до нуля. Випадкові похибки - це похибки, які в однакових умовах мають різні значення. Випадкові похибки не можна звести до нуля, можна лише зменшити їхню величину шляхом збільшення кількості вимірювань в ідентичних умовах. Випадкові похибки досліджуються в теорії імовірностей. Похибки відліку при зніманні показів мір або вимірювальних приладів оком людини також можна обробляти статистичним методом.

Закон нормального розподілу випадкових похибок та статистична обробка при нормальному розподілі результатів спостережень

Нехай маємо n (100) вимірювань ФВ х(). Обчислимо середнє арифметичне ФВ х -  і знайдемо абсолютні похибки . Розглянемо величини цих випадкових похибок і розділимо їх на певні інтервали, враховуючи їхній знак. Побудуємо гістограму. Для цього по осі ОХ відкладатимемо величини похибок, а по осі ОY кількість похибок які потрапляють в цей інтервал.


Якщо кількість вимірювань збільшувати (), а величину інтервалу зменшувати, то гістограма наближатимеся до плавної кривої, яка має форму кривої Гаусса (нормальний розподіл Гаусса або розподіл густини імовірностей). Аналітичний вигляд кривої Гаусса є

                                           (5)

– густина імовірності. Вона дозволяє визначити імовірність dP появи випадкової похибки в інтервалі похибок d(Δx) за формулою

,

а імовірність появи випадкової похибки в кінцевому інтервалі значень [Δx1, Δx2] буде дорівнювати

                                               (6)

Δx - абсолютна випадкова похибка результату спостереження, коли систематична похибка повністю виключена, параметр σ називається дисперсією і характеризує розкид значень випадкової похибки відносно нульового значення. Квадратний корінь з дисперсії називається середньо квадратичним відхиленням (середньо квадратичною похибкою). Параметр σ зручно використовувати для оцінки якості проведених спостережень. Так, якщо його значення взяти в якості границь випадкової похибки результату спостереження, то за формулою (6) імовірність Р1 того, що похибка результату спостереження перебуває в межах [-σ, +σ], дорівнює

                            (7)

Аналогічно можна отримати імовірність появи похибки реультату спостереження в межах інтервалу [-2σ, +2σ] – вона дорівнює 0,95, а в межах інтервалу [-3 σ, +3 σ] – 0,99. Це означає , що з серії спостережень, кількість яких прийнято за 100%, для 68% з них випадкова похибка не вийде за межі , у 95% - за межі 95 % , а для 99% - за межі . Тобто , параметр σ дозволяє визначити границі інтервалу випадкової похибки з деякою імовірністю. Середньо квадратичну похибку називають ще стандартною похибкою. Середньо квадратична стандартна похибка визначається за формулою

                                              (8)

Формула (8) дає дещо занижене значення дисперсії, бо  відрізняється від істинного значення вимірюваної величини, тому оцінка середньо квадратичної (стандартної) похибки проводиться на основі дослідних даних за формулою

                                          (9)

Верхня та нижня границі інтервалу, що покриває з заданою імовірністю похибку вимірювання, називаються довірчими границями похибки, інтервал – довірчим, а імовірність, що його характеризує – довірчою імовірністю. Границі довірчого інтервалу визначаються за формулою

                                                   (10)

Для довірчого інтервалу 68%  (для значень  є таблиці).

Таким чином, результатом вимірювання ФВ є середнє арифметичне результатів спостережень та довірчий інтервал випадкової похибки.

При кінцевій кількості спостережень (вимірювань) розподіл Гаусса застосовується з певним ступенем наближення. В цьому випадку для визначення границь довірчого інтервалу замість формули (10) в якій коефіцієнт  залежить тільки від імовірності Р, використовується інша формула

                                                      (11)

- коефіцієнт Стьюдента, який залежить не тільки від імовірності Р, але й від кількості спостережень n в серії, його беруть з таблиці.

        p

n

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

0,95

0,98

0,999

2

1,00

1,38

2,0

3,1

6,3

12,7

31,8

636,6

3

0,82

1,06

1,3

1,9

2,9

4,3

7,0

31,6

4

0,77

0,98

1,3

1,6

2,4

3,2

4,5

12,9

5

0,74

0,94

1,2

1,5

2,1

2,8

3,7

8,6

6

0,73

0,92

1,2

1,5

2,0

2,6

3,4

6,9

7

0,72

0,90

1,1

1,4

1,9

2,4

3,1

6,0

8

0,71

0,90

1,1

1,4

1,9

2,4

3,0

5,4

9

0,71

0,90

1,1

1,4

1,9

2,3

2,9

5,0

10

0,70

0,88

1,1

1,4

1,8

2,3

2,8

4,8

0,67

0,84

1,0

1,3

1,6

2,0

2,3

3,3

Середньо квадратична похибка результату при кінцевій кількості спостережень (вимірювань) оцінюється за формулою

                                           (12)

Обробка результатів непрямих вимірювань

При непрямих вимірюваннях фізичної величини а її значення визначається за функціональною залежністю між нею та величинами аргументів, значення яких знайдене в результаті прямих вимірювань, тобто . Метод оцінки величини a та похибки її вимірювання наступні. Для простоти розглянемо простий випадок, коли величини a є функцією одного аргументу:

                                                  (13)

Розглянемо цю функцію поблизу  в межах інтервалу , де  - оцінка величини х, а  - похибка її вимірювання. Розкладемо функцію в ряд Тейлора, тобто представимо її у вигляді багаточлена:

,      (14)

де  - похідна n – го порядку в точці . Враховуючи, що похибка вимірювання величини х є малою величиною, зберігають лише члени першого порядку. Тоді:

                                 (15)

Доданок із (15) є оцінкою значення величини а, тобто

,

де  - визначається з формулою

                                                      (16)

Другий доданок в (15) визначає похибку вимірювання величини а

,                                               (17)

де . Враховуючи, що похибка величини х може бути як із знаком “+”, так і з “-“, рівняння (17) записують у вигляді

                                          (18)

У загальному випадку , де , де і=1, 2,…, к

Якщо похибки вимірювання величини  мають лише випадковий характер, то абсолютна похибка вимірювання величини а визначається за формулою

,

де  - частинні похідні при , а  - похибки вимірювання величини .

Результат непрямого вимірювання представляється у вигляді

Якщо вимірювана величина є функцією кількох змінних, похибки яких порівняно невеликі, то похибка непрямого вимірювання може бути визначена на основі формул таблиці. При цьому розраховують стандартну похибку  з довірчим інтервалом  та довірчою імовірністю 68%.


x

0

0

f(Δx)

Δx


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21751. Системы и виды ремонта шахтного оборудования 25.5 KB
  Эта система представляет собой комплекс циклически повторяющихся технических и организационных мероприятий предусматривающих проведение запланированных профилактических работ по осмотру уходу и надзору с устранением встречающихся неисправностей а также ремонтов частично или полностью восстанавливающих работоспособность оборудования. Профилактические работы составляют сущность технического обслуживания оборудования и транспортных средств между ремонтами. Ремонт оборудования кроме стационарных установок должен сводиться к...
21752. Ремонтные нормативы и графики плановых осмотров и ремонта оборудования 22.5 KB
  Непосредственными ремонтными нормативами являются: длительность ремонтного цикла межремонтные периоды продолжительность простоя в ремонте структура ремонтного цикла. Длительность ремонтного цикла это промежуток времени в часах между двумя плановокапитальными ремонтами. Структура ремонтного цикла это определенная схема чередования видов ремонта на протяжении ремонтного цикла. Структура ремонтного цикла строится на основе группировки деталей и узлов по срокам их службы износостойкости.
21753. Организация производства. Основные понятия и определения 27 KB
  Организация производства это комплекс мероприятий направленных на рациональное сочетание процессов труда с вещественными элементами производства средствами производства и расходными материалами производства в пространстве и времени с целью увеличения эффективности производственного процесса т. При определении организации производства следует разделять: Организацию предприятия как производственной системы на длительный срок. Особенности горного предприятия и анализ их влияния на организацию производства: Высокая...
21754. Классификация штата работающих на шахте 40.5 KB
  Рабочие трудящиеся занятые непосредственно на добыче угля на рабочих местах участков и цехов обслуживающих или создающих условия для протекания производственного процесса . Младший обслуживающий персонал трудящиеся занятые уборкой и отоплением помещений обслуживанием рабочих и руководящего персонала к ним относятся уборщицы дворники кубовщицы гардеробщицы рассыльные шоферы легковых машин и служебных автобусов. Ученики лица которые обучаются на предприятии под руководством рабочих и служащих рабочим профессиям или...
21755. Организация табельного учета 24.5 KB
  Табельный учет выполняет следующие функции: контроль за своевременной явкой рабочих и служащих на работу фиксирование опозданий и невыходов; проверку нахождения на местах работы работников учтенных в числе явившихся на работу; проверку правильности использования внутрисменных обеденных перерывов; контроль за своевременностью ухода работников с работы по окончании смены; контроль за временными уходами с работы по разрешению администрации а также учет работников находящихся в отпусках командировках выполняющих...
21756. Режим работы шахты и ее участков 25 KB
  Под режимом работы понимают степень использования основных фондов и производственных мощностей во времени. Режим работы одна из важнейших сторон организации производства характеризующая продолжительность использования средств труда при определенной интенсивности смены суток года во времени. Режим работы устанавливается для производственных единиц ее участковцехов отдельных бригад и рабочих.
21757. Формы организации труда на рудниках 26 KB
  В зависимости от состава и методов учета выполненных работ различают специализированные и комплексные бригады. Специализированные бригады бригады выполняющие один процесс переноску конвейера доставку крепежного материала бурение и т. В настоящее время наибольшее распространение в очистных и подготовительных забоях ПО Беларуськалий получили комплексные бригады выполняющие несколько взаимосвязанных процессов при коллективной организации труда. По сравнению со специализированными бригадами комплексные бригады...
21758. Графики выходов рабочих 26 KB
  В них показывается порядок чередования смен и выходные дни для отдельных рабочих и бригад. В графиках выходов предусматривается: соответствие принятому числу рабочих смен продолжительности рабочего дня и рабочей недели т. режиму работы данного участка во времени; правильное чередование дней работы и отдыха; полное использование установленной нормы рабочего времени за месяц минимальное значение которой при 7часовом рабочем дне составляет 1731 ч а при 6часовом рабочем дне 1525 ч; правильное чередование смен; соблюдение постоянного...
21759. Алгоритм составления графиков выходов рабочих 23 KB
  Алгоритм составления графиков следующий: определяют число бригад в сутки исходя из недельного режима работы на рабочем месте; определяют явочное число рабочих в каждой смене в соответствии с выполняемыми производственными процессами объёмом работ и обслуживанием; составляют графики выходов: обозначают общевыходной день для участка; обозначают выходные дни для отдельных членов бригады или всей бригады; отмечают номера смен и порядок их ломки; вносят графические обозначения смены обозначаются цифрами а выходные дни нулями; при...