В большинстве случаев конечной целью лабораторной работы является вычисление искомой величины с помощью некоторой формулы, в которую входят величины, измеряемые прямым путем. Такие измерения называются косвенными. В качестве примера приведем формулу плотности твердого тела цилиндрической формы

где r – плотность тела, m – масса тела, d – диаметр цилиндра, h – его высота.

Зависимость (П.5) в общем виде можно представить следующим образом:

где Y – косвенно измеряемая величина, в формуле (П.5) это плотность r; X 1 , X 2 ,... , X n – прямо измеряемые величины, в формуле (П.5) это m , d , и h .

Результат косвенного измерения не может быть точным, поскольку результаты прямых измерений величин X 1 , X 2 , ... , X n всегда содержат в себе погрешность. Поэтому при косвенных измерениях, как и при прямых, необходимо оценить доверительный интервал (абсолютную погрешность)полученного значения DY и относительную погрешность e.

При расчете погрешностей в случае косвенных измерений удобно придерживаться такой последовательности действий:

1) получить средние значения каждой прямо измеряемой величины áX 1 ñ, áX 2 ñ, …, áX n ñ;

2) получить среднее значение косвенно измеряемой величины áY ñ, подставив вформулу (П.6) средние значения прямо измеряемых величин;

3) провести оценки абсолютных погрешностей прямо измеряемых величин DX 1 , DX 2 , ..., DX n , воспользовавшись формулами (П.2) и (П.3);

4) основываясь на явном виде функции (П.6), получить формулу для расчета абсолютной погрешности косвенно измеряемой величины DY и рассчитать ее;

6) записать результат измерения с учетом погрешности.

Ниже без вывода приводится формула, позволяющая получить формулы для расчета абсолютной погрешности, если известен явный вид функции (П.6):

где ¶Y¤¶X 1 и т. д. – частные производные от Y по всем прямо измеряемым величинам X 1 , X 2 , …, X n (когда берется частная производная, например по X 1 , то все остальные величины X i в формуле считаются постоянными), DX i – абсолютные погрешности прямо измеряемых величин, вычисленные согласно (П.3).

Рассчитав DY, находят относительную погрешность .

Однако если функция (П.6) является одночленом, то намного легче сначала рассчитать относительную погрешность, а затем уже абсолютную.

Действительно, разделив обе части равенства (П.7) на Y , получим

Но так как , то можно записать

Теперь, зная относительную погрешность, определяют абсолютную .

В качестве примера получим формулу для расчета погрешности плотности вещества, определяемой по формуле (П.5). Поскольку (П.5) является одночленом, то, как сказано выше, проще сначала рассчитать относительную погрешность измерения по (П.8). В (П.8) под корнем имеем сумму квадратов частных производных от логарифма измеряемой величины, поэтому сначала найдем натуральный логарифм r:

ln r = ln 4 + ln m – ln p –2 ln d – ln h ,

а потом уже воспользуемся формулой (П.8) и получим, что

Как видно, в (П.9) используются средние значения прямо измеряемых величин и их абсолютные погрешности, рассчитанные методом прямых измерений по (П.3). Погрешность, вносимую числом p, не учитывают, поскольку ее значение всегда можно взять с точностью, превышающей точность измерения всех других величин. Рассчитав e, находим .

Если косвенные измерения являются независимыми (условия каждого последующего эксперимента отличаются от условий предыдущего), то значения величины Y вычисляются для каждого отдельного эксперимента. Произведя n опытов, получают n значений Y i . Далее, принимая каждое из значений Y i (где i – номер опыта) за результат прямого измерения, вычисляют áY ñ и DY по формулам (П.1) и (П.2) соответственно.

Окончательный результат как прямых, так и косвенных измерений должен выглядеть так:

где m – показатель степени, u – единицы измерения величины Y .

При обработке результатов косвенных измерений физической величины, связанной функционально с физическими величинами А, В и С, которые измеряются прямым способом, сначала определяют относительную погрешность косвенного измерения e= DХ/Х пр, пользуясь формулами, приведенными в таблице (без доказательств).

Абсолютную погрешность определяется по формуле DХ=Х пр *e,

где e выражается десятичной дробью, а не в процентах.

Окончательный результат записывается так же, как и в случае прямых измерений

(+ http://fiz.1september.ru/2001/16/no16_01.htm полезно) Как правильно проводить измерения http://www.fizika.ru/fakultat/index.php?theme=01&id=1220

Пример: Вычислим погрешность измерения коэффициента трения с помощью динамометра. Опыт заключается в том, что брусок равномерно тянут по горизонтальной поверхности и измеряют прикладываемую силу: она равна силе трения скольжения.

С помощью динамометра взвесим брусок с грузами: 1,8 Н. F тр =0,6 Н

μ=0,33. Инструментальная погрешность динамометра (находим по таблице) составляет Δ и =0,05Н, Погрешность отсчета (половина цены деления)

Δ о =0,05Н. Абсолютная погрешность измерения веса и силы трения 0,1 Н.

Относительная погрешность измерения (в таблице 5-я строчка)

Следовательно абсолютная погрешность косвенного измерения μ составляет 0,22*0,33=0,074

Ответ:

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с другой однородной величиной, принятой за единицу измерения. Измерение может быть произведено с помощью:

1. мер, представляющих собой образцы единицы измерения (метр, гиря, литровый сосуд и т.п.),

2. измерительных приборов (амперметр, манометр и т.п.),

3. измерительных установок, под которыми понимают совокупность мер, измерительных приборов и вспомогательных элементов.

Измерения бывают прямые и косвенные. В прямых измерениях физическая величина измеряется непосредственно. Прямыми измерениями являются, например, измерение длины линейкой, времени - секундомером, силы тока - амперметром.

В косвенных измерениях непосредственно измеряют не ту величину, значение которой нужно узнать, а другие величины, с которыми искомая величина связана определенной математической зависимостью. Например, плотность тела определяют по измерению его массы и объема, а сопротивление - по измерению силы тока и напряжения.

В силу несовершенства мер и измерительных приборов, а также наших органов чувств, измерения не могут быть выполнены точно, т.е. всякое измерение дает лишь приближенный результат. Кроме того, часто причиной отклонения результатов измерений является природа самой измеряемой величины. Например, температура, измеряемая термометром или термопарой в определенной точке печи, колеблется вследствие конвекции и теплопроводности в определенных пределах. Мерой оценки точности результата измерения служит погрешность измерения (ошибка измерения) .

Для оценки точности указывают либо абсолютную погрешность, либо относительную погрешность измерения. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Например, отрезок пути, пройденный телом, , измерен с абсолютной погрешностью . Относительная погрешность измерения - это отношение абсолютной погрешности к значению измеряемой величины. В приведенном примере относительная погрешность равна . Чем меньше погрешность измерения, тем выше его точность.

По источникам своего происхождения погрешности измерения подразделяют на систематические, случайные и грубые (промахи).

1. Систематические погрешности - погрешности измерения, величина которых остается постоянной при повторных измерениях, проводимых одним и тем же методом, с помощью одних и тех же измерительных приборов. Причинами систематических погрешностей являются:

· неисправности, неточности измерительных приборов

· неправомерность, неточность использованной методики измерения

Примером систематических погрешностей может быть измерение температуры термометром со смещенной нулевой точкой, измерение тока неправильно отградуированным амперметром, взвешивание тела на весах при помощи гирь без учета выталкивающей силы Архимеда.

Для устранения или уменьшения систематических погрешностей надо тщательно проверить измерительные приборы, произвести измерение одних и тех же величин разными методами, вводить поправки, когда ошибки заведомо известны (поправки на выталкивающую силу, поправки на показания термометра).

2. Грубые ошибки (промахи) - существенное превышение величины погрешности, ожидаемой при данных условиях измерения. Промахи появляются в результате неправильной записи показаний прибора, неправильного отсчета по прибору, из-за ошибки в расчетах при косвенных измерениях. Источник промахов - невнимательность экспериментатора. Путь устранения этих погрешностей - аккуратность экспериментатора, исключение переписывания протоколов измерения.

3. Случайные погрешности - погрешности, величина которых меняется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины одним и тем же методом при помощи тех же приборов. Источником случайных погрешностей является неконтролируемая невоспроизводимость условий измерения. Например, во время измерения неконтролируемым образом может меняться температура, влажность, атмосферное давление, напряжение в электрической сети, состояния органов чувств экспериментатора. Исключить случайные погрешности нельзя. При многократных измерениях случайные ошибки подчиняются статистическим законам, и их влияние можно учесть.

В результате прямого измерения получается не истинное значение х измеряемой величины, а серия изn значений . Пусть теперь

Суммируя последнее равенство, получим

(7)

где средне арифметическое измеренных значений. Таким образом,

(8)

Из этого простого результата вытекают весьма важные следствия. Действительно, при

и
.

значит, при бесконечно большом числе измерений
и, следовательно, при конечныхn результат тем ближе к среднему арифметическому, чем больше число измерений. Отсюда также следует, что при оценке ∆ Х в качестве
целесообразно взять .

На практике n конечно и
. В задачу математической теории случайной погрешности входит оценка интервала

в котором заключено истинное значение измеряемой величины. Интервал (9) называется доверительным интервалом , а величина
–абсолютной погрешностью результата серии измерений. Теория оценки ∆ х достаточно сложна, поэтому здесь будут рассмотрены лишь её основные результаты. Прежде всего нужно отметить, что, поскольку х – случайная величина, ошибка ∆ х может быть определенна лишь с той или иной степенью надежности α , которую также называют доверительной вероятностью. Доверительная вероятность – это вероятность того, что истинное значение измеряемой величины х попадает в доверительный интервал (9). Если положить α =1 (100%), то это будет соответствовать достоверному событию, т.е. вероятности того, что х принимает какое-то значение в интервале (
). При этом
. Очевидно, такой выбор надёжностиα нецелесообразен. При малых α доверительный интервал ∆ х определяется с малой достоверностью. В дальнейшем мы будем полагать α =0.90 или 0.95. Доверительный интервал и надёжность взаимосвязаны. Для оценки границ доверительного интервала английский математик В. Госсет (публиковавший свои работы под псевдонимом Стьюдент) ввёл в 1908 г. коэффициент:

(10)

равный отношению погрешности ∆ х к средней квадратичной ошибке*

(11)

Коэффициент зависит от надёжностиα , а также от числа измерений n и называется коэффициентом Стьюдента. Этот коэффициент табулирован (см. приложение 1), поэтому рассчитав и задав доверительную вероятностьα , нетрудно найти случайную ошибку:

(12)

Расчёт погрешности косвенных измерений.

При косвенных измерениях измеряемая величина f находится из функциональной зависимости:

где x , y , z – результаты прямых измерений. Формулу для ∆ f можно получить, заменив в (2) дифференциалы погрешностями и взяв все слагаемые по модулю

(13)

Соотношение (13) рекомендуется для оценки погрешности ∆ f , обусловленной приборными погрешностями величины x, y, z, … Для оценки погрешности, связанной со случайными ошибками прямых измерений, рекомендуется соотношение:

(14)

Следует правда отметить, что формулы (13) и (14) приводят практически к одинаковым результатам. Производные в (13) и (14) берутся при средних, т.е. при измеренных значениях аргументов.

Очень часто функция f представлена степенной зависимостью от аргументов

(15)

где c, n, m и p – постоянные. Частным случаями формулы (15) являются соотнощения
,
и др.

Задание . Покажите, что для функции вида (15) формулы (13) и (14) принимают вид:

(13)

(14)

Из соотношений (13) и (14) следует, что для степенных функций расчёт погрещностей существенно упрощается, причём целесообразно сначала найти относительную погрешность, которая выражается через относительную погрешность прямых измерений, а затем найти абсолютную погрешность

(16)

Под понимается функция от средних (измеренных) значений аргументов

.

Алгоритм расчета погрешностей

- Для прямых измерений

1. Вычислить среднее арифметическое результатов
серии из n измерений:

Замечание: при расчете удобнее исходить из формулы:

где - любое удобное значение, близкое к.

2. Найти отклонения отдельных измерений от среднего значения

Замечание. При
можно положить
и рассчитывать по формуле

5. Если
, то случайную ошибку можно не рас­считывать.

6. В противном случае задать доверительную вероятность и найти по таблице коэффициент Стьюдента .

Замечание 1. Если приборная погрешность
имеет тот же порядок величины что и, то абсолютная погрешность результата серии измерений находится по формуле:

где
Практически в качестве
можно взять табличное значение
отвечающее самому большо­му из приведенных в ней значенийп (например, п=500 ) .

Замечание 2. При большом числе измерений
можно по­ложить

где
.

8. Результат измерения представить в виде:

- Для косвенных измерений

Погрешность
косвенного измерения можно рассчитать по одной из формул (13), (14), (13*), (14*). Две последние формулы выпол­няются для степенных зависимостей, а соотношения (13) и (14) име­ют общий характер.

Сводка соотношений для расчета погрешности косвенного измере­ния
для некоторых простых функциональных за­висимостей представлена в таблице.

Пример. Пусть джоулево тепло Q рассчитывается по формуле

Поскольку это степенная зависимость, целесообразно воспользоваться формулой (13*)

Правила представления результатов измерений и их погрешностей

Погрешности могут лишь оцениваться, поэтому обычно достаточно указать погрешность с одной значащей цифрой. Например, Δm=0,2 г.
г. Записьт = 3,0 г означает, что измерение произведено с точностью до десятых долей грамма. Однако при про­межуточных вычислениях целесообразно оставлять больше значащих цифр.

Правила округления чисел (результатов измерений) иллюстрируют­ся в таблице (обратите внимание на особенности округления цифры 5).

Таблица Округление до десятых значащих цифр

Результат измерения принято округлять так, чтобы числовое зна­чение оканчивалось цифрой того же разряда, что и значение погреш­ности. Например, запись

см.

непреемлема, т.к. само значение погрешности Δl = 0,1 см указыва­етна то, что цифры 018 результата не могут гарантироваться. Нуж­нозаписать так:
см.