Порядок операций при обработке результатов серии измерений
При прямых измерениях:
1. Результаты каждого измерения записать в таблицу.
2. Вычислить среднее значение из n измерений
(1)
3. Найти погрешности отдельных измерений
.
4. Вычислить квадраты погрешностей отдельных измерений
( x1)2, ( x2)2,..., ( xn)2.
5. Оценить среднеквадратичную погрешность среднего значения
(2)
6. Определить коэффициент Стьюдента tn (по таблице) для доверительной вероятности Р = 0,95 и числа произведенных измерений n.
7. Найти случайную погрешность результата измерений:
(3)
8. Если случайная погрешность результата измерений x окажется сравнимой2 с систематической (погрешностью прибора xпр), то в качестве погрешности результата измерений следует взять величину
. (4)
9. Окончательный результат записать в виде:
.
10. Оценить относительную погрешность результата измерений
.
При косвенных измерениях:
1.
Для каждой непосредственно измеренной
величины (X1,
X2,...,
Xm),
входящей в расчетную формулу для
определения X
(X
=
f
(X1,
X2,...,
Xm)),
провести обработку в описанной выше
последовательности, т.е. вычислить
средние арифметические значения
по формуле (1) и погрешности
X1,
X2,...,
Xm
по формуле (4) для доверительной
вероятности Р = 0,95.
2. При необходимости учесть систематическую (приборную) погрешность каждой серии измерений
.
где индекс i относится к соответствующей измеренной величине, а Xпр i – систематическая погрешность прибора, используемого для измерения Хi.
Вычислить наиболее вероятное значение X:
4. Вычислить
частные производные
при
средних
значениях
величин
X1,
X2,...,
Xm.
5. Определить абсолютную погрешность косвенного измерения X по общей формуле:
.
Здесь и выше m – число независимых непосредственно измеренных величин. Округлить полученный результат до двух значащих разрядов.
6. Записать окончательный результат в виде
.
7. Определить относительную погрешность косвенного измерения X :
.
Правила представления результата измерения
Все результаты измерений, а также вычисленный по ним окончательный результат приводят вместе с погрешностью, которую выражают в тех же единицах, что и саму измеряемую величину, например: l = (1,572 ± 0,004) м.
Среднее значение <x> необходимо округлять так, чтобы оно оканчивалось цифрой того же разряда, что и Δх после её округления. Т.е. число и его погрешность всегда записывается так, чтобы их последние цифры принадлежали одному и тому же десятичному разряду. Значения погрешностей следует округлять, оставляя одну значащую цифру3. Округлять предпочтительно в сторону большего значения.
Примеры:
Получено: U = 124,4 В; ΔU = 1,1 В.
Следует записать: U = (124,4 ± 1,1) В.
Получено: V = 2,678•103 см/с; ΔV = 3,2 см/с.
Следует записать: V = (2,678 ± 0,003) •103 cм/с.
В промежуточных выкладках при расчете погрешностей нужно удерживать три-четыре значащие цифры.
При представлении окончательных результатов физических измерений часто применяют запись числовых значений в виде десятичной дроби, умноженной на необходимую степень числа десять.
Примеры:
При обработке группы результатов измерений получены: <x> = 965,332 и Δх = 8,35.
Результат округления записывают в виде: х = 965 ± 8.
При обработке группы результатов измерений получены: <x> = 0,003893 и Δх = 0,000282.
Результат округления записывают в виде: х = (38,9 ± 2,8)•104.
Числа 3106; 0,0285; 0,120 записывают так:
3,106•103; 2,85•10-2; 1,2•10-1.
Графическое представление результатов эксперимента
В ряде работ по результатам измерений требуется построить график.
График строят на миллиметровой бумаге, либо на бумаге в клетку. Допускается компьютерное представление графика.
Построение графика производится в следующем порядке:
Установить пределы измерения величин, откладываемых на координатных осях.
Выбрать масштаб по осям координат в зависимости от требуемой точности измерений. В качестве единицы измерения графика (клеточка или сантиметр на миллиметровой бумаге) следует брать только 10n; 2•10n; 5•10n единиц определяемой величины, где n –любое положительное или отрицательное число, начиная от нуля.
Масштаб выбирают с расчетом, чтобы поле графика приближалось к квадрату, а построенная прямая или кривая – к диагонали квадрата.
Выбирают начало координат. В начале координат могут стоят любые числа.
Наносят масштаб на координатные оси (на бумаге в клетку через 5 клеток, на миллиметровой бумаге – через 1, 2 или 5 см. Числа на координатных осях должны быть округленными. В конце координатных осей указывают величины, отложенные по осям координат, и единицы их измерения.
Наносят на график экспериментальные точки в виде крестиков, размах по высоте и ширине которых равен удвоенным погрешностям измерения, отложенным по осям величин. Значение координат точек на графике не пишут. Исключение делают только тогда, когда желают выделить какую-то точку.
Проводят при помощи лекала или линейки кривую или прямую, которая ближе всего подходит к экспериментальным точкам. Проведенная кривая является осреднением экспериментальных результатов. Поэтому экспериментальные точки могут быть как на кривой, так и под ней или над ней.
Проводя прямую линию (рис.1), нужно руководствоваться следующими правилами:
прямая должна пересечь все или почти все крестики, обозначающие систематические погрешности отложенных величин;
число точек, оказавшихся выше и ниже проведенной прямой, должно быть примерно одинаковым;
экспериментальные точки должны быть и выше, и ниже прямой во всем диапазоне значений x.
Рис.1. Прямая f = kx +b , проведенная через экспериментальные точки:
а, б – неправильно; в, д – правильно;
г – промах;
Иногда через набор точек невозможно провести прямую, руководствуясь сформулированными правилами (рис.1 г, д). Если из общего набора выпадает только одна точка (рис.1 г), то ее следует считать промахом и в дальнейшем не учитывать. Если же сильно выбиваются несколько точек или явно видна нелинейность, то отсюда следует, что экспериментальные данные противоречат теоретической зависимости ( f = kx + b). Если же наблюдаются случаи, показанные на рис.1 в или г, то можно сделать вывод, что экспериментальные данные подтверждают теоретическую зависимость.