Измерение физических величин и вычисление погрешностей

Измерить какую-либо величину – значит узнать, сколько раз заключается в ней однородная величина, принятая за величину меры. Непосредственно измерять данную величину (прямое измерение) приходится очень редко. В большинстве случаев производят не прямые измерения, а косвенные – через величины, связанные с измеряемой физической величиной определенной функциональной зависимостью. Например, определение кинетической энергии тела по известной формуле:

Провести измерения физических величин абсолютно точно невозможно, так как всякое измерение сопровождается той или иной ошибкой или погрешностью. Погрешности или ошибки измерений бывают систематические и случайные.

Систематические погрешности происходят от несовершенства измерительных приборов, а также от недостаточно разработанной теории опыта.

Систематические погрешности дают отклонение результата от истинного значения только в одну сторону (или в сторону увеличения, или в сторону уменьшения).

Систематические погрешности можно избежать путем изучения приборов, которыми пользуются при выполнении работ, полной разработки теории опыта, а также введением соответствующих поправок в результаты измерений.

Случайные погрешности носят субъективный характер. Они могут быть по вине экспериментатора: от несовершенства зрения, слуха или по другим причинам, которые заранее нельзя учесть.

Случайные погрешности могут изменить результаты в обе стороны, то увеличивая, то уменьшая их.

Иногда говорят о промахах или просчетах – это ошибки, возникающие в результате небрежности отсчета по приборам или неразборчивости в записи их показаний. Единственное средство устранить их: внимательно сделать повторное ( контрольное ) измерение. Эти ошибки в расчет не принимают.

Исключить при измерениях случайные ошибки невозможно, но благодаря тому, что к случайным ошибкам можно применить законы теории вероятности, можно уменьшить влияние этих ошибок на окончательный результат измерений.

Определение погрешностей при прямых измерениях

Пусть в результате измерения физической величины N получен ряд значений N, N, N,.…, N, где n - число отдельных измерений. Среднее арифметическое этих результатов, т.е.

(1)

есть величина, называемая средним значением величины N, которая наиболее близка к истинному значению.

Отсюда следует, что каждое измерение должно быть повторено несколько раз.

Разности ,, , …, между средним значением измеряемой величины и значением,,, …,, полученным при отдельных измерениях, т.е.

……………..

называются абсолютными ошибками или погрешностями отдельных измерений и могут быть положительными и отрицательными.

Для определения средней абсолютной погрешности результата берут среднее арифметическое абсолютных значений (модулей) отдельных ошибок:

Отношения называютсяотносительными погрешностями отдельных измерений.

Отношение средней абсолютной погрешности результата к его среднему значениюдаетсреднюю относительную погрешность результата измерений:

Относительные ошибки принято выражать в процентах

Истинное значение

N = N

Не следует думать, что величина N_ист имеет два значения N_ср - иN_ср+ . N_ист имеет только одно значение, а знак « + » или « – » показывает , что истинное значение измеряемой величины находится в интервале

N_ср - N_ср N_ист N_ср + .

Теория вероятностей дает более точную формулу для вычисления абсолютной ошибки результата, устанавливая понятие так называемой наиболее вероятной ошибки результата :

= ± 0, 6745

В этом случае окончательное значение измеряемой величины

N_ист = N_ср

Если точность прибора такова, что при любом числе измерений получается одно и тоже число, лежащее где-то между делениями шкалы, то приведенный метод оценки погрешности неприменим. В этом случае измерение производится один раз и результат измерений записывается так:

,

где - искомый результат измерений;

- средний результат, равный среднему арифметическому из двух значений, соответствующих соседним делениям шкалы, между которыми заключено остающееся неизвестным истинное значение измеряемой величины;

- предельная погрешность, равная половине цены деления шкалы прибора.

Часто в работах даются значения некоторых величин, измеренных заранее. В таких случаях абсолютную погрешность принимают равной ее предельной величине, т.е. равной половине единицы наименьшего разряда, представленного в числе. Например, если дана масса тела m=532,4 г , то m=0.05 г, следовательно m= 532.4 г 0.05 г. .