МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ Й НАУКИ УКРАЇНИ
Запорізький національний технічний університет
Методичні вказівки
до лабораторних і практичних занять
й самостійної роботи
“Первинна обробка експериментальних даних та
підбір емпіричних формул в програмі “Exel” на ПЕОМ
з дисципліни “Метрологія”
для студентів спеціальності 8.090801
"Мікроелектроніка і напівпровідникові прилади"
денної й заочної форм навчання
2005
Методичні вказівки до лабораторних і практичних занять й самостійної роботи “Первинна обробка експериментальних даних й підбір емпіричних формул в програмі “Exel” на ПЕОМ” з дисципліни “Метрологія” для студентів спеціальності 8.090801 "Мікроелектроніка й напівпровідникові прилади" денної й заочної форм навчання /Укл.: А.М.Багінський.- Запоріжжя: ЗНТУ.-2005.- с.
Укладачі: А.М.Багінський, ст.викладач
Рецензент: Г.В.Сніжной, доц., канд.фіз.-матем.наук
Відповідальний за випуск: Г.В.Сніжной, доц., канд.фіз.-матем.наук
Затверджено
на засіданні кафедри
“Мікроелектроніка і
напівпровідникові прилади”
Протокол №
від 2005 р.
ВСТУП
Весь результат колосальної роботи, зробленої вченими за два століття розвитку науки, вдається сконцентрувати, звести в порівняно невелике число законів, що підсумовують ваші знання. Однак, усе, що ми знаємо - це завжди наближення до істини або до того, що ми вважаємо істиною. Наближенням є і закони природи. Дійсно, спочатку відкривають “помилкові” закони, а потім – “справедливі”.
Пробним каменем наших знань завжди є дослід. Він - єдиний суддя наукової істини, він є основним джерелом знань, яке допомагає виводити ті закони, які ми потім перевіряємо, у ньому таяться натяки на них, потрібна чимала уява і фантазія, щоб за натяками побачити щось велике і головне, щоб відгадати неждано просту і прекрасну картину, що встає за ним, а потім поставити новий дослід, що переконує нас у правильності здогаду.
Якщо закони природи приблизні - отже дослід завжди неточний. Чому ж дослід може бути невірним? По-перше, через помилку в приладах (техніка експерименту не проста!), по-друге, через нестачу точності і чутливості, по-третє, через недосконалість методів вимірювань, обумовлених наявністю недосконалих законів. Характерною властивістю картини світу, яка є за ”законами”, є те, що вона міняється в залежності від точності законів: із збільшенням їхньої точності змінюються наші погляди на природу.
Таким чином, осягнення світу відбувається за наступними етапами - робоча гіпотеза, що випливає з аналізу недосконалих законів; дослід (вимірювання), що перевіряє й уточнює робочу гіпотезу; емпіричні закономірності у вигляді графіків, формула закону, узагальнення законів у принцип і знову дослідження меж застосування закону, створення нової гіпотези, що узагальнює й уточнює отриманий закон, нова перевірка гіпотези і т.д. Закон є коротким узагальненням даних, отриманих в результаті вимірювань. Стислість необхідна для кращого використання закону і досягається вона шляхом запису математичної формули закону. Математика, - таким чином, - мова фізики.
Задачею практикуму є вивчення фізичної картини світу, одержання навичок у дослідженні зв'язків між фізичними явищами і їхніми характерними величинами, встановлення фізичних законів і оцінку границь їхнього застосування.
Будь-який закон, що встановлює кількісний зв'язок між фізичними величинами, виводиться в результаті досліду, основою якого є вимірювання. Проводячи будь-яке вимірювання, будь то груба оцінка чи саме точне визначення, ми завжди піддаємо наші ідеї і уявлення кількісному контролю.
Що таке вимірювання і як воно проводиться, які обмеження виникають при цьому і чому? Ці питання не належать до числа простих - вони заново переглядаються кожним новим поколінням фізиків, тому що те, що вони вимірюють і самі методи, і техніка вимірювання - змінюються в міру розвитку наших знань і рівня експериментальної техніки.
Важливим елементом вимірювання є вибір між двома можливостями. Чим вище точність вимірювання (менше похибка), тим більшу кількість раз повинний бути проведений вибір. Вибір проводиться навіть при простому рахунку.
Вибір - остаточний результат вимірювання, але перш ніж зробити вибір, необхідно зареєструвати подію. Прилад (око, вимірювальна установка) повинен щось знайти для нас - для того, щоб ми могли зробити вибір. Іноді для виявлення явища досить наших органів почуттів, однак найчастіше в багатьох випадках потрібна допомога - перетворення чи посилення сигналу. Перетворювачі і підсилювачі істотно не відрізняються від наших природних інструментів за винятком того, що людина з ними не народжується, а створює їх сама.
Не завжди можна здійснити вибір досить добре. Цим пояснюються різні обмеження, неточності і помилки при вимірюваннях. Корисний сигнал не завжди досить чітко виділяється приладом на фоні "шумів", тому відношення амплітуд сигналу і шуму служить мірою точності вимірювання. Якщо сигнал слабкіше шуму, вимірювання стають ненадійними, і необхідні спеціальні міри для виділення корисного сигналу, причому це можливо далеко не завжди і вимагає великого мистецтва від експериментатора. Не слід плутати поняття точності і чутливості приладу. На відміну від точності, що виражається зворотною величиною модуля відносної похибки, чутливість можна визначати як відношення зсуву показника приладу () до зміни вимірюваної величини, що викликала цей зсув (X).
.
Розмірність S залежить від характеру вимірюваної величини. Різного роду підсилювачі, підвищуючи чутливість, далеко не завжди збільшують точність, тому що одночасно із сигналом підсилюються і шуми, більш того, будь-який реальний підсилювач додає до шуму власні перешкоди і, таким чином, не може поліпшити відношення сигналу до шуму, а навпаки, збільшує його. Задачею експериментатора є використання таких засобів і методів, що не погіршували б відношення сигналу до шуму.
Ми повинні бути впевнені, що при наших вимірюваннях не змінюється істотно та величина, яку ми хочемо виміряти. В макросвіті, макрофізиці легко уникнути такого роду порушень при використанні настільки тонкого зонда як світло. У фізиці ж атома взаємодія між засобом вимірювання і вимірюваним об'єктом представляє більш складну проблему, тому що в нашому розпорядженні немає таких зондів, що не порушували б настільки малюсінької структури, як атом. Тому тут найбільш істотні методи вимірювань, що викликають найменшу взаємодію між зондом і об'єктом вимірювання.
Для проведення вимірювань можна використовувати будь-яку фізичну чи біологічну систему, не знаючи її будови ("чорний ящик"), аби її реакція на вимірювальну величину мала достатню стабільність, відтворюваність. Така система попередньо градуюється, тобто ступінь її реакції приводиться відповідно до вимірюваної величини, заздалегідь прокаліброваної. Дотримуючись необхідної старанності при градуюванні, можна домагатися значних успіхів, використовуючи "чорний ящик". Прикладом такої системи служить око людини. У більшості випадків, коли ми робимо вибір чи одержуємо яку-небудь інформацію, ми користуємося очима. Поверхня частини кори головного мозку, що відає зоровими відчуттями й одержує сигнали від очей, більше, ніж вся інша поверхня мозку, що відає іншими органами почуттів. І все-таки око - типовий "чорний ящик", який ми сміло використовуємо в найрізноманітніших випадках.
Вимірювання не закінчується вибором. Необхідно ще оцінити точність вимірювання, величину похибки, обумовленої наявністю шуму і методом вимірювання.
Одержавши в результаті вимірювань залежність між фізичними величинами, необхідно перевести її в графік і, використовуючи той чи інший метод (у нашому випадку – метод лінеаризації графіка), знайти математичну формулу отриманого закону.