Министерство образования и культуры
Республики Кыргызстан
Кыргызский Технический Университет
Методическое руководство
К лабораторным работам по физике.
Раздел «Механика»
Бишкек 2008
Утверждено: Одобрено:
На заседании кафедры Методической комиссией
общей физики энергетического факультета
Составители:
Настоящее руководство к лабораторным работам по механике, составлено в соответствии с программой по физике для высших технических учебных заведений. Её цель – оказать помощь студентам в понимании изучаемого теоретического материала и в работе с различными физическими приборами, а также ознакомить их с элементами проведения физического эксперимента.
В руководстве кратко даются теория, описание установки, методика проведения эксперимента для каждой лабораторной работы.
Вводное занятие
Обработка результатов исследования физического эксперимента.
Цель работы: Изучить элементарные оценки погрешностей измерений физических величин, полученных из эксперимента. Научиться корректно обрабатывать экспериментальные данные лабораторных работах, оформлять результаты эксперимента
Теоретическое введение
Классификация погрешностей измерений.
Результаты любых измерений всегда содержат ошибки различного происхождения, поэтому невозможно измерить абсолютно точно ту или иную физическую величину, как бы тщательно не проводились эксперименты по измерению. На практике (опыте, эксперименте) получают не истинное значение физической величины, а лишь её приближенное значение. В связи с этим на практике важно получить более точный результат, причем, чем точнее результат, тем выше качество измерения, а следовательно, выше качество проделанной работы. Последнее позволяет наиболее достоверно сделать выводы об изучаемом явлении (объекте).
Измерение – это нахождение численного значения физической величины (время, масса, сила, длина и т.д.) опытным путем, с помощью специальных технических средств (весов, штангенциркуля, секундомера и т.п.) и приспособлений.
Под физической величиной следует понимать характеристику одного из свойств физического объекта, поддающаяся количественной оценке и используемая для описаний явлений природы с помощью математических формул.
Измеряемая физическая величина – Х, найденная опытным путем должна иметь числовое значение {А} и размерность, т.е. единицу измерения [В]. С учетом сказанного в общем виде можно записать:
, (1)
где Х –измеряемая величина, А -числовое значение, В -единица измерения.
Например: длина l =25 м.
Точность и погрешность измерения физической величины определяется различными видами ошибок, а именно: систематическими, случайными, промахами и ошибками приборов.
Систематические погрешности
Систематические погрешности -это такие ошибки, которые постоянно вносятся в результаты измерения и обуславливаются несовершенствами в изготовлении прибора, либо определенными свойствами самого объекта измерения. Такие ошибки в большинстве случаев заранее известны и в ряде случаев от них можно избавиться. Например: весы имеют систематическую ошибку, по каким либо причинам смещена нулевая точка отсчета. Эта причина устраняется сравнением показаний используемого прибора с эталонным. Систематические ошибки входят в любой результат измерений, при этом они либо постоянны, либо определенным образом зависят от других величин (температуры, давления, и т.п.). Систематические ошибки принципиально можно исключить из результатов измерений.
Случайные погрешности.
Случайные погрешности – это ошибки, связанные с индивидуальными особенностями исследователя, а так же с малозаметными изменениями окружающих условий во время опыта. Например: при изменении напряжения в сети (220В) возможны случайные колебания напряжения, связанные с различными причинами (подключение обогревательного устройства в соседнем помещении, коротком замыкании и др.). Каждая из таких причин сама по себе создает заметное отклонение вольтметра, а суммарное воздействие ряда причин может дать ощутимые отклонения измеряемой величины. Случайные ошибки не поддаются учету. Для того чтобы оценить случайные ошибки, создан математический аппарат, называемый теорией погрешностей измерений, которая базируется на математическом аппарате теории вероятности.
Промахи.
Под промахом понимается грубая ошибка, сделанная в результате неожиданных резких нарушений условий, в которых проводится эксперимент, либо ошибки, связанные с невнимательностью исследователя. Промахи так же относятся к случайным погрешностям.
Например: исследователь снял с прибора одно показание физической величины, а записал другое, или сделал ошибку при переписывании результатов. Наличие промахов оказывает сильное влияние на результаты измерений и поэтому их необходимо исключать. Повторение эксперимента в несколько отличных условиях в большинстве случаев позволит освободиться от промахов, но не дает 100% гарантии.
Погрешности приборов.
Показания любого прибора, даже самого точного и совершенного всегда отличаются от фактического (истинного) значения измеряемой величины. Любой измерительный прибор имеет свою собственную предельную точность, которая определяется его конструкцией и качеством изготовления. Как правило, предельная погрешность прибора указывается в описании прибора или паспорте эксплуатации. Погрешность прибора указывается и на самом приборе, в виде цены деления прибора, так называемая постоянная прибора.
Для характеристики качества прибора вводят понятия чувствительности прибора и цены деления. Под чувствительностью прибора понимают величину, равную числу деления шкалы, на которое перемещается указатель при изменении измеряемой величины на единицу. Например: если нагрузка на чашке весов составляет 1мг, которая вызывает перемещение стрелки на 10 делении, то чувствительность данных весов определяется соотношением:
Цена деления прибора является обратной величиной к чувствительности прибора.
Зная цену деления прибора, можно определить погрешность прибора. Для большинства приборов погрешность принимается равной половине цены наименьшего деления шкалы. Например: при измерении длины обычной школьной линейкой предельная погрешность составит 0,5мм. Погрешность приборов определяется классом точности, который обычно указывается в кружочке на шкале (или корпусе) прибора.
Определение истинного значения измеряемой физической величины и погрешности измерений
Опыт показывает, что при любых экспериментальных исследованиях невозможно найти истинное значение физической величины, а можно лишь получить наилучшую приближенную оценку истинного значения измеряемой величины.
Теория погрешностей дает возможность оценить истинное значение измеряемой величины следующим образом. Пусть в результате измерений получен ряд значений некоторой физической величины –Х1, Х2, Х3,,Хi…, ХN., где i=1,N; причем 
.
Это неравенство значений – Хi обусловлено существованием различных случайных факторов. Согласно теории случайные факторы влияют равновероятно как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения измеряемой величины, следовательно среди всего набора величин ХN найдется некоторая часть значений Х1i, которые меньше и часть значений Хi11,которые больше истинного значения измеряемой величины. Введя обозначение истинного значения измеряемой величины через букву «а » можно записать следующее:
Хi1,< а < Хi11 (1)
Очевидно, что используя, этот же прибор и проведя измерения в тех же самых условиях любой другой испытатель получит свой индивидуальный набор значений Х1N, но в этом случае для этих измерений будет справедливо равенство (1). Каждая последующая серия опытов ХN Х1N ХN11 ХN111... и т.д., будет отличаться друг от друга. В результате этого возникает вопрос, какому же набору ХN верить и как определить истинное значение измеряемой величины «а».
В теории погрешности доказывается, что наиболее достоверной приближенной оценкой истинного значения измеряемой величины «а» является среднее арифметическое, определяемое по формуле:
, (2)
где N -количество измерений, X - любая физическая величина.
В теории погрешностей вводят понятие абсолютной погрешности отдельного измерения, которое обозначается величиной DXi.
Абсолютной погрешностью отдельного измерения называют величину DXi, равную разности между значением i -го измерения и средним значением Xср, взятым по модулю. Аналитически можно записать так:
(3)
Средней абсолютной погрешностью измерения называется среднее арифметическое абсолютных погрешностей отдельных измерений, которое определяется соотношением:
(4)
Величина DXср указывает границы, в которых заключено точное значение искомой физической величины или так называемый доверительный интервал погрешности измерений.
Абсолютная погрешность DXср хотя и характеризует качество измерений, но не является исчерпывающей характеристикой. Для оценки точности измерений в теории погрешностей вводится понятие об относительной погрешности измерений.
Относительной погрешностью измерений называют отношение абсолютной погрешности к среднему значению измеряемой величины, выраженной в процентах, которая определяется по формуле:
(5)
Рассмотрим пример. Пусть в результате измерения некоторой физической величин X получены следующие экспериментальные значения, которые занесены в таблицу 1., где N число измерений.
Таблица 1.
| N | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| Х | 5,2 | 5,7 | 5,5 | 5,0 | 4,8 | 5,3 | 5,2 |
Согласно формулы (2) оценим Xср, - среднее арифметическое
По формуле (3) найдем абсолютные погрешности отдельных измерений для данных значений, тогда получим:
DХ1= ½ 5,2 - 5,24 ½ =0,04
DХ2= ½ 5,7 - 5,24 ½ =0,46
аналогично получим для всех семи измерений
DХ3=0,26; DХ4=0,24; DХ5= 0,44; DХ6=0,06; DХ7=0,04
С учетом найденных DХ можно определить среднюю абсолютную погрешность результата измерения по формуле (4).
Из последнего следует, что истинное значение измеряемой величины «а » лежит в пределах от Хср –DХср до Хср+DХср или можно записать так называемый доверительный интервал
Хср-DХср < а < Хср+DХср (6)
Для рассмотренного случая истинное значение лежит в интервале значений 5,02 < а < 5,46
Этот интервал называют доверительным интервалом измеряемой величины для данного примера.
Согласно этих оценок можно записать окончательный результат измерений: a =5,24 ±0,22.
Для оценки точности измерений вычислим окончательную погрешность измеряемой величины по формуле (5) и получим
Таким образом, относительная погрешность для приведенного примера будет составлять e =4,2%.