Физические измерения и классификация погрешностей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Физика – наука экспериментальная. Истинность той или иной гипотезы проверяется путём постановки эксперимента.

Каждая из лабораторных работ физического практикума посвящена изучению определённого физического явления, измерению той или иной величины, характеризующей данное явление или свойства тела. Физики располагают обширной, часто очень сложной измерительной аппаратурой и громадным количеством различных методов измерений, так что для изучения каждого физического явления или для измерения отдельной физической величины можно применять различные методы: они различаются между собой как своей точностью, так и теми интервалами измеряемой величины, в которых могут применяться. Так, для измерения температуры обычно пользуются ртутным термометром, но для температуры выше 600° С ртутные термометры оказываются малопригодными, и приходится прибегать к электрическим методам измерения температуры; последние можно применять, однако, лишь до температур приблизительно 1600° С; поэтому в области ещё более высоких температур применяют третий метод, оптический, пользуясь так называемыми оптическими пирометрами. Эти три метода измерения температуры одновременно отличаются своей точностью.

Точность измерения определяется той наименьшей частью выбранной при измерениях единицы, до которой мы можем быть уверены в правильности результата измерения. Точность измерения, как известно, всегда является ограниченной, и результат измерения, как бы точно оно не было выполнено, даёт нам не истинное значение измеряемой величины, а лишь приближённое, то есть более или менее близкое к её истинному значению. Иными словами, каждое физическое измерение может быть сделано лишь с некоторым приближением. Например, измеряя толщину стеклянной пластинки штангенциркулем, можно оценить её с точностью до 0.1 мм; пользуясь сферометром, можно ту же величину измерить с точностью до 0.001 мм, а интерференционные методы измерения длины могут дать ещё большую точность – порядка 1 нм; однако и здесь получается лишь приближённое значение измеряемой величины.

Чем точнее метод измерений, тем сложнее его применение и тем большее количество различных факторов должно быть принято во внимание при измерениях. Так, в указанном выше методе измерения штангенциркулем надо принять во внимание только правильность показания этого прибора, а температурные изменения измеряемого объекта и прибора могут не приниматься в расчёт, так как обычные колебания температуры в данном случае на первом и втором десятичном знаке результата измерения не отражаются. При работе со сферометром, кроме его проверки, приходится принимать во внимание влияние температуры, для чего необходимо знать коэффициент расширения стекла или обеспечить выполнение измерений при постоянной температуре, то есть применять термостат. Наконец, при применении интерференционных методов, кроме указанных факторов, надо учитывать и другие: обеспечить монохроматичность освещения, убедиться, в какой мере поверхность пластинки удовлетворяет условию зеркальности, не искривлена ли она и т.д., что требует большой предварительной работы.

Таким образом, приступая к какому-нибудь измерению, следует из различных методов выбирать тот, который даёт результат, достаточно точный для данного случая, не осложняя работы применением особенно точных методов, если в том нет необходимости.

Измерения разделяют на прямые и косвенные. При прямых измерениях определяемая величина сравнивается с однородной ей единицей измерения, принятой за эталон, непосредственно или при помощи измерительного прибора, проградуированного в соответствующих единицах. К этим измерениям относятся измерения длины линейкой, штангенциркулем и т.д., измерения масс тел на рычажных весах с помощью набора разновесов; измерения промежутков времени при помощи часов или секундомера; измерение температуры термометром; силы электрического тока амперметром и т.д. и т.п.

При косвенных измерениях величина определяется (вычисляется) из результатов прямых измерений отдельных параметров, которые связаны с измеряемой величиной определённой функциональной зависимостью. Примерами косвенных измерений могут служить: измерение плотности тела по измерению массы и размеров (объёма) тела; определение удельной теплоёмкости по измерению массы и температуры и т.д.

При измерении любой физической величины обычно приходится выполнять три последовательных операции:

1. Проверка и установка приборов;

2. Наблюдение и отсчёт показаний;

3. Вычисление искомой величины из результатов измерений и оценка погрешностей.

Проверка приборов необходима для того, чтобы получить уверенность в том, что отсчёт показаний прибора даёт, в пределах его точности, правильное значение измеряемой величины. Так, приступая к измерению температуры, необходимо проверить нулевую точку термометра – иначе измерение температуры может оказаться ошибочным. Точно также, пользуясь при измерениях вольтметром или амперметром, необходимо предварительно проверить нулевую точку и убедиться, в какой мере правильны их показания. Установка приборов требует их правильного расположения, причём должны быть приняты во внимание все обстоятельства, которые могут оказать влияние на результат измерения: очень часто требуется установить прибор так, чтобы определённое направление в нём было вертикально, или определённая плоскость горизонтальна; или необходимо несколько электрических приборов – гальванометров, реостатов и выключателей расположить в цепи по определённой схеме и т.п. Точно также может оказаться, что ряд внешних факторов, например температура, барометрическое давление, влажность воздуха, его ионизация, постороннее освещение и др., оказывает при измерениях заметное влияние. В таком случае их влияние необходимо или устранить, или принять во внимание при обработке результатов, для чего одновременно с измерениями следует определить температуру помещения, атмосферное давление и т.д.

Проверка и установка приборов является очень ответственной операцией, и от тщательного их выполнения зависит в большинстве случаев успех всего измерения.

Две первых операции – подготовку прибора отсчёту и сам отсчёт – необходимо при измерениях повторять несколько раз, иначе измерение не может считаться надёжным.

Отсчёт показаний прибора следует производить с достаточной точностью, однако при этом необходимо иметь в виду, что точность измерений не всегда определяется точностью отсчёта, иначе говоря, повышение точности отсчёта не всегда повышает точность измерений. Последняя величина определяется качеством прибора, его классом точности. Все вычисления следует вести приближённо, не выходя за пределы той точности, которая имеет место при измерениях. Иначе говоря, точность вычислений должна соответствовать точности измерений. Так, например, если некоторая величина может быть измерена с точностью до второго десятичного знака (точность метода), то и вычисление результатов измерений следует вести тоже до второго знака.