Результатов косвенных измерений

1. Рабочую формулу для искомой величины преобразовать так, чтобы в неё входили непосредственно измеряемые величины – u, v, w,…

f = f (u, v, w, …) (6.1)

2. По результатам прямых измерений величин u, v, w,… (см. (5.2)) рассчитать средние значения:

; ; (6.2)

3. Рассчитать среднее значение искомой величины

= f ( , , , …) (6.3)

4. Определить по классу точности или цене наименьшего деления приборные погрешности непосредственно измеряемых величин:

∆u_пр, ∆v_пр, ∆w_пр, … (6.4)

5. Для каждой из величин u, v, w, … определить величину случайной погрешности с доверительной вероятностью 0,95. Например, для величины u рассчитав

(6.5)

6. Сравнить случайную и приборную погрешности и определить полную погрешность каждого прямого измерения - ∆u, ∆v, ∆w, … . При этом возможны три случая, рассмотрим их на примере величины u.

Если ∆u_пр > ∆u_сл в три и более раз, то полагаем, что ∆u ≈ ∆u_пр

Если ∆u_сл >∆u_пр в три и более раз, то полагаем, что ∆u ≈∆u_сл

В этом случае погрешность ∆u_сл можно уменьшить, увеличивая число измерений n .

Если случайная погрешность и приборная погрешность сравнимы по величине ∆u_сл ≈ ∆u_пр, то следует их сложить по правилу

(6.6)

7. Рассчитать погрешность косвенного измерения ∆f по формуле (5.5). Если рабочая формула (6.1) имеет степенной вид, то для расчета ∆f использовать формулу (5.7).

6. Окончательный результат измерения записать в следующем виде:

(6.7)

с указанием величины относительной погрешности (необязательное требование):

(6.8)

ПРИБЛИЖЕННЫЕ ЧИСЛА.
ЗАПИСЬ ОКОНЧАТЕЛЬНОГО РЕЗУЛЬТАТА

В результате измерений прямых или косвенных, как уже отмечалось, получаются приближённые числа. Цифры, составляющие приближённое число, могут быть верными, сомнительными и неверными. Цифра называется верной, если абсолютная погрешность числа меньше одной единицы разряда этой цифры. Цифры, стоящие слева от верной, также будут верными. Цифра называется сомнительной, если её разряд совпадает с разрядом первой значащей цифры погрешности. Все цифры, стоящие справа от сомнительной, будут неверными. Так, в числе 381,6±1 цифры 3 и 8 - верные, 1 - сомнительная, 6 - неверная.

При проведении вычислений в лабораторных работах исходными данными служат результаты прямых измерений, последняя цифра в них обычно является сомнительной. Кроме того, в вычислениях используются табличные данные и различные физические постоянные. Следует отметить, что мировые постоянные, взятые из таблиц, содержат только верные цифры, а за погрешность табличных данных, если она не указана, принимают ±0,5 разряда последней значащей цифры.

Отметим, что при проведении косвенных измерений в расчетах выполняются математические операции над приближенными числами, определяемыми с различной точностью. При этом руководствуются следующими правилами округлений и вычислений.

1.При сложении и вычитании приближенных чисел в результате сохраняют столько разрядов (цифр после запятой), сколько их содержится в числе с наименьшим количеством разрядов.
2. При умножении и делении в результате сохраняют столько значащих цифр, сколько их содержится в числе с наименьшим количеством значащих цифр.

3. Результат расчета значений функций некоторого приближенного числа x должен содержать столько значащих цифр, сколько их имеется в числе x.

4. В промежуточных расчетах допускается использовать на одну - две значащие цифры больше (“с запасом”).

Основное требование, предъявляемое к расчёту, заключается в том, чтобы проводимые вычисления не вносили в результат дополнительной погрешности. При использовании вычислительной техники это требование обычно выполняется, однако окончательный результат и его абсолютная погрешность могут содержать много цифр, количество которых определяется, например, разрядностью табло используемого калькулятора. Необходимо помнить, что запись приближённых чисел сизлишне большим количеством знаков создаёт лишь иллюзию высокой точности.

При окончательной записи результата необходимо руководствоваться следующими правилами:

1. Абсолютную погрешность следует округлить до одной значащей цифры.

2. Результат округлить так, чтобы его последняя цифра находилась в том же разряде, что и единственная значащая цифра погрешности.

3. Общий десятичный множитель результата и погрешности вынести за скобки.

Приведём несколько примеров окончательной записи результатов.

НеправильноПравильно

(534,031 ± 0,043) м (534,03 ± 0,04) м

(14,275 ± 1,17) В (14 ± 1) В

(1587 ± 281,6) с (16 ± 3)∙10² с

(1,965∙10^-19 ± 3,81∙10^-21) Кл (1,96 ± 0.04) 10^-19 Кл

ГРАФИКИ И ТАБЛИЦЫ

В физике и технике результаты измерений очень часто изображают в виде графических зависимостей. Графики дают наглядное представление о полученных результатах, позволяют графически определить некоторые величины, сравнить эксперимент и теорию. В настоящее время существует достаточно большое число программ со встроенными графическими редакторами, среди которых наиболее популярны Origin и Excel. Оформление работ на компьютере приветствуется. Тем не менее, студенты должны владеть навыками построения графиков вручную. Для этого рассмотрим основные правила построения графиков, многим из которых необходимо следовать и при построения графиков с помощью компьютера.

1. Графики следует строить на миллиметровой бумаге; лучше это делать карандашом. Каждый график должен иметь заголовок. Оси координат проводят по линейке и на них через равные промежутки (если масштаб не логарифмический) наносят масштабные метки. (Равноотстоящие друг от друга деления масштаба обеспечивают как удобство работы с графиком, так и удобство его зрительного восприятия.) Расстояние между метками по оси абсцисс и ординат можно выбирать различным.

2. Масштабы и начала отсчета по координатным осям выбираются так, чтобы изображение зависимости занимало большую часть поля чертежа и чтобы из графика можно было получить максимум полезной информации. Так, на рис. 8.1 (б)масштаб выбран верно в отличие от рис. 8.1 (а). Для линейных зависимостей масштаб по осям выбирается таким, чтобы угол наклона линии соответствовал бы приблизительно 45°. Заметим, что на пересечении осей не обязательно должны находиться нулевые значения величин. При выборе масштаба необходимо помнить, что точность построения графика должна быть не ниже точности измерений. Это требование особенно актуально для тех случаев, когда из графика определяются те или иные физические величины, например, при обработке линейных зависимостей.

Масштаб должен быть простым. Лучше, если, например, 1 см на графике соответствует 1; 2; 4; 5; 10; 20 ... или 0,1; 0,2; 0,4; 0,5 ... и т.д. единицам измеренной величины. В противном случае при нанесении точек на график придётся производить специальные подсчёты.

4. Писать числа у каждой масштабной метки, если числа начинают сливаться, не следует, но наносить их нужно обязательно через равные промежутки. Значения, полученные в эксперименте, на координатных осях не указываются. Кроме масштаба на координатных осях необходимо указать буквами соответствующую физическую величину и единицу её измерения, а десятичный множитель удобнее отнести к единице измерения (см. рис. 8.2).

5. Экспериментальные точки обязательно наносят на график. Точки, относящиеся к разным зависимостям, обозначают разными символами (точкой, кружком, крестиком и т.д.). Если зависимость носит явно нелинейный характер, то соединять точки следует "наилучшей" плавной кривой (см. рис. 8.3).

6. Для правильного построения графика кроме экспериментальных точек полезно указать погрешность в виде вертикальных и горизонтальных отрезков, равных по величине абсолютной погрешности. Например, на рис. 8.4 (а) экспериментальную зависимость можно изобразить в виде прямой линии, т.к. она пересекает все погрешностные отрезки в отличие от рис. 8.4 (б), на котором те же данные, полученные с меньшей погрешностью, отражают криволинейный характер зависимости.

7. Если на графике изображается теоретическая кривая, то указывается формула, по которой она рассчитывается.

8. При изображении нескольких кривых на одном поле графика каждая из них нумеруется или выделяется каким-то другим способом. В свободной части поля даются соответствующие пояснения.

Экспериментальные данные, полученные в лабораторных работах, заносят в таблицы. Рассмотрим основные правила оформления таблиц.

1. Таблицы следует чертить по линейке. Каждая таблица обязательно должна иметь название. Название и слово "Таблица" начинают с прописной буквы.

2. В заголовке таблицы указывают буквенное обозначение величины и единицы измерения через запятую.

З. Делить заголовки таблицы по диагонали не допускается, в заголовке также не следует писать формулы.

4. Писать в таблице кавычки вместо повторяющихся цифр или знаков не допускается.

5. Общий десятичный множитель чисел, помещенных в таблице, следует вынести в заголовок таблицы.

6. Графу "№ п.п." в таблицу включать не рекомендуется.

Примеры неправильного и правильного оформления таблиц приведены ниже.

Таблица 2. Параметры электрической цепи

неправильно правильно

№	U=I·R (В)	R (Ом)	σ		U, В	R·10-3, Ом	σ·103, Ом-1 м-1
I	4,0		0,001		4,0	3,0	1,0
	4,5		0,002		4,5	3,5	2,0
	4,6		0,001		4,6	3,6	1,0
	-"-		0,0003		4,6	3,7	0,3
	-"-		0,005		4,6	3,8	5,0
	-"-		0,006		4,6	3,9	6,0

Рекомендации по оформлению ЖУРНАЛА
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Результаты измерений и наблюдений должны фиксироваться в специальном журнале в форме протоколов. Временные записи результатов на черновых листочках не допускаются.

Единую форму протоколов, пригодную для всех работ, дать невозможно и нецелесообразно. Тем не менее, можно сформулировать некоторые общие требования, которым должны удовлетворять записи в журнале лабораторных работ. А именно:

1. Название работы и дата ее выполнения, конкретная цель работы.

2. Расчетные формулы с пояснениями физического смысла входящих в них величин.

3. Заранее подготовленные удобные таблицы для занесения результатов всех измерений, из которых было бы ясно, какие физические величины и в каких единицах измерялись, сколько раз повторялись измерения каждой физической величины.

4. Приборы, использовавшиеся для измерения различных величин, и их классы точности.

5. Условия опыта (температуру, давление, влажность воздуха и т. д.), если это важно.

Записи в журнале должны быть аккуратными и четкими. В нем не должно содержаться никаких посторонних записей, не относящихся к выполняемой работе. Для пометок и замечаний целесообразно оставлять поля.