МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Введение

Целью каждой лабораторной работы по физике является сопоставление теории физического явления с экспериментом, а также непосредственное определение физических величин. Поэтому еще до выполнения лабораторной работы студент должен знать, что он ожидает получить, и как он собирается провести эксперимент. А после выполнения лабораторной работы объяснить, получил ли он то, что ожидал, и если не получил, то почему.

Когда нам нужно измерить какую-нибудь величину, мы хотим собрать установку, которая измерила бы то, что нужно, и не реагировала на то, что нас не интересует. Однако мы можем  создать лишь такую установку, в которой посторонние влияния относительно мало искажают результат. Кроме того, физическая величина есть элемент математической модели явления, а любая математическая модель описывает явление лишь приближенно. Поэтому точного совпадения между результатом измерения и тем, что предсказывает теория, и не должно быть.

Итак, все измерения производятся с ограниченной точностью. Поэтому после каждого измерения необходимо указывать не только результат, но и погрешность, с которой этот результат получен.

Повышение точности измерений расширяет возможности познания окружающего мира и поэтому является важной научной и технической проблемой.

Все возможные ошибки измерений по характеру своего происхождения можно разделить на три типа:

1. Грубые ошибки или промахи. Эти погрешности вызваны недостаточной внимательностью экспериментатора при считывании показаний с измерительных приборов, неправильной записью этих данных, ошибками при вычислениях или просто неумением производить измерения. Такие погрешности не подчиняются  никакому закону. При обработке результатов такие данные должны быть отброшены. Производящий измерения должен проявлять больше внимания, тщательно проверять результаты измерений.

2. Систематические погрешности. Эти погрешности связаны со сдвигом измеренного значения относительно истинного. Возникают они из-за неисправности измерительных приборов или неточности метода измерения. Не существует универсальных правил, позволяющих найти систематическую погрешность данного измерения. Выявление, оценка и устранение этих погрешностей – дело опыта или интуиции экспериментатора. Систематическую погрешность, обусловленную измерительным прибором, можно уменьшить, используя более точный прибор. Погрешность, обусловленную методом измерения, можно уменьшить путем сравнения результатов измерения одной и той же величины, полученных принципиально разными методами.

Систематические погрешности всегда односторонне влияют на результат измерений, только увеличивая или только уменьшая их.

3. Случайные погрешности. Случайные погрешности проявляются в разбросе данных при повторных измерениях, проведенных в одних и тех же условиях. Эти погрешности обусловлены факторами, изменяющимися от измерения к измерению: изменением напряжения в сети, изменением температуры воздуха, плохим освещением шкалы прибора, трением  в осях приборов и т.д. Погрешности измерений такого рода подчиняются законам теории вероятностей, установленным для случайных явлений. На основании теории вероятностей были созданы методы обработки результатов измерений, которые дают возможность определить наиболее вероятные значения измеряемых величин, а также возможные отклонения от этих значений.

Следует помнить, что использование теории случайных погрешностей оправдано лишь в том случае, когда повторные измерения дают результаты, заметно отличающиеся друг от друга. Обычно в лабораторной практике чувствительности измерительных приборов не всегда хватает для обнаружения случайной погрешности. Кроме того, систематические погрешности приборов, как правило, велики по сравнению со случайными погрешностями. Если же случайная погрешность в большей степени влияет на конечный результат, чем систематическая, то ее можно уменьшить многократным повторением измерений.

Некоторые понятия метрологии

Когда мы собираемся что-то измерить, то мы внедряемся в область метрологии – науки об измерениях физических величин и о способах обеспечения единства и требуемой точности этих измерений. И не только этим занимается метрология. Существует еще законодательная метрология, которая разрабатывает правила и требует неукоснительного их соблюдения. Когда вы придете на свое производство, то будете постоянно находиться под контролем метрологических служб.

Итак, мы внедряемся в область метрологии, где  существуют свои законы и по­нятия.

Физическая величина – это свойство, в качественном отношении общее многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каж­дого объекта. Примеры: масса, длина, температура, напряженность электрического поля, пе­риод колебаний и др.

Конкретные проявления одной и той же физической величины называются од­нородными величинами. Например, размер ваших башмаков и расстояние от Земли до Луны однородные физические величины.

Однородные физические величины отличаются друг от друга размером. Размер физической величины – это количественное содержание в данном объекте свой­ства, соответствующего понятию «физическая величина».

Под единицей физической величины понимают физическую величину, фиксированную по размеру и принятую в качестве основы для количественной оценки конкретных физических величин (метр, миля, ангстрем, фут, дюйм).

Размер физической величины не зависит от выбранной единицы, он остается неизменным при использовании различных единиц.

Единицы физических величин

Рассмотрим историю развития единиц измерения физических величин.

Самым древним является период, когда в качестве единиц использовались части человеческого тела. Так, в качестве единицы длины применяли:

дюйм, в дословном переводе “большой палец” (2,54 см – длина сустава большого пальца);

ладонь (ширина четырех пальцев без большого);

фут (длина ступни, 0,3048 м).

Чем удобны такие единицы? Они всегда с тобой. Не нужно носить с собой измерительный прибор. Развернул кусок материи, прошел по нему ступней 48 размера, отсчитал, сколько футов, заплатил овцами – это были своеобразные деньги. И деньги удобные, их не надо носить в кармане. Сами ходят.

Второй период отличается от первого тем, что стали применяться сопряженные единицы. Миля – 1760 ярдов, ярд – 3 фута, фут – 12 дюймов.

В 17 – 18 вв. во всех европейских странах царил хаос в области применяемых единиц. Это мешало развитию торговых связей, промышленности, а также про­грессу в области естественных наук.

Метрическая система мер

В 1789 году крупнейшие торговые центры Франции обратились к правительству с просьбой установить единые меры для всей страны. 8 мая 1790 года Национальное собрание Франции приняло декрет о реформе мер. Парижская АН по предложению Ж. Лагранжа (1736 – 1813) реко­мендовала установить десятичное подразделение кратных и дольных единиц. По предложению Ж. Борда, Ж. Кондорсе, П. Лапласа, Г. Монжа в качестве единицы длины была принята одна сорокамиллионная часть длины Парижского земного меридиана. На основе этой единицы, названной метром (что в переводе означает мера), и была построена система мер, получившая название метрической системы мер. Декрет о новых мерах и весах был принят Конвентом Франции 7  апреля 1795 года.

Работы по определению размера метра измерениями длины дуги Парижского меридиана от Дюнкерка до Барселоны, начатые в 1792 г., были закончены к 1798 г. В 1799 г. были изготовлены платиновые прототипы метра и килограмма, переданные на хранение Национальному архиву Франции.

Со второй половины XIX в. метрическая система мер получила признание во многих странах Европы, Азии, Америки в качестве международной системы мер. 20 мая 1875 г. в Париже 17 государств подписали Метрическую конвенцию “для обеспечения международного единства измерений и усовершенствования метрической системы мер”.

В 1960 г. Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение: а) присвоить системе, основанной на шести основных единицах, наименование «Международная система единиц»; б) установить международное сокращенное наименование этой системы «SI».

Основные единицы системы СИ

Метр (м) – единица длины. Метр – длина, равная расстоянию, проходимую электромагнитным излучением за время, равное 1/с ( с – скорость света в вакууме, равная 299 792 458 м/с).

2. Килограмм (кг) – единица массы. Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.

3. Секунда (с) – единица времени. Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровня основ­ного состояния атома цезия-133.

4. Ампер (А) – единица силы тока. Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади сечения, расположенным в ва­кууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной в 1 м силу взаимодействия, равную 2×10–7 Н.

5. Кельвин (К) – единица термодинамической температуры. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. В Кельвинах выражается также интервал или разность температур.

6. Моль (моль) – единица количества вещества. Моль равен количеству вещества системы,  содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде – 12 массой 0,012 кг.

7. Кандела (кд) – единица силы света. Кандела равна силе света, испускаемого с поверхности площадью 1/600 000 м2 полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па.

Дополнительные единицы

Радиан (рад) – единица плоского угла. Радиан равен углу между двумя ра­диусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан (ср) – единица телесного угла. Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Методы обработки результатов непосредственных измерений

К непосредственным измерениям относятся те измерения, при которых искомая величина А может быть определена по показаниям приборов. Эти измерения сводятся к отсчету по шкале приборов. Примерами непосредственных измерений могут служить определение длины штангенциркулем или микрометром, измерение силы тока амперметром, измерение промежутков времени секундомером и т.д.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector