大学物理实验绪论笔记——关于物理实验的误差分析、处理与数据记录
一、完整的测量结果表达式举例
以钢丝的杨氏模量为例:
测量结果为:E=(1.89±0.08)x (N/m2)
或 E=1.89x(1±4.3%) (N/m2)
应包括:测量量(代表符号)+测量量值+不确定度+测量值的单位
二、测量
直接测量:所要测量的量不必将实测的量经过任何函数关系的计算而直接得到
间接测量:通过欲测量的量与直接实测的量之间已知的函数关系,经过计算得到欲测量的量的值
三、误差
定义:测量值-真实值
分类:系统误差、随机误差
表示:绝对误差、相对误差
系统误差:在对同一被测量的多次测量过程中,绝对值和符号保持恒定或以可预知的方式变化的误差分量
误差原因:测量仪器、测量方法、环境等
随机误差:对同一量的多次重复测量中,每次测量值相对于真值有一个无规律的涨落(大小、方向)的误差分量
误差特点:多次测量时分布对称,具有抵偿性——因此取多次测量的平均值有利于消减随机误差
随机变量的统计规律——正态分布(Gauss分布):
在对同一被测量的多次测量过程中,绝对值和符号保持恒定或以可预知的方式变化的测量误差的分量。
(标准差)决定线形的宽窄,表征测量值的分散程度
(数学期望值)
测量值落在【μ-σ,μ+σ】区间的概率是68.3%;若把区间范围扩大到【μ-2σ,μ+2σ】,则测量值落到此区域的概率是95.4%;落在【μ-σ,μ+σ】区间的概率是99.7%
绝对误差:测量结果-被测量的真值
相对误差:E = 被测量的绝对误差/被测量的真值(用百分数表示)
四、测量不确定度
理解:不确定度表示由于测量误差存在而对被测量值不能确定的程度。不确定度是一定概率下的误差限值
不确定度反应了可能存在的误差分布范围,即随机误差分量和未定系统误差的联合分布范围
形式:总是不为零的正值,可以具体评定(但误差一般是不能计算的)
(1)已定系统误差:例如电表、读数显微镜的零位误差等,此项必须修正
(2)未定系统误差:已知存在于某个范围,而不知具体数值的系统误差,例如游标卡尺的允差
总不确定度分为两类不确定度:
A类分量 ——多次重复测量时与随机误差有关的分量;
B类分量 ——与未定系统误差有关的分量;
这两类分量在相同置信概率下用方和根方法合成总不确定度:
具体使用中,测量不确定度有三种不同的表述:
(1)直接测量的合成标准不确定度
(2)间接测量的合成标准不确定度
(3)扩展不确定度
1. 直接测量的合成标准不确定度估算
A类评定:可用统计方法评定的不确定度部分
B类评定:要用其他方法评定的不确定度部分
估算过程:
- 求测量数据列的平均值
- 用贝赛儿公式求标准偏差s
- 平均值的标准偏差是上式一列测量中单次测量的标准偏差S的
- 当 5<n≤10,置信概率为95%时,可简化认为
- 根据使用仪器得出 = Δ仪
- 由、合成总不确定度 u
- 给出直接测量的最后结果 y = u
2. 间接测量的合成标准不确定度
用诸不确定度u()代替微分d,有:
适用于和差形式的函数
适用于积商形式的函数
五、有效数字表示法及运算规则
作为一个通用规定,测量值只能写到也应该写到开始有误差的哪一位到两位。其后的数字按“四舍六进五凑双”法则(即,后面的数字是四及以下就舍掉,是六及以上就进一,遇五若前面是奇数就进一,最后以为就变成是偶数,若前面已是偶数,则舍掉取舍”)
有效数字的位数多少直接反映测量的精确度。有效位数越多,表明测量的准确度越高
有效数值的位数与小数点位置无关,也不因使用的单位不同而改变
在运算过程中的有效数字取舍,一般遵循:加减运算的结果以参与运算的末位最高的数为准;乘除则以有效数字最少的数为准,有时可比其多取一位
例如: 12.4+0.571=13.0; 3600x8=2.9x
数值书写要求:
1. 有效数字的位数由合成不确定度来确定。测定值的最后一位与不确定度的最后一位对齐。一般的,不确定度只取一位或二位,不可多取。
2. 为方便起见,对较大或较小的数值,常采用科学记数法。
有效数字应用举例:
1)6.6006.0=1.1
2)(6788+67.88)x2.0=1.4×
3)(4400000±2000)m的正确表达式
(440.0±0.2)×m
4) ×3=5×
六、数据处理:
1. 列表
2. 逐差法
在有些实验中,我们连续取得一些数据。如果依次相减,就会发现中间许多数据并未发挥作用,而影响到实验的可靠性。
这种处理数据的方法称为逐差法。此法的优点是充分利用所测的数据,有利于减少测量的随机误差和仪器带来的误差。是实验中常用的处理数据的方法。
3. 作图法
(1)图示法:用图形曲线来表达物理量的变化
(2)图解法:用作图的方法来寻求两个物理测量量的解析关系
4. 数据的直线拟合(最小二乘法)
y =f(x)=a+bx
r为相关系数,表示两个变量之间的函数关系与线形的符合程度,r [-1,1]。|r|1,x、y 间线性关系好, |r|0 ,x、y 间无线性关系,拟合无意义。
物理实验中一般要求 r 绝对值达到0.999以上(3个9以上) 。
a, b, r 的具体求解方法:二维统计功能计算器,excel,编程求解
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