Как считается абсолютная погрешность. Относительная погрешность
Термины ошибка измерения и погрешность измерения используются как синонимы.) Возможно лишь оценить величину этого отклонения, например, при помощи статистических методов . При этом за истинное значение принимается среднестатистическое значение, полученное при статистической обработке результатов серии измерений. Это полученное значение не является точным, а лишь наиболее вероятным. Поэтому в измерениях необходимо указывать, какова их точность . Для этого вместе с полученным результатом указывается погрешность измерений. Например, запись T=2.8±0.1 c. означает, что истинное значение величины T лежит в интервале от 2.7 с. до 2.9 с. некоторой оговоренной вероятностью (см. доверительный интервал , доверительная вероятность, стандартная ошибка).
В 2006 году на международном уровне был принят новый документ, диктующий условия проведения измерений и установивший новые правила сличения государственных эталонов. Понятие «погрешность» стало устаревать, вместо него было введено понятие «неопределенность измерений».
Определение погрешности
В зависимости от характеристик измеряемой величины для определения погрешности измерений используют различные методы.
- Метод Корнфельда, заключается в выборе доверительного интервала в пределах от минимального до максимального результата измерений, и погрешность как половина разности между максимальным и минимальным результатом измерения:
- Средняя квадратическая погрешность:
- Средняя квадратическая погрешность среднего арифметического:
Классификация погрешностей
По форме представления
- Абсолютная погрешность - ΔX является оценкой абсолютной ошибки измерения. Величина этой погрешности зависит от способа её вычисления, который, в свою очередь, определяется распределением случайной величины X m e a s . При этом равенство:
ΔX = | X t r u e − X m e a s | ,
где X t r u e - истинное значение, а X m e a s - измеренное значение, должно выполняться с некоторой вероятностью близкой к 1. Если случайная величина X m e a s распределена по нормальному закону , то, обычно, за абсолютную погрешность принимают её среднеквадратичное отклонение . Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина.
- Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности к тому значению, которое принимается за истинное:
Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах .
- Приведенная погрешность - относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле
где X n - нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:
Если шкала прибора односторонняя, т.е. нижний предел измерений равен нулю, то X
n
определяется равным верхнему пределу измерений;
- если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.
Приведенная погрешность - безразмерная величина (может измеряться в процентах).
По причине возникновения
- Инструментальные / приборные погрешности - погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, ненаглядностью прибора.
- Методические погрешности - погрешности, обусловленные несовершенством метода, а также упрощениями, положенными в основу методики.
- Субъективные / операторные / личные погрешности - погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора.
В технике применяют приборы для измерения лишь с определенной заранее заданной точностью – основной погрешностью, допускаемой нормали в нормальных условиях эксплуатации для данного прибора.
Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора. К дополнительным погрешностям относятся: температурная, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной, установочная, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т.п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20°С, за нормальное атмосферное давление 01,325 кПа.
Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность средств измерения; значение параметров установлено стандартами на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Измерительным приборам, пределы допускаемой основной погрешности которых заданы в виде приведенных основных (относительных) погрешностей, присваивают классы точности, выбираемые из ряда следующих чисел: (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)*10n, где n = 1; 0; -1; -2 и т.д.
По характеру проявления
- Случайная погрешность - погрешность, меняющаяся (по величине и по знаку) от измерения к измерению. Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т.п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений (например, при измерении диаметра тонкой проволоки, которая может иметь не совсем круглое сечение в результате несовершенства процесса изготовления), с особенностями самой измеряемой величины (например при измерении количества элементарных частиц, проходящих в минуту через счётчик Гейгера).
- Систематическая погрешность - погрешность, изменяющаяся во времени по определенному закону (частным случаем является постоянная погрешность, не изменяющаяся с течением времени). Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т.п.), неучтёнными экспериментатором.
- Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность - непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс.
- Грубая погрешность (промах) - погрешность, возникшая вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры (например, если экспериментатор неправильно прочёл номер деления на шкале прибора, если произошло замыкание в электрической цепи).
ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.
ВВЕДЕНИЕ
Комплекс К-402.1 представляет собой необходимый перечень лабораторных работ, предусмотренных образовательным стандартом и рабочей программой по разделу «Динамика твердого тела» дисциплины «Физика». Он включает в себя описание лабораторных установок, порядок измерений и алгоритм расчета определенных физических величин.
Если знакомство с конкретной работой студент начинает в аудитории во время занятии, то двух часов, отводимых на выполнение одной лабораторной работы, ему не хватит и начнется отставание от семестрового графика выполнения работ. Для исключения этого образовательным стандартом второго поколения 50 % от объема часов, отводимых на изучение дисциплины, приходится на самостоятельную работу, которая является необходимым компонентом процесса обучения. Целью самостоятельной работы является закрепление и углубление знаний и навыков, подготовка к лекциям, практическим и лабораторным занятиям, а также формирование у студентов самостоятельности в приобретении новых знаний и умений.
Учебными планами для различных специальностей предусмотрено на самостоятельное изучение дисциплины «Физика» в течение семестра от 60 до 120 часов. Из них на лабораторные занятия приходится 20–40 часов, или 2–4 часа на одну работу. В течение этого времени студент должен: прочитать соответствующие параграфы в учебниках; выучить основные формулы и законы; познакомиться с установкой и порядком измерений. Для допуска к выполнению работы на установке студент должен знать устройство установки, уметь определять цену деления измерительного прибора, знать последовательность измерений, уметь обрабатывать результаты измерений, оценивать погрешность.
После всех расчетов и оформления отчета студент должен сделать вывод, в котором конкретно указать те физические закономерности, которые были проверены в ходе выполнения работы.
Различают два вида измерений: прямые и косвенные.
Прямыми называются такие измерения, при которых производится сопоставление меры и объекта. Например, измеряют высоту и диаметр цилиндра с помощью штангенциркуля.
При косвенных измерениях физическая величина определяется на основании формулы, устанавливающей ее связь с величинами, найденными прямыми измерениями.
Измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Его результат всегда содержит некоторую погрешность.
Погрешности измерений принято подразделять на систематические и случайные.
Систематические погрешности обусловлены факторами, действующими одинаковым образом при многократном повторении одних и тех же измерений.
Вклад в систематические погрешности вносит инструментальная или приборная погрешность , которая определяется чувствительностью прибора. При отсутствии таких данных на приборе за приборную погрешность принимают цену или половину цены наименьшего деления шкалы прибора.
Случайные погрешности вызваны одновременным действием многих факторов, которые невозможно учесть. Большинству измерений сопутствуют случайные погрешности, отличающиеся тем, что при каждом повторном измерении они принимают другое, заранее не предсказуемое значение.
Абсолютная погрешность будет включать в себя систематическую и случайную погрешности:
. (1.1)
Истинное значение измеряемой величины окажется в интервале:
который называют доверительным интервалом.
Для определения случайной погрешности вначале рассчитывают среднее из всех величин , полученных при измерении:
, (1.2)
где – результат i -го измерения, – число измерений.
Затем, находят погрешности отдельных измерений
, 
, …, 
.
. (1.3)
При обработке результатов измерений пользуются распределением Стьюдента. С учетом коэффициента Стьюдента случайная погрешность
.
Таблица 1.1
Таблица коэффициентов Стьюдента
| n | |||||
| 0,6 | 0,7 | 0,9 | 0,95 | 0,99 | |
| 1,36 | 2,0 | 6,3 | 12,7 | 636,6 | |
| 1,06 | 1,3 | 2,9 | 4,3 | 31,6 | |
| 0,98 | 1,3 | 2,4 | 3,2 | 12,9 | |
| 0,94 | 1,2 | 2,1 | 2,8 | 8,7 | |
| … | … | … | … | … | … |
| 0,85 | 1,0 | 1,7 | 2,0 | 3,5 | |
| 0,84 | 1,0 | 1,7 | 2,0 | 3,4 |
Коэффициент Стьюдента показывает отклонение среднего арифметического от истинного значения , выраженного в долях от средней квадратичной погрешности . Коэффициент Стьюдента зависит от числа измерений n и от надежности и указан в табл. 1.1.
Абсолютная погрешность рассчитывается по формуле
.
В большинстве случаев более существенную роль играет не абсолютная , а относительная погрешность
Или 
. (1.4)
Все результаты расчетов заносят в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Результата расчета погрешности измерений
| № п/п |  | ||||||||||
| мм | мм | мм | мм 2 | мм 2 | мм | мм | мм | мм | мм | % | |
Расчет погрешностей косвенных измерений
Измерения называются прямыми, если значения величин определяются приборами непосредственно (например, измерение длины линейкой, определение времени секундомером и т. д.). Измерения называютсякосвенными , если значение измеряемой величины определяется посредством прямых измерений других величин, которые связаны с измеряемой определенной зависимостью.
Случайные погрешности при прямых измерениях
Абсолютная и относительная погрешность. Пусть проведеноN измерений одной и той же величиныx в отсутствии систематической погрешности. Отдельные результаты измерений имеют вид:x 1 ,x 2 , …,x N . В качестве наилучшего выбирается среднее значение измеренной величины:
Абсолютной погрешностью единичного измерения называется разность вида:
.
Среднее значение абсолютной погрешности N единичных измерений:
(2)
называется средней абсолютной погрешностью .
Относительной погрешностью называется отношение средней абсолютной погрешности к среднему значению измеряемой величины:
.
(3)
Приборные погрешности при прямых измерениях
Если нет особых указаний, погрешность прибора равна половине его цены деления (линейка, мензурка).
Погрешность приборов, снабженных нониусом, равна цене деления нониуса (микрометр – 0,01 мм, штангенциркуль – 0,1 мм).
Погрешность табличных величин равна половине единицы последнего разряда (пять единиц следующего порядка за последней значащей цифрой).
Погрешность электроизмерительных приборов вычисляется согласно классу точности С , указанному на шкале прибора:
Например:
и
,
где U max и I max – предел измерения прибора.
Погрешность приборов с цифровой индикацией равна единице последнего разряда индикации.
После оценки случайной и приборной погрешностей в расчет принимается та, значение которой больше.
Вычисление погрешностей при косвенных измерениях
Большинство измерений являются косвенными. В этом случае искомая величина Х является функцией нескольких переменных а, b , c … , значения которых можно найти прямыми измерениями: Х = f(a , b , c …).
Среднее арифметическое результата косвенных измерений будет равно:
X = f(a ,b ,c …).
Одним
из способов вычисления погрешности
является способ дифференцирования
натурального логарифма функции Х =
f(a
,
b
,
c
…).
Если, например, искомая величина Х
определяется соотношением Х =
,
то после логарифмирования получаем:lnX
= lna
+ lnb
+ ln(c
+
d
).
Дифференциал этого выражения имеет вид:
.
Применительно к вычислению приближенных значений его можно записать для относительной погрешности в виде:
=
.
(4)
Абсолютная погрешность при этом рассчитывается по формуле:
Х = Х(5)
Таким образом, расчет погрешностей и вычисление результата при косвенных измерениях производят в следующем порядке:
1) Проводят измерения всех величин, входящих в исходную формулу для вычисления конечного результата.
2) Вычисляют средние арифметические значения каждой измеряемой величины и их абсолютные погрешности.
3) Подставляют в исходную формулу средние значения всех измеренных величин и вычисляют среднее значение искомой величины:
X = f(a ,b ,c …).
4) Логарифмируют исходную формулу Х = f(a , b , c …) и записывают выражение для относительной погрешности в виде формулы (4).
5)
Рассчитывают относительную погрешность
=
.
6) Рассчитывают абсолютную погрешность результата по формуле (5).
7) Окончательный результат записывают в виде:
|
Х = Х ср Х |
Абсолютные и относительные погрешности простейших функций приведены в таблице:
|
Абсолютная погрешность |
Относительная погрешность |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
a + b |
a+ b |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
a+ b |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Абсолютная и относительная погрешность числа. В качестве характеристик точности приближенных величин любого происхождения вводятся понятия абсолютной и относительной погрешности этих величин. Обозначим через а приближение к точному числу А. Определени . Величина называется погрешностью приближенного числаа. Определение
.
Абсолютной погрешностью
Практически точное число А обычно неизвестно, но мы всегда можем указать границы, в которых изменяется абсолютная погрешность. Определение
.
Предельной абсолютной погрешностью
На практике в
качестве
Поскольку
Абсолютная погрешность - это разница между результатом измерения и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Абсолютная погрешность и предельная абсолютная погрешность не достаточны для характеристики точности измерения или вычисления. Качественно более существенна величина относительной погрешности. Определение
.
Относительной погрешностью
Определение
.
Предельной относительной погрешностью
Так как
Таким образом, относительная погрешность определяет фактически величину абсолютной погрешности, приходящейся на единицу измеряемого или вычисляемого приближенного числа а. Пример. Округляя точные числа А до трех значащих цифр, определить абсолютную Dи относительную δ погрешности полученных приближенных Дано: Найти: ∆-абсолютная погрешность δ –относительная погрешность Решение: =|-13.327-(-13.3)|=0.027
Ответ: =0,027; δ=0.203% 2.Десятичная запись приближенного числа. Значащая цифра. Верные знаки числа(определение верных и значащих цифр, примеры; теория о связи относительной погрешности и числа верных знаков).Верные знаки числа. Определение . Значащей цифрой приближенного числа а называется всякая цифра, отличная от нуля, и нуль, если он расположен между значащими цифрами или является представителем сохраненного десятичного разряда. Например, в числе
0,00507 =
Условимся впредь нули справа записывать, если только они являются значащими. Тогда, иначе говоря, значащими являются все цифры числа а, кроме нулей слева. В десятичной системе счисления всякое число а может быть представлено в виде конечной или бесконечной суммы (десятичной дроби): где
Например, 518,3 =, m=2. Пользуясь записью , введем понятие о верных десятичных знаках (в значащих цифрах) приближенно- го числа. Определение
.
Говорят, что в приближенном числе а
формы
n -
первых значащих цифр
где i= m, m-1,..., m-n+1 являются верными, если абсолютная погрешность этого числа не превышает половины единицы разряда, выражаемого n-й значащей цифрой:
В противном случае
последняя цифра
При записи приближенного числа без указания его погрешности требуют, чтобы все записанные цифры были верными. Это требование соблюдено во всех математических таблицах. Термин “n верных знаков” характеризует лишь степень точности приближенного числа и его не следует понимать так, что n первых значащих цифр приближенного числа а совпадает с соответствующими цифрами точного числа А. Например, у чисел А=10, а=9,997 все значащие цифры различны, но число а имеет 3 верных значащих цифры. Действительно, здесь m=0 и n=3 (находим подбором). 1. Как определять погрешности измерений. Выполнение лабораторных работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов. Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений. Прямое измерение - определение значения физической величины непосредственно средствами измерения. Косвенное измерение - определение значения физической величины по формуле, связывающей ее с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями. Введем следующие обозначения: А, В, С, ... - физические величины. А пр - приближенное значение физической величины, т. е. значение, полученное путем прямых или косвенных измерений. ΔА - абсолютная погрешность измерения физической величины. ε - относительная погрешность измерения физической величины, равная: Δ И А - абсолютная инструментальная погрешность, определяемая конструкцией прибора (погрешность средств измерения; см. табл. 1). Δ 0 А - абсолютная погрешность отсчета (получающаяся от недостаточно точного отсчета показаний средств измерения); она равна в большинстве случаев половине цены деления, при измерении времени - цене деления секундомера или часов. Таблица 1 Абсолютные инструментальные погрешности средств измерений
Максимальная абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютной инструментальной погрешности и абсолютной погрешности отсчета при отсутствии других погрешностей:
Абсолютную погрешность измерения обычно округляют до одной значащей цифры (ΔА = 0,17 ≈ 0,2); числовое значение результата измерений округляют так, чтобы его последняя цифра оказалась в том же разряде, что и цифра погрешности (А = 10,332 ≈ 10,3). Результаты повторных измерений физической величины А, проведенных при одних и тех же контролируемых условиях и при использовании достаточно чувствительных и точных (с малыми погрешностями) средств измерения, обычно отличаются друг от друга. В этом случае А пр находят как среднее арифметическое значение всех измерений, а погрешность ΔА (ее называют случайной погрешностью) определяют методами математической статистики. В школьной лабораторной практике такие средства измерения практически не используются. Поэтому при выполнении лабораторных работ необходимо определять максимальные погрешности измерения физических величин. Для получения результата достаточно одного измерения. Относительная погрешность косвенных измерений определяется так, как показано в таблице 2. Таблица 2 Формулы для вычисления относительной погрешности косвенных измерений
Абсолютная погрешность косвенных измерений определяется по формуле ΔА = А пр ε (ε выражается десятичной дробью). 2. О классе точности электроизмерительных приборов. Для определения абсолютной инструментальной погрешности прибора надо знать его класс точности. Класс точности γ пр измерительного прибора показывает, сколько процентов составляет абсолютная инструментальная погрешность Δ и А от всей шкалы прибора (A max):
Класс точности указывают на шкале прибора или в его паспорте (знак % при этом не пишут). Существуют следующие классы точности электроизмерительных приборов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4. Зная класс точности прибора (γ пр) и всю его шкалу (А mах), определяют абсолютную погрешность Δ и А измерения физической величины А этим прибором:
3. Как сравнивать результаты измерений. 1. Записать результаты измерений в виде двойных неравенств: А 1np - ΔА 1 < А 1пр < А 1пр + ΔА 1 , А 2пр - ΔА 2 < А 2пр < А 2пр + ΔА 2 . 2. Сравнить полученные интервалы значений: если интервалы не перекрываются, то результаты неодинаковы; если перекрываются - одинаковы при данной относительной погрешности измерений.
4. Как оформлять отчет о проделанной работе.
5. Как записывать результат измерения. А = А пр ± ΔА Новые статьи
Популярные статьи
© 2024 angelsskin.ru
Чистая кожа - Медицинский портал |
приближенного
числа а
называется
величина
.
приближенного
числа а
называется
наименьшая из верхних границ для величины
,
которую можно найти при данном способе
получения числаа.
выбирают одну
из верхних границ для
,
достаточно близкую к наименьшей.
,
то
.
Иногда пишут:
.
приближенного
числа а назовем
величину:
приближенного
числа а назовем
величину
.
,a
0
*100%=0.203%
имеем
3 значащие цифры, а в числе 0,005070=
значащие цифры,
т.е. нуль справа, сохраняя десятичный
разряд, является значащим.
,
- первая значащая
цифра, m -
целое число, называемое старшим десятичным
разрядом числа а.
,
называется
сомнительной.
