ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 01.04.2021

Просмотров: 400

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

ФЕДЕРАЛЬНОЕ

 

АГЕНТСТВО

 

ПО

 

ОБРАЗОВАНИЮ

 

ГОСУДАРСТВЕННОЕ

 

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

  

УЧРЕЖДЕНИЕ

  

ВЫСШЕГО

 

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

 

ОБРАЗОВАНИЯ

  

«

ВОРОНЕЖСКИЙ

 

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

  

УНИВЕРСИТЕТ

» 

 
 
 
 

 
 
 
 
 

ПОГРЕШНОСТИ

 

ИЗМЕРЕНИЯ

 

ФИЗИЧЕСКИХ

  

ВЕЛИЧИН

 

 
 

Учебное

 

пособие

 

для

 

вузов

 

 
 
 
 
 

Составители

:  

А

.

Н

Ларионов

,  

В

.

В

Чернышёв

,  

Н

.

Н

Ларионова

  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Издательско

-

полиграфический

 

центр

  

Воронежского

 

государственного

 

университета

  

2009  


background image

 

 
 
 
 
 
 
 
 

Утверждено

 

научно

-

методическим

 

советом

 

физического

 

факультета

             

29 

января

 2009 

г

., 

протокол

 

 1 

 
 
 
 
 
 
 
 

Рецензент

 

доктор

 

физико

-

математических

 

наук

 

Е

.

Н

Бормонтов

 

 
 
 
 
 
 

Учебное

 

пособие

 

подготовлено

 

на

 

кафедре

 

общей

 

физики

 

физического

 

фа

-

культета

 

Воронежского

 

государственного

 

университета

.  

 
 
 
 

Рекомендуется

 

для

 

студентов

 

первого

 

курса

 

дневного

 

и

 

вечернего

 

отделения

.  

 
 
 
 
 
 
 
 

Для

 

специальностей

:    010701 – 

Физика

;    010803 – 

Микроэлектроника

 

и

 

полупроводниковые

 

приборы

;    010801 – 

Радиофизика

 

и

 

электроника

 

 


background image

 

Введение

 

 
 

Измерения

 

являются

 

одним

 

из

 

важнейших

 

путей

 

познания

 

законов

 

природы

дают

 

количественную

 

оценку

 

окружающего

 

мира

раскрывая

 

действующие

 

в

 

природе

 

закономерности

Физика

 

и

 

математика

 

стали

 

точ

-

ными

 

науками

 

потому

что

 

благодаря

 

измерениям

 

они

 

получили

 

возмож

-

ность

 

устанавливать

 

точные

 

количественные

 

соотношения

выражающие

 

объективные

 

законы

 

природы

.  

 

Многие

 

великие

 

учёные

 

высоко

 

ценили

 

значение

 

измерений

Д

.

И

Менделеев

 

выразил

 

значение

 

измерений

 

следующим

 

замечанием

: «

Наука

 

начинается

 

с

 

тех

 

пор

как

 

начинают

 

измерять

Точная

 

наука

 

немыслима

 

без

 

меры

». 

Английскому

 

физику

 

Кельвину

 

принадлежит

 

следующее

 

изречение

«

Каждая

 

вещь

 

известна

 

лишь

 

в

 

той

 

степени

в

 

какой

 

её

 

можно

 

измерить

».  

Всякий

 

закон

устанавливающий

 

связь

 

между

 

физическими

 

величи

-

нами

формулируется

 

в

 

результате

 

опыта

основой

 

которого

 

служат

 

изме

-

рения

Он

 

может

 

считаться

 

верным

 

лишь

 

с

 

той

 

степенью

 

точности

с

 

кото

-

рой

 

выполнены

 

измерения

положенные

 

в

 

его

 

основу

Можно

 

без

 

преуве

-

личения

 

сказать

что

 

все

 

физические

 

законы

устанавливающие

 

связи

 

меж

-

ду

 

различными

 

величинами

были

 

сформулированы

 

благодаря

 

усовершен

-

ствованию

 

измерительной

 

техники

.  

 

Известно

 

множество

 

примеров

когда

 

создание

 

нового

 

прибора

 

вы

-

зывало

 

значительные

 

изменения

 

в

 

развитии

 

и

 

даже

 

содержании

 

целых

 

от

-

раслей

 

знаний

С

 

другой

 

стороны

появление

 

новых

 

областей

 

науки

 

обяза

-

тельно

 

влечёт

 

за

 

собой

 

интенсивную

 

разработку

 

новых

 

методов

 

и

 

средств

 

измерений

Точные

 

измерения

 

неоднократно

 

позволяли

 

делать

 

фундамен

-

тальные

 

открытия

Например

использование

 

созданного

 

Майкельсоном

 

интерферометра

 

для

 

обнаружения

 

ожидаемого

 

смещения

 

интерференци

-

онной

 

картины

 

при

 

изменении

 

направления

 

распространения

 

света

 

позво

-

лило

 

установить

 

отсутствие

 

такого

 

смещения

Анализ

 

результатов

 

точных

 

экспериментальных

 

исследований

 

Майкельсона

выполненный

 

Эйнштей

-

ном

привёл

 

к

 

установлению

 

границ

 

применимости

 

классической

 

механики

 

и

 

формулировке

 

основных

 

положений

 

теории

 

относительности

Повыше

-

ние

 

точности

 

измерения

 

плотности

 

воды

 

привело

 

в

 1932 

г

к

 

открытию

 

тя

-

жёлого

 

изотопа

 

водорода

  – 

дейтерия

ничтожное

 

содержание

 

которого

 

в

 

воде

 

немного

 

увеличивает

 

её

 

плотность

.  

 

Можно

 

было

 

бы

 

привести

 

ряд

 

других

 

примеров

 

открытий

сделанных

 

в

 

результате

 

повышения

 

точности

 

измерений

Это

 

указывает

 

на

 

необходимость

 

максимального

 

увеличения

 

точности

 

измерений

для

 

чего

 

необходимо

 

руково

-

дствоваться

 

определёнными

 

приёмами

 

и

 

правилами

 

при

 

выполнении

 

экспери

-

мента

 

и

 

обработке

 

полученных

 

результатов

В

 

данном

 

учебном

 

пособии

 

рас

-

смотрены

 

методы

 

измерений

 

физических

 

величин

способы

 

оценки

 

погрешно

-

стей

сопровождающих

 

измерения

пути

 

уменьшения

 

экспериментальных

 

ошибок

а

 

также

 

правила

 

представления

 

результатов

 

эксперимента

.  


background image

 

1. 

Виды

 

измерений

 

 
 

Измерение

 

– 

это

 

нахождение

 

значения

 

физической

 

величины

 

опыт

-

ным

 

путём

 

с

 

помощью

 

специальных

 

технических

 

средств

Измерение

 

предполагает

 

сравнение

 

измеряемой

 

величины

 

с

 

однородной

 

физической

 

величиной

значение

 

которой

 

принято

 

за

 

единицу

Результат

 

измерения

 

выражается

 

числом

Следовательно

для

 

осуществления

 

измерения

 

необ

-

ходимо

 

выполнить

 

следующие

 

операции

: 1) 

воспроизвести

 

единицу

 

физи

-

ческой

 

величины

, 2) 

сравнить

 

с

 

ней

 

измеряемое

 

значение

 

и

 3) 

зафиксиро

-

вать

 

результат

 

сравнения

.  

 

В

 

зависимости

 

от

 

способа

 

получения

 

результатов

 

различают

 1) 

пря

-

мые

, 2) 

косвенные

, 3) 

совокупные

 

и

 4) 

совместные

 

измерения

.  

 

1. 

Прямыми

 

называются

 

измерения

при

 

которых

 

искомое

 

значение

 

физической

 

величины

  (

у

находят

 

непосредственно

 

из

 

опытных

 

данных

Прямые

 

измерения

 

можно

 

выразить

 

формулой

 

у

 = 

х

где

 

у

 – 

искомое

 

зна

-

чение

 

измеряемой

 

величины

х

 – 

значение

непосредственно

 

получаемое

 

из

 

опытных

 

данных

Примером

 

прямого

 

измерения

 

является

 

определение

 

ли

-

нейного

 

размера

 

тела

 

с

 

помощью

 

линейки

.  

 

2. 

Косвенными

 

называются

 

измерения

при

 

которых

 

искомое

 

значе

-

ние

 

физической

 

величины

  (

у

определяется

 

на

 

основании

 

известной

 

зави

-

симости

 

между

 

этой

 

величиной

 

и

 

величинами

 

х

х

х

,…x

подвергае

-

мыми

 

прямым

 

измерениям

Значение

 

измеряемой

 

величины

 

находят

 

в

 

ре

-

зультате

 

расчёта

 

по

 

формуле

 

y = f(x

, x

, x

, … x

)

где

 

величины

 

х

х

х

3 ,

… x

n

 

определяются

 

из

 

прямых

 

измерений

Примером

 

косвенного

 

изме

-

рения

 

является

 

определение

 

потребляемой

 

мощности

 

(

Р

)

 

с

 

помощью

 

ам

-

перметра

 

и

 

вольтметра

 

(P  =  U 

  I, 

где

 

и

  I 

– 

показания

 

соответственно

 

вольтметра

 

и

 

амперметра

).  

 

3. 

Совокупными

 

называются

 

одновременные

 

измерения

 

нескольких

 

одноимённых

 

величин

при

 

которых

 

искомое

 

значение

 

величин

 

находят

 

решением

 

системы

 

уравнений

составленных

 

из

 

результатов

 

прямых

 

из

-

мерений

 

различных

 

сочетаний

 

этих

 

величин

.

 

Пример

 

совокупного

 

измере

-

ния

  – 

определение

 

сопротивлений

 

резисторов

соединённых

 

треугольни

-

ком

путём

 

измерений

 

сопротивлений

 

цепи

 

между

 

различными

 

вершинами

 

с

 

последующим

 

решением

 

системы

 

уравнений

содержащих

 

искомые

 

и

 

из

-

меренные

 

величины

.  

 

4. 

Совместными

 

называются

 

одновременные

 

измерения

 

нескольких

 

не

 

одноимённых

 

величин

 

для

 

нахождения

 

зависимости

 

между

 

ними

.

 

При

-

мер

 

совместного

 

измерения

  – 

установление

 

температурной

 

зависимости

 

сопротивления

 

резистора

2

0

( )

(1

)

R t

R

t

t

a

b

=

× + × + ×

Измеряя

 

сопротивле

-

ния

 

резистора

 

при

 

трёх

 

различных

 

температурах

составляют

 

систему

 

трёх

 

уравнений

решением

 

которых

 

находят

 

параметры

 

0

,

R

a

 

и

 

b

.  


background image

 

 

В

 

зависимости

 

от

 

объекта

 

исследования

свойств

 

средств

 

измерений

 

и

 

других

 

обстоятельств

 

измерения

 

выполняют

 

с

 

однократными

 

и

 

много

-

кратными

 

наблюдениями

Наблюдение

  – 

это

 

экспериментальная

 

опера

-

ция

выполняемая

 

в

 

процессе

 

измерения

в

 

результате

 

которой

 

получают

 

одно

 

из

 

группы

 

значений

 

величины

.

 

В

 

случае

 

многократных

 

наблюдений

 

для

 

получения

 

результата

 

требуется

 

статистическая

 

обработка

 

результатов

 

измерений

.  

 

Основными

  

характеристиками

  

измерений

  

являются

:   1) 

принцип

2) 

метод

, 3) 

погрешность

, 4) 

точность

, 5) 

правильность

 

и

 6) 

достоверность

 

измерений

.  

1. 

Принцип

 

измерений

 

– 

это

 

физическое

 

явление

 

или

 

совокупность

 

явлений

составляющих

 

основу

 

измерений

Например

определение

 

массы

 

тела

 

взвешиванием

 

основано

 

на

 

использовании

 

пропорциональности

 

мас

-

сы

 

(m)

 

и

 

силы

 

тяжести

 

(F

Т

)

Т

m F g

=

.  

 

2. 

Метод

 

измерений

 – 

совокупность

 

приёмов

 

использования

 

принци

-

пов

 

и

 

средств

 

измерений

Метод

 

измерений

 

представляет

 

собой

 

обязатель

-

ный

 

порядок

 

действий

определяющий

 

данный

 

тип

 

измерений

 

независимо

 

от

 

принципа

 

действия

.  

 

3. 

Погрешность

 

измерений

  – 

отклонение

 

результата

 

измерения

 

от

 

истинного

 

значения

 

измеряемой

 

величины

 

4. 

Точность

 

измерений

 – 

характеристика

 

измерений

отражающая

 

близость

 

их

 

результатов

 

к

 

истинному

 

значению

 

измеряемой

 

величины

.  

 

5. 

Правильность

 

измерений

  – 

качество

 

измерений

отражающее

 

близость

 

к

 

нулю

 

систематической

 

погрешности

 

6. 

Достоверность

 

измерений

 – 

степень

 

доверия

 

к

 

результатам

 

измере

-

ний

.

 

Измерения

для

 

которых

 

известны

 

вероятностные

 

характеристики

 

откло

-

нения

 

результатов

 

от

 

истинного

 

значения

относятся

 

к

 

категории

 

достоверных

.  

 

Наряду

 

с

 

основными

 

характеристиками

 

измерений

 

применяются

 

по

-

нятия

 

сходимости

 

и

 

воспроизводимости

 

измерений

.  

 

Сходимость

 

измерений

 

отражает

 

близость

 

друг

 

к

 

другу

 

результатов

 

измерений

выполненных

 

в

 

одинаковых

 

условиях

.  

 

Воспроизводимость

 

измерений

 

отражает

 

близость

 

друг

 

к

 

другу

 

ре

-

зультатов

 

измерений

выполненных

 

при

 

различных

 

условиях

  (

в

 

разное

 

время

в

 

разных

 

местах

 

и

 

т

д

.).  

 

2. 

Погрешности

 

измерений

 

 
 

Вследствие

 

несовершенства

 

средств

 

и

 

методов

 

измерений

воздейст

-

вия

 

внешних

 

факторов

 

и

 

многих

 

других

 

причин

 

результат

 

каждого

 

измере

-

ния

 

содержит

 

погрешность

Поэтому

 

задачей

 

эксперимента

 

является

 

не

 

только

 

определение

 

неизвестной

 

величины

 

(

х

)

но

 

и

 

нахождение

 

интервала

 

[

]

,...

изм

изм

x

х

x

х

- D

+ D

в

 

котором

 

с

 

заданной

 

вероятностью

 

a

 

находится

 

ис

-