МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОГРЕШНОСТЕЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ ПО ФИЗИКЕ

При выполнении лабораторных работ по всем разделам курса общей физики студенты осуществляют постановку тех или иных физических экспериментов. Целью указанных экспери­ментов является определение некоторых физических величин с помощью измерений. При этом существенное значение имеет точность проводимых измерений. Оценка погрешностей получен­ных результатов является, таким образом, неотъемлемой частью практически каждой экспериментальной работы. Поэтому в задачу лабораторного практикума по физике входит не только знакомство с методами и средствами измерений, но и обучение методам определения ошибок, возникающих в процессе проведе­ния измерений различными измерительными приборами.

Настоящие методические указания содержат в себе основ­ные принципы оценки погрешностей в ходе обработки результа­тов лабораторных работ, выполняемых при изучении всех трех частей курса общей физики. При этом исключительно важно привить студентам навыки правильной обработки экспериментальных данных с первого их появления в лаборатории.

Физические измерения

Физические измерения делятся на прямые и косвенные. Примерами прямых измерений могут служить измерения линей­ных размеров предметов различными измерительными инстру­ментами : линейкой, штангенциркулем, микрометром, измерения времени секундомером, измерения электрических величин (тока, напряжения) соответствующими электроизмерительными приборами.

В большинстве случаев, однако, искомую величину нель­зя получить непосредственно прямым измерением. Тогда изме­ряют некоторые другие величины, связанные с искомыми определенными соотношениями. При таких измерениях, называемых кос­венными, экспериментатор должен вычислить нужную величину, используя известные физические законы и математические фор­мулы. К косвенным относятся, например, проводимые в учебных лабораториях измерения плотности тел (работа 1.01), измере­ния ускорения движения тел (работа 1.12 ), измерения индук­ции магнитных полей (работы 2.26, 2.27, 2.28 ) и т.д.

Погрешности измерений

Любое измерение производится с какой-то степенью точ­ности. Это связано с несовершенством измерительных приборов, методики измерений, несовершенством органов человеческих чувств и т.п. При этом измеренная величина всегда отличается от ее истинного значения. Другими словами, всякое измерение характеризуется наличием ошибок - погрешностей. Во многих случаях погрешности оказываются весьма значительными. Поэто­му в задачу экспериментатора помимо измерения искомой вели­чины в обязательном порядке входит оценка погрешности полу­ченного результата. Без такой оценки результат опыта не имеет, как правило, практической ценности.

Обычно значение измеренной величины X записывают в следующем виде :

где ΔХ - абсолютная погрешность измерения, характеризую­щая отклонение измеренного значения данной величины от ее истинного значения. При этом, поскольку истинное значение остается неизвестным (т.к. в принципе нельзя осуществить абсолютно точное измерение ), можно дать лить приближенную оценку абсолютной погрешности.

Поскольку причины возникновения ошибок могут быть са­мыми разными, необходимо классифицировать погрешности, возни­кающие в ходе экспериментов. Только в этом случае возможна правильная опенка погрешности полученного результата, так как от типа погрешностей зависит и способ их вычисления.

Погрешности подразделяются на случайные и систематичес­кие.

Систематической погрешностью называют составляющую погреш­ности измерения, остающуюся постоянной или закономерно из­меняющуюся при повторных измерениях одной и той же величины. Случайной погрешностью называют составляющую погрешности из­мерения, изменяющуюся случайным образом при повторных изме­рениях одной и той же величины. Выделяют также погрешности приборов, которые могут иметь как систематический, так и случайный характер.

Рассмотрим некоторые причины, вызывающие появление сис­тематических и случайных погрешностей. Систематическая пог­решность может быть связана с неисправностями измерительных приборов, неточностью их регулировки, несоблюдением условий их эксплуатации и т.п. Такие погрешности возникают, например, при не совсем горизонтальном положении некоторых приборов или при использовании стрелочного прибора, у которого стрелка до начала измерений не была установлена на нуль. Заметим, что указанные погрешности не относятся к разряду приборных, кото­рые характеризуют вполне исправные и правильно эксплуатируе­мые инструменты.

Причина возникновения систематической погрешности может заключаться и в самой методике измерений. Так, например, оп­ределяя плотность твердого тела по измерениям его массы и объема, можно допустить ошибку, если внутри исследуемого тела имеются пустоты в виде пузырьков воздуха. В этом случае ус­транить ошибку можно только изменив метод измерений.

Случайные погрешности связаны с некоторыми случайными факторами, влияющими на точность измерений. Они могут зависеть от условий, в которых производится эксперимент. Например, обычный сквозняк в лабораторном помещении может случайным об­разом сказаться на измерениях температуры. Измерения проме­жутков времени запускаемым вручную секундомером также приво­дит к возникновению случайных погрешностей, связанных со слу­чайным изменением времени реакции экспериментатора.

Появление случайных погрешностей может быть связано со спецификой измеряемой величины. Если, например, измерять штангенциркулем размеры неточно изготовленной детали, то по­лученные результаты будут случайным образом зависеть от положения измерительного прибора. Еще один пример – неточность отсчета по шкале стрелочного прибора, связанная со случайным Мнением положения глаз экспериментатора относительно прибора.

Основным способом уменьшения случайных погрешностей является многократное измерение одной и той же физической ве­личины. Заметим, однако, что максимально возможная точность измерения определяется теми приборами, которые используются в эксперименте. Поэтому уменьшение случайной погрешности пу­тем увеличения числа опытов имеет смысл до тех пор, пока ее величина не станет явно меньше величины погрешности прибора. Погрешности приборов связаны с несовершенством любого измерительного инструмента. Если значение измеряемой величины определяется по шкале инструмента, абсолютная погрешность прибора считается, как правило, равной половине цены деления шкалы (например, линейки) или цене деления шкалы, если стрелка прибора перемещается скачком (секундомер) приборов, снабженных нониусом, погрешность можно считать равной точности нониуса. Погрешности электроизмерительных приборов определяют по их классу точности, который указывается на шкале.