Instrukcja wstpna
I. Pomiary. Bdy i niepewnoci pomiarowe.
Zjawiska fizyczne i przedmioty materialne opisujemy ilociowo przy pomocy wielkoci fizycznych. Wielkoci fizyczn jest kada wasno zjawiska lub ciaa, któr mona zmierzy. Na ogó wielko fizyczna ma jednostk miary. Jest to okrelony stan tej wielkoci, któremu przypisujemy umownie liczb 1, opatrzon mianem (wymiarem) tej wielkoci. Miar wielkoci fizycznej jest warto liczbowa, opatrzona jednostk miary. Jednostki miar wielkoci fizycznych zebrane s w ukadach jednostek. Obowizujcym obecnie ukadem jest Midzynarodowy Ukad Jednostek Miar, znany jako ukad SI.
Pomiarem danej wielkoci nazywamy czynnoci prowadzce do wyznaczenia wartoci liczbowej miary tej wielkoci, przy ustalonej jednostce miary. Pomiar moe by bezporedni lub poredni. Pomiar bezporedni polega na odczycie miary z przyrzdu pomiarowego (termometru, suwmiarki, amperomierza itd.). Wynik pomiaru poredniego obliczamy ze wzoru, wyraajcego dan wielko poprzez inne wielkoci, mierzone bezporednio.
Liczby, bdcej wynikiem pomiaru, nie mona uwaa za warto dokadn (prawdziw). Kolejny pomiar daje zazwyczaj nieco inn warto. Dokadnoci przyrzdów, metody pomiarów, staranno eksperymentatora i warunki otoczenia s przyczynami bdów pomiarowych. Bdem pomiarowym nazywamy rónic midzy wartoci prawdziw a wynikiem pomiaru. Nawet bardzo staranny eksperymentator, stosujcy najlepsze metody i przyrzdy, w optymalnych warunkach moe otrzyma wyniki bardzo dokadne, lecz nie bezbdne. Rozróniamy bdy przypadkowe i systematyczne.
Bdy przypadkowe powstaj w wyniku losowych zmian czynników wpywajcych na pomiar. Przyczyny bdów przypadkowych s trudne lub niemoliwe do przewidzenia i usunicia:
niepewnoci obiektu: naturalny rozrzut w zbiorze badanych przedmiotów lub odstpstwa od zaoonych wasnoci przedmiotu
niepewnoci metody: rozrzut wskaza przyrzdów, rozrzut warunków zewntrznych, rozrzut reakcji eksperymentatora
Bdy systematyczne powstaj take w wyniku zmian wspomnianych czynników, ale przyczyny tych bdów s w zasadzie moliwe do rozpoznania. Naley w miar moliwoci wprowadzi poprawki kompensujce bdy systematyczne.
Kady pomiar daje w wyniku tylko warto przyblion. Wynikiem pomiaru jest warto liczbowa, posiadajca zwykle kilka miejsc dziesitnych. Ostatnie cyfry tej liczby nie s pewne. Konieczne jest ustalenie kryteriów oceny wyników pomiarów, tak, aby uzyska odpowiedzi na nastpujce pytania:
jaka jest dokadno pomiarów (stopie ich pewnoci)?
czy wyniki, otrzymane rónymi metodami lub przez róne osoby, s zgodne?
Poprawny wynik pomiaru powinien zawiera warto liczbow danej wielkoci w oraz przedzia ± äw, w którym mieci si z duym prawdopodobiestwem warto rzeczywista tej wielkoci. Liczb äw,
bdc poow szerokoci tego przedziau, nazywamy niepewnoci pomiarow.
Wynik pomiaru podany bez oszacowania jego dokadnoci ma znikom warto.
I. 1. Niepewnoci pomiarów bezporednich
I. 1. 1. Niepewnoci standardowe typu A
Rozwaamy sytuacj, gdy zredukowano bdy systematyczne np. poprzez uycie bardzo dokadnych przyrzdów lub zastosowanie lepszej metody. Mamy w takiej sytuacji do czynienia gównie z bdami przypadkowymi. Wielokrotny pomiar pewnej wielkoci w daje zbiór wartoci: w1, w2, ... , wn, przy czym wartoci te wykazuj na ogó istotny rozrzut. Jeeli liczba pomiarów jest bardzo dua to do ich opracowania stosuje si analiz statystyczn. Prowadzi ona do wniosku, e najlepszym przyblieniem
prawdziwej wartoci pomiaru jest rednia arytmetyczna z serii, oznaczana przez
:
(1)
Warto
przyjmujemy za wynik pomiaru.
Miar niepewnoci wyniku pomiaru bezporedniego
jest tzw. niepewno standardowa, któr
oznaczamy przez u(w) i obliczamy ze wzoru:
(2)
W literaturze wielko u(w) nazywana jest odchyleniem standardowym redniej arytmetycznej i oznaczana najczciej jednym z symboli:
,
,
.
W laboratorium studenckim rzadko wykonuje si dug seri pomiarow. Wzór (2) daje tym lepsze
oszacowanie niepewnoci pomiarowej im liczba pomiarów n jest wiksza.
I. 1. 2. Niepewnoci maksymalne
W pewnych przypadkach wyniki kolejnych pomiarów s jednakowe lub rozrzut wyników jest bardzo may. Niekiedy pomiar jest bardzo trudny do powtórzenia, brak wic w ogóle moliwoci stwierdzenia rozrzutu. W sytuacjach tego rodzaju dominujc rol odgrywaj bdy systematyczne. Istniej zasadniczo dwie przyczyny bezporednich systematycznych bdów pomiarowych:
a) dokadno przyrzdów (dziaka elementarna, klasa przyrzdu)
b) dokadno eksperymentatora (niepewno odczytu, niedoskonao zmysów)
Niepewnoci, wynikajce z tych bdów nazywa si maksymalnymi i oznacza symbolem Ä (delta). Obiektywnie wyznaczy mona tylko niepewno typu a) i jest ni np. warto dziaki. Przykady:
pomiar dugoci L miark milimetrow, niepewno wynosi ÄL = 1mm
pomiar temperatury termometrem, niepewno Ät = 1oC ( lub Ät = 0,1oC )
Klasa przyrzdu jest to jego dokadno, podawana przez producenta. Wynikajc std niepewno okrelamy na podstawie informacji podanych w instrukcji obsugi przyrzdu. Klasa analogowych mierników elektrycznych K jest to stosunek niepewnoci pomiarowej ÄX do maksymalnej wartoci na danym zakresie Xm, wyraony w procentach. Zatem K/100 = ÄX/X. W przypadku np. amperomierza klasy 0,5 na zakresie Im = 0,1A, niepewno pomiarowa wynosi ÄI = K·Im/100 = 0,5mA.
Niepewno typu b) musi subiektywnie oszacowa eksperymentator. Szczególn uwag naley zwróci na niepewnoci pomiaru czasu przy pomocy stopera. Wczenie przyrzdu nastpuje w wyniku reakcji na bodziec wzrokowy, ale wymaga te reakcji mózgu oraz mini, dziaajcych na przycisk stopera. Badania fizjologiczne wykazuj, e sumaryczna reakcja zachodzi w czasie ok. 0,2s. To samo dotyczy wyczenia stopera. czna niepewno pomiaru czasu wynosi przecitnie Ät = 0,4÷0,5s. Dobrym testem na oszacowanie czasu reakcji jest wielokrotna próba zatrzymania stopera na okrelonej
pozycji. rednia odchyka, zaokrglona w gór do 0,1s daje czas reakcji.
I. 2. Niepewnoci pomiarów porednich
I. 2. 1. Niepewnoci standardowe typu A dla pomiarów porednich
Niech wielko w, mierzona porednio, bdzie wyraona wzorem funkcyjnym:
w = f(x1, x2, ..., xN) (3)
Wielkoci x1, x2, ..., xN wyznaczane s z pomiarów bezporednich. Wynik kocowy obliczamy ze wzoru:
, w którym
,
, ... ,
s rednimi arytmetycznymi pomiarów wielkoci x1, x2, ..., xN. Zakadamy, e znane s niepewnoci standardowe u(x1), u(x2), ... , u(xN).
Miar niepewnoci wyniku
jest w tym przypadku tzw. zoona niepewno standardowa, któr
oznaczamy przez uc(w) i obliczamy z prawa przenoszenia niepewnoci, wyraonego wzorem:
(4)
Symbole
oznaczaj tzw. pochodne czstkowe funkcji wzgldem zmiennych xi (i = 1, 2,..., N). Pochodne te liczy si podobnie do pochodnej funkcji jednej zmiennej. Jeeli liczymy pochodn wzgldem zmiennej xi, to wszystkie pozostae zmienne traktujemy tak jak wielkoci stae.
Wzór (4) znacznie si upraszcza, gdy wielko w mona wyrazi w formie:
(5)
Kada pochodna czstkowa daje si zapisa w postaci :
.
Po podstawieniu tych wyrae do wzoru (4) otrzymujemy:
(6)
Przykad. Pomiar gstoci ciaa w ksztacie wydronego walca ze wzoru:
Masa m, rednica zewntrzna D, rednica wewntrzna d i wysoko h wyznaczone s z pomiarów bezporednich z niepewnociami standardowymi odpowiednio: u(m), u(h), u(D) oraz u(d). Zachodz zwizki: w = , x1 = m, x2 = h, x3 = D, x4 = d. Obliczamy pochodne czstkowe i przeksztacamy je do
jak najprostszej postaci, wykorzystujc wzór na gsto :
,
,
,
.
Niepewno uc() obliczamy stosujc wzór (4) i otrzymujemy:
(*)
Dla penego walca d = 0 i gsto wyraa si wzorem:
. Mona go napisa w formie
. Jest to wzór typu (5), w którym A = 4/, n1 = 1, n2 =-1, n3 =-2. Niepewno uc()
obliczamy w tym przypadku stosujc wzór (6), std:
Jest to szczególny przypadek wzoru (*).
I. 2. 2. Niepewnoci standardowe typu B dla pomiarów porednich
Niepewnoci tego typu wyznaczamy, gdy bezporednie pomiary wielkoci x1, x2, ..., xN, wystpujcych we wzorze (3): w = f(x1, x2, ..., xN), nie wykazuj rozrzutu bd ich rozrzut jest may albo zostay wykonane tylko raz. Znamy wtedy tylko niepewnoci maksymalne wyników pomiarów: Äx1, Äx2, ..., ÄxN. W takich przypadkach stosuje si uproszczon analiz statystyczn. Odpowiednie
niepewnoci standardowe pomiarów bezporednich okrelane s równociami:
,
, ... ,
, ... ,
(7)
Zoon niepewno standardow uc(w) obliczamy tak, jak w przypadku niepewnoci typu A.
Podstawiamy wyraenia (7) do wzoru (4), otrzymujc:
(8)
Gdy wielko w mona wyrazi w formie (5), równoci (7) podstawiamy do wzoru (6), skd mamy:
(9)
Zazwyczaj niepewno wynika zarówno z bdów przypadkowych (niepewno standardowa u(xi)), jak te systematycznych (niepewno maksymalna Äxi). Efektywn niepewno standardow pomiaru
bezporedniego wielkoci xi naley wtedy oblicza ze wzoru
.
I. 2. 3. Niepewnoci rozszerzone. Niepewno wzgldna.
Niepewnoci standardowe u(w) i uc(w) wyznaczaj przedziay domknite, w których zawiera si z okrelonym prawdopodobiestwem wynik
pomiaru:
1) przedzia
- u(w),
+ u(w) . Wynik
mieci si w tym przedziale z prawdopodobiestwem
okoo 0,683 czyli 68,3%,
2) przedzia
-2u(w),
+2u(w) . Wynik
mieci si w tym przedziale z prawdopodobiestwem
okoo 0,954 czyli 95,4%,
3) przedzia
-3u(w),
+3u(w) . Wynik
mieci si w tym przedziale z prawdopodobiestwem
okoo 0,997 czyli 99,7%.
W przypadku pomiarów porednich stosuje si czsto ogólniejsz procedur poszerzania tych przedziaów. Stopie pewnoci wyniku pomiaru, a zatem odpowiednie prawdopodobiestwo, moe
wybra eksperymentator. Przedzia, w którym zawiera si z wymagan pewnoci wynik, ma posta:
- k·uc(w),
+ k·uc(w) (10)
Iloczyn k·uc(w) nazywany jest niepewnoci rozszerzon i oznacza przez U(w). Liczb k nazywa si wspóczynnikiem rozszerzenia. Istniej tablice wartoci k dla danych wartoci prawdopodobiestwa, uwzgldniajce równie poprawki wynikajce z dugoci serii pomiarowej. Najczciej stosowane s
wspóczynniki rozszerzenia k = 2 lub k = 3.
Wszystkie wymienione rodzaje niepewnoci maj charakter bezwzgldny. Wyznaczaj one rónic, która moe zaistnie z okrelonym prawdopodobiestwem, midzy wartoci prawdziw a wartoci otrzyman z pomiarów. Zalenie od bezwzgldnej wartoci wyniku pomiaru, rónica ta ma jednak inne znaczenie. Jeeli obcinik o masie 10g zwaono z dokadnoci 1g, to dokadno pomiaru jest niska, ale jeeli zwaono z t dokadnoci bry o masie 1kg, to pomiar jest bardzo dokadny. W celu lepszego scharakteryzowania dokadnoci pomiaru stosuje si pojcie niepewnoci wzgldnej. Niepewno wzgldna jest to stosunek niepewnoci pomiaru do wartoci bezwzgldnej tego pomiaru. Niepewno wzgldn wielkoci w oznaczamy przez ur(w). Przyjto wyraa niepewno wzgldn w procentach, zatem:
lub
% (11)
Wykonanie wiczenia.
Wykonanie wiczenia laboratoryjnego powinno by poprzedzone uwanym przeczytaniem instrukcji do tego wiczenia. Naley zastanowi si nad ogólnym schematem wiczenia:
zapozna si z tematem, przypomnie potrzebne wiadomoci teoretyczne
zanotowa cel wiczenia, badany obiekt i wyznaczan wielko fizyczn
zrozumie metod pomiarów i przemyle kolejno ich wykonania
zaplanowa opracowanie wyników
Do opisu wiczenia czyli zanotowania wyników pomiarów i ich opracowania suy odpowiedni arkusz sprawozdawczy. Celowe jest zastanowienie si nad rozmieszczeniem na tym arkuszu poszczególnych
czci opisu, przed przystpieniem do jego wypeniania.
UWAGA! Szczegóowy przebieg wykonania wiczenia okrela osoba prowadzca.
Dotyczy to zarówno wykonania pomiarów jak i opracowania wiczenia.
II. 1. Wykonanie pomiarów. Zapis wyników pomiarów.
Przed rozpoczciem pomiarów naley upewni si, czy na stanowisku pomiarowym znajduje si, zgodnie z instrukcj do danego wiczenia, peny zestaw przyrzdów i badany obiekt. Sprawdzamy
nastpnie czy zestaw przyrzdów jest gotowy do pomiarów (odpowiednio poczony).
UWAGA! Nie wolno wcza przyrzdów elektrycznych bez zgody osoby prowadzcej wiczenie.
Zakada si, e wykonujcy pomiary powinien umie posugiwa si podstawowymi przyrzdami pomiarowymi, takimi, jak przymiar milimetrowy, suwmiarka, stoper, waga laboratoryjna, termometr, amperomierz, woltomierz.
W razie jakichkolwiek wtpliwoci naley zwróci si do osoby prowadzcej wiczenie.
Na podstawie instrukcji i wasnych przemyle naley wybra form zapisu wyników pomiarów. Forma zapisu nie jest sztywno okrelona dla wszystkich wicze i zaley od specyfiki pomiarów. Niezalenie od formy zapisu, wyniki powinny by zanotowane w sprawozdaniu z wiczenia w taki
sposób, aby mona byo je atwo odszuka i odczyta.
Mierzona wielko musi by opatrzona nazw, symbolem i jednostk miary.
Najczciej wyniki pomiarów wpisujemy do tabel. W instrukcjach umieszczono na ogó przykady tabel. Wielko i rozmieszczenie wierszy i kolumn tabeli powinny zapewnia przejrzysto i czytelno wyników, a take odpowiedni stron estetyczn. Arkusz sprawozdawczy wykonany jest w formie papieru milimetrowego, co uatwia rysowanie tabel. Tabel naley sporzdzi przed rozpoczciem pomiarów. Linie tabeli powinny by wyranie narysowane, tak, aby kada komórka (kratka) tabeli zawieraa dobrze oddzielony, pojedynczy wynik.
Pomiary naley wykonywa starannie i ostronie, aby nie naraa na niebezpieczestwo siebie i innych osób oraz nie uszkodzi przyrzdów. Postpowa zgodnie ze szczegóowymi poleceniami instrukcji oraz osoby prowadzcej wiczenie. Wyniki pomiarów powinny by notowane na bieco. Zalecane jest zapisywanie wyników pomiarów od razu w ostatecznej formie, poniewa przed opuszczeniem laboratorium wykonujcy wiczenie musi uzyska na arkuszu sprawozdawczym potwierdzenie
wykonania pomiarów.
II. 2. Opracowanie wyników.
II. 2. 1. Obliczenia wyników pomiarów porednich i niepewnoci.
W laboratorium wykonywane s pomiary bezporednie. Wyniki tych pomiarów s podstaw do osignicia celu wiczenia, którym jest najczciej poredni pomiar jakiej wielkoci fizycznej. Warto tej wielkoci oblicza si na ogó z odpowiedniego wzoru. We wstpie opracowanie powinno zatem zawiera nastpujce informacje:
jaka wielko fizyczna jest wyznaczana,
bardzo krótki opis metody pomiarów, ew. Schemat ukadu pomiarowego
wzór, z którego wielko jest obliczana oraz krótkie uzasadnienie uycia tego wzoru
odniesienie do wyników pomiarów, bdcych podstaw oblicze
Obliczenia powinny by wykonane zasadniczo w ukadzie jednostek SI. Oczywicie nie jest bdem stosowanie w obliczeniach jednostek z ukadu CGS, jak np. centymetr czy gram. Nie wolno jednak miesza rónych ukadów jednostek np. oblicza ciaru Q = m·g, przyjmujc „ogólnie znan” warto g = 9,81m/s2, ale podstawiajc za mas m = 50g. Uywane czsto wielokrotnoci lub podwielokrotnoci jednostek musz by sprowadzone do jednostek podstawowych np.: 20 k = 2·104 , 5 mA = 5·10-3 A.
W warunkach laboratorium studenckiego wynikami pomiarów bezporednich s liczby posiadajce na ogó co najwyej 3 miejsca dziesitne. Stae matematyczne i fizyczne oraz dane z tablic powinny wic zawiera co najmniej 4 lub 5 cyfr znaczcych aby mona byo ich niedokadno pomin:
= 3,14159.....
3,1416
gsto wody w 20oC = 998,2 kg/m3
przyspieszenie ziemskie g = 9,812 m/s2
Ostatnia z przytoczonych wielkoci ma charakter lokalny i nie jest dokadnie znana dla Radomia. Jej
warto wzito z urednienia danych dla Warszawy, odzi i Lublina.
Aby usprawni rachunki, naley przed wykonaniem oblicze, sprowadzi bardzo due i bardzo mae liczby, do tzw. postaci wykadniczej:
X = _ , _ _ _ ... ·10n (12)
Mówi si, e liczba X jest rzdu 10n. Przed przecinkiem dziesitnym jest tu tylko jedna cyfra, róna od zera, a po przecinku pozostae cyfry tej liczby. Okrelenie rzdu wielkoci fizycznej odnosi si do stosowanego ukadu jednostek. Ustalanie rzdu wielkoci objaniaj nastpujce przykady:
przyspieszenie ziemskie g = 9,812 m/s2 = 9,812·100 m/s2 - liczba jest rzdu jednoci w ukadzie SI
" " g = 981,2 cm/s2 = 9,812·102 cm/s2 - liczba rzdu setek w ukadzie CGS
prdko wiata c = 29979246 km/s = 2,9979246·108 m/s - liczba rzdu 108 w ukadzie SI
" " c = 2,9979246·1010 cm/s - liczba rzdu 1010 w ukadzie CGS
objto mola gazu V = 22,4138 dm3 = 2,24138·10-2 m3 - liczba rzdu jednej setnej w ukadzie SI
" " " V = 2,24138·104 cm3 - liczba rzdu dziesitek tysicy w ukadzie CGS.
Posta wykadnicz warto stosowa w sytuacjach, gdzie liczba w zwykej postaci dziesitnej zawiera na kocu albo przed przecinkiem duo zer, co wydua jej zapis. Zamiast zapisa opór elektryczny 2 M jako 2000000 , piszemy 2·106 . Pojemno elektryczn 5 nF, zamiast 0,000000005 F, zapisujemy jako 5·10-9 F.
Liczby, otrzymywane jako wyniki oblicze, maj zwykle wicej miejsc dziesitnych ni uzasadnia to dokadno pomiarów. Nie wolno jednak dokonywa adnych nieuzasadnionych zaokrgle, zanim ta dokadno nie zostanie oszacowana. Uwaga powysza dotyczy w szczególnoci sytuacji, w której osoba wykonujca obliczenia, decyduje si na rachunki w kilku etapach. Wyniki jednego etapu s danymi do oblicze w nastpnym etapie. Aby unikn nawarstwiania si bdów zaokrgle, naley zachowywa w obliczeniach etapowych 4 lub 5 miejsc dziesitnych. W warunkach studenckich nie ma potrzeby zachowywania wicej ni 5 miejsc, poniewa nie poprawia to w istotny sposób dokadnoci oblicze. Kocowe wartoci liczbowe oblicze powinny by poddane krytycznej analizie, poniewa zostay uzyskane na podstawie pomiarów, które zawsze s obarczone pewnymi bdami. Wszystkie wymienione powyej uwagi i zalecenia dotycz równie obliczania niepewnoci pomiarowych. W zalenoci od metody pomiaru, ustala si rodzaj niepewnoci i oblicza j z jednego z podanych wczeniej wzorów: (2), (4), (6), (8) lub (9). Czsto okazuje si, e tylko niektóre bdy pomiarowe wywieraj istotny wpyw na wyniki kocowe. Niepewno wyników kocowych mona wówczas wyznaczy, uwzgldniajc tylko te bdy. Wzory suce do obliczania niepewnoci w konkretnych
wiczeniach znajduj si w gotowej postaci w instrukcjach do tych wicze.
II. 2. 2. Zaokrglanie i porównywanie wyników kocowych.
Poprawn form wyników kocowych, mona poda dopiero po wyznaczeniu niepewnoci pomiarowych. Obliczenia niepewnoci dokonuje si na podstawie przyjtego, statystycznego modelu rozkadu bdów pomiarowych. Jest to rozkad losowy, zatem sens ma jedynie prawdopodobiestwo wystpienia okrelonej wartoci niepewnoci. Istnienie niepewnoci pomiarowych pozwala tylko umieci wynik pomiaru w pewnym przedziale, z duym prawdopodobiestwem. Jest wic rzecz prawie pewn, e nie wszystkie cyfry liczby wyraajcej wynik pomiaru s wartociowe. Ostatnie cyfry wyniku s zupenie przypadkowe i nie maj znaczenia. O tym, które cyfry wyniku pomiaru naley zachowa, rozstrzyga warto liczbowa niepewnoci pomiarowej. Obowizuje ogólna zasada
znajdowania poprawnej postaci niepewnoci:
w liczbie okrelajcej niepewno pomiaru zachowuje si tylko dwie cyfry znaczce
na najwyszych miejscach dziesitnych.
Zaokrglanie niepewnoci do dwóch cyfr znaczcych odbywa si na ogólnych zasadach:
jeeli trzecia cyfra znaczca niepewnoci jest mniejsza ni 5 - zaokrglamy w dó,
jeeli trzecia cyfra znaczca niepewnoci jest wiksza lub równa 5 - zaokrglamy w gór.
Po ustaleniu poprawnej postaci niepewnoci okrelamy poprawn posta wartoci liczbowej pomiaru.
Ogólna zasada jest nastpujca:
Warto liczbow wyniku pomiaru zaokrglamy do tego samego miejsca dziesitnego,
do którego zaokrglono niepewno pomiarow.
Obowizuj takie same, ogólne zasady zaokrglania, jak przytoczono powyej.
Poprawna, pena forma wyniku pomiaru powinna skada si z wartoci pomiaru i jego niepewnoci pomiarowej oraz jednostki miary. Obowizujc posta zapisu wyniku ustalia Midzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO). W zalenoci od tego, jak niepewno wyznaczono, rozrónia si dwie poprawne formy zapisu:
a) dla niepewnoci standardowych u(w) i uc(w) - bezporednio po wartoci liczbowej pomiaru podaje
si dwie cyfry niepewnoci, umieszczone w okrgych nawiasach, a po nawiasie jednostk miary,
b) dla niepewnoci rozszerzonej U(w) - w okrgych nawiasach podaje si warto liczbow
pomiaru ± niepewno a po nawiasie jednostk miary.
Dla lepszego zrozumienia zasad znajdowania poprawnej postaci wyniku podamy kilka przykadów.
1. Wynik pomiaru przyspieszenia ziemskiego g = 9,7872583 m/s2,
niepewno standardowa u(g) = 0,0356851 m/s2
Pierwsz cyfr znaczc niepewnoci jest 3, drug 5. Druga cyfra znaczca jest trzecim, po przecinku, miejscem dziesitnym. Poniewa trzecia cyfr znaczc jest 6, wic niepewno zaokrgla si w gór do dwóch cyfr znaczcych. Wynosi ona zatem u(g) = 0,036 m/s2. Wynik zaokrglamy take do trzeciego po przecinku miejsca dziesitnego. Poniewa czwart cyfr po przecinku jest 2, wic wynik zaokrglamy w dó. Poprawny wynik kocowy ma form: g = 9,787(36) m/s2. Taka forma zapisu wyznacza przedzia wartoci od (9,787-0,036)m/s2 = 9,751m/s2 do (9,787+0,036)m/s2 = 9,823m/s2. Prawdziwa warto mieci si w przedziale 9,751 ; 9,823 m/s2 z prawdopodobiestwem 68,3%.
Mona poda take niepewno rozszerzon U(g) ze wspóczynnikiem rozszerzenia np. k = 2. Obliczamy U(g) = 2u(g) = 0,0713702 m/s2. Zaokrglamy do U(g) = 0,071 m/s2. Wynik zapisujemy w formie g = (9,787 ± 0,071) m/s2. Wyznaczamy rozszerzony przedzia od (9,787-0,071)m/s2 = 9,716m/s2 do (9,787+0,071)m/s2 = 9,858m/s2. Prawdziwa warto zawiera si w przedziale 9,716 ; 9,858 m/s2
z prawdopodobiestwem 95,4%.
2. Wynik pomiaru temperatury katody lampy elektronowej T = 1374,5802 K
niepewno standardowa u(T) = 24,375083 K
Pierwsz cyfr znaczc niepewnoci jest 2, drug 4. Druga cyfra znaczca jest miejscem dziesitnym jednoci. Poniewa trzeci cyfr znaczc jest 3, wic niepewno zaokrgla si w dó do dwóch cyfr znaczcych. Wynosi ona u(T) = 24 K. Wynik zaokrglamy take do miejsca dziesitnego jednoci. Poniewa po przecinku jest cyfra 5, wic zaokrglamy go w gór. Poprawny wynik kocowy ma zatem form: T = 1375(24) K. Z postaci zapisu wyznaczamy przedzia wartoci od (1375-24) K = 1351K do (1375+24) K = 1399 K. Z prawdopodobiestwem 68,3% prawdziwa warto pomiaru zawiera si w
przedziale 1351 ; 1399 K.3
Obliczymy równie niepewno rozszerzon U(T), dla k = 2. Mamy U(T) = 2u(T) = 48,550166 K. Zaokrglamy do U(T) = 49 K. Podajemy poprawn form wyniku T = (1375 ± 49) K. Wyznaczamy rozszerzony przedzia od (1375-49)K = 1326K do (1375+49) = 1424K. Prawdziwa warto mieci si
w przedziale 1326 ; 1424 K z prawdopodobiestwem 95,4%.
W niektórych wiczeniach stosuje si dwie metody wyznaczania danej wielkoci fizycznej. Wyniki pomiarów, otrzymane tymi metodami, nie s na ogó jednakowe, chocia dotycz tej samej wielkoci. Porównanie niepewnoci pomiarowych obydwu metod pozwala w zasadzie stwierdzi, która jest dokadniejsza. Mona take sprawdzi stopie zgodnoci tych wyników. Jeeli rónica wyników jest spowodowana tylko ograniczeniami dokadnoci pomiarów to mówimy, e uzyskane wyniki s zgodne w granicach dokadnoci pomiarów. Jeeli rónice s trudne do wyjanienia przez niedokadno pomiarów wówczas mamy niezgodno wyników. Moe to wiadczy o duych bdach popenianych przy pomiarach w jednej a nawet obu metodach. Prostym kryterium zgodnoci wyników jest istnienie albo brak czci wspólnej przedziaów, wyznaczonych przez niepewnoci pomiarowe obu metod. Stosujemy w tym przypadku niepewnoci rozszerzone. Wspóczynnik rozszerzenia k = 2 daje prawie pewno, e odpowiednie przedziay niepewnoci obu metod zawieraj prawdziw warto pomiaru (prawdopodobiestwo ponad 90%). Podany poniej przykad powinien pomóc w wyjanieniu sposobu stosowania tego kryterium.
Ocena zgodnoci wyników pomiarów oporu elektrycznego, wyznaczonego dwiema metodami.
Metoda 1. Opór R1 = 736,13845 , niepewno standardowa u(R1) = 4,1836595
Postpujemy tak jak opisano to w przykadach powyej, ale uywamy niepewnoci rozszerzonej:
a) okrelamy niepewno rozszerzon U(R1) = 2u(R1) i zaokrglamy do U(R1) = 8,4 ,
b) wynik podajemy z dokadnoci do 0,1 , tak jak niepewno U(R1), czyli R1 = 736,1 ,
c) kocowy wynik podajemy w formie R1 = 736,1(8,4) .
Wyznaczamy przedzia niepewnoci od (736,1 - 8,4) = 727,7 do (736,1 + 8,4) = 744,5 .
Metoda 2. Opór R2 = 754,68315 , niepewno standardowa u(R2) = 13,582744
Postpujemy jak w metodzie 1.:
a) okrelamy niepewno rozszerzon U(R2) = 2u(R2) i zaokrglamy do U(R2) = 27 ,
b) wynik podajemy z dokadnoci do 1 , tak jak niepewno U(R2), czyli R2 = 755 ,
c) kocowy wynik podajemy w formie R1 = 755(27) .
Wyznaczamy przedzia niepewnoci od (755 - 27) = 728 do (755 + 27) = 782 .
Celowe jest przedstawienie tych przedziaów graficznie.
R1 - U(R1) R1 R1 + U(R1)
727,7 736,1 744,5
R2 - U(R2) R2 R2 + U(R2)
728 755 782
Widoczne jest, e istnieje cz wspólna obu przedziaów, zaznaczona dwustronn strzak, pomidzy liniami przerywanymi, obejmujca zakres wartoci oporu od 728 do 744,5 . Wyniki, otrzymane
obiema metodami s zatem zgodne w granicach dokadnoci pomiarów.
W podobny sposób porównuje si wyniki, uzyskane w laboratorium z danymi literaturowymi, a take wyniki pomiarów wykonanych przez rónych eksperymentatorów. Niepewnoci danych literaturowych
s pomijalne w stosunku do niepewnoci typowych dla laboratorium studenckiego.
II. 2. 3. Sporzdzanie wykresów.
W wielu przypadkach wykres jest bardzo wygodn i pogldow form przedstawienia wyników. Wykresów uywa si w celu prezentacji wielkoci, midzy którymi istnieje jaka zaleno. Najczciej wykres jest ilustracj zmian pewnej wielkoci fizycznej wywoanych zmianami innej wielkoci, czyli matematycznie jest to funkcja jednej zmiennej. Zazwyczaj wykres zalenoci umieszcza si w prostoktnym ukadzie wspórzdnych. O pozioma ukadu przyporzdkowana jest wielkoci zmienianej przez eksperymentatora. O pionowa odpowiada wielkoci, która jest reakcj ukadu pomiarowego na te zmiany. Wykresy stosuje si w nastpujcych przypadkach:
a) w celu wykazania, e badane wielkoci speniaj zaleno okrelonego typu, np. liniow,
wykadnicz itd.
b) gdy zaleno dwóch wielkoci nie daje si przedstawi w formie wzoru matematycznego,
np. charakterystyki prdowo - napiciowe elementów elektronicznych.
Wykres powinien by czytelny i odpowiednio dokadny, aby wiarygodnie i w miar moliwoci precyzyjnie przedstawia badane zalenoci. W tym celu arkusz sprawozdawczy wykonany jest w postaci papieru milimetrowego. Sporzdzanie wykresów jest dziki temu wzgldnie atwe. Czytelno i dokadno wykresu mona osign nadajc mu waciwy rozmiar. Zaleca si aby wykres zajmowa ca szeroko arkusza i nie odbiega raco od planu kwadratu.
Przed przystpieniem do sporzdzenia wykresu naley wyznaczy zakresy liczbowe pomierzonych wielkoci, czyli rónice midzy ich najwikszymi i najmniejszymi wartociami. Stosownie do zakresów dobieramy skale na osiach wykresu. Najczciej zakresy te mieszcz si w 1 lub 2 rzdach wielkoci.
W takich przypadkach odpowiednie s skale liniowe, gdzie przedziay mierzonych wartoci s proporcjonalne do odpowiadajcych im odcinków na osiach. Przyjto, e dziaka skali powinna mie jedn z postaci: 1·10n, 2·10n lub 5·10n, gdzie n jest liczba cakowit. Zatem mog to by liczby:
... 0,01 ... 0,1 ... 1 ... 10 ... 100 ... itd. albo ... 0,02 ... 0,2 ... 2 ... 20 ... 200 ... itd.
albo ... 0,05 ... 0,5 ... 5 ... 50 ... 500 ... itd.
Dobór skali ma decydujce znaczenie dla czytelnoci wykresu. Osie wykresu nie musz przecina si w punkcie (0, 0). Nie ma potrzeby umieszczania na osiach tych wartoci, których pomiary nie obejmoway. Jeeli np. temperatur mierzono w zakresie od 47oC do 83oC to skala na osi temperatur powinna zaczyna si od 40oC lub 45oC, a koczy na 85oC lub 90oC. Skala powinna by tak dobrana, aby na osi znalazo si okoo 10 dziaek. W podanym przykadzie odpowiedni dziak skali jest 5oC.
Kad o wykresu naley opisa tzn. nanie skal, poda symbol wielkoci przyporzdkowanej tej osi i jednostk miary, podan w kwadratowych nawiasach np. dla temperatury podajemy t [oC].
Poniej pokazano poprawnie opisan o dla podanego przykadu.
t [oC]
45 50 55 60 65 70 75 80 85
Pary odpowiadajcych sobie zalenych wielkoci stanowi wspórzdne punktów pomiarowych. Punkty te nanosimy na sporzdzony ukad wspórzdnych w postaci niewielkich, symetrycznych figur np. krzyyków, kóek itp. rodki tych figur powinny wyznacza punkty pomiarowe. Dla wybranych kilku punktów zaznaczamy nastpnie niepewnoci pomiarowe. Zaómy, e w przykadzie podanym powyej, temperatur mierzono z dokadnoci Ät, a drug badan wielkoci byo napicie, mierzone z dokadnoci ÄU . Wspórzdne kadego punktu pomiarowego mieszcz si w przedziaach:
a) temperatury t - Ät ; t + Ät , b) napicia U - ÄU ; U + ÄU . Na wykresie przedziay te zaznacza si w postaci tzw. prostoktów niepewnoci. Prostokty takie maj boki 2·Ät i 2·ÄU, a ich rodki stanowi punkty pomiarowe, jak pokazuje to rysunek.
× 2·ÄU
punkt pomiarowy
2·Ät
Jeeli niepewnoci punktów pomiarowych s zbyt mae, aby mona byo je zaznaczy na wykresie, to pod wykresem umieszczamy krótk informacj o dokadnoci pomiarów.
Wspórzdnych punktów pomiarowych nie umieszcza si na osiach, poniewa powoduje to nieczytelno opisu osi.
Gdy zakres mierzonej wartoci obejmuje kilka rzdów wielkoci, wtedy dla odpowiedniej osi wykresu stosuje si skal logarytmiczn. Dla tej skali zachodzi proporcjonalno odcinków skali do przedziaów logarytmów mierzonej wielkoci. Poniej przedstawiono skal logarytmiczn na osi natenia prdu, mierzonego w zakresie od 1mA do 10A.
10-3 10-2 10-1 1 101 I [A]
1. rzd 2. rzd 3. rzd 4. rzd
Zakres obejmuje 4 rzdy wielkoci, poniewa 1mA = 10-3A, 10A = 101 A.
Na sporzdzony w opisany sposób wykres punktowy nanosimy lini obrazujc badan zaleno.
Nie wolno bezporednio czy punktów pomiarowych!
Linie, które s wykresami ilustrujcymi zaleno wielkoci fizycznych, w matematyce nazywane s krzywymi gadkimi. Na liniach tych mog pojawi si niecigoci, ale tylko wtedy, gdy zachodz tzw. przejcia fazowe np.: zmiany stanu skupienia badanej substancji. Niepewnoci pomiarowe powoduj, e punkty pomiarowe nie le dokadnie na rzeczywistej krzywej. czenie punktów pomiarowych daje zatem lini, która jest niepoprawnym wykresem badanej zalenoci. W wielu przypadkach ksztat wykresu przewidywany jest przez odpowiednie teorie i prawa fizyczne np. prawo Ohma mówi, e natenie prdu, pyncego przez przewodnik jest proporcjonalne do przyoonego napicia (w staej temperaturze). Wykresem tej zalenoci jest linia prosta. Istniej metody matematyczne, umoliwiajce optymalne dopasowanie linii teoretycznej do punktów pomiarowych. Dobran w ten sposób lini nanosimy na wykres przy pomocy linijki lub krzywików. Szczególnie wane i czsto spotykane s przypadki, w których badana zaleno jest opisywana lini prost lub moe by sprowadzona do postaci linii prostej poprzez wprowadzenie odpowiednich zmiennych matematycznych.
II. 2. 4. Metoda najmniejszych kwadratów. Regresja liniowa.
Rozwaamy dwie wielkoci fizyczne x i y, zwizane zalenoci, opisywan lini prost:
y = A·x + B (13)
Wspóczynniki A i B zawieraj zazwyczaj informacje o wasnociach badanych obiektów fizycznych. Znajomo tych wspóczynników pozwala wyznaczy niektóre wielkoci, opisujce badane obiekty. Bardzo wan rzecz jest zatem jak najlepsze okrelenie wartoci A i B na podstawie serii pomiarów wielkoci x i y. Podstaw najlepszego dopasowania prostej (13) do konkretnego zbioru punktów pomiarowych jest metoda najmniejszych kwadratów, podana przez wielkiego matematyka, Karola Gaussa. W metodzie tej bada si kwadraty odchyle wartoci mierzonych od przewidywanych wartoci optymalnych. Suma tych kwadratów powinna by najmniejsza, std nazwa metody. Jest to tzw. postulat Gaussa. W przypadku linii prostej optymalizacja polega na wyznaczeniu odpowiednich wspóczynników A i B. Procedura znajdowania wartoci A i B, oparta na metodzie najmniejszych kwadratów, nazywa si regresj liniow.
Zakadamy, e w wyniku pomiarów wielkoci x i y, otrzymano zbiór liczcy n punktów pomiarowych: (x1, y1 ), (x2, y2 ), ... , (xn, yn ). Zaómy ponadto, e dokadno pomiarów wielkoci x jest duo wiksza ni dokadno pomiarów wielkoci y. Rozumiemy przez to, e niepewno wzgldna pomiarów wielkoci x jest duo mniejsza ni niepewno wzgldna pomiarów wielkoci y, czyli ur (x ) << ur (y ). Na wykresie zoonym z punktów pomiarowych rysujemy próbn prost. Rysunek przedstawia cz tego typu wykresu próbnego.
y
yi y = A·x + B
di
yit
x
xi
Punkty pomiarowe zaznaczono duymi, ukonymi krzyykami ×. Duy rozrzut punktów pomiarowych wzgldem prostej jest spowodowany wymogami czytelnoci rysunku. Poniewa wspórzdne xi s z zaoenia duo dokadniejsze ni wspórzdne yi, wic mona je traktowa jako dokadne. Gdyby wielko y take wyznaczono bardzo dokadnie, to punkty pomiarowe leayby na prostej. Dokadnym wartociom xi odpowiadayby dokadne wartoci yit, obliczone z równania prostej, czyli yit = A·xi + B. Rónica midzy dokadn, teoretyczn wartoci yit, a wartoci pomiarow wynosi di = A·xi + B - yi. Zgodnie z postulatem Gaussa, suma kwadratów wielkoci di powinna by minimalna. Rozwaana suma zaley od nieznanych wspóczynników A i B. Sum t traktuje si jak funkcj dwu zmiennych:
(14)
Przeksztacamy funkcj (14) do postaci:
Warunkiem koniecznym istnienia minimum powyszej funkcji jest zerowanie si jej pochodnych czstkowych wzgldem A i B, czyli:
oraz
(15)
Funkcja f(A, B) jest kwadratowa wzgldem A i B, wic warunki (15) prowadz do nastpujcego ukadu dwóch równa liniowych na niewiadome A i B :
1)
2)
Z ukadu równa 1) i 2) otrzymujemy szukane wspóczynniki:
(16)
Metoda najmniejszych kwadratów daje take wzory na niepewnoci standardowe wspóczynników A i B. Rachunki s bardzo skomplikowane, podamy wic tylko kocow posta tych wzorów. Naley najpierw okreli wielkoci di = A·xi + B - yi, gdzie A i B s dane wzorami (16). Nastpnie okrelamy wielkoci:
oraz
(17)
Niepewnoci standardowe wspóczynników A i B dane s wzorami:
(18)
Obliczenia wartoci wspóczynników A i B ze wzorów (16) oraz ich niepewnoci standardowych u(A) i u(B) ze wzorów (18) s bardzo uciliwe. Dysponujc kalkulatorem z pamici mona je mimo to wzgldnie szybko wykona. Bardzo pomocne jest przy tym sporzdzenie tabelek jak poniej:
xi |
yi |
xi2 |
xi· yi |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Suma
W laboratorium postawione s do dyspozycji studentów komputery, które w znacznym stopniu eliminuj pracochonne obliczenia, co uatwia opracowanie wiczenia. Znajomo podstawowej obsugi komputera jest wród studentów coraz lepsza. Student zainteresowany korzystaniem z komputera powinien zapozna si z jego obsug, poniewa osoby prowadzce wiczenia mog udziela tylko
drobnych wskazówek, o ile pozwala na to czas.
Korzystanie z komputera nastpuje za zgod osoby prowadzcej wiczenie!
Program REGLINP (regresja liniowa)
Aby opracowa wyniki oblicze metod najmniejszych kwadratów naley otworzy program EXCEL. Nastpnie wpisuje si do kolumny A dane, które bd speniay rol wielkoci x, a w kolumnie B dane, speniajce rol wielkoci y w równaniu prostej y = A·x + B. Poniej rozpatrzono dwa przypadki.
1. Wielkoci x i y otrzymano z pomiarów bezporednich. Przykadami takich wielkoci, zwizanych zalenoci liniow s: masa obcinika i dugo obcionej spryny, temperatura i napicie termopary, napicie na przewodniku i natenie pyncego przez niego prdu itd.
Celowe jest sprawdzenie czy istotnie punkty pomiarowe ukadaj si wzdu prostej. Mog niekiedy wystpi zakócenia w pomiarach albo pomyki w zapisie wyników, dajce niepoprawne punkty pomiarowe, odbiegajce od linii prostej. W celu sprawdzenia ukadu punktów zaznaczamy kolumny danych A i B i korzystamy z kreatora wykresów, którego ikon mona znale na pasku. Wybieramy wycznie wykres XY punktowy! Jeeli pewne punkty wyranie odbiegaj od prostej to sprawdzamy czy nie ma bdu w danych i poprawiamy albo nie bierzemy tych punktów pod uwag, gdy wida, e wystpiy zakócenia w pomiarach. Ustalamy w ten sposób zbiór poprawnych danych do opracowania.
Nastpnie zaznaczamy myszk 4 komórki obok kolumn danych (rys.)
Na pasku narzdzi odnajdujemy symbol funkcji fx , umieszczamy na A B
nim kursor i naciskamy lewy przycisk myszki. Wybieramy funkcje u(A) u(B)
statystyczne a sporód nich funkcj REGLINP. W pole „znane_y”
wpisujemy dane z kolumny B np.: b1:b20 (jeeli dane zaczynaj si w pierwszym wierszu). W pole „znane_x” wpisujemy odpowiednie dane z kolumny A, czyli a1:a20. W obydwa pozostae pola naley wpisa cyfr 1. Ostatnia czynno musi by wykonana szczególnie uwanie. Twórcy polskiej wersji
programu EXCEL nie podali tego w objanieniach dotyczcych tej procedury!
Naciskamy jednoczenie klawisze „Shift” i „Ctrl” i nie zwalniajc tych klawiszy, naciskamy „Enter”.
Liczby, które pojawi si w zaznaczonych 4 komórkach maj znaczenia jak na rysunku powyej.
2. Wielkoci x i y otrzymano definiujc je jako pewne funkcje lub kombinacje wielkoci mierzonych. Podane poniej przykady pomog zrozumie sprowadzanie niektórych zalenoci do postaci liniowej.
a) Zaleno oporu póprzewodnika R od temperatury bezwzgldnej T opisuje funkcja wykadnicza:
(19)
gdzie: R0 jest sta o wymiarze oporu, Eg oznacza tzw. energi aktywacji, charakterystyczn dla danego póprzewodnika, k jest sta Boltzmanna.
Po zlogarytmowaniu zaleno (19) przybiera form:
(20)
Oznaczamy
, ln(R) = y,
, ln(R0) = B. Równanie (20) ma teraz posta: y = B + A·x.
Wyniki pomiarów temperatury t podaje si zwykle w oC. Aby zastosowa metod najmniejszych kwadratów wyraamy temperatur w kelwinach T = t + 273,15 K.
Podobnie jak w przypadku 1. korzystamy z procedury REGLINP w programie EXCEL. Do kolumny A wpisujemy temperatur t w oC, a do kolumny B opór póprzewodnika R. Zaómy, e dane zaczto wpisywa w pierwszym wierszu. W kolumnie C, w komórce pierwszego wiersza, definiujemy wyraenie 1/T, wpisujc: =1/(a1+273,15)
Ustawiamy biay krzyyk kursora w kolumnie C na prawym, dolnym rogu komórki, w której okrelono wyraenie 1/T tak, aby kursor przybra posta czarnego krzyyka. Naciskamy lewy klawisz myszki i „przecigamy” kursor do ostatniego wiersza z danymi. Kolumna C zawiera teraz szukane wielkoci x.
Nastpnie w komórce pierwszego wiersza w kolumnie D, definiujemy wyraenie ln(R), wpisujc:
=ln(b1)
Ustawiamy biay krzyyk kursora w kolumnie D na prawym, dolnym rogu komórki, w której okrelono wyraenie ln(R) i postpujemy tak, jak z kolumn C. Kolumna D zawiera szukane wielkoci y.
Kolumny C i D graj w tym przypadku podobn rol, jak kolumny A i B w przypadku 1.
Dalej postpujemy zatem tak samo, jak omówiono poprzednio.
b) Zaleno okresu waha T wahada fizycznego od odlegoci d osi obrotu od rodka cikoci mona napisa w postaci:
(21)
Oznaczamy: A =
, B =
, d2 = x, d·T2 = y. Równanie (21) mona traktowa jako zaleno
liniow y = A·x + B. Stosujemy metod najmniejszych kwadratów podobnie jak w przykadzie a).
W kolumnie A wpisujemy odlego d, w kolumnie B wpisujemy okres T. W kolumnie C definiujemy wyraenie d2, wpisujc =a1*a1. Jest to kolumna x - ów. W kolumnie D definiujemy wyraenie d·T2, wpisujc =a1*b1*b1. Jest to kolumna y - ów. Sprawdzamy kreatorem wykresów czy punkty (x, y) ukadaj si wzdu prostej. Po ewentualnych korektach wywoujemy procedur REGLINP.
Dane z kolumny C wpisujemy w pole „znane_x”. Dane z kolumny D wpisujemy w pole „znane_y”. Znajdujemy wspóczynniki A i B i obliczamy odpowiednie wielkoci kocowe.