OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW WEDŁUG KONWENCJI GUM ORAZ JEJ PRAKTYCZNE WYKORZYSTANIE W DYDAKTYCE

Transkrypt

1 Ryszard Maksyś, Tadeusz Podoski, Adam Taszner Akademia Morska w Gdyni OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW WEDŁUG KONWENCJI GUM ORAZ JEJ PRAKTYCZNE WYKORZYSTANIE W DYDAKTYCE Praca zawiera omówienie obowiązujących norm oceny niepewności pomiarowych oraz sugestie dotyczące graficznej analizy wyników pomiarowych, dających się przedstawić w postaci liniowej. Wykorzystując pomiary wykonane przez studentów, przeanalizowano korzyści z zastosowania analizy statystycznej wyników według konwencji GUM. Poniższe rozważania będą pomocne zarówno w dydaktyce, jak i w przyszłej pracy inżynierskiej absolwentów. Słowa kluczowe: konwencja GUM, niepewności pomiarowe, analiza danych, wykresy, regresja liniowa, zapis wyników, odchylenie standardowe. WSTĘP Celem zajęć w pracowni fizycznej jest pomiar wielkości fizycznych, wyznaczenie pewnej wielkości fizycznej, obliczenie niepewności pomiarowych oraz dyskusja uzyskanych wyników. Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki prowadzone są na pierwszym lub drugim semestrze nauki w Akademii Morskiej w Gdyni. Dla studentów jest to często pierwszy kontakt z przyrządami pomiarowymi i pracownią fizyczną, dlatego przed przystąpieniem do zajęć laboratoryjnych należy zapoznać ich z metodami analizy wyników i sposobami określania niepewności pomiarowych. W roku 1995, po wielu latach pracy, uzgodniono międzynarodowe normy dotyczące terminologii i sposobu określania niepewności w pomiarach. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) opublikowała odpowiedni przewodnik Guide to Expression of Uncertainty in Measurements (GUM) [1,, 7]. Po opublikowaniu w 1999 roku przez Główny Urząd Miar polskiego tłumaczenia przewodnika pt. Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik rozpoczęło się wdrażanie konwencji GUM W Polsce [3, 4, 8, 9]. Zmiany dotyczą przyjęcia uzgodnionej terminologii i powszechnie akceptowanej miary niepewności w pomiarach, szerszego korzystania z metod statystycznych oraz jej sposobu oceny i obliczania. Wprowadzają odchylenie standardowe jako podstawową ocenę niepewności. Postanowienia konwencji GUM wprowadzają ujednolicony rachunek niepewności pomiarów, który powinien być powszechnie stosowany. W związku z tym celowe jest powszechne jego wyko-

2 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne rzystywanie szczególnie na uczelniach technicznych [5, 9, 10]. Stosownie do nowego podejścia wprowadzono następujące pojęcia: niepewność standardowa oznacza niepewność pomiaru odpowiadającą odchyleniu standardowemu wartości średniej; ocena niepewności pomiarowych typu A opiera się na metodzie analizy statystycznej pomiarów wynikającej z rozkładu Gaussa (normalnego); ocena niepewności pomiarowych typu B opiera się na subiektywnym ocenianiu rozkładu prawdopodobieństwa przez wykonującego doświadczenie, np. rozkład jednostajny (prostokątny) lub trójkątny; złożona niepewność standardowa u c (y) niepewność pomiarów pośrednich (złożonych) wyliczana z prawa propagacji niepewności pomiarowych (wariancji); określenie sposobu zapisu wyników pomiarowych i ich niepewności. Standardowa niepewność pomiarowa stała się główną miarą określenia niepewności pomiaru. W tabeli 1 zamieszczono najważniejsze elementy oceny niepewności pomiaru według konwencji GUM. Konieczne wydaje się wprowadzenie powyższej terminologii i sposobów oceniania wyników pomiarów na zajęciach laboratoryjnych z fizyki. Pozwoli to na ujednolicenie metod analizy danych na wszystkich zajęciach związanych z pomiarami oraz w przyszłej pracy inżynierskiej. Dla przybliżenia omawianej terminologii i zaleceń GUM wybrano kilka przykładów ćwiczeń realizowanych podczas zajęć. Tabela 1. Najważniejsze elementy oceny niepewności pomiaru według GUM Table 1. The key elements of the evaluation of measurement uncertainty according to GUM Wielkość Niepewność standardowa: ocena typu A. Oparta jest na metodzie określania niepewności pomiaru drogą analizy statystycznej serii wyników pomiarów Niepewność standardowa: ocena typu B. Jest stosowana w przypadku, gdy dostępny jest tylko jeden wynik pomiaru albo gdy wyniki nie wykazują rozrzutu Symbol i sposób obliczania Statystyczna analiza serii pomiarów, w tym: u( dla serii n równoważnych pomiarów: u( = n 1 n( n 1) i = 1 ( x i x ) u(a), u(b) dla parametrów prostej regresji, itp. x i wartość i-tego pomiaru; x wartość średnia Naukowy osąd eksperymentatora, u( = Δx. 3 Gdy znana jest niepewność Δx: wzorcowania Δ d x, eksperymentatora (niepewność maksymalna) Δ ex, spowodowana przyczynami znanymi eksperymentatorowi, ale od niego niezależnymi, odczytu z tablic Δt x. Niepewność tablicowa (niepewność maksymalna) Δ t x jest równa 10 jednostkom ostatniego miejsca dziesiętnego. Niepewność standardowa jest szacowana na podstawie rozkładu jednostajnego: Δt x u( =. 3

3 80 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 91, grudzień 015 Niepewność wzorcowania przyrządów analogowych cd. tabeli 1 Złożona niepewność standardowa Współczynnik rozszerzenia Niepewność rozszerzona Zalecany zapis niepewności Jeśli obydwa typy niepewności, A i B, występują równocześnie, to należy posłużyć się następującym wzorem na niepewność standardową (całkowitą) [(klasa zakres/100) + Δx odczytu )] u ( = 3 Niepewność wzorcowania przyrządów cyfrowych Δ d x = C1 wartość mierzona + C zakres pomiarowy + C3 cyfra (dgt) Uzyskaną w ten sposób niepewność maksymalną zamienia się Δd x na niepewność standardową przy użyciu wzoru u( =. 3 Najczęściej przyczynki do niepewności wzorcowania i niepewności eksperymentatora występują jednocześnie i wtedy niepewność standardowa szacowana metodą B powinna być obliczona ze wzoru: N i = 1 u( = ( Δd 3 ( Δe + 3 = f uc( y) u ( xi ) (dla nieskorelowanych x i), xi N liczba wielkości mierzonych bezpośrednio k Z reguły używa się k = dla poziomu ufności p α = 0,95 lub k = 3 dla poziomu ufności p α = 0,99. Przy małej liczbie pomiarów zaleca się przyjąć k równą wartości funkcji t-studenta z poziomem ufności 95% (metoda efektywnych stopni swobody) U(y) = k u c(y) standardowa v = 34 m/s, u c(v) = 14 m/s: v = (34 ±14)m/s = 34(14) m/s rozszerzona v = 34 m/s, U(v) = 8 m/s: v = (34 ±8) m/s = 34(8) m/s (zasada podawania dwóch cyfr znaczących niepewności) uc( = = ua( + ub( = n 1 ( Δd ( Δe + + ( xi n( n 1) 3 3 i = 1 1. WYZNACZANIE RÓWNOWAŻNIKA ELEKTROCHEMICZNEGO NA PODSTAWIE I PRAWA FARADAYA W tym celu zmierzono ilość wydzielonej masy na katodzie podczas przepływu prądu o znanym natężeniu przez roztwór wodny siarczanu miedzi w czasie t. Otrzymano następujące wyniki: m = 0,61 g = 0,61*10-3 kg; I = 1,00 A; t = 1800 s.

4 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne Niepewności graniczne (maksymalne) pomiarów bezpośrednich oszacowano na: Δm = 0,0 g = 0,0*10 3 kg; Δt = 1 s; ΔI = 15 ma. Do pomiaru prądu wykorzystano multimetr DT9007A, którego producent podaje zakres niepewności pomiaru prądu do 0 A ±(0,5%,1dgt), co daje ΔI = 15 ma. Z I prawa Faradaya: m = kit k = m, (1) gdzie: m masa miedzi wydzielonej na katodzie, k równoważnik elektrochemiczny, I natężenie prądu, t czas przepływu prądu. Wartość doświadczalna k wyniosła k = 3,339*10 7 kg/c. Wyliczona klasycznie metodą różniczki logarytmicznej graniczna niepewność względna i bezwzględna pomiaru: Δk/k = 0,05 = 5%; Δk = 0,16*10 7 kg/c. Wartość tablicowa równoważnika elektrochemicznego miedzi k t = 3,97*10 7 kg/c. W odniesieniu do wartości tablicowej niepewność względna pomiaru wyniosła: Δ k = k It kt k = 0, 013 = 13, %. k t Otrzymana wartość 1,3% jest mniejsza od 5% uzyskanej metodą różniczki zupełnej, co wskazuje na poprawność pomiaru. Sugerowany przez konwencję GUM sposób obliczenia niepewności pomiarowych wymaga odmiennego podejścia [3, 5]. Niepewności pomiarów bezpośrednich w tym ćwiczeniu należą do typu B. Przewodnik zaleca zamieniać niepewność graniczną Δx na niepewność standardową według wzoru: u ( = Δx () 3 Δm = 0,0 g = 0,0*10 3 kg Δt = 1 s ΔI = 15 ma u(m) = 0,01*10 3 kg u(t) = 0,58 s u(i) = 8,67 ma. Według konwencji GUM niepewność pomiarów pośrednich wyznacza się z prawa propagacji niepewności: N f u( y) = u( xi ). (3) i= 1 xi gdzie y = f(x 1,..x N ), zakładając, że wielkości x i są nieskorelowane. Po wyliczeniach otrzymano: u(k) = 0,073*10 7 kg/c.

5 8 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 91, grudzień 015 Niepewność standardowa u(k) określa przedział od k u(k) do k + u(k), w którym wartość prawdziwa znajduje się z prawdopodobieństwem 68% dla niepewności typu A oraz z prawdopodobieństwem 58% dla niepewności typu B (wartości te wynikają z rozkładów prawdopodobieństw: Gaussa i jednostajnego). Dla umożliwienia porównania wyników pomiarów uzyskiwanych w różnych laboratoriach i warunkach wprowadzono pojęcie niepewności rozszerzonej U. Niepewność rozszerzoną oblicza się w sposób następujący: U(y) = k*u(y), gdzie k nosi nazwę współczynnika rozszerzenia. Dla większości zastosowań przyjmuje się wartość współczynnika rozszerzenia równą. Dla k = prawdopodobieństwo znalezienia wartości prawdziwej w przedziale od k U(k) do k + U(k) wynosi 95% dla niepewności typu A oraz jest równe 100% dla niepewności typu B. W rozważanym przypadku wartość U(k) = u(k) = 0,15*10 7 kg/c, a niepewność względna rozszerzona: U ( k) U r = = 0, 045 = 4, 5%. k Proponowany przez GUM sposób zapisu ostatecznego wyniku ma postać: dla niepewności standardowej: k = 3,339*10 7 kg/c; u(k ) = 0,073*10 7 kg/c, k = 3,339(73)*10 7 kg/c; dla niepewności rozszerzonej: k = (3,34 ±0,15)*10 7 kg/c; U(k) = 0,15*10 7 kg/c. Wartość tablicowa równoważnika elektrochemicznego miedzi k t = 3,97*10 7 kg/c mieści się w przedziałach niepewności wyznaczonymi dwoma metodami. W powyższym przykładzie nie widać zasadniczych różnic ilościowych po zastosowaniu obu metod. W punktach i 3 rozważono ćwiczenia, w których wyniki można przedstawić w postaci funkcji liniowej. Jest to najczęściej spotykana sytuacja na zajęciach laboratoryjnych.. WYZNACZANIE STAŁEJ PLANCKA Jedną z metod wyznaczania stałej Plancka jest wykorzystanie zjawiska fotoelektrycznego zewnętrznego. Źródłem światła o znanej długości fali był spektrofotometr firmy Carl Zeiss Jena. Podczas ćwiczenia mierzono zmianę napięcia hamującego w funkcji długości fali. Do opracowania wyników i wyznaczenia stałej Plancka wykorzystano wzór Einsteina-Millikana: gdzie: h stała Plancka, f częstotliwość, c prędkość światła, hf = h c = W +, (4) λ E k

6 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne λ długość fali, W praca wyjścia, E k = e U h energia kinetyczna fotoelektronów. Na zajęciach w pracowni wykorzystuje się metodę pola hamującego. Powyższy wzór można przepisać w postaci: gdzie U h napięcie hamowania. hf = h c = W + eu h, (5) λ W celu wyznaczenia stałej Plancka przekształcono wzór następująco: U = h c 1 W h (6) e λ e Zmierzono napięcie potrzebne do wyhamowania wyemitowanych elektronów w funkcji długości fali. Ze wzoru (6) wynika, że zależność U h = f(1/λ) jest funkcją liniową. Wyniki pomiarów i obliczeń przedstawiono w tabeli. Wartości u 1 = 1 u( λ) wyznaczono metodą propagacji niepewności dla funkcji jednej λ 3λ zmiennej. Tabela. Wyniki pomiarów do wyznaczenia stałej Plancka Table. The results of measurements to determine Planck's constant λ[nm] 1/ λ [nm 1 ] U h [V] u(1/ λ) [nm 1 ] 10 6 u(u) [V] 380 0, ,39 6,93 0, , ,94 6,75 0, , , 6,57 0, , ,197 6,41 0, , ,158 6,5 0, , ,116 6,10 0, , ,074 5,95 0, , ,03 5,81 0, , ,011 5,67 0, , ,968 5,54 0, , ,93 5,41 0, , ,903 5,8 0, ,0077 0,876 5,17 0, ,0047 0,839 5,05 0, ,00 0,81 4,94 0, , ,78 4,83 0, , ,75 4,73 0, , ,737 4,6 0,004

7 84 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 91, grudzień 015 Metoda graficzna należy do grupy B i polega na sporządzeniu wykresu przedstawiającego punkty doświadczalne, a następnie na subiektywnym narysowaniu prostej tak, aby przechodziła ona przez jak największą liczbę prostokątów niepewności pomiarowych [9, 10]. Uzyskano wartość współczynnika kierunkowego prostej a = 100. Jej mankamentem jest to, że nie uzyskuje się informacji o niepewnościach parametrów prostej. 1,4 h =a/ b U h = a/λ + b a a=100 = 100 1,3 1, 1,1 Uh [V] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,000 0,00 0,004 0,006 0,008 1/ 1/λ [nm -1 1 ]] Rys. 1. Wykres zależności U h = f(1/λ) uzyskany metodą graficzną Fig. 1. Dependence U h vs. 1/λ obtained by the graphical method W teorii interwałowej po zaznaczeniu na wykresie punktów doświadczalnych i otoczeniu ich prostokątami niepewności (niepewności graniczne) prowadzi się dwie proste przez wszystkie prostokąty niepewności o największym a i najmniejszym nachyleniu a 1. Następnie należy znaleźć punkt przecięcia tych prostych i narysować końcową prostą o nachyleniu (a + a 1 )/ przechodzącą przez ten punkt. W tej metodzie niepewność graniczna Δa = (a a 1 )/, niepewność Δb otrzymuje się z przecięcia korytarza niepewności z osią y. Metoda ta nie wymaga stosowania rachunku różniczkowego i rachunku prawdopodobieństwa i może być stosowana na poziomie szkoły ponadgimnazjalnej [6, 9, 10].

8 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne ,4 1,3 1, a 11 = =100 a = = a a=150 = 150 Δa a=50= 50 Uh [V] 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,000 0,001 0,00 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 1/λ [nm 1-1 ] Rys.. Wykres zależności U h = f(1/λ) uzyskany metodą przedziałową Fig.. Dependence U h vs. 1/λ obtained by the interval method W tym przypadku uzyskano wartości współczynników kierunkowych dla dwóch przeprowadzonych subiektywnie prostych: a = 1300, a 1 = 100. Ostateczny wynik pomiaru można zapisać a = 150 ±50. Do analizy wyników pomiaru zastosowano metodę najmniejszych kwadratów [5, 9, 10]. Metoda najmniejszych kwadratów jest współcześnie powszechnie stosowana i należy do oceny typu A. Umożliwia ona znalezienie zarówno parametrów badanej funkcji liniowej y = ax + b, współczynnika korelacji r, jak i odchylenia standardowego wyznaczanych parametrów u(a) i u(b). Obecnie metoda ta jest zaimplementowana w większości arkuszy kalkulacyjnych. Metoda najmniejszych kwadratów nie zapewnia automatycznej eliminacji punktów pomiarowych, znacznie odbiegających od prostej, dlatego też wykres umożliwiający wizualną ocenę danych pomiarowych należy wykonać przed przystąpieniem do obliczeń, najlepiej jeszcze w czasie pomiarów. Można wówczas albo powtórzyć pomiar, który znacznie odbiega od przewidywanej krzywej albo w ostateczności takie wyniki pomiaru wyeliminować z obliczeń parametrów prostej. Zależność liniowa może obowiązywać tylko w ograniczonym zakresie zebranych punktów pomiarowych. Przed analizą danych metodą najmniejszych kwadratów należy obejrzeć wykres przedstawiający punkty pomiarowe i ewentualnie określić zbiór punktów, które zostaną poddane obliczeniom. Należy pamiętać, że metoda najmniejszych kwadratów wyznacza niepewności u(a) i u(b) pochodzące od błędów przypadkowych. Jeśli uwzględnić jednakowy na ogół dla wszystkich punktów błąd

9 86 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 91, grudzień 015 systematyczny, to należy spodziewać się równoległego przesunięcia na wykresie punktów pomiarowych i zmiany wartości b-wyrazu wolnego w równaniu prostej. Jeśli celem ćwiczenia jest analiza współczynnika kierunkowego prostej, to nie wpłynie to na efekt końcowy. Metoda najmniejszych kwadratów, zastosowana do powyższych wyników pomiaru, pozwoliła wyznaczyć parametry prostej y = ax + b, kwadrat współczynnika korelacji r oraz odchylenia standardowe wyznaczanych parametrów u(a) i u(b): a = 144 b = 1,955 u(a) = 14 u(b) = 0,03 R = 0,998 W powyższym przykładzie wartość niepewności rozszerzonej U(y) = u(y) = 8. Końcowy wynik pomiaru można zapisać: a = 144 ±8. W tabeli 3 przedstawiono wartości stałej Plancka wyliczone różnymi metodami. Metoda Tabela 3. Wyznaczone wartości stałej Plancka Table 3. Calculated values of Planck's constant Stała Plancka [Js] Niepewności pomiarowe [Js] Porównanie z wartością tablicową [%] Graficzna 6,40 3,3 Interwałowa 6,67 0,7 0,8 Najmniejszych kwadratów 6,64 0,15 U(y) = u(y) = 0,30 0,3 1,4 1,3 U h = 144,4/λ - 1,9549 R = 0,9981 1, 1,1 Uh[V] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,000 0,001 0,00 0,003 0,004 0,005 0,006 0,007 1/ λ [nm -1 ] Rys. 3. Wykres zależności U h = f(1/λ) uzyskany metodą najmniejszych kwadratów Fig. 3. Dependence U h vs. 1/λ obtained by the least-squares method

10 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne W punkcie otrzymano porównywalne wartości stałej Plancka, ale najbardziej korzystna ze względów dydaktycznych i czasowych wydaje się metoda najmniejszych kwadratów, proponowana przez konwencję GUM i obecnie powszechnie stosowana na innych uczelniach technicznych. 3. WYZNACZANIE OGNISKOWEJ CIENKIEJ SOCZEWKI SKUPIAJĄCEJ W celu wyznaczenia ogniskowej f mierzy się odległość x przedmiotu od soczewki oraz odległość y obrazu od soczewki. Do analizy wyników wykorzystuje się równanie soczewki: 1 = (7) f x y Tabela 4. Wyniki pomiarów i obliczeń do wyznaczenia ogniskowej soczewki Table 4. The results of measurements and calculations to determine the focal length of the lens x [m] y [m] 1/x [m -1 ] 1/y [m -1 ] f [m] u(1/ [m -1 ] u(1/y) [m -1 ] x+y [m] xy [m ] u( x+y) [m] u( xy) [m ] 0,1330 0,940 7,5188 1,083 0,1163 0,0980 0,0041 1,0570 0,19 0,0039 0,0017 0,1350 0,860 7,4074 1,1601 0,1167 0,0951 0,0047 0,9970 0,1164 0,0039 0,0016 0,1380 0,780 7,464 1,788 0,1173 0,0911 0,0057 0,900 0,1079 0,0039 0,0014 0,140 0,60 7,043 1,6077 0,1156 0,0860 0,0090 0,7640 0,0883 0,0039 0,001 0,1430 0,6570 6,9930 1,51 0,1174 0,0848 0,0080 0,8000 0,0940 0,0039 0,001 0,1465 0,6035 6,859 1,6570 0,1179 0,0808 0,0095 0,7500 0,0884 0,0039 0,001 0,1480 0,5370 6,7568 1,86 0,1160 0,079 0,010 0,6850 0,0795 0,0039 0,0011 0,1500 0,5500 6,6667 1,818 0,1179 0,0771 0,0115 0,7000 0,085 0,0039 0,0011 0,1555 0,4945 6,4309,0 0,1183 0,0717 0,014 0,6500 0,0769 0,0039 0,0010 0,1570 0,4380 6,3694,831 0,1156 0,0704 0,0181 0,5950 0,0688 0,0039 0,0009 0,1645 0,4355 6,0790,96 0,1194 0,0641 0,0183 0,6000 0,0716 0,0039 0,0009 0,1680 0,3680 5,954,7174 0,1153 0,0614 0,056 0,5360 0,0618 0,0039 0,0009 0,1795 0,3704 5,5710,6998 0,109 0,0538 0,053 0,5499 0,0665 0,0039 0,0009 0,1870 0,310 5,3476 3,051 0,1169 0,0496 0,0356 0,4990 0,0583 0,0039 0,0008 0,50 0,370 4,4444 4,194 0,1154 0,0343 0,0617 0,460 0,0533 0,0039 0,0009 0,90 0,370 4,3668 4,194 0,1165 0,0331 0,0617 0,4660 0,0543 0,0039 0,0009

11 88 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 91, grudzień 015 W tabeli 4, korzystając z kolumny 1 i, obliczono wartość ogniskowej f (kolumna 5) ze wzoru: x y f = (8) x + y Wartość średnia wynosi f średnia = 0,1171 m, wartość odchylenia standardowego u(f) = 0,0004 m. Wartość obliczonej ogniskowej z uwzględnieniem niepewności rozszerzonej można zapisać w postaci: f = 0,1171 ±0,0008 m, f = 0,1171(8) m. Tabela 4 zawiera również obliczenia umożliwiające wyznaczenie ogniskowej f przy wykorzystaniu wykresów. Na rysunku 4 przedstawiono zależność 1/y = f(1/. Jest ona liniowa, parametry regresji liniowej mają następujące wartości: a = 1,000 b = 8,5 u(a) = 0,030 u(b) = 0, R = 0, ,5 4,0 1/y = -1,0005/x + 8,5449 R = 0,9871 3,5 3,0 1/y [1/m],5,0 1,5 1,0 0,5 0,0 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 1/x [1/m] Rys. 4. Wykres zależności 1/y = f(1/ Fig. 4. Graph showing 1/y = f(1/ dependencies Na podstawie równania soczewki wyliczono wartość f = 1 = 01176, m. b Rozszerzona niepewność standardowa ogniskowej wyraża się wzorem: U ( f ) = u( 1 ) = 0, = 0, 0055 m. b 8, 5 Wartość ogniskowej wyznaczonej tą metodą można zapisać w postaci: f = (0,1176 ±0,0055) m.

12 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne Na rysunku 5 przedstawiono zależność xy = f(x + y). Parametry regresji liniowej tej prostej wynoszą: a = 0,1164, b = 0,00048, u(a) = 0,0013, u(b) = 0,00095, R = 0, ,13 0,1 xy = 0,1164(x+y) + 0,0005 R = 0,998 0,11 0,10 xy [m ] 0,09 0,08 0,07 0,06 0,05 0,04 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 x+y [m] Rys. 5. Wykres zależności xy = f(x + y) Fig. 5. A xy plotted against the x + y Wartość obliczonej ogniskowej z uwzględnieniem niepewności rozszerzonej można zapisać w postaci: f = (0,1164 ±0,006) m. Z przykładów i 3 wyraźnie widać, że korzystne jest wykorzystywanie programów komputerowych na zajęciach laboratoryjnych do sporządzania wykresów, oceny czy punkty pomiarowe układają się wzdłuż prostej, ewentualnego odrzucenia błędów grubych i następnie analizy danych doświadczalnych. We wszystkich przypadkach, gdzie w równaniach występuje więcej niż jedna niewiadoma (np. w punkcie nieznane były wartości stałej Plancka i pracy wyjścia), celowe jest wykorzystanie parametrów funkcji liniowej. W punkcie 3 pokazano możliwość wyznaczania stałej fizycznej bezpośrednio z przekształconego wzoru soczewkowego. Otrzymane wartości okazały się obarczone mniejszymi niepewnościami pomiarowymi niż wartości uzyskane z analizy wykresów liniowych, pomimo że przedstawiały one różne zależności funkcyjne.

13 90 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 91, grudzień 015 PODSUMOWANIE Zaprezentowane w artykule metody analizy danych są obecnie powszechnie stosowane zarówno w przemyśle, jak i metrologii. Mają one na celu ujednolicenie sposobów oceny danych doświadczalnych i opisu niepewności pomiarowych, a także wykorzystanie zaleceń konwencji GUM w dydaktyce. Obiektywną, współczesną metodą wizualizacji wyników pomiarów jest metoda najmniejszych kwadratów. Metoda ta zaimplementowana jest we wszystkich arkuszach kalkulacyjnych i jest powszechnie dostępna. Studenci, przychodząc na studia techniczne, są zaznajomieni przynajmniej w stopniu podstawowym z arkuszami kalkulacyjnymi. Umiejętności te powinny być wykorzystywane i rozwijane w zgodzie z obowiązującymi normami na zajęciach nie tylko w pracowni fizycznej. Powszechność programów graficznych nakazuje ich wykorzystanie przy sporządzaniu wykresów, odręczne sporządzanie wykresów staje się bowiem anachroniczne. Niektóre formuły matematyczne opisane w artykule mogą być stosowane przez studentów na zajęciach pomimo braku zaawansowanej wiedzy z zakresu matematyki. LITERATURA 1. Evaluation of measurement data Guide to the expression of uncertainty in measurement, JCGM 100:008 (GUM 1995 with minor corrections).. Guide to Expression of Uncertainty in Measurements (GUM), ISO, Switzerland, Piotrowski J., Kostyro K., Wzorcowanie aparatury pomiarowej, PWN, Warszawa Szydłowski H., Międzynarodowe normy oceny niepewności pomiarów, Postępy Fizyki, 000, nr 51, s Szydłowski H., Niepewności w pomiarach, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań Szydłowski H., Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa Taylor B.N., Kuyatt C.E, Guidelines for Evaluating and Expressing the Uncertainty of NIST Measurement Results, NIST Technical Note 197 (1994); The NIST Reference on Constants, Units, and Uncertainty, 8. Wyrażanie niepewności pomiaru. Przewodnik, Główny Urząd Miar, Warszawa Zięba A., Analiza danych w naukach ścisłych i technice, PWN, Warszawa Zięba A., Pracownia fizyczna, Wydawnictwo AGH, Kraków 00.

14 R. Maksyś, T. Podoski, A. Taszner, Opracowanie wyników pomiarów według konwencji GUM oraz jej praktyczne ELABORATION OF THE RESULTS OF MEASUREMENTS ACCORDING TO GUM CONVENTION AND ITS PRACTICAL USE IN DIDACTICS Summary Methods presented in this paper of data analysis are now widely used both in industry and metrology. They are designed to standardize procedures of data evaluation and description of the experimental uncertainties. In discussed issues it is recommended to use GUM s procedure. Objective, contemporary visualization method of measurement results is the method of least- squares. This method is implemented in all the spreadsheets and is widely available. Students of technical studies are familiar, at least at a basic level with spreadsheets. These skills should be used and developed in accordance with applicable standards in the classroom not only in the physical laboratory. Wide availability of graphics programs encourages their use in the preparation of charts. Handwritten plots become anachronistic. Some mathematical formulas described in the paper can be used by students in the classroom, despite the lack of undergraduates advanced knowledge of mathematics. Keywords: the convention of GUM, uncertainty of measurement, data analysis, graphs, linear regression, reporting the results of measurements, standard deviation.