Laboratorium Fizyczne Inżynieria materiałowa. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Podobne dokumenty
A. Metody opracowania i analizy wyników pomiarów K.Kozłowski i R Zieliński I Laboratorium z Fizyki część 1 Wydawnictwo PG.

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności statystycznych

Wstęp do teorii niepewności pomiaru. Danuta J. Michczyńska Adam Michczyński

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych. Wykład tutora na bazie wykładu prof. Marka Stankiewicza

PODSTAWY OPRACOWANIA WYNIKÓW POMIARÓW Z ELEMENTAMI ANALIZY NIEPEWNOŚCI POMIAROWYCH

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych. Wykład tutora na bazie wykładu prof. Marka Stankiewicza

Metodyka wykonywania pomiarów oraz ocena niepewności i błędów pomiaru

Statystyczne Metody Opracowania Wyników Pomiarów

Niepewności pomiarów

Statystyczne Metody Opracowania Wyników Pomiarów

Statystyczne Metody Opracowania Wyników Pomiarów

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

WSKAZÓWKI DO WYKONANIA SPRAWOZDANIA Z WYRÓWNAWCZYCH ZAJĘĆ LABORATORYJNYCH

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

Zmierzyłem i co dalej? O opracowaniu pomiarów i analizie niepewności słów kilka

Niepewność pomiaru. Wynik pomiaru X jest znany z możliwa do określenia niepewnością. jest bledem bezwzględnym pomiaru

WPROWADZENIE DO TEORII BŁĘDÓW I NIEPEWNOŚCI POMIARU

Podstawy opracowania wyników pomiarów

LABORATORIUM Z FIZYKI

Określanie niepewności pomiaru

ĆWICZENIE 13 TEORIA BŁĘDÓW POMIAROWYCH

Zajęcia wprowadzające W-1 termin I temat: Sposób zapisu wyników pomiarów

Fizyka (Biotechnologia)

Temat: SZACOWANIE NIEPEWNOŚCI POMIAROWYCH

Wprowadzenie do rachunku niepewności pomiarowej. Jacek Pawlyta

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności pomiarowych

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

KARTA INFORMACYJNA PRZEDMIOTU

Sprawdzenie narzędzi pomiarowych i wyznaczenie niepewności rozszerzonej typu A w pomiarach pośrednich

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.


Teoria błędów. Wszystkie wartości wielkości fizycznych obarczone są pewnym błędem.

Podstawy niepewności pomiarowych Ćwiczenia

Rozkład normalny, niepewność standardowa typu A

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyny

Dokładność pomiaru: Ogólne informacje o błędach pomiaru

BŁĘDY W POMIARACH BEZPOŚREDNICH

Ćwiczenie 1. Metody określania niepewności pomiaru

Analiza korelacyjna i regresyjna

Spis treści. Przedmowa... XI. Rozdział 1. Pomiar: jednostki miar Rozdział 2. Pomiar: liczby i obliczenia liczbowe... 16

Precyzja a dokładność

Niepewność pomiaru w fizyce.

Doświadczalne wyznaczanie współczynnika sztywności (sprężystości) sprężyn i współczynnika sztywności zastępczej

DOKUMENTACJA SYSTEMU ZARZĄDZANIA LABORATORIUM. Procedura szacowania niepewności

Projektowanie systemów pomiarowych. 02 Dokładność pomiarów

LABORATORIUM METROLOGII. Analiza błędów i niepewności wyników pomiarowych. dr inż. Piotr Burnos

ODRZUCANIE WYNIKÓW POJEDYNCZYCH POMIARÓW

FIZYKA LABORATORIUM prawo Ohma

Komputerowa Analiza Danych Doświadczalnych

Ćw. 2: Analiza błędów i niepewności pomiarowych

ĆWICZENIE 3 REZONANS AKUSTYCZNY

Pracownia Astronomiczna. Zapisywanie wyników pomiarów i niepewności Cyfry znaczące i zaokrąglanie Przenoszenie błędu

Tutaj powinny znaleźć się wyniki pomiarów (tabelki) potwierdzone przez prowadzacego zajęcia laboratoryjne i podpis dyżurujacego pracownika obsługi

Procedura szacowania niepewności

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI 1

Obliczanie niepewności rozszerzonej metodą analityczną opartą na splocie rozkładów wielkości wejściowych

Pochodna i różniczka funkcji oraz jej zastosowanie do obliczania niepewności pomiarowych

DOKŁADNOŚĆ POMIARU DŁUGOŚCI

Wykład 9. Terminologia i jej znaczenie. Cenzurowanie wyników pomiarów.

LABORATORIUM PODSTAW TELEKOMUNIKACJI

Wyniki pomiarów okresu drgań dla wahadła o długości l = 1,215 m i l = 0,5 cm.

Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych. Instrukcja do ćwiczenia III. Pomiar natężenia przepływu za pomocą sondy poboru ciśnienia

Metrologia: obliczenia na liczbach przybliżonych. dr inż. Paweł Zalewski Akademia Morska w Szczecinie

Wprowadzenie do analizy korelacji i regresji

Dr inż. Paweł Fotowicz. Procedura obliczania niepewności pomiaru

Ćwiczenie z fizyki Doświadczalne wyznaczanie ogniskowej soczewki oraz współczynnika załamania światła

O 2 O 1. Temat: Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła rewersyjnego

Analiza i monitoring środowiska

Laboratorium Podstaw Pomiarów

Ćw. nr 31. Wahadło fizyczne o regulowanej płaszczyźnie drgań - w.2

Laboratorium Metrologii

CECHOWANIE TERMOELEMENTU Fe-Mo I WYZNACZANIE PUNKTU INWERSJI

Niepewność pomiaru masy w praktyce

Ruch jednostajnie przyspieszony wyznaczenie przyspieszenia

Metrologia: definicje i pojęcia podstawowe. dr inż. Paweł Zalewski Akademia Morska w Szczecinie

Odchudzamy serię danych, czyli jak wykryć i usunąć wyniki obarczone błędami grubymi

Ćw. nr 1. Wyznaczenie przyspieszenia ziemskiego za pomocą wahadła prostego

WYZNACZANIE MODUŁU YOUNGA METODĄ STRZAŁKI UGIĘCIA

BADANIE SZEREGOWEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

Sposoby opisu i modelowania zakłóceń kanałowych

Wyznaczanie współczynnika sprężystości sprężyn i ich układów

Imię i nazwisko (e mail): Rok: 2018/2019 Grupa: Ćw. 5: Pomiar parametrów sygnałów napięciowych Zaliczenie: Podpis prowadzącego: Uwagi:

SMOP - wykład. Rozkład normalny zasady przenoszenia błędów. Ewa Pawelec

Imię i nazwisko (e mail): Rok:. (2010/2011) Grupa: Ćw. 5: Pomiar parametrów sygnałów napięciowych Zaliczenie: Podpis prowadzącego: Uwagi:

Szkoła Letnia STC Łódź mgr inż. Paulina Mikoś

Analiza niepewności pomiarowych i opracowanie wyników. Chemia C

Pobieranie prób i rozkład z próby

Podstawy opracowywania wyników pomiarów. dr hab. inż. Piotr Zapotoczny, prof. UWM

WYKŁAD 8 ANALIZA REGRESJI

Weryfikacja hipotez statystycznych

Ćwiczenie Nr 11 Fotometria

Analiza niepewności pomiarów

INFORMATYKA W CHEMII Dr Piotr Szczepański

HISTOGRAM. Dr Adam Michczyński - METODY ANALIZY DANYCH POMIAROWYCH Liczba pomiarów - n. Liczba pomiarów - n k 0.5 N = N =

Ćwiczenie: "Mierniki cyfrowe"

Laboratorum 1 Podstawy pomiaru wielkości elektrycznych Analiza niepewności pomiarowych

Ćwiczenie 3 Temat: Oznaczenia mierników, sposób podłączania i obliczanie błędów Cel ćwiczenia

Transkrypt:

Laboratorium Fizyczne Inżynieria materiałowa Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

błąd pomiaru = x i x 0 Błędy pomiaru dzielimy na: Błędy przybliżenia Błędy przeoczenia (systematyczne) Pomyłki

Niepewności ze względu na przyczyny występowania możemy podzielić na: Niepewność wzorcowania Niepewność eksperymentatora Niepewność przypadkowa

Niepewność wzorcownia przyrządów takich jak linijka czy termometr odpowiada tzw. działce elementarnej tzw. odstępowi sąsiadujących kresek podziałki zaznaczonej na skali przyrządu http://becauseican.co.za

Mikroamperomierz wskazówkowy na zakresie 200μA ze skalą podzieloną jest na 100 działek ma działkę elementarną Δ d I=2μA, natomiast cyfrowy mikroamperomierz wskazujący, na przykład, wartość 197,32μA ma działkę elementarną Δ d I=0,01μA. Typowa linijka lub miarka zwijana ma działkę elementarną Δ d I=1mm. Bardzo często w instrukcji przyrządu pomiarowego można odczytać np. dokładność (0,8%+dgd). Oznacza to, że niepewność wzorcowania Δ d X= 0,8%*odczytana wartość + działka (i) elementarna (e).

Dla przyrządów analogowych takich jak woltomierze niepewność wzorcowania jest obliczana na podstawie tzw. klasy przyrządu. Klasa przyrządu wyraża stosunek procentowy niepewności maksymalnej x do pełnego wychylenia miernika w danym zakresie. Oznacza to, że wartości odczytana z miernika może się różnić od wartości prawdziwej x 0 maksymalnie o ± x. http://tpub.com

Niepewność eksperymentatora jest oceniana subiektywnie przez niego samego na podstawie informacji na temat samego pomiaru np. widoczności skali czy też stabilności pomiaru. http://pxlshots.com

Linijką jednokrotnie zmierzyłem wysokość i szerokość książki. Mierząc wysokość H okładki i odczytałem: przyłożyłam linijkę do dobrze przyciętej H=228 mm. Dokładność eksperymentatora oceniłem na Δ e H=1mm (linijka dobrze przylegała do krawędzi, miałem tylko problem z odczytem). Niepewność wzorcowania linijki wynosi Δ d H=1mm. Wniosek: niepewność maksymalna pomiaru wysokości jest sumą obu niepewności ΔH= Δ d H + Δ e H= 2mm. Mogę teraz powiedzieć: wysokość książki wynosi mm. H=(228±2) Pomiar szerokości książki dał następujący wynik : L=165 mm. Ze względu na obły grzbiet książki, dokładność eksperymentatora pomiaru jej szerokości oceniłem na Δ e H=2mm. Dlatego wynik końcowy to: L=(165±3) mm

Mierzę woltomierzem napięcie baterii. Mimo iż miernik może mierzyć z dokładnością Δ d U=0,002V to wskutek zakłóceń ostania cyfra miga i daje się odczytać U=1,56 V. Muszę przyjąć, że o dokładności pomiaru decyduje niepewność eksperymentatora Δ e U=0,01 V. Wynik końcowy ma postać: U=(1,560±0,022) V (1,56±0,02) V

Niepewność przypadkowa występuje w trakcie pomiaru systematycznie i objawia się statystycznym rozrzutem wyników przy czym źródeł rozrzutu nie jesteśmy wstanie rozróżnić. Miarą rozrzutu jest odchylenie standardowe: S x

Kiedy w trakcie doświadczenia dokonujemy wielokrotnie pomiarów tej samej zmiennej to należy oprzeć się analizie niepewności na statystyce.

Z teorii wynika, że tzw. wartość najbardziej prawdopodobną (zbliżoną do rzeczywistości) dla serii pomiarów tej samej wielkości stanowi wartość średnia wszystkich wykonanych pomiarów:

Dla dużej ilości pomiarów do oceny statytycznej niepewności przypadkowej wartośći średniej korzystamy z rozkładu Gaussa. Odchylenie standardowe S x w rozkładzie Gaussa należy rozumieć w tym sensie, że wartość rzeczywista x 0 znajduje się w przedziale <x - S x, x + S x > z prawdopodobieństwem p wynoszącym około 0,683 (prawdopodobieństwo to nazywa się poziomem ufności).

Odchylenie standardowe w rozkładzie Gaussa obliczamy z zależności:

W przypadku mniejszej ilości pomiarów stosujemy tzw. rozkład Studenta do oceny statystycznej niepewności przypadkowej wartości średniej. Odchylenie standardowe w rozkładzie Studenta jest t n razy większe od odchylenia standardowego w rozkładzie Gaussa. Wartość t n zależy od ilości pomiarów oraz poziomu ufności.

Odchylenie standardowe wartości średniej dla rozkładu Studenta obliczamy z zależności: Wartości dla poziomu ufności p=0,683 n 6 7 8 9 10 11 t n 1,11 1,09 1,08 1,07 1,06 1,05

Wynikiem wielokrotnego pomiaru tej samej wielkości w tych samych warunkach jest średnia arytmetyczna poszczególnych rezultatów, natomiast jej niepewnością przypadkową jest odchylenie standardowe S x Dodatkowo należy pamiętać o niepewnościach wzorcowania.

Przyjmując dla obu typów niepewności wzorcowania prostokątny rozkład prawdopodobieństwa, ich odchylenie standardowe wynosi:

W przypadku kiedy w eksperymencie występują wszystkie możliwe niepewności pomiaru odchylenie standardowe wyznaczamy za pomocą zależności: Zastosowanie tego wzoru daje 68,3% pewności, że rzeczywista wartość x mieści się w granicach ( -S x, +S x ).

W celu wyznaczenia niepewności maksymalnej pomiary możemy zastosować zależność: Zastosowanie powyższego wzoru daje 99,7% pewności, że rzeczywista wartość x mieści się w granicach ( -S x, +S x ).

Wykonałem serię pomiarów czasu spalania zapałek. Uzyskałem osiem wyników: t 1 = 15s, t 2 = 16s, t 3 = 13s, t 4 = 14s, t 5 = 7s, t 6 = 15s, t 7 = 17s, t 8 = 16s. Pierwsza analiza pozwala na wyeliminowanie 5 pomiaru jako pomyłki (błędu grubego). Wynikiem pomiaru jest obliczona na podstawie wzoru średnia =15.1428 s. Z tabeli wynika, że dla n=7 współczynnik krytyczny rozkładu Studenta wynosi t n =1,09. Dlatego odchylenie standardowe wartości średniej S ts jest równe 0,554s (wzór 0.2). Po uwzględnieniu niepewności wzorcowania Δ d t=1s, można obliczyć (wzór 0.5) i zapisać, że z prawdopodobieństwem 0.68, średni czas palenia się zapałek z tej próby wynosi: =(15.14±0.94) s.

Wynik pomiaru linijką wysokości krawężnika jest następujący L=156mm. Ze względu na zużycie linijki oraz obły kształt krawędzi krawężnika oszacowałem niepewność eksperymentatora na Δ e L=3mm. W powiązaniu z niepewnością wzorcowania Δ d L=1mm wyliczona na podstawie wzoru, niepewność standardowa pomiaru wynosi: S L =1,82574 mm. Wynik końcowy: L=(156±2)mm.

Zmierzyłem suwmiarką średnicę pręta. Otrzymałem wynik Φ=12,1mm obarczony niepewnością wzorcowania Δ d Φ=0,1 mm. Ponieważ niepewność eksperymentatora uznałem za równą zero, dlatego na podstawie wzoru niepewność standartowa pomiaru średnicy jest równa S Φ =0,0577350269 mm. Wynikiem końcowym jest wartość: Φ=(12,10±0,06)mm. Uwaga: Wynik zaokrąglony o jeszcze jedno miejsce znaczące Φ=(12,1±0,1)mm nie będzie błędem, lecz będzie wyrazem większej ostrożności w ocenie pomiaru. W praktyce to oznacza, że wykonując tylko jeden pomiar możemy oszacować jego niepewność jako Δx=Δ d x+δ e x.

Niepewność standardową wielkości złożonej tzn. takiej w wyznaczeniu której należy wykonać pomiar wielkości pośrednich wyznaczamy z zależności:

Celem obliczenia energii kinetycznej wagonu, zmierzyłem jego prędkość i masę uzyskując następujące rezultaty: V=(31±2) m/s i m=(15.0±0.5) t. Energia kinetyczna wagonu wynosi:. Na podstawie wzoru: Wynikiem końcowym jest wartość energii kinetycznej wagonu, czyli E=(721±52) 10 4 J.

Wyznaczone wielkości oraz ich niepewności należy zapisać w odpowiedni sposób. Możliwe jest wyznaczenie względnego odchylenia standardowego:

Obowiązują dwie przyjęte formy zapisu wyniku eksperymentu: X = (x ± u(x)) [jednostka] Bądź X= x [jednostka] ± w(x)

Prawidłowo zapisany wynik końcowy pomiaru wymaga, z reguły, zaokrąglenia. Zasada zaokrąglania jest następująca: odchylenie standardowe S x pomiaru pewnej wielkości X zaokrąglamy do takiego miejsca, aby pozostały tylko maksymalnie dwie cyfry znaczące, wynik pomiaru zaokrąglamy do tego samego miejsca dziesiętnego, do którego zostało zaokrąglone S x. Czasami się zdarza, że w przypadku pojedynczych pomiarów powinniśmy zaokrąglać błąd pozostawiając tylko jedną cyfrę znaczącą. Trzeba pamiętać, że zaokrąglamy wynik końcowy, a nie wyniki pośrednie!

Po opracowaniu pomiarów średnicy Φ drutu otrzymałem następujące wyniki: Φ=0,00345678m i S Φ =5,468789 10-4 m Po zaokrągleniu, wynik końcowy można przedstawić w formie Φ =(3,45±0.55) 10-3 m Φ =(345±55) 10-5 m Φ =345(55) 10-5 m

Wielu fizyków długo pracowało, aby uzyskać (i zapisać prawidłowo) tak dokładne stałe fizyczne np.: Ładunek elektronu (ładunek elementarny) e =(1,60217653 ± 0,00000014) 10-19 C Stała Boltzmanna k = R/N A =(1,3806505 ± 0,0000024) 10-23 J/K Stała Faradaya F = N A e =(96 485,3383 ± 0,0083) C/mol Stała grawitacyjna G N =(6,6742 ± 0,0010) 10-11 m 3 /(kg s 2 ) itd.

Y [y] W celu graficznego przedstawienia wyników pomiarów można sporządzić wykres danej zależności. 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 X [x]

Y [y] ZLE 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0 0 20 40 60 80 100 120 X [x]

Kiedy przypuszczamy bądź wiemy, że jakaś wielkość z wielkością pośrednią jest związana zależnością funkcyjną typu: y=ax+b Możemy na podstawie wyników pomiaru wyznaczyć współczynniki prostej będącej wykresem tej zależności.

W celu wyznaczenia współczynników należy wykorzystać zależności: Gdzie:

Odchylenie standardowe dopasowania prostej można wyznaczyć z zależności: Istotnym parametrem jest również tzw. współczynnik korelacji, który powinien być jak najbliższy jedności;

Y[y] 60 50 40 30 20 y = ax+b Parametr Wartosc Odchylenie stand. ------------------------------------------------------------------ A 10.21855 0.86364 B 0.17851 1.60975 ------------------------------------------------------------------ R=0.99943 10 0 1 2 3 4 5 6 X[x]

Na rysunku przedstawiono wyniki pomiaru długości fali dźwiękowej (λ=y) w funkcji częstotliwości tej fali (f=x).

Te same dane pomiarowe wykreślone są również poniżej. Tym razem zmienną x jest odwrotność częstotliwości fali, czyli 1/f. Ponieważ z wykresu można sądzić, że punkty układają się wzdłuż linii prostej można zastosować regresję (aproksymację) liniową.

Z wyników regresji liniowej przedstawionych na rysunku 3 można wyprowadzić następujące wnioski: 1. Wysoki współczynnik korelacji R=0.99979 pozwala sądzić, że długość fali jest związana z jej częstotliwością zależnością λ =A+B/f, 2. Współczynnik proporcjonalności B mający wymiar [m/s] jest prędkością fali V=4897±35 [m/s], 3. Współczynnik A jest równy (0.025±0.047) [Hz] co jest zgodne z oczekiwaniem, że A=0, 4. Zależność λ =V/f jest potwierdzona przez powyższe dane doświadczalne, 5. Prędkość fali dźwiękowej o częstotliwości w zakresie od 800Hz do7500hz jest stała.

B. Kusz Metody wykonywania pomiarów oraz szacowanie niepewności pomiaru K. Kozłowski, R. Zieliński I Laboratorium z Fizyki część I Wydawnictwo PG