物理實(shí)驗(yàn)-測(cè)量與不確定度的基礎(chǔ)知識(shí)ppt課件

1、測(cè)量與不確定度的基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)量與不確定度的基礎(chǔ)知識(shí)丈量丈量誤差誤差不確定度不確定度丈量丈量1.測(cè)量的定義將待測(cè)物理量X直接、或間接地與一個(gè)被選做的標(biāo)準(zhǔn)的同類物理量比較X = x標(biāo)準(zhǔn)物理量 單位2.單位測(cè)量結(jié)果：比值x、單位測(cè)量存在誤差測(cè)量不可能無限準(zhǔn)確），應(yīng)說明結(jié)果所處在的范圍及其置信概率。3.分類直接測(cè)量直接得到值被測(cè)量的測(cè)量；間接測(cè)量利用值被測(cè)量 f(值直接測(cè)量)計(jì)算 值被測(cè)量依據(jù)測(cè)量條件分為：等精度測(cè)量同一個(gè)人、用同一儀器、同樣方法、相同條件多次測(cè)量同一 物理量；實(shí)際，事物不斷變化，只要變化較小，不影響測(cè)量結(jié)果，就認(rèn)為是等精度測(cè)量。不等精度測(cè)量其它的測(cè)量。4.正確的測(cè)量方法熟悉測(cè)量儀器級(jí)別

2、、量程），正確的調(diào)節(jié)、使用，準(zhǔn)確地讀取觀測(cè)數(shù)據(jù)。5.選擇實(shí)驗(yàn)方法采用正確的測(cè)量方法。長度測(cè)量精度要求1 mm0.02 mm0.005 mm0.000 1 mm0.000 000 1 mm測(cè)量儀器米尺游標(biāo)卡尺千分尺激光干涉儀電子顯微鏡溫度測(cè)量范圍/K 300 1600測(cè)量儀器半導(dǎo)體或液體溫度計(jì)熱電偶光測(cè)高溫計(jì)例如，一電路，例如，一電路，E = 300 V，R1=50 k，R2 =100 k。用電壓表設(shè)電壓表的內(nèi)阻。用電壓表設(shè)電壓表的內(nèi)阻RV =100 k測(cè)量電壓測(cè)量電壓UAB。未接入電壓表時(shí)未接入電壓表時(shí) ，電路中，電路中 接入電壓表接入電壓表 k5010010011001V200mA21005

3、0300V22AB2AB21RRRRIRURREI該方法的相對(duì)偏差該方法的相對(duì)偏差25%！電壓表電壓表 內(nèi)阻內(nèi)阻RV越大，結(jié)果的相對(duì)偏差越越大，結(jié)果的相對(duì)偏差越小。理想電壓表小。理想電壓表RV = 。實(shí)際中，多利用數(shù)字電壓表（實(shí)際中，多利用數(shù)字電壓表（ RV 200 M） ，必要時(shí)則用補(bǔ)償法電位差計(jì)）。，必要時(shí)則用補(bǔ)償法電位差計(jì)）。%25200150200V051mA35050300ABABABABABABABAB1UUUUURIURREI6.測(cè)量中讀數(shù)、記錄測(cè)量中讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄與測(cè)量儀器、實(shí)驗(yàn)方法相關(guān)。記錄儀器上的顯示數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù) 。指針、刻度盤儀器表要求估讀一位有效數(shù)字的可疑位）；示值按步

4、長跳躍式改變的儀表，不估讀，準(zhǔn)確到步長；帶游標(biāo)的測(cè)量儀器，僅記錄對(duì)齊刻線的數(shù)據(jù)，不估讀。誤差誤差科學(xué)實(shí)踐中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是對(duì)物理科學(xué)實(shí)踐中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是對(duì)物理量量X定量觀測(cè)，確定定量觀測(cè)，確定X的真值的真值x0。若某次測(cè)量結(jié)果為若某次測(cè)量結(jié)果為x，定義，定義誤差誤差 = x x0公理：誤差始終貫穿于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。公理：誤差始終貫穿于一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。真值真值被測(cè)量在特定條件時(shí)間、空被測(cè)量在特定條件時(shí)間、空間、狀態(tài)下的、客觀的實(shí)際值。間、狀態(tài)下的、客觀的實(shí)際值?！敖^對(duì)真值是不可知的，只能隨著實(shí)絕對(duì)真值是不可知的，只能隨著實(shí)踐的深入漸漸地接近。踐的深入漸漸地接近。“相對(duì)真值相對(duì)真值” ：理論

5、真值理論真值理論設(shè)計(jì)值、公理值、理理論設(shè)計(jì)值、公理值、理論的計(jì)算值；論的計(jì)算值；計(jì)量定值計(jì)量定值國際計(jì)量大會(huì)規(guī)定的基本國際計(jì)量大會(huì)規(guī)定的基本物理量的值、基本常數(shù)的數(shù)值；物理量的值、基本常數(shù)的數(shù)值；標(biāo)準(zhǔn)器件值標(biāo)準(zhǔn)器件值標(biāo)準(zhǔn)器件相對(duì)低一、低標(biāo)準(zhǔn)器件相對(duì)低一、低二級(jí)的儀表，前者是后者的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值；二級(jí)的儀表，前者是后者的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值；算術(shù)平均值算術(shù)平均值實(shí)驗(yàn)中物理量多次測(cè)量實(shí)驗(yàn)中物理量多次測(cè)量結(jié)果結(jié)果x1、x2、x3、xn的算術(shù)平均值的算術(shù)平均值01lim1xxxnxnnii誤差分類誤差分類系統(tǒng)誤差系統(tǒng)誤差等精度儀器、環(huán)境、等精度儀器、環(huán)境、實(shí)驗(yàn)者不變測(cè)量一個(gè)物理量，誤差的符號(hào)、實(shí)驗(yàn)者不變測(cè)量一個(gè)物理

6、量，誤差的符號(hào)、絕對(duì)值恒定，或按一確定的規(guī)律變化。絕對(duì)值恒定，或按一確定的規(guī)律變化。特點(diǎn)是確定性。特點(diǎn)是確定性。已定系統(tǒng)誤差已定系統(tǒng)誤差變化規(guī)律已確定的系變化規(guī)律已確定的系統(tǒng)誤差；統(tǒng)誤差；未定系統(tǒng)誤差未定系統(tǒng)誤差變化規(guī)律未確定的系變化規(guī)律未確定的系統(tǒng)誤差；統(tǒng)誤差；定值系統(tǒng)誤差定值系統(tǒng)誤差符號(hào)、絕對(duì)值恒定的符號(hào)、絕對(duì)值恒定的系統(tǒng)誤差；系統(tǒng)誤差；線性系統(tǒng)誤差線性系統(tǒng)誤差線形變化的系統(tǒng)誤差；線形變化的系統(tǒng)誤差；周期系統(tǒng)誤差周期系統(tǒng)誤差周期變化的系統(tǒng)誤差；周期變化的系統(tǒng)誤差；復(fù)雜系統(tǒng)誤差復(fù)雜系統(tǒng)誤差非線性、非周期變化非線性、非周期變化的系統(tǒng)誤差。的系統(tǒng)誤差。偶然誤差偶然誤差等精度儀器、環(huán)境、等精度儀器

7、、環(huán)境、實(shí)驗(yàn)者不變測(cè)量一個(gè)物理量，誤差的符號(hào)、實(shí)驗(yàn)者不變測(cè)量一個(gè)物理量，誤差的符號(hào)、絕對(duì)值無確定性，變化服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。絕對(duì)值無確定性，變化服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。特點(diǎn)是隨機(jī)性。特點(diǎn)是隨機(jī)性。粗大誤差粗大誤差簡稱粗差，亦稱過失誤簡稱粗差，亦稱過失誤差，觀測(cè)失誤、儀器缺陷、環(huán)境或測(cè)量條件差，觀測(cè)失誤、儀器缺陷、環(huán)境或測(cè)量條件的突變和干擾造成異常值。的突變和干擾造成異常值。原因查明后，剔除觀測(cè)結(jié)果。原因查明后，剔除觀測(cè)結(jié)果。不確定度不確定度不確定度不確定度(uncertainty)的權(quán)威文件是國際的權(quán)威文件是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、國際、國際 計(jì)量局計(jì)量局(BIPM)等七等七個(gè)國際組織個(gè)國際組織1

8、993年聯(lián)合推出的年聯(lián)合推出的 。為測(cè)量結(jié)果為測(cè)量結(jié)果x0定義一個(gè)參數(shù)定義一個(gè)參數(shù)u，表征合，表征合理賦予被測(cè)量值的分散性，是其真值理賦予被測(cè)量值的分散性，是其真值x0處在處在某一范圍的評(píng)定。某一范圍的評(píng)定。(x0 u，x0 + u)說明：被測(cè)物理量的說明：被測(cè)物理量的x0 處在測(cè)量值處在測(cè)量值x0附近一定范圍附近一定范圍(x0 u，x0 + u)內(nèi)的概率內(nèi)的概率p。范圍范圍置信區(qū)間，概率置信區(qū)間，概率置信概率置信概率p。A類不確定度由觀測(cè)數(shù)據(jù)列統(tǒng)計(jì)分析評(píng)定的測(cè)量不確定度，uAB類不確定度由觀測(cè)數(shù)據(jù)非 統(tǒng)計(jì)分析評(píng)定的測(cè)量不確定度，uB不確定度理論舍棄了傳統(tǒng)的“系統(tǒng)誤差”、“隨機(jī)誤差分類方法，將

9、不確定度按照測(cè)量數(shù)據(jù)的“性質(zhì)分類。合成不確定度間接測(cè)量中，被測(cè)量y利用其它量的方差或協(xié)方差給出y的不確定度，uc、或u(y)相對(duì)合成不確定度相對(duì)合成不確定度擴(kuò)展不確定度擴(kuò)展不確定度定義測(cè)量結(jié)果區(qū)間的定義測(cè)量結(jié)果區(qū)間的量，合理賦予被測(cè)量的值的分布大部分落于量，合理賦予被測(cè)量的值的分布大部分落于該區(qū)間，該區(qū)間，U、或、或Up (y)Up = kp ukp覆蓋因子，覆蓋因子， p置信概率置信概率相對(duì)擴(kuò)展不確定度相對(duì)擴(kuò)展不確定度 yyuur yyUyUr任何測(cè)量都存在不確定度任何測(cè)量都存在不確定度不確定度不確定度存在原理。存在原理。不確定度傳播定律：若待測(cè)物理量不確定度傳播定律：若待測(cè)物理量y與物與物

10、理量理量xi(i = 1、2、3、n)相關(guān)，即相關(guān)，即y = f ( x1、x 2、x 3、xn)那么那么 1111222,2ninijjijijiniiixuxuxxtxfxfxuxfyu如果物理量如果物理量x1、x2、x3、xn是不相是不相關(guān)的，即關(guān)的，即 r(xi，xj) = 0。那么。那么ci傳遞系數(shù)，或靈敏系數(shù)。傳遞系數(shù)，或靈敏系數(shù)。當(dāng)當(dāng)i =1、ci = 1時(shí)，時(shí)，u(y) = u(x)，即直接測(cè)，即直接測(cè)量的不確定度。量的不確定度。 niiiniiiniiixucyuxucxuxfyu1221221222或或例例 測(cè)量一個(gè)銅棒質(zhì)量的不確定度為測(cè)量一個(gè)銅棒質(zhì)量的不確定度為U(m) = 0.0007 g，置信度為，置信度為p = 0.683。計(jì)算置