TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
1
Pracownia fizyczna  analiza wyników pomiarów i ich niepewności.
1.1. Wstęp
Zjawiska zachodzące w przyrodzie opisywane są za pomocą odpowiednio zdefiniowanych pojęć
zwanych wielkościami fizycznymi. Pewne wielkości zostały wybrane jako podstawowe (długość,
masa, czas, natężenie prądu, temperatura, natężenie światła) i służą do określenia wszystkich innych
wielkości fizycznych zwanych wielkościami pochodnymi. Pomiar wielkości fizycznych jest możliwy,
gdy istnieje jednostka miary. Dla wielkości podstawowych jednostką miary jest dowolnie wybrany
stan tej wielkości, któremu umownie przypisujemy wartość 1 i nazywamy go wzorcem.
Obowiązujący obecnie międzynarodowy układ jednostek, zwany w skrócie układem SI, oparty jest na
następujących jednostkach podstawowych: metr (m), kilogram (kg), sekunda (s), amper (A), kelwin
(K) oraz kandela (cd). Jednostkami uzupełniającymi są radian (rad) i steradian (sr).
Zajęcia w pracowni fizycznej, związane są z pomiarami wielkości fizycznych. Analiza pomiarów
wielkości fizycznej musi zawierać wraz z wynikiem ocenę jego niepewności. Poniżej omówiono
sposoby oceny niepewności pomiarowych oraz zawarto pewne praktyczne uwagi dotyczące
opracowania i prezentacji uzyskanych wyników.
1.2. Charakterystyka niepewności pomiarowych
1.2.1. Znaczenie oceny niepewności
Wszystkie pomiary narażone są na występowanie różnych niepewności. Rachunek błędów polega na
określeniu jak duże są te niepewności pomiarowe i na wskazaniu sposobu ich zmniejszenia, gdy jest
to możliwe. W naukach przyrodniczych  błąd pomiaru oznacza niemożliwą do uniknięcia
niepewność związaną ze sposobem pomiaru i dalej obydwa wyrazy będą traktowane wymiennie.
Wynik pomiaru bez oceny niepewności nie jest wielkością w pelni użyteczną. Powiedzmy, że
uzyskaliśmy następujące wartości oporu, np. cewki indukcyjnej, w dwu różnych temperaturach:
200,025&! dla 10°C i 200,034&! dla 20°C. Przy tak zbliżonych danych nie jest możliwa odpowiedz
na
pytanie, czy opór tej cewki zależy od temperatury. Dopiero informacja o wielkości błędu pozwoli na
sprecyzowanie odpowiedzi. Dlatego obok wyniku pomiaru zapisujemy jego przybliżony błąd,
np. zmierzyliśmy napięcie prądu i podajemy wynik U = (135 ą 5) V. Oznacza to, że z określonym
prawdopodobieństwem prawdziwa wartość napięcia zawiera się w przedziale od 130 V do 140 V.
1.2.2. Matematyczny zapis niepewności
Otrzymana w wyniku pomiaru wartość x wielkości fizycznej różni się od jej wartości rzeczywistej X
Liczbę "x, która jest wartością bezwzględną różnicy (x - X ) nazywamy niepewnością lub błędem
bezwzględnym pomiaru wielkości mierzonej:
"x = x - X .
Błąd ten wyrażony jest w takich samych jednostkach jak wielkość mierzona.
Niepewność "x wskazuje na wiarygodność lub dokładność pomiaru: X = x ą "x . Jednak sama
wartość "x nie mówi wszystkiego. Niepewność jednego centymetra przy długości jednego kilometra
sugeruje niezwykle precyzyjny pomiar, podczas gdy niepewność jednego centymetra przy odległości
trzech centymetrów wskazuje na bardzo grube przybliżenie. Zatem, o jakości pomiaru nie decyduje
sama tylko niepewność, ale także stosunek "x do x. Prowadzi nas to do pojęcia niepewności
względnej (inaczej błędu względnego).
"x
Stosunek niepewności "x do wartości bezwzględnej x nazywamy błędem względnym, .
x
"x
BÅ‚Ä…d wzglÄ™dny wyrażony w procentach nazywamy bÅ‚Ä™dem procentowym Bp , Bp = Å"100% .
x
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
2
W praktyce, wartości mierzone najczęściej są dodatnie ( x > 0 ) i oznaczenie wartości bezwzględnej
może zostać pominięte. Niepewność względna jest wielkością niemianowaną. Na przykład pomiar
l = 50 ą 1 cm ma niepewność względną "l l = 1 50 = 0,02 i niepewność procentową 2%.
Zarówno błąd bezwzględny jak i względny w sposób ścisły nie może być wyznaczony, ponieważ nie
znamy wartości rzeczywistej X, ale jesteśmy w stanie z rozsądnym prawdopodobieństwem stwierdzić,
że X mieści się w przedziale
x - "x d" X d" x + "x .
1.2.3. Błędy przypadkowe i systematyczne
Jedną z najlepszych metod oceny wiarygodności pomiaru jest jego wielokrotne powtarzanie i badanie
otrzymanych wyników. Nie wszystkie jednak rodzaje niepewności pomiarowych mogą być oceniane
za pomocą statystycznej analizy wyników wielokrotnych. Z tego powodu niepewności pomiarowe
dzielą się na dwie grupy: niepewności przypadkowe, które mogą być poddane analizie statystycznej
i niepewności systematyczne, które takiej analizie nie mogą być poddane.
Błędy systematyczne są takie same w każdym pomiarze, przeprowadzanym w tych samych
warunkach i zawsze przesuwają nasze wyniki względem wartości rzeczywistej w tę samą stronę.
Wynikają one z wadliwie przygotowanego do pomiarów przyrządu (np. nie wyzerowana waga) bądz

z nieuwzględnienia dodatkowych czynników zakłócających pomiary (np. rozszerzalność cieplna).
Do błędów systematycznych można też zaliczyć niepewności, których z
ródłem jest precyzja
stosowanego przyrządu, np. każdy pomiar suwmiarką daje taką samą niepewność równą 0,1 mm.
Z kolei błędy przypadkowe w kolejnych pomiarach (w tych samych warunkach) przybierają różne,
przypadkowe wartości. Wynikają one z niedoskonałości ludzkich zmysłów i narzędzi pomiarowych.
W praktyce błędy tego rodzaju zmniejszane są poprzez kilkakrotne powtórzenie tego samego
pomiaru. Przypuśćmy, że mierzymy czas spadania kulki w cieczy na określonej drodze. Jeżeli
stosujemy stoper o dużej dokładności, to z
ródłem błędu będzie czas naszej reakcji przy włączaniu
i wyłączaniu stopera. Włączanie lub wyłączanie przedwczesne lub spóz
nione jest jednakowo
prawdopodobne, więc całkowity efekt ma przypadkowy charakter. Jeśli wielokrotnie powtarzamy
pomiar, czasami zawyżamy wynik, a czasami go zaniżamy. Analizując metodami statystycznymi
rozrzut tych wyników, możemy dostać bardzo wiarygodne oszacowanie tego rodzaju błędu. Z drugiej
strony, jeśli nasz stoper stale się póz
ni, to wszystkie pomiary czasu będą zaniżone i powtarzanie
pomiaru (tym samym stoperem) nigdy nie ujawni z
ródła tego błędu systematycznego.
Wspomnijmy jeszcze, o tzw. błędach grubych, których z
ródłem jest nieuwaga eksperymentatora,
np. z
le odczytano wskazanie przyrządu. Wynik wówczas na tyle się różni od pozostałych, że łatwo
można pomyłkę zauważyć i odrzucić.
1.3. Określanie niepewności pomiarowych
1.3.1. Porównanie wartości zmierzonych i wartości uznanych
Jeśli dwa pomiary tej samej wielkości nie zgadzają się ze sobą, to mówimy o rozbieżności. Liczbowo
definiujemy rozbieżność pomiędzy wynikami pomiarów jako ich różnicę. Rozbieżność nie jest
znacząca, jeśli jest ona mniejsza niż niepewność pomiarowa.
Na pracowni często mierzy się wielkości już wcześniej wielokrotnie precyzyjnie zmierzone i których
bardzo dokładne wartości można znalez
ć w tablicach  są to tzw. wartości tablicowe. Wartości te nie
są pozbawione niepewności nie mniej jednak są one o wiele bardziej dokładne, niż mogą być
wyznaczone przez studenta na pracowni fizycznej. Wartości tablicowe są traktowane jako wartości
uznane danej wielkości fizycznej. Przykładowo, aktualnie uznana wartość prędkości światła równa
jest c = 299 792 458 Ä…1 m/s .
Najprostszym typem doświadczenia jest pomiar wielkości x, której wartość tablicową xtab znamy.
Jeśli wynik eksperymentu daje rozbieżność wartości zmierzonej i tablicowej w granicach niepewności
pomiarowej µ, to możemy go uznać za zadowalajÄ…cy. Z drugiej strony, jeÅ›li wartość uznana jest sporo
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
3
poza oszacowanym zakresem x - µ i x + µ , to istniejÄ… uzasadnione obawy, że coÅ› siÄ™ nie udaÅ‚o
i należy szukać z
ródeł pomyłki, sprawdzić swoje pomiary i obliczenia.
Przyczyn powstania błędu może być wiele. Mógł on wystąpić podczas pomiaru lub obliczeń,
niewłaściwie mogła zostać oszacowana niepewność pomiarowa. Wynik pomiaru mógł wreszcie być
porównywany z niewłaściwą wartością uznaną. Na przykład przeprowadziliśmy pomiar prędkości
dz
więku w powietrzu i uzyskaliśmy wynik: v = 345 ą 2 m s , podczas gdy tablicowa wartość
prędkości dz
wiÄ™ku w powietrzu w warunkach normalnych (0°C, 101,3 kPa) wynosi 331 m/s. Istnieje
możliwość, że pomiaru nie przeprowadzono w temperaturze 0°C. Istotnie, jeÅ›li pomiar wykonano
w 20°C, to wÅ‚aÅ›ciwa wartość prÄ™dkoÅ›ci dz
więku byłaby równa 343 m/s i wynik pomiaru byłby
w zupełności zadowalający.
W końcu rozbieżność taka może wskazywać na pewne błędy systematyczne, których wykrycie będzie
wymagać sprawdzenia warunków pomiarowych i kalibracji wszystkich przyrządów.
Rozbieżność naszego wyniku i wartości tablicowej wyrażamy obliczając błąd bezwzględny
i względny w porównaniu do wartości tablicowej:
"xtab
"xtab = x - xtab , Bp = Å"100% .
xtab
1.3.2. Niepewności w pomiarach bezpośrednich
Prawie wszystkie pomiary bezpośrednie wymagają odczytu na skali np. linijki, zegara, woltomierza.
Niepewności w tym przypadku mogą być oszacowane całkiem prosto  w przypadku podziałki
milimetrowej jako 0,5 mm, a jeżeli odległość kolejnych kresek podziałki jest odpowiednio duża, to
przy odczycie stosujemy interpolację i dokładność odczytu może wynosić np. jedną piątą wartości
najmniejszej podziałki. Niestety często występują inne z
ródła niepewności. Podczas pomiaru
odległości pomiędzy dwoma punktami głównym problemem może być ustalenie, gdzie naprawdę
znajdują się te punkty. Np. mierząc na ławie optycznej z podziałką milimetrową odległość obrazu od
soczewki możemy mieć trudności w określeniu położenia środka soczewki, której grubość wynosi
zwykle kilka milimetrów, a obraz może wydawać się ostry również na przestrzeni kilku milimetrów.
Choć podziałka jest milimetrowa, to niepewność w tym przypadku może być rzędu centymetra.
Przyrządy wskazówkowe takie jak woltomierze czy amperomierze mają podaną tzw. klasę, która
określa dokładność pomiaru jako procent zakresu pomiarowego przyrządu, zatem
klasa Å"zakres
" x = .
100
Np., jeśli klasa woltomierza wynosi 0,5%, a zakres skali (maksymalna wartość, jaką możemy
zmierzyć przy danym ustawieniu przełącznika zakresów) był 300V, to niepewność "U odczytu
napięcia wynosi
0,5Å"300 V
"U = = 1,5V ;
100
każdy pomiar napięcia na tym zakresie obarczony jest takim samym błędem ą1,5 V. Błąd względny
maleje wraz ze wzrostem wychylenia wskazówki, dlatego należy tak dobierać zakres pomiarowy
przyrządu, aby wychylenie wskazówki było możliwie duże.
W przypadku mierników cyfrowych dokładność podana jest w instrukcji przyrządu. Dokładność na
ogół jest równa od 1% do 3% wartości wskazanej na wyświetlaczu plus kilka (na ogół 4 lub 5)
jednostek pokazanych na ostatnim miejscu dziesiętnym. Jeżeli woltomierz cyfrowy wskazał napięcie
np. 25,16 V a dokładność pomiaru wynosi 2% + 4 jedn. to
"U = 0,02Å" 25,16 + 0,04 V = 0,5032 + 0,04 V = 0,5432 V H" 0,6 V.
() ( )
Zatem możemy przyjąć, że mierzone napięcie jest równe U = 25, 2 ą 0,6 V .
( )
Dokładny odczyt może dawać mylne wrażenie dokładności. Wyobraz
my sobie, że mierzymy czas
spadku ciała z określonej wysokości. Na ogół różnice w kolejnych pomiarach czasu przekraczają
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
4
dokładność odczytu, co wynika z przypadkowości momentu, w którym uruchomimy i zakończymy
pomiar czasu. W takich przypadkach, jeżeli pomiar może być powtarzany, to powinien być
przeprowadzony wielokrotnie. Rozrzut wyników jest często dobrą wskazówką, co do niepewności
a wartość średnia jest z reguły bardziej wiarygodna niż każdy z poszczególnych wyników. Metody
analizy statystycznej wielokrotnych pomiarów będą omówione dalej.
Gdy pomiary wykonujemy kilkakrotnie, ale liczba pomiarów jest mała, np. n = 3, i ich rozbieżność
jest większa niż dokładność odczytu, to miarą błędu może być maksymalna wartość z różnic
pomiędzy wartością średnią, a każdym z wyników:
"x = max x - xi , i = 1, 2, 3.
Jest jeszcze jeden, zupełnie inny rodzaj pomiarów, w których można prosto ocenić niepewność.
Istnieją doświadczenia polegające na zliczaniu zdarzeń zachodzących w sposób przypadkowy, lecz ze
ściśle określonym prawdopodobieństwem. Przykładowo, w próbce materiału promieniotwórczego
każde pojedyncze jądro rozpada się w przypadkowym momencie, lecz istnieje określone średnie
prawdopodobieństwo, z jakim możemy spodziewać się zarejestrowania rozpadu w całej próbce. Jeśli
liczymy zdarzenia zachodzÄ…ce w pewnym przedziale czasu T i dostajemy odpowiedz
N to, zgodnie
z teorią tego rodzaju zliczeń, nasz wynik jako miara spodziewanej średniej liczby zdarzeń w czasie T
ma niepewność N . Zatem, wynik oparty na tej jednej obserwacji powinien brzmieć
średnia liczba zdarzeń w czasie T = N ą N
Na przykład, jeśli w próbce uranu zliczamy 900 rozpadów w ciągu 100 s, to moglibyśmy stwierdzić,
że średnio w próbce tej zachodzi 900 ą 900 = 900 ą 30 rozpadów w stu sekundach.
1.3.3. Przenoszenie niepewności
Większość wielkości fizycznych nie da się określić na podstawie bezpośredniego pomiaru. Wyznacza
się je natomiast w dwóch etapach. Na początku wykonuje się pomiar jednej lub kilku wielkości
a następnie korzystając ze zmierzonych wartości x, y, ...., oblicza się interesującą nas wartość złożonej
wielkości fizycznej. Aby znalez
ć np. opór elektryczny przewodnika mierzymy napięcie U przyłożone
do jego końców i natężenie prądu I płynącego przez przewodnik a opór obliczamy: R = U I .
Ponieważ prawie wszystkie doświadczenia składają się z bezpośredniego pomiaru i następujących po
nich obliczeń  to i ocena niepewności również przebiega dwuetapowo. Po pierwsze należy ocenić
niepewności wielkości mierzonych bezpośrednio, następnie zaś stwierdzić, w jaki sposób owe
niepewności  przenoszą się w trakcie obliczeń na niepewność ostatecznego wyniku.
1.3.4. Ogólna reguła przenoszenia niepewności  błąd maksymalny
Załóżmy, że złożona wielkość fizyczna A = f (x, y, z) jest funkcją trzech niezależnych zmiennych,
którymi są proste wielkości fizyczne x, y, z, obarczone błędem pomiaru. We wzorach mogą
występować również wielkości, których wartości bierzemy z tablic, np. przyspieszenie ziemskie czy
ciepło właściwe i wówczas, najczęściej, nie uwzględniamy ich w rachunku błędów. W celu
wyznaczenia maksymalnej niepewności "A należy obliczyć zmianę funkcji f, spowodowaną
niewielkimi zmianami jej argumentów çÅ‚ "x, "y, "z . Wykonamy to metodÄ… różniczki zupeÅ‚nej.
Można uzasadnić wybór tej metody obliczania błędu, rozwijając w szereg Taylora funkcję
A ą "A = f (x ą "x, y ą "y, z ą "z), jednak dokładnego wyprowadzenia nie będziemy tutaj przytaczać.
Różniczkujemy funkcję A:
" f " f " f
dA = dx + dy + dz .
" x " y " z
Pochodne we wzorze powyższym są to pochodne cząstkowe (obliczamy je jak zwykłe pochodne
jednej zmiennej, czyli przy obliczaniu np. pochodnej cząstkowej funkcji A po zmiennej x pozostałe
zmienne y i z traktujemy jako stałe parametry).
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
5
Aby obliczyć błąd bezwzględny "A, zastępujemy różniczki zmiennych ich błędami bezwględnymi
(np. zamiast dx podstawiamy "x ) i uwzględniamy tylko wartości bezwzględne pochodnych
cząstkowych. Zakładamy w ten sposób przypadek najbardziej niekorzystny, w którym wszystkie
błędy dodają się, choć w rzeczywistości mogły się częściowo kompensować, (dlatego mówimy
o błędzie maksymalnym). Otrzymujemy wówczas następujący wzór przybliżony na błąd maksymalny
złożonej wielkości fizycznej:
" A " A " A
" A = " x + " y + " z . (1)
" x " y " z
Jeśli wielkość wyznaczana A jest iloczynem dowolnych potęg mierzonych wielkości,
a b c
A = C x y z , (2)
metodę różniczki zupełnej możemy zastąpić tzw. różniczkowaniem logarytmicznym. Logarytmujemy
obie strony równania (3),
ln A = ln C + aln x + bln y + cln z,
następnie różniczkujemy ten logarytm. Postępujemy dalej tak, jak w przypadku metody różniczki
zupełnej i ostatecznie uzyskujemy następujące wyrażenie na maksymalny błąd względny "A, dla
wielkości A określonej równaniem (2):
" A " x " y " z
= a + b + c . (3)
A x y z
Obliczony w ten sposób maksymalny błąd względny jest sumą błędów względnych mierzonych
wielkości prostych, mnożonych przez współczynniki równe potędze, w jakiej poszczególne wielkości
występują w wyrażeniu (2). Metoda ta ma tę zaletę, że oprócz znacznego uproszczenia obliczeń
pozwala na szybką ocenę, która z wielkości mierzonych wnosi największy przyczynek do błędu
końcowego. Powyższe rozważania mogą łatwo być rozszerzone na dowolną liczbę zmiennych.
Opisane metody obliczania błędu maksymalnego zilustrujemy dla kilku szczególnych, prostszych,
przypadków i zastosujemy ją także do najbardziej ogólnego przykładu.
1.3.5. Szczególne przypadki przenoszenia niepewności
Sumy i różnice
Jeśli mamy dodać lub odjąć kilka liczb x, ..., w, to stosując zależność (1) otrzymamy następującą
regułę: Niepewność obliczonej wartości A = x +...+ z - (u +...+ w) jest sumą
"A H" "x +...+ "z + "u +...+ "w , (4)
wszystkich pierwotnych niepewności. Innymi słowy, kiedy dodaje się lub odejmuje kilka wielkości,
niepewności tych wielkości dodają się.
Przykład zastosowania tej reguły. Przypuśćmy, że eksperymentator miesza dwie ciecze z dwóch
zlewek. Uprzednio zważył zarówno pełne jak i puste zlewki i otrzymał następujące wyniki:
" Masa pierwszej zlewki z zawartością M1 = 540 ą 10 g ;
" Masa pustej pierwszej zlewki m1 = 72 Ä… 1 g ;
" Masa drugiej zlewki z zawartością M = 940 ą 20 g ;
2
" Masa pustej drugiej zlewki m2 = 97 Ä… 1 g .
Znajdujemy całkowitą masę zmieszanych cieczy: M = M1 - m1 + M2 - m2 = 1311 g . Zgodnie
z regułą (4) niepewność tego wyniku jest sumą wszystkich czterech niepewności,
"M H" "M1 + "m1 + "M + "m2 = 32g .
2
Ostateczna odpowiedz
(właściwie zaokrąglona) brzmi: całkowita masa cieczy = 1310 ą 30 g.
Warto zauważyć, że o wiele mniejsze niepewności wyznaczenia masy pustych zlewek wnoszą
nieistotny wkład w ostateczną niepewność. Często z góry można określić, które z niepewności są
nieistotne i mogą być od początku pominięte, co pomaga znacznie uprościć ich obliczanie.
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
6
Iloczyny i ilorazy
Jeśli pewne wielkości x, ..., w są mierzone z małymi niepewnościami "x, ..., "w, zmierzone zaś
wartości używane są do obliczenia wielkości A,
x Å"...Å" z
A = ,
u Å"...Å" w
to zgodnie z zależnością (3) niepewność względna obliczonej wartości A jest następującą sumą:
"A "x "y "u "w
H" +...+ + +...+ . (5)
A x z u w
Krótko mówiąc, kiedy mnoży się lub dzieli pewne wielkości, niepewności względne dodają się.
Na osobną wzmiankę zasługuje poniższy przypadek reguły (5).
Iloczyn wielkości zmierzonej i dokładnej liczby.
Jeśli wielkość x została zmierzona z niepewnością "x i używana jest do obliczania iloczynu A = k x ,
gdzie k nie ma żadnej niepewności, to niepewność "A równa jest iloczynowi k i niepewności x,
"A = k Å" "x . (6)
Gdy na przykład zmierzymy grubość G stu kartek papieru i otrzymamy wynik G = 3,3 ą 0,2 cm , to
natychmiast dochodzimy do wniosku, że grubość pojedynczej kartki
1
G1 = G = 0,033 Ä… 0,002 cm.
100
Wyrażenia potęgowe.
Jeśli wielkość x, zmierzona z niepewnością "x jest używana do obliczenia wyrażenia potęgowego
A = xn , to zgodnie z zależnością (3) niepewność względna A jest n razy większa niż niepewność x:
"A "x
= n Å" . (7)
Ax
Przypuśćmy, że znajdujemy przyspieszenie ziemskie g mierząc czas t spadku kamienia z wysokości h.
2
Wykorzystujemy wzór g = 2h t . Zgodnie z regułą (7) niepewność względna t2 jest dwa razy
większa niż niepewność względna t. Zatem stosując regułę (5) dla iloczynów i ilorazów znajdujemy
niepewność względną g podstawiając dane liczbowe do wzoru
"g "h "t
= + 2 .
g h t
Wyrażenia zawierające wszystkie działania arytmetyczne.
Ten przypadek wymaga stosowania metody różniczki zupełnej, co zilustrujemy poniżej.
Przy wyznaczaniu gęstości cieczy metodą piknometru otrzymujemy wzór
m2 - m
k = k ,
cw
m1 - m
gdzie k  gęstość badanej cieczy, k  gęstość wody, m  masa samego piknometru, m1  masa
c w
piknometru wypełnionego wodą, m2  masa piknometru wypełnionego badaną cieczą. We wzorze na
gęstość cieczy mamy trzy wielkości obarczone niepewnością pomiaru: m, m1, m2. Zatem,
"k "k"k
cc c
"k = "m + "m1 + "m2 .
c
"m "m1 "m2
"k k -k "k k "k k
c c w c c c c
Obliczamy pochodne czÄ…stkowe: =- , =- , =- .
"m m1 - m "m1 m1 - m "m2 m2 - m
Po podstawieniu do wzoru na "k otrzymamy:
c
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
7
ëÅ‚öÅ‚
"m1 "m2
k -k
"k =c w ìÅ‚÷Å‚
"m + + k .
ìÅ‚÷Å‚
cc
m1 - m m1 - m m2 - m
íÅ‚Å‚Å‚
Występujące w tym wzorze niepewności "m, "m1, "m2 równe są dokładności ważenia.
1.3.6. Niepewności niezależne
Jeśli mierzone wielkości są niezależne (np. czas i droga), niepewności zaś mają charakter
przypadkowy, to jest duża szansa na częściowe zniesienie się błędów, i że ostateczna niepewność
będzie mniejsza niż zwykła suma niepewności lub niepewności względnych. Można w tym przypadku
zastosować regułę  geometrycznego dodawania niepewności  dodajemy kwadraty niepewności
(dla sum lub różnic) lub kwadraty niepewności względnych (iloczyny i ilorazy) i wyciągamy
pierwiastek z obliczonej sumy kwadratów.
Niepewność sumy i różnicy: A = x +...+ z - (u +...+ w)
Jeśli wiadomo, że niepewności mierzonych wielkości są niezależne i przypadkowe, to niepewność
obliczonej wartości A jest pierwiastkiem z sumy kwadratów niepewności początkowych:
2 2 2 2
"A = ("x) +...+ ("z) + ("u) +...+ ("w) . (8)
Przy tym spełniony jest warunek "A d" "x +...+ "z + "u +...+ "w .
x Å"...Å" z
Niepewność iloczynu i ilorazu: A = .
u Å"...Å" w
Jeśli niepewności x, ..., w są niezależne i przypadkowe, to względna niepewność obliczonej wartości A
jest pierwiastkiem z sumy kwadratów początkowych wartości niepewności względnych
2 2 2 2
"A "x "z "u "w
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
H" +...+ + +...+ . (9)
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
A x z u w
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
"A "x "y "u "w
W każdym przypadku spełniona jest nierówność d" +...+ + +...+ .
A x z u w
Przykład. Załóżmy, że chcemy znalez
ć sprawność grzejnika elektrycznego, używając go do ogrzania
masy m wody o różnicÄ™ temperatury ´t. CiepÅ‚o pobrane przez wodÄ™ o cieple wÅ‚aÅ›ciwym c wynosi
Q = c m´t , energia elektryczna dostarczona wynosi W = PÄ , gdzie P jest mocÄ… prÄ…du elektrycznego,
Ä  czasem przepÅ‚ywu prÄ…du. Sprawność jest okreÅ›lona wzorem
Q m c ´t
· = = .
W PÄ
Załóżmy, że m, ´t, Ä sÄ… mogÄ… być zmierzone z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… 1%, moc prÄ…du zaÅ› ma niepewność
względną 5%. Przyjmujemy, że ciepło właściwe wody ma niepewność do zaniedbania. Jeśli teraz
obliczmy niepewność zgodnie z regułą (5), otrzymamy niepewność
"· "m "(´t) "P "Ä
H" + + + = (1+1+1+ 5)% = 8%.
· m ´t P Ä
Z drugiej strony, jeśli ufamy, że różne niepewności są niezależne i przypadkowe, możemy obliczyć
"· · korzystajÄ…c z reguÅ‚y kwadratowego przenoszenia bÅ‚Ä™dów i otrzymać
2 2 2 2
"· "m "(´t)÷Å‚ + ìÅ‚ "P "Ä
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
H" + + = 12 +12 +12 + 52 = 28 H" 5% .
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
· m ´t P Ä
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
Wyraz
ne widać, że reguła geometrycznego przenoszenia błędów prowadzi do znacząco mniejszej
wartoÅ›ci niepewnoÅ›ci procentowej. Co wiÄ™cej widać, że niepewnoÅ›ci takich wielkoÅ›ci jak m, ´t, Ä nie
dają istotnego wkładu do niepewności sprawności. Jest to spowodowane tym, że podnoszenie do
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
8
kwadratu dużych liczb znacznie zwiększa ich wpływ na niepewność końcową i zwykle możemy
pozostałe kwadraty zaniedbać.
Przykład ten pokazuje, że zwykle lepiej i często łatwiej jest sumować błędy stosując regułę
geometrycznego przenoszenia błędów. Pokazuje on także, w jakiego rodzaju zadaniach błędy są
niezależne i uprawnione jest stosowanie tej reguÅ‚y. Cztery zmierzone wielkoÅ›ci (m, ´t, Ä, P) to różne
wielkości fizyczne, mające różne jednostki i mierzone całkowicie różnymi sposobami  z
ródła błędu
jakiejkolwiek z tych wielkości nie są skorelowane ze z
ródłami błędów którejkolwiek z pozostałych.
Zatem uzasadnione jest traktowanie błędów jako niezależnych i obliczanie pierwiastka z sumy
kwadratów.
Ogólna reguła przenoszenia błędów
Jeśli niepewności wyznaczenia x, y, z są niezależne i przypadkowe, to suma (2) zastępowana jest
przez pierwiastek z sumy kwadratów
2
22
" A ëÅ‚ öÅ‚ " A
" A
ëÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
"A = "xöÅ‚ + "y + "z . (10)
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
" x " y " z
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Można łatwo sprawdzić, że ze wzorów (1) i (10) dadzą się wyprowadzić wszystkie reguły podane dla
szczególnych przypadków.
1.4. Statystyczne opracowywanie wyników pomiarów
1.4.1. Obliczanie błędu przypadkowego prostej wielkości fizycznej
W obecnych rozważaniach ograniczymy się do pomiarów prostych wielkości fizycznych (wynik
odczytujemy bezpośrednio na przyrządzie), w przypadku, gdy błąd systematyczny możemy pominąć
w porównaniu z błędem przypadkowym.
Powtarzając wielokrotnie pomiar tej samej wielkości, zauważamy rozrzut wyników wokół pewnej
wartości, którą uznajemy za prawdziwą. Zwykle najlepszym przybliżeniem wartości prawdziwej jest
wartość średnia uzyskanych wyników. Załóżmy, że przeprowadziliśmy n pomiarów tej samej
wielkości fizycznej x. Otrzymane wartości z pomiarów to x , x ,.... xn . Wartość średnią
1 2
otrzymujemy z dodania tych n wartości i podzielenia sumy przez liczbę pomiarów:
n
1
x = . (11)
"x i
n
i=1
Niepewność pojedynczego pomiaru to wartość bezwzględna różnicy pomiędzy pomiarem xi ,
a wartością prawdziwą X, której nie znamy. W praktyce obliczamy ją jako odchyłkę "xi , czyli
wartość bezwzględną różnicy pomiędzy danym pomiarem, a wartością średnią:
"xi = x - x (12)
i
Odchyłkę tę utożsamiamy z błędem bezwzględnym i tego pomiaru. Dla n pomiarów otrzymujemy
n takich odchyłek Wygodniejsze byłoby określenie jakiejś jednej odchyłki, uniwersalnej dla
wszystkich n pomiarów. W tym celu najczęściej wyznaczamy dla danej serii wyników tzw.
odchylenie standardowego S pojedynczego pomiaru. Odchylenie standardowe S obliczamy jako
pierwiastek z sumy kwadratów odchyłek podzielonej przez liczbę pomiarów n, czyli:
n
1
S = - x)2 . (13)
"(xi
n
i=1
Istnieje także inna definicja odchylenia standardowego. Pewne argumenty teoretyczne przemawiają za
zamianą czynnika n w mianowniku wyrażenia (13) na n -1 i za zdefiniowaniem odchylenia
standardowego pomiarów x1,x2,...., xn  oznaczanego teraz jako à  wzorem
x
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
9
n
1
à = - x)2 . (14)
x "(xi
n -1
i=1
Modyfikacja powoduje, nieznaczne zwiększenie wartości à względem S. Koryguje to tendencję
x
niedoceniania niepewności pomiarów x , x ,...., xN , szczególnie dla małej liczby pomiarów n.
1 2
Różnica pomiędzy odchyleniami standardowymi policzonymi za pomocą obu definicji jest liczbowo
prawie zawsze nieznacząca. W każdym przypadku powinno się powtarzać pomiar wielokrotnie, (co
najmniej pięć razy, ale lepiej jeszcze więcej). Nawet, jeśli przeprowadzamy tylko 5 pomiarów N = 5 ,
różnica pomiędzy N = 2,2 i N - 1 = 2 nie jest dla większości zastosowań znacząca. Niemniej
najlepiej zawsze korzystać z bardziej ostrożnej definicji (14).
Tak obliczoną niepewność można już interpretować w kategoriach prawdopodobieństwa wystąpienia
określonej wartości odchylenia danego pomiaru xi od wartości rzeczywistej. Można udowodnić, że
jeśli nasze pomiary podlegałyby tzw. rozkładowi normalnemu i jeśli powtarzalibyśmy pomiary x
bardzo wiele razy, to 68,3% naszych wyników byÅ‚oby oddalone od x o mniej niż à , czyli prawie
x
70% wyników leżaÅ‚oby w zakresie x Ä… à . Możemy powiedzieć, że istnieje prawdopodobieÅ„stwo
x
68,3%, że pojedynczy pomiar bÄ™dzie siÄ™ różniÅ‚ od wartoÅ›ci od wartoÅ›ci Å›redniej o mniej niż à .
x
Znaczenie odchylenia standardowegoà w pomiarach, w których istotne sÄ… bÅ‚Ä™dy przypadkowe jest
x
dokładnie takie samo, jakie miała niepewność omówiona poprzednio. Za niepewność pomiaru
wartoÅ›ci x można przyjąć "x = à i w wyniku takiego wyboru mamy prawie 70% ufnoÅ›ci, że wynik
x
naszego pomiaru różni się od wartości oczekiwanej o mniej, niż "x.
Oczywiście wartość średnia x powinna być znacznie bliższa wartości prawdziwej X niż większość
poszczególnych wyników xi . Istotnie, bÅ‚Ä…d standardowy Ãx wartoÅ›ci Å›redniej jest n razy mniejszy
niż Ã (uzasadnienie jest podane dalej):
11 2
à = Å" à Ò! à = "xi . (15)
( )
xx "
n n - 1
( )
n
Tak więc, na skutek n krotnego pomiaru dowolnej wielkości x mamy n liczb xi i z nich obliczamy
ostateczny wynik x Ä… à . Zapis ten rozumiemy w ten sposób, że wartość x różni siÄ™ o à od
x x
wartości prawdziwej z prawdopodobieństwem 68,3%; à stanowi 68,3 procentowy przedział ufności.
x
Zwiększając błąd dwukrotnie, do 2à , dostajemy 95,45 procentowy przedział ufności.
x
Przykład: Dokonano serii pomiarów szerokości szkolnej linijki za pomocą suwmiarki, która pozwala
mierzyć z dokładnością do 0,1 mm. Otrzymano następujące rezultaty:
x1 = 24,8 mm, x2 = 25,0 mm, x3 = 25,1 mm, x4 = 24,9 mm, x5 = 25,2 mm, x6 = 25,0 mm,
x7 = 24,9 mm, x8 = 25,2 mm, x9 = 25,1 mm, x10 = 25,0 mm, x11 = 24,9 mm.
Średnia szerokość linijki wynosi:
x = (24,8+25,0+25,1+24,9+25,2+25,0+24,9+25,2+25,1+25,0+24,9)/11 = 25,009.
Zaokrąglamy wynik do 25,01, czyli do liczby mającej o jedną cyfrę po przecinku więcej niż
dokładność przyrządu pomiarowego. Następnie liczymy poszczególne odchyłki jako bezwzględną
różnicę pomiędzy pomiarem xi , a wartością x :
"x1=0,21mm, "x2=0,01mm, "x3=0,09mm, "x4=0,11mm, "x5=0,19mm, "x6=0,01mm,
"x7=0,11mm, "x8=0,19mm, "x9=0,09mm, "x10 = 0,01 mm, "x11=0,11mm.
Korzystając z (15) obliczamy błąd standardowy à średniej szerokości liniału: à = 0,035 mm.
x x
Ostatecznie szerokość liniału zapisujemy jako: (25,01 ą 0,04) mm. Otrzymane wielkości, jak już to
podkreślano powyżej, należy interpretować w ten sposób, że prawdziwa szerokość liniału znajduje się
w przedziale od 24,97 mm do 25,05 mm z prawdopodobieństwem bliskim 70%.
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
10
Ważną cechą odchylenia standardowego średniej jest n w mianowniku. Jeśli przeprowadzilibyśmy
wiÄ™cej pomiarów to odchylenie standardowe à pojedynczego pomiaru nie zmieniaÅ‚oby siÄ™ w sposób
x
istotny natomiast odchylenie standardowe Ãx Å›redniej zmniejszaÅ‚oby siÄ™ powoli ze wzrostem n (jak
n ). Jest to zgodne z oczekiwaniami, że większa liczba pomiarów daje większą wiarygodność
końcowego wyniku. Niestety czynnik N rośnie dość wolno ze wzrostem N. Na przykład, jeśli
chcielibyśmy poprawić naszą dokładność o rząd wielkości (10 razy), to musielibyśmy zwiększyć
liczbę pomiarów o czynnik 100. Co więcej, w tych rozważaniach zaniedbujemy błędy systematyczne,
a te nie zmniejszają się przy wzroście liczby pomiarów. Tak więc, w praktyce, jeśli chcemy w istotny
sposób zwiększyć precyzję pomiarów powinniśmy raczej zmodyfikować technikę doświadczalną, niż
polegać jedynie na wzroście liczby pomiarów.
1.4.2. Obliczanie błędu przypadkowego złożonej wielkości fizycznej
Załóżmy, że złożona wielkość fizyczna A jest funkcją trzech niezależnych, prostych wielkości
fizycznych x, y, z:
A = f (x, y, z) . (16)
Wielkości x, y, z wyznaczamy wielokrotnie i obliczamy ich wartości średnie x , y, z oraz odchylenia
standardowe Ãx , à , Ãz . Można dowieść, że najlepszÄ… wartość A wielkoÅ›ci zÅ‚ożonej otrzymamy,
y
jeśli podstawimy do (16) wartości średnie zmiennych niezależnych:
A = f (x, y, z) .
Błąd średni kwadratowy "A pomiaru A obliczamy korzystając z reguły kwadratowego przenoszenia
błędów:
2
2 2
"f ëÅ‚ "f öÅ‚ "f
ëÅ‚ öÅ‚ ëÅ‚ öÅ‚
"A = à + ìÅ‚ à ÷Å‚ + à (17)
ìÅ‚ ÷Å‚ ìÅ‚ ÷Å‚
x y z
ìÅ‚ ÷Å‚
"x "y "z
íÅ‚ Å‚Å‚ íÅ‚ Å‚Å‚
íÅ‚ Å‚Å‚
Wzór (17) można uogólnić na dowolną liczbę zmiennych niezależnych.
Przykład. Powyższą metodę zastosujemy w przypadku funkcji jednej zmiennej, np. przy obliczaniu
pola koła S w zależności od pomiarów średnicy Ć. Przypuśćmy, że w n pomiarach średnicy uzyskano
2
ĄĆ
uÅ›redniony wynik: Ć Ä… "Ć , gdzie "Ć = à . Ponieważ S = , wiÄ™c
Ć
4
"S ĄĆ "S "Ć
"S = Å" "Ć = Å" "Ć Ò! = 2 .
"Ć 2 S Ć
1.4.3. Uzasadnienie teoretyczne metod szacowania błędów przypadkowych
" Pojęcie rozkładu
Wielokrotnie mierząc dowolną wielkość fizyczną w ustalonych warunkach, np. 8 razy opór cewki za
pomocą mostka Wheatstone'a, otrzymamy tzw. losowo wybraną próbkę n = 8 pomiarów spośród
bardzo dużej liczby N możliwych wyników pomiarów, np:
N
4,615; 4,638; 4,597; 4,634; 4,613; 4,623; 4,659; 4,623 &!.
4
Te n = 8 wyników można pogrupować w jednakowo szerokich
przedziałach oporu i przedstawić w postaci słupkowego histogramu,
jak to pokazano na rysunku.
2
Histogram dla bardzo dużej liczby pomiarów N jest nazywany
rozkładem wartości wielkości mierzonej x wokół wartości średniej x .
Obwiednia takiego rozkładu może być opisana krzywą Gaussa,
zwaną krzywą rozkładu normalnego, która ma jedno maksimum ze
R [&!]
0
stosunkowo stromymi zboczami.
4,6 4,7
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
11
Taki kształt krzywej jest intuicyjnie łatwy do
Rozkład normalny (Gaussa)
przewidzenia, gdyż pomiary dające wartości x coraz
bardziej odległe od wartości x w maksimum rozkładu
x
Õ( )
sÄ… coraz mniej prawdopodobne.
maÅ‚a wartość Ã
" Rozkład Gaussa a wielkość błędu
duża wartość Ã
Krzywą rozkładu zwykle normuje się, tzn.
powierzchnię zawartą pomiędzy krzywą, a osią x
przyrównuje się do jedności i taka unormowana
x
x
krzywa nosi nazwÄ™ gÄ™stoÅ›ci rozkÅ‚adu Õ(x) . Iloczyn
Odchylenie od wartości średniej
Õ(x) Å" dx równy jest uÅ‚amkowi wszystkich pomiarów
w przedziale od x do x + dx . Przebieg funkcji Õ(x)
najlepiej opisuje funkcja Gaussa, która ma postać następującą:
2
îÅ‚ Å‚Å‚
1 1 (x - X )
Õ(x) = Å" Å" expïÅ‚- . (18)
śł
2
à 2Ã
2Ä„
ðÅ‚ ûÅ‚
X oznacza wartość oczekiwanÄ… x, a parametr à , nazywany dyspersjÄ… rozkÅ‚adu normalnego, jest miarÄ…
szerokoÅ›ci (rozrzutu) rozkÅ‚adu. Tak okreÅ›lona funkcja Õ(x) speÅ‚nia warunek unormowania, tj.
"
(19)
+"Õ(x)Å" dx = 1
-"
Wartość Å›redniÄ… x rozkÅ‚adu, równÄ… wartoÅ›ci x w maksimum funkcji Õ, wyraża wzór:
"
x = x Å"Õ x Å" dx . Przy bardzo dużej liczbie pomiarów wartość Å›rednia x staje siÄ™ równa X.
( )
+"
-"
" BÅ‚Ä…d standardowy pojedynczego pomiaru
ÅšciÅ›le rzecz biorÄ…c, niepewność µ pojedynczego pomiaru x równa jest różnicy pomiÄ™dzy tym
2
pomiarem a wartoÅ›ciÄ… oczekiwanÄ… X, a wiÄ™c µ = x - X . Åšrednia kwadratów odchyleÅ„, µ , dla
rozkÅ‚adu opisanego funkcjÄ… Õ(x) , może być wyrażona caÅ‚kÄ… definiujÄ…cÄ… wartość Å›redniÄ…:
2
"
2
µ = x - X Õ x Å" dx . (20)
( ) ( )
+"
-"
Po obliczeniu całki (20) dla rozkładu Gaussa otrzymamy równość
2 2
à = µ . (21)
2
Zatem Å›rednia µ jest równa kwadratowi dyspersji Ã, co oznacza, że dyspersja à rozkÅ‚adu
normalnego jest miarą błędu pojedynczego pomiaru.
Zgodnie z równaniem (21), dyspersja à wyraża odchylenie standardowe S zdefiniowane wzorem (13).
Jednak w rzeczywistości nie znamy wartości oczekiwanej X i w konkretnych obliczeniach
zastępujemy ją wartością średnią x . Dlatego, aby uniknąć niedoszacowania szerokości rozkładu do
obliczenia odchylenia standardowego stosujemy wzór (14).
Błąd wartości średniej x jest oczywiście mniejszy niż błąd pojedynczego pomiaru i wyznacza go
liczba à , którÄ… również można znalez
ć. Jeśli wykonamy dużą liczbę serii pomiarów o tej samej
x
liczbie n pojedynczych pomiarów, to dla każdej z tych serii można obliczyć błąd wartości średniej
2 2
• = x - X i kwadrat tego bÅ‚Ä™du • . Po obliczeniu Å›redniej ze wszystkich wartoÅ›ci • uzyskujemy:
1
2 2
• = µ . (22)
n
Ponieważ, podobnie jak w przypadku zależności (21), obliczenie odpowiedniej całki daje wynik:
2 2
à = • , po uwzglÄ™dnieniu (21) oraz (22) otrzymamy: à = à n .
x x
G
Ä™
sto
ść
pprawdopodobie
Å„
stwa
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
12
Z równości tej wnioskujemy, że odchylenie standardowe wartości średniej dla n pomiarów jest n
razy mniejsze od odchylenia standardowego pojedynczego pomiaru.
" Całkowa funkcja rozkładu
Funkcja Gaussa rozkładu normalnego przedstawia rozkład gęstości prawdopodobieństwa. Wartość
caÅ‚ki z tej funkcji, obliczona w przedziale od -µ do µ, (wprowadzamy oznaczenie y = x - X ) okreÅ›la
prawdopodobieÅ„stwo zajÅ›cia zdarzeÅ„ o wartoÅ›ci y od zera do µ. W wyniku tego caÅ‚kowania
otrzymujemy tzw. caÅ‚kowÄ… funkcjÄ™ Gaussa Åš(µ ) :
µ
1 1
2
Åš µ = exp - y2 2Ã dy .
( )
()
+"
Ã
2Ä„
-µ
Przedstawimy Åš(µ) w innej postaci, zamieniajÄ…c zmiennÄ… caÅ‚kowania y przez zmiennÄ… t = y à .
Wówczas caÅ‚kowa funkcja Åš(z), gdzie z = µ à , przyjmuje prostszÄ… postać:
z
2
2
Åš z = exp -t 2 dt .
( )
( )
+"
Ä„
0
Funkcja Åš(z) pozwala znalez
ć prawdopodobieństwo dla różnych wartości z. W szczególności dla
z = 1, Ś(z) równa się 0,683. Wynik ten jest uzasadnieniem twierdzenia, że wartość oczekiwana
znajduje siÄ™ z prawdopodobieÅ„stwem 68,3 % w przedziale od -à do à wokół wartoÅ›ci Å›redniej.
Przedziałowi o podwójnej szerokości odpowiada z = 2 i wówczas dostajemy znaną już nam wartość
Ś(2) = 0,954 (prawdopodobieństwo 95,4%). Prawdopodobieństwa otrzymania wyniku leżącego
w danym przedziale wokół wartości oczekiwanej X zebrano w poniższej tabeli.
Przedział Szansa otrzymania wyniku
68,3%
X -Ã , X + Ã
95,5%
X - 2Ã , X + 2Ã
99,7%
X - 3Ã , X + 3Ã
1.5. Opracowywanie wyników
1.5.1. Prowadzenie notatek pomiarowych
Bardzo ważne jest prowadzenie notatek dotyczących przeprowadzanych pomiarów. Zapisy, powinny
być prowadzone na bieżąco i czytelnie. Odpowiednie notatki uzupełnione obliczeniami końcowymi
i niewielką dyskusją uzyskanych wyników stanowią dobry sprawdzian samodzielności pracy.
Należy zwrócić uwagę na zapisywanie obok liczb ich mian oraz stosowanych zakresów pomiarowych
miernika. Przed zapisem wartości liczbowej należy upewnić się, czy właściwie zostało odczytane
wskazanie przyrządu. W razie błędnego zapisu nie przeprawiać go, lecz przekreślić i nowe cyfry
zapisać obok. W przypadku wielu pomiarów, rezultaty najlepiej gromadzić w tabeli z wyraz
nie
opisanymi kolumnami. Bardzo poprawiają przejrzystość notatek wszelkiego rodzaju rysunki
objaśniające szczegóły doświadczenia.
1.5.2. Obliczenia końcowe
Przy obliczaniu wartości złożonej funkcji rozbijamy ją na prostsze wyrażenia składowe i liczymy je
oddzielnie, umieszczając wartości tych wyrażeń w kolumnach odpowiedniej tabeli. Dopiero z tych
wartości pośrednich obliczamy wyniki końcowe. W razie podejrzeń o błąd łatwiej wówczas zauważyć
gdzie popełniliśmy pomyłkę.
Z reguły kalkulator wyświetla 8 do 10 cyfr znaczących. Jednak jest to pozorna dokładność.
W eksperymencie bardzo rzadko udaje się uzyskać tak dużą dokładność, o czym wspominaliśmy już
wcześniej przy okazji dyskusji błędów. Uzyskany wynik obliczeń należy podawać w odpowiednio
dobranych jednostkach i z odpowiedniÄ… liczbÄ… cyfr znaczÄ…cych.
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
13
Cyframi znaczÄ…cymi danej liczby sÄ… wszystkie jej cyfry z wyjÄ…tkiem poczÄ…tkowych zer, np. liczba
64,002 ma 5 cyfr znaczÄ…cych (6, 4, 0, 0, 2), liczba 0,0049 ma dwie cyfry znaczÄ…ce (4, 9). Zera
wewnętrzne są cyframi znaczącymi, a zera końcowe są znaczące, gdy znajdują się w liczbie
z przecinkiem dziesiÄ™tnym. Na przykÅ‚ad liczbÄ™ 500 możemy zapisać jako 5Å"102 i ma ona wówczas
jednÄ… cyfrÄ™ znaczÄ…cÄ… çÅ‚ jeÅ›li chcemy zaznaczyć, że ma ona trzy cyfry znaczÄ…ce, należy jÄ… zapisać
w postaci 5,00Å"102. Zer bÄ™dÄ…cych miejscami znaczÄ…cymi nie należy opuszczać.
Niepewności powinny być zwykle zaokrąglane do jednej cyfry znaczącej. Od reguły tej jest jeden
istotny wyjątek. Otóż, jeśli pierwszą cyfrą znaczącą niepewności jest 1 ewentualnie 2, to lepiej jest
zachować dwie cyfry znaczące zamiast jednej. Przypuśćmy, że nasze obliczenia dają niepewność
"x = 0,14 . Zaokrąglenie tej wartości do "x = 0,1 prowadziłoby do 40% zmniejszenia niepewności
i mniej mylące jest pozostawienie dwóch cyfr znaczących (0,14).
Kiedy już oceniliśmy niepewność pomiaru należałoby się zastanowić nad cyframi znaczącymi
mierzonej wielkości. Wynik podany jako v = 6051,78 ą 30 m/s zapisany jest niewłaściwie.
Niepewność 30 m/s oznacza, że zamiast cyfry 5 na trzecim miejscu liczby 6051,78 mogłoby by się
znalez
ć 2 lub 8. Jasne jest zatem, że ostatnie cyfry 1, 7 oraz 8 nie mają zupełnie znaczenia i powinny
zniknąć po zaokrągleniu. Poprawny zapis tego wyniku powinien wyglądać następująco:
v = 6050 Ä… 30 m/s .
Wynik obliczeń zaokrąglamy w ten sposób, że ostatnia cyfra, która została po opuszczeniu cyfr
końcowych nie ulega zmianie, jeśli następują po niej cyfry od 0 do 4, a zwiększamy ją o 1, gdy
następują po niej cyfry od 5 do 9.
Reguła podawania wyniku końcowego: Ostatnia cyfra znacząca w każdym wyniku powinna zwykle
być tego samego rzędu (stać na tym samym miejscu dziesiętnym), co niepewność. Liczby używane
w obliczeniach powinny mieć jednak generalnie jedną cyfrę znaczącą więcej niż te podawane
ostatecznie. Zmniejsza to niedokładności wprowadzane podczas zaokrąglania liczb. Jeśli pierwsza
cyfra niepewności jest mała (1 lub być może 2), to właściwe jest pozostawienie w odpowiedzi jeszcze
jednej cyfry znaczącej. Przykładowo, wynik taki jak l = 27,6 ą 1 cm jest zapisany sensownie.
Zaokrąglenie do 28 ą 1 cm spowodowałoby utratę istotnej części informacji.
Jednostki, danej wielkości fizycznej (np. m/s2, mm2), podajemy na końcu wyniku, po zapisaniu
niepewności, jak to jest w przedstawionych przykładach liczbowych. Także, jeśli mierzona wartość
jest tak duża (lub tak mała), że wymaga zastosowania zapisu wykładniczego, to prościej i czytelniej
jest podać odpowiedz
i niepewność w tej samej formie np.: q = (1,61 Ä… 0,05)Å"10-19 C .
A oto kilka przykładów poprawnego zapisu wyników końcowych:
Przed zaokrÄ…gleniem Po zaokrÄ…gleniu
v = (6,3219 Ä… 0,0171) Å"104 m/s v = (63,22 Ä… 0,18) Å"103 m/s.
v = (23,3659 Ä… 0,0185) Å"104 m/s v = (233,7 Ä… 0,2) Å"103 m/s
m = (212,421 Ä… 0,115) g m = (212,42 Ä… 0,12) g
m = (0,036251 Ä… 0,000111) g m = (36,25 Ä… 0,12) mg
C = (85,274 Ä… 0,321)Å"10-3 µF C = (85,27 Ä… 0,33)Å"nF
I = (257,67 Ä… 0,79) µA I = (257,7 Ä… 0,8) µA
V = (256,135 Ä… 0,069) cm3 V = (256,14 Ä…0,07) cm3.
1.5.3. Uwagi dotyczące sporządzania wykresów
Wyniki pomiarów często przedstawiane są w postaci wykresu. Wykres jest potrzebny do wyznaczenia
wielkości bezpośrednio niemierzalnej, jak np. półokres rozpadu otrzymywany z krzywej rozpadu
z
ródła radioaktywnego. Podobnie temperaturę krzepnięcia wyznaczamy z przebiegu krzywej
stygnięcia ciała. Wykresy służą również do sporządzania krzywych kalibracyjnych. Na przykład, przy
badaniu nieznanego widma za pomocÄ… spektrometru wykonujemy najpierw tzw. krzywÄ… dyspersji,
czyli wykres zależności znanych długości linii widmowych pierwiastków od położenia tych linii na
skali spektrometru.
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
14
Wykresy rysujemy najczęściej na papierze milimetrowym ze skalą liniową. Gdy zależność ma
charakter logarytmiczny lub wykÅ‚adniczy ( y = a Å" bx ), wygodnie jest posÅ‚ugiwać siÄ™ papierem
półlogarytmicznym, (z podziałką liniową wzdłuż osi x i logarytmiczną na osi y).
Wzdłuż osi poziomej odkładamy zmienną niezależną (przyczynę), tj. wielkość, której wartości sami
dobieramy, a wzdÅ‚uż osi pionowej çÅ‚ zmiennÄ… zależnÄ… (skutek), tj. tÄ™, której wartoÅ›ci wyznaczamy.
Obie osie powinny być oznaczone symbolem lub nazwą zmiennej wraz z nazwą lub symbolem
jednostki, w jakiej jest ona wyrażona. Dobieramy skalę na osiach tak, aby można było łatwo odczytać
współrzędne dowolnego punktu z dokładnością równą, co najmniej dokładności przeprowadzonych
pomiarów çÅ‚ podziaÅ‚ki skali wyraz
nie zaznaczamy. Wykres nie powinien być ani zbyt  stromy , ani
zbyt  płaski . Podziałki nie muszą rozpoczynać się od zera.
Po dobraniu skali i narysowaniu osi współrzędnych nanosimy dane pomiarowe (na powierzchni
wykresu, nie na osiach współrzędnych). Zaznaczamy je krzyżykami, kółkami lub innymi figurami
geometrycznymi, które będą widoczne na tle przeprowadzonej krzywej. Położenie punktu
pomiarowego powinno znajdować się w środku geometrycznym figury i może dodatkowo być
oznaczone kropką. Następną czynnością jest zaznaczenie błędów pomiaru " x i "y poprzez np.
otoczenie kilku punktów pomiarowych prostokątami o bokach 2 "x i 2 "y .
Ostatnią czynnością jest wykreślenie samej
Y
krzywej. Krzywą wykreślamy najlepiej za pomocą
Odczytywanie wartości z wykresu
krzywika. Krzywa nie musi przebiegać dokładnie
przez wszystkie punkty pomiarowe, ale powinna
2 "y
przecinać ich prostokąty błędów; wykresów nie
wykonujemy poprzez łączenie punktów
yA
pomiarowych odcinkami. Liczba punktów
znajdujÄ…cych siÄ™ po prawej i po lewej stronie
A
krzywej powinna być w miarę możliwości równa.
Może się zdarzyć, że któryś z punktów leży w
znacznej odległości od krzywej, wzdłuż której
2 "
x
układają się pozostałe punkty  wtedy pomijamy
go, gdy pomiary dotyczÄ… zjawiska znanego
X
(przyjmujemy, że jest on obarczony błędem
xA
grubym). W przeciwnym razie należy wykonać
dodatkowe pomiary.
1.5.4. Odczytywanie wartości z wykresu i wyznaczanie nachylenia krzywej
Na podstawie sporządzonego wykresu można wyznaczyć jedną ze zmiennych, gdy znana jest druga.
Przyjmujemy, że maksymalna niepewność współrzędnych dowolnego punktu leżącego na krzywej nie
przekracza błędu, jakim obarczone były punkty pomiarowe a więc punkt A leżący na krzywej,
o współrzędnych (xA , yA), otoczony jest takim samym prostokątem błędu jak każdy punkt
pomiarowy. Wartość xA odczytana dla określonej wartości yA jest obarczona niepewnością "x.
Nachyleniem a krzywej (stycznej do krzywej w danym punkcie) nazywamy stosunek przyrostu
"y = y2 - y1 do odpowiadajÄ…cego mu przyrostu "x = x2 - x1):
Y
Wyznaczanie nachylenia
a = y2 - y1 x - x . (24) y2
()
()
2 1
W granicznym przypadku, gdy (x2 - x1) dąży do zera, nachylenie
yA
jest równe pochodnej y względem x. Jednak nachylenie krzywej,
mimo podobieństwa do tangensa kąta nachylenia, jest najczęściej
y1
wielkością mianowaną i nie można jej interpretować jako
tangensa kÄ…ta zmierzonego na wykresie. W przypadku, gdy
punkty pomiarowe (xi, yi ) wskazują na zależność liniową,
X
y = ax + b, nachylenie prostej można wyznaczyć metodą
x1 xA x2
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
15
najmniejszych kwadratów (tutaj nie omawiamy tej metody) lub, mniej dokładnie, po wykonaniu
wykresu korzystajÄ…c ze wzoru (24).
a2
Y
W celu wyznaczenia błędu "a nachylenia należy określić dwie
a
skrajne wartości nachylenia, związane z prostokątami błędu
BÅ‚Ä…d nachylenia linii
zaznaczonymi na początku i na końcu prostoliniowego odcinka
a1
krzywej. Jako rzeczywiste nachylenie a przyjmujemy średnią
arytmetycznÄ… a = a + a 2. BÅ‚Ä…d maksymalny nachylenia jest
()
1 2
równy połowie różnicy dwóch skrajnych wartości nachylenia:
" a = a - a 2.
1 2
X
1.6. Elementarne przyrzÄ…dy pomiarowe
W każdym laboratorium znajdują się, oprócz aparatury wyspecjalizowanej, przyrządy uniwersalne,
jak linijka, suwmiarka, mikrometr, waga, amperomierz czy woltomierz. Ponieważ przyrządy te są
używane bardzo często, niezależnie od wykonywanego zadania, warto zapoznać się z ich zasadą
działania i obsługą.
" Linijka
Linijka pozwala na pomiar długości z dokładnością do 0,5 mm a nawet, przy starannym pomiarze, do
0,2 mm. Trzeba przy tym unikać pewnych uchybień metodycznych. Należy do nich np. błąd
paralaksy Można go popełnić, gdy linijka podczas pomiaru jest
nieco oddalona od mierzonego przedmiotu, a odczyt jest BÅ‚Ä…d paralaksy
dokonywany pod kątem różnym od prostego  zależnie od kąta
obserwacji odczytujemy różne wartości. Błędu tego można uniknąć
8 9
przez maksymalne zbliżenie liniału do mierzonego przedmiotu bądz

też przystawienie zwierciadełka do skali linijki i porównanie
położenia końca obrazu przedmiotu z rysami na linijce.
Błąd paralaksy może być popełniony również i w przypadku innych przyrządów, gdy odczyt polega
na ustaleniu położenia wskazówki względem skali nieco oddalonej od płaszczyzny ruchu wskazówki.
Bywa, że początek linijki jest uszkodzony i wówczas, w celu uniknięcia tzw. błędu zera, przykładamy
liniał do przedmiotu w taki sposób, aby położenie obu końców przedmiotu trzeba było odczytywać 
wynik uzyskamy przez odjęcie tych dwu odczytów.
Niekiedy skala umieszczona na linijce jest wadliwa na skutek deformacji materiału albo niestarannego
wykonania i przy odpowiedzialnych pomiarach należy wytypowaną do pomiarów linijkę porównać
z inną. Czynność taką nazywamy kalibracją przymiaru.
" Suwmiarka
Suwmiarka jest uniwersalnym przyrządem służącym do pomiaru wymiarów liniowych z dokładnością
do 0,1 mm. Suwmiarkę stanowią dwie metalowe skale, z których jedna daje się przesuwać wzdłuż
drugiej. Na początku obu skal znajdują się płaszczyzny szczęk, między którymi umieszczamy
mierzony przedmiot. Suwmiarką o odpowiednim kształcie szczęk można mierzyć również wymiary
wewnętrzne otworów  należy szczęki suwmiarki włożyć do wnętrza otworu tak, aby dotykały
ścianek. Bolcem wysuwającym się przy rozsuwaniu szczęk możemy mierzyć głębokość ślepego
otworu. Skala nieruchoma posiada zwykle podziałkę milimetrową. Skala ruchoma, zwana noniuszem,
posiada dziesięć podziałek zaznaczonych na odcinku równym 9 mm, zatem jedna podziałka noniusza
różni się od jednej podziałki skali głównej o 0,1 mm. Dzięki temu przesunięcie początku noniusza
względem kreski skali milimetrowej np. o 0,3 mm spowoduje, wyrównanie się trzeciej kreski
noniusza z jedną z kresek skali głównej. Odczytu całkowitej liczby milimetrów dokonujemy na skali
nieruchomej w miejscu gdzie rozpoczyna siÄ™ skala noniusza, zaÅ› kreska skali noniusza zgodna z
dowolną kreską skali głównej umożliwia odczyt dziesiętnych części milimetra, powyżej określonej
już całkowitej liczby milimetrów. Suwmiarki z noniuszem zawierającym 20 rys pozwalają na
dokonanie pomiarów nawet z dokładnością do 0,05 mm.
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
16
W przypadku niektórych suwmiarek, gdy szczęki są tylko po jednej stronie skali liniowej, przy
pomiarze wymiarów wewnętrznych, np. średnicy wewnętrznej obręczy, należy do odczytu dodać
wartość równą szerokości szczęk (na ogół 10 mm). Odczyt na skali dotyczy odległości pomiędzy
płaszczyznami wewnętrznymi szczęk, a średnica wewnętrzna jest o szerokość szczęk większa.
Zasadę noniusza wykorzystuje się też do skal służących do pomiaru kątów (np. w polarymetrze czy
spektrometrze).
" Åšruba mikrometryczna
Śruba mikrometryczna, lub krócej mikrometr, pozwala na łatwe dokonanie pomiaru wymiarów
liniowych z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do 0,01 mm (10 µm).. PrzyrzÄ…d ten. Mierzony przedmiot (o wymiarach nie
przekraczających 100 mm) umieszczamy pomiędzy szczękami mikrometru. Następnie na osi śruby
odczytujemy milimetry, a setne części milimetra na skali obrotowej umieszczonej na bębnie. Jeżeli
obwód bębna jest podzielony na 50 części to jeden pełny obrót oznacza przesunięcie (skok śruby)
o 0,5 mm  przy podziale na 100 części skok wynosi 1 mm.
Åšruba zaopatrzona jest w czujnik, tzn. urzÄ…dzenie zapewniajÄ…ce zawsze ten sam nacisk
i zabezpieczenie mierzony przedmiot przed uszkodzeniem, a śrubę przed przesuwaniem się jej punktu
zerowego. Mimo tego punkt zerowy może ulegać z czasem pewnemu przesunięciu. Dlatego przed
pomiarem należy sprawdzić odczyt na śrubie przy zetknięciu szczęk i po pomiarze uwzględnić
ewentualnÄ… poprawkÄ™ z odpowiednim znakiem.
" Waga laboratoryjna.
Pomiar masy, czyli po prostu ważenie, na wadze belkowej polega na porównywaniu dwu ciężarów
przy użyciu dz
wigni dwuramiennej. W przypadku wagi sprężynowej ciężar ciała jest proporcjonalny
do ugięcia sprężyny (prawo Hooka). Do określenia masy wykorzystujemy proporcjonalność masy do
ciężaru, przy czym współczynnikiem proporcjonalności jest przyspieszenie grawitacyjne (dla obszaru
Polski wynosi ono g = 981m s2 ).
,
Najważniejszą częścią wagi belkowej jest podparta po środku sztywna belka, na której końcach, na
specjalnych pryzmatach, są zawieszone szalki. W punkcie podparcia jest umocowana wskazówka,
poruszająca się na tle skali, która pokazuje wielkość nachylenia belki. Dla zabezpieczenia pryzmatów
przed szybkim zużyciem, waga jest zaopatrzona w urządzenie blokujące tzn. zatrzymujące działanie
wagi, którym podnosi się belkę wagi z podparcia i jednocześnie uchwyty szalek z pryzmatów
bocznych. Odważniki i ważoną masę nakładamy na szalki przy zablokowanej wadze. Wagę należy
odblokować tylko na czas porównywania ciężaru badanego ciała z ciężarem odważników. Drobne
odważniki należy ujmować szczypcami.
Przystępujemy do ważenia, gdy waga jest wypoziomowana (możemy poprawić ustawienie wagi
wkręcając lub wykręcając odpowiednie nóżki w podstawce wagi). Uruchomiona waga powinna
przyjąć położenie zerowe. Jako położenie zerowe przyjmuje się rysę na skali, wokół której waha się
wskazówka wagi nieobciążonej lub równo obciążonej na obu szalkach. Jeżeli odchylenie położenia
zerowego jest większe niż dwie podziałki od środka skali, wagę należy wyregulować, wyrównać
długości ramion belki (przez wkręcanie lub wykręcanie nakrętek regulacyjnych). Również odczytu
masy dokonujemy po uzyskaniu przez obciążoną wagę położenia zerowego.
Każdą wagę cechują dwa najważniejsze parametry  są nimi dokładność i czułość. Dokładnością
wagi nazywamy wielkość najmniejszego odważnika, który jeszcze powoduje zmianę położenia
wskazówki. Do ważenia ciał o większej masie stosuje się wagi o bardziej wytrzymałej konstrukcji, ale
o mniejszej dokładności. Rodzaj wagi w danym pomiarze dobieramy do spodziewanej masy ciała.
Wagi laboratoryjne mają zwykle dokładność do 10 mg, zaś wagi analityczne do 0,1 mg.
Czułością wagi nazywamy stosunek wychylenia wskazówki do obciążenia wywołującego dane
wychylenie. Czułość wagi, jak to wynika z rozważań teoretycznych, jest wprost proporcjonalna do
długości ramion i odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy punktem podparcia i środkiem
ciężkości belki, a także odwrotnie proporcjonalna do masy belki. Im większej wymagamy dokładności
tym bardziej czułej potrzebujemy wagi.
TJL, Katedra Fizyki SGGW 2005-02-20
17
" PrzyrzÄ…dy elektryczne
We wszystkich pomiarach związanych z elektrycznością używamy przyrządów mierzących głównie
natężenie przepływającego prądu w danym miejscu obwodu oraz różnicę potencjałów pomiędzy
dwoma wybranymi punktami obwodu. Popularnie mówi się o pomiarze natężenia i napięcia prądu.
Nie będziemy tutaj rozpatrywali zasad budowy mierników elektrycznych  ograniczymy się tylko do
pewnych informacji niezbędnych w tego rodzaju pomiarach.
Woltomierz, łączony równolegle z oporem R (rys. a), jest
V
przyrządem o dużej oporności wewnętrznej (im większa tym
lepiej), toteż pomyłkowe włączenie woltomierza do obwodu
I
nie zawsze powoduje jego zniszczenie. Znacznie gorzej jest
R
z amperomierzem, który włączamy do obwodu szeregowo
a) połączenie równoległe
(rys. b), a jego oporność wewnętrzna jest bardzo mała  prąd
elektryczny o zbyt dużym natężeniu (większym niż zakres
I
amperomierza) może spowodować jego natychmiastowe
A
R
zniszczenie. Powinniśmy więc, w miarę możliwości,
przewidzieć wielkość mierzonego napięcia bądz
natężenia b) połączenie szeregowe
prądu i dobrać przyrząd o odpowiednim zakresie. Pomiary
najlepiej rozpocząć od ustawienia przyrządu na maksymalny zakres pomiarowy, a następnie zakres
stopniowo zmniejszamy, aż wychylenie wskazówki będzie nie mniejsze niż 1/3 skali. Do pomiarów
bardzo małych napięć i natężeń prądów używamy mikrowoltomierzy i mikroamperomierzy (lub
nawet galwanometrów).
Każdy miernik elektryczny ma zaznaczony rodzaj prądu, do jakiego został przeznaczony (stały czy
zmienny) oraz do jakich maksymalnych napięć lub natężeń można go stosować. Ponadto, ma
zaznaczoną tzw. klasę przyrządu. Mierniki uniwersalne mają dodatkowe przełączniki pozwalające na
używanie ich raz jako amperomierza, a innym razem jako woltomierza, a nawet niektóre można
stosować do pomiarów oporności, jeżeli mają podłączone własne z
ródło prądu (baterię). Coraz
częściej na wyposażeniu laboratorium znajdujemy przyrządy cyfrowe. Podają one mierzone wartości
prądu w postaci cyfrowej, z dokładnością podaną w instrukcji przyrządu (patrz rozdział 1.3.2).
Uwaga: przy pomiarze przyrządem cyfrowym natężenia prądu rzędu kilku amperów czas pomiaru nie
powinien przekraczać jednorazowo kilkunastu sekund.
Zakończenie
Bardziej wyczerpujące omówienie metod i technik stosowanych w laboratoriach fizycznych można
znalez
ć w innych opracowaniach dotyczących ćwiczeń w pracowni fizycznej, jak np:
Tadeusz Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki; PWN, Warszawa 1976.
Henryk Szydłowski, Pracownia fizyczna; PWN, Warszawa 1994.
G.L. Squires, Praktyczna fizyka; PWN, Warszawa 1992.
John R. Taylor, Wstęp do analizy błędu pomiarowego; WNT, Warszawa 1995.
Wyżej wymienione książki posłużyły do przygotowania przedstawionego wstępu do pracowni
fizycznej w Katedrze Fizyki SGGW.


Wyszukiwarka