Физика • 7 класс § 5

§ 5. Точность и погрешность измерений

Учебник: Физика. 7 класс (А. В. Пёрышкин, А. И. Иванов). Программа ФГОС.
К разделам:

Термины и понятия параграфа 6

Термин Физика • 7 класс § 5

Погрешность измерений

неизбежное отклонение результата экспериментального измерения от истинного (действительного) значения измеряемой физической величины.

  • 1. Принцип недостижимости абсолютной точности — в физике никакое измерение принципиально невозможно выполнить абсолютно точно из-за ограниченных возможностей приборов и воздействия внешних факторов.
  • 2. Причины возникновения погрешностей — несовершенство конструкции измерительных приборов, неточность фабричной градуировки шкал, ограниченность разрешающей способности органов чувств человека (глаза), а также случайные внешние воздействия (вибрации, сквозняки, температурные расширения).
Термин Физика • 7 класс § 5

Абсолютная погрешность измерения

модуль отклонения найденного при измерении численного значения от истинного значения физической величины: $\Delta a$.

  • 1. Каноническая форма записи — результат любого измерения с учётом погрешности записывается в виде:

$$A = a \pm \Delta a$$

где $A$ — измеряемая физическая величина, $a$ — измеренное значение величины (числовой результат отсчёта по шкале прибора), $\Delta a$ — абсолютная погрешность измерения (читается «дельта а», $\Delta$ — заглавная греческая буква «дельта»).

  • 2. Интервал истинного значения — истинное значение измеряемой величины гарантированно находится внутри интервала от $a - \Delta a$ до $a + \Delta a$ (то есть $a - \Delta a \le A \le a + \Delta a$).
  • 3. Правило однократного измерения — если в условиях опыта или в паспорте прибора не оговорено иное, абсолютную погрешность при прямом однократном измерении принимают равной цене деления шкалы измерительного прибора (в ряде прецизионных работ — половине цены деления шкалы).
Термин Физика • 7 класс § 5

Погрешность отсчёта

погрешность, возникающая при снятии показаний со шкалы прибора вследствие округления показания до ближайшего штриха или неточного совмещения указателя со штрихом.

  • 1. Ограничение погрешности отсчёта — как правило, погрешность отсчёта не превышает половины цены деления шкалы используемого прибора.
  • 2. Эффект параллакса — кажущееся смещение стрелки или указателя относительно штрихов шкалы при наблюдении под углом. Для исключения параллакса отсчёт показаний всегда следует проводить строго перпендикулярно плоскости шкалы прибора.
Термин Физика • 7 класс § 5

Инструментальная погрешность

погрешность, обусловленная конструктивными недостатками самого измерительного прибора и неточностью нанесения его шкалы при фабричном производстве.

  • 1. Паспортные данные — точное значение инструментальной погрешности приводится в техническом паспорте прибора. Если паспортные данные отсутствуют, инструментальную погрешность принимают равной половине цены деления шкалы.
  • 2. Суммарная погрешность прямого измерения — при детальном анализе абсолютная погрешность прямого измерения складывается из погрешности отсчёта и инструментальной погрешности:

$$\Delta a = \Delta a_{\text{отсч}} + \Delta a_{\text{инстр}}$$

Например, при измерении ученической линейкой с ценой деления $1\text{ мм}$: $\Delta l = 0{,}5\text{ мм} + 0{,}5\text{ мм} = 1\text{ мм}$.

Термин Физика • 7 класс § 5

Точность измерений

качественная характеристика измерительной процедуры, отражающая степень близости полученного результата измерения к истинному значению величины.

  • 1. Связь с ценой деления — чем меньше цена деления шкалы измерительного прибора, тем выше достижимая точность измерения и тем уже интервал неопределённости.
Термин Физика • 7 класс § 5

Среднее арифметическое значение результатов измерений

расчётная величина, используемая для повышения достоверности измерений и компенсации случайных погрешностей при многократных повторных опытах в неизменных условиях.

  • 1. Формула расчёта — сумма значений всех $n$ проведённых измерений, делённая на их количество:

$$a_{\text{ср}} = \frac{a_1 + a_2 + \dots + a_n}{n}$$

  • 2. Физический механизм компенсации — случайные неконтролируемые отклонения в большую и меньшую стороны при многократном усреднении взаимно погашаются, благодаря чему среднее арифметическое оказывается существенно ближе к истинному значению величины, чем результат любого единичного замера.

Ответы на вопросы учебника 6

Вопрос учебника #1 Физика • 7 класс § 5

За счёт чего возникает погрешность при измерении?

Погрешность при измерении возникает под действием комплекса объективных и субъективных факторов:

  • Несовершенство самого измерительного прибора — неизбежные микронеточности изготовления деталей, неравномерность нанесения штрихов шкалы и зазоры в механизмах (инструментальная погрешность);
  • Ограниченность разрешающей способности человеческих органов чувств — невозможность визуально абсолютно точно зафиксировать совпадение края тела или стрелки со штрихом шкалы, а также округление до ближайшего деления (погрешность отсчёта);
  • Неправильное положение глаза наблюдателя при снятии показаний (эффект параллакса при взгляде под углом);
  • Воздействие неконтролируемых внешних условий окружающей среды во время проведения опыта — колебания температуры и влажности воздуха, вибрации пола и стола, конвекционные потоки воздуха и атмосферное давление.
Вопрос учебника #2 Физика • 7 класс § 5

Что называют абсолютной погрешностью измерения?

Абсолютной погрешностью измерения называют модуль отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой физической величины. Она обозначается греческой буквой дельта со значком измеряемой величины (например, $\Delta l$, $\Delta m$, $\Delta t$) и выражается в тех же единицах измерения, что и сама физическая величина. Абсолютная погрешность задаёт ширину доверительного интервала, внутри которого расположено истинное значение.

Вопрос учебника #3 Физика • 7 класс § 5

Из чего складывается абсолютная погрешность измерения?

При проведении прямых измерений абсолютная погрешность складывается из двух основных составляющих:

  • Погрешности отсчёта ($\Delta a_{\text{отсч}}$), которая связана с округлением показания до ближайшего штриха шкалы и обычно принимается равной половине цены деления шкалы прибора;
  • Инструментальной погрешности ($\Delta a_{\text{инстр}}$), которая заложена конструкцией и качеством изготовления прибора и при отсутствии паспортных данных также принимается равной половине цены деления шкалы прибора.

Сумма этих двух величин при прямом измерении даёт полную абсолютную погрешность:

$$\Delta a = \Delta a_{\text{отсч}} + \Delta a_{\text{инстр}} = \frac{C}{2} + \frac{C}{2} = C$$

то есть в общем случае абсолютная погрешность однократного прямого измерения принимается равной цене деления ($C$) шкалы измерительного прибора.

Вопрос учебника #4 Физика • 7 класс § 5

Как записать физическую величину с учётом абсолютной погрешности измерения?

Для записи физической величины с учётом её абсолютной погрешности используют стандартную формулу:

$$A = a \pm \Delta a$$

где $A$ — символическое обозначение измеряемой физической величины, $a$ — полученный числовой результат измерения, $\Delta a$ — значение абсолютной погрешности измерения.

При этом числовые значения величины и погрешности обязательно заключают в скобки, а за скобками указывают единицу измерения:

$$(a \pm \Delta a)\text{ [ед. изм.]}$$

Например, если длина бруска измерена линейкой с ценой деления $1\text{ мм}$ и результат составил $52\text{ мм}$, то запись имеет вид:

$$l = (52 \pm 1)\text{ мм} = (5{,}2 \pm 0{,}1)\text{ см}$$

Это означает, что истинная длина бруска достоверно лежит в диапазоне от $51\text{ мм}$ до $53\text{ мм}$ (от $5{,}1\text{ см}$ до $5{,}3\text{ см}$).

Вопрос учебника #5 Физика • 7 класс § 5

В вашем распоряжении имеются линейка длиной 25 см с ценой деления 1 мм и измерительная лента длиной 10 м с ценой деления 1 см. Каким из приборов следует воспользоваться, чтобы измерить с большей точностью длину учебника; длину комнаты?

Выбор прибора определяется соотношением размеров измеряемого объекта, пределов измерения прибора и его цены деления:

  • Для измерения длины учебника следует воспользоваться линейкой длиной $25\text{ см}$ с ценой деления $1\text{ мм}$. Линейка полностью перекрывает длину стандартного школьного учебника (около $21$–$22\text{ см}$), а её цена деления ($1\text{ мм}$) обеспечивает высокую точность (погрешность измерения составит всего $\pm 1\text{ мм}$, в то время как у ленты погрешность была бы $\pm 1\text{ см} = \pm 10\text{ мм}$).
  • Для измерения длины комнаты следует воспользоваться измерительной лентой длиной $10\text{ м}$ с ценой деления $1\text{ см}$. Длина комнаты (обычно от $3$ до $6\text{ метров}$) значительно превышает длину линейки ($25\text{ см}$). Если измерять комнату короткой линейкой, её придётся последовательно перекладывать $15$–$20$ раз. При каждом перекладывании неизбежно накапливается погрешность совмещения меток, в результате чего суммарная погрешность окажется гораздо больше, чем однократное измерение лентой с погрешностью $\pm 1\text{ см}$.
Вопрос учебника #6 Физика • 7 класс § 5

Как вы узнали, в некоторых случаях измерение проводят несколько раз и вычисляют среднее арифметическое значение результатов. В чём смысл этого? Не получится ли так, что среднее арифметическое будет ещё сильнее отличаться от истинного значения измеряемой величины, чем результаты отдельных измерений?

Смысл многократного повторения измерений с последующим вычислением среднего арифметического заключается в устранении влияния случайных неконтролируемых факторов (случайных погрешностей).

При каждом единичном измерении случайные помехи (дрожание руки, вибрации, случайный угол взгляда) отклоняют стрелку или отсчёт то в большую сторону (со знаком «плюс»), то в меньшую сторону (со знаком «минус»).

По теории вероятностей и законам математической статистики при суммировании результатов большого числа опытов случайные положительные и отрицательные отклонения взаимно компенсируют (гасят) друг друга:

$$a_{\text{ср}} = \frac{a_1 + a_2 + \dots + a_n}{n}$$

Среднее арифметическое значение принципиально не может отличаться от истинного значения сильнее, чем крайние ошибочные результаты отдельных измерений. Напротив, среднее значение математически всегда ближе к истинному значению, чем единичный случайный замер, поэтому точность и надёжность результата многократных измерений существенно возрастают.