數(shù)據(jù)處理及誤差分析

1、物理實驗課的根本程序物理實驗的每一個課題的完成，一般分為預(yù)習(xí)、課堂操作和完成實驗報告三個階段。§ 實驗前的預(yù)習(xí)為了在規(guī)定時間內(nèi)，高質(zhì)量地完成實驗任務(wù)，學(xué)生一定要作好實驗前的預(yù)習(xí)。實驗課前認(rèn)真閱讀教材，在弄清本次實驗的原理、儀器性能及測試方法和步驟的根底上，在實 驗報告紙上寫出實驗預(yù)習(xí)報告。預(yù)習(xí)報告包括以下欄目：實驗名稱寫出本次實驗的名稱。實驗?zāi)康膽?yīng)簡單明確地寫明本次實驗的目的要求。實驗原理扼要地表達(dá)實驗原理，寫出主要公式及符號的意義，畫上主要的示意圖、電路圖或光路圖。假設(shè)講義與實際所用不符，應(yīng)以實際采用的原理圖為準(zhǔn)。實驗區(qū)簡明扼要地寫出實驗內(nèi)容、操作步驟。為了使測量數(shù)據(jù)清晰明了，防止

2、遺漏，應(yīng)根據(jù)實驗的要求，用一張A4白紙預(yù)先設(shè)計好數(shù)據(jù)表格，便于測量時直接填入測量的原始數(shù)據(jù)。注意要正確地表示出有效數(shù)字和單位。§ 課堂操作進(jìn)入實驗室，首先要了解實驗規(guī)那么及考前須知，其次就是熟悉儀器和安裝調(diào)整儀器例如，千分尺調(diào)零、天平調(diào)水平和平衡、光路調(diào)同軸等高等。準(zhǔn)備就緒后開始測量。測量的原始數(shù)據(jù)一定不要加工、修改應(yīng)忠實地、整齊地記錄在預(yù) 先設(shè)計好的實驗數(shù)據(jù)表格里，數(shù)據(jù)的有效位數(shù)應(yīng)由儀器的精度或分度值加以確定。數(shù)據(jù)之間要留有 間隙，以便補充。發(fā)現(xiàn)是錯誤的數(shù)據(jù)用鉛筆劃掉，不要毀掉，因為常常在核對以后發(fā)現(xiàn)它并沒有錯， 不要忘記記錄有關(guān)的實驗環(huán)境條件如環(huán)境溫度、濕度等，儀器的精度，規(guī)格及

3、測量量的單位。實驗原始數(shù)據(jù)的優(yōu)劣，決定著實驗的成敗，讀數(shù)時務(wù)必要認(rèn)真仔細(xì)。運算的錯誤可以修改，原始數(shù)據(jù) 那么不能擅自改動。 全部數(shù)據(jù)必須經(jīng)老師檢查、簽名，否那么本次實驗無效。兩人同作一個實驗時，要既分工又協(xié)作，以便共同完成實驗。實驗完畢后，應(yīng)切斷電源，整理好儀器，并將桌面收拾整潔方 能離開實驗室。§3實驗報告實驗報告是實驗工作的總結(jié)。要用簡明的形式將實驗報告完整而又準(zhǔn)確地表達(dá)出來。實驗報告 要求文字通順，字跡端正，圖表規(guī)矩，結(jié)果正確，討論認(rèn)真。應(yīng)養(yǎng)成實驗完后盡早寫出實驗報告的 習(xí)慣，因為這樣做可以收到事半功倍的效果。完整的實驗報告應(yīng)包括下述幾局部內(nèi)容：數(shù)據(jù)表格 在實驗報告紙上設(shè)計好合

4、理的表格，將原始數(shù)據(jù)整理后填入表格之中有老師簽名的原始數(shù)據(jù)記錄紙要附在本次報告一起交。數(shù)據(jù)處理 根據(jù)測量數(shù)據(jù)，可采用列表和作圖法用坐標(biāo)紙，對所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。按照實驗要求計算待測的量值、絕對誤差及相對誤差。書寫在報告上的計算過程應(yīng)是：公式t代入數(shù)據(jù) t結(jié)果，中間計算可以不寫，絕對不能寫成：公式t結(jié)果，或只寫結(jié)果。而對誤差的計算應(yīng)是：先 列出各單項誤差，按如下步驟書寫，公式t代入數(shù)據(jù)T用百分?jǐn)?shù)書寫的結(jié)果。結(jié)果表達(dá)按下面格式寫出最后結(jié)果：N 待測量N.測量結(jié)果N 總絕對誤差Er相對誤差 100%N結(jié)果分析 對本次實驗的結(jié)果及主要誤差因數(shù)作簡要的分析討論，并完成課后的思考題。還 可以談?wù)剬嶒灥男牡?/p>

5、體會。如果實驗是為了觀察某一物理現(xiàn)象或者觀察某一物理規(guī)律，可只扼要地 寫出實驗結(jié)論。以上是對報告的般性要求。不同的實驗，可以根據(jù)具體情況有所側(cè)重和取舍，不必千篇一律。誤差處理物理實驗的任務(wù)，不僅僅是定性地觀察物理現(xiàn)象，也需要對物理量進(jìn)行定量測量，并找出各物 理量之間的內(nèi)在聯(lián)系。由于測量原理的局限性或近似性、測量方法的不完善、測量儀器的精度限制、測量環(huán)境的不理 想以及測量者的實驗技能等諸多因素的影響，所有測量都只能做到相對準(zhǔn)確。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷 開展，人們的實驗知識、手段、經(jīng)驗和技巧不斷提高，測量誤差被控制得越來越小，但是絕對不可 能使誤差降為零。因此，作為一個測量結(jié)果，不僅應(yīng)該給出被測對象的

6、量值和單位，而且還必須對 量值的可靠性做出評價，一個沒有誤差評定的測量結(jié)果是沒有價值的。下面介紹測量與誤差、誤差處理、有效數(shù)字、測量結(jié)果的不確定度評定等根本知識，這些知識 不僅在后面的實驗中要經(jīng)常用到，而且也是今后從事科學(xué)實驗工作所必須了解和掌握的。§1測量與誤差一、測量及其分類所謂測量，就是借助一定的實驗器具，通過一定的實驗方法，直接或間接地把待測量與選作計 量單位的同類物理量進(jìn)行比擬的全部操作。簡而言之，測量是指為確定被測對象的量值而進(jìn)行的一 組操作。按照測量值獲得方法的不同，測量分為直接測量和間接測量兩種。直接從儀器或量具上讀出待測量的大小，稱為直接測量。例如，用米尺測物體的長

7、度，用秒表測時間間隔，用天平測物體的質(zhì)量等都是直接測量，相應(yīng)的被測物理量稱為直接測量量。如果待測量的量值是由假設(shè)干個直接測量量經(jīng)過一定的函數(shù)運算后才獲得的，那么稱為間接測量。4m例如，先直接測出鐵圓柱體的質(zhì)量m、直徑D和高度h，再根據(jù)公式計算出鐵的的密度D2hP,這就是間接測量，P稱為間接測量量。按照測量條件的不同，測量又可分為等精度測量和不等精度測量。在相同的測量條件下進(jìn)行的一系列測量是等精度測量。例如，同一個人，使用同一儀器，采用同樣的方法，對同一待測量連續(xù)進(jìn)行屢次測量，此時應(yīng)該認(rèn)為每次測量的可靠程度相同，故稱之為 等精度測量，這樣的一組測量值稱為一個測量列。在不同測量條件下進(jìn)行的一系列測

8、量，例如不同的人員，使用不同的儀器，采用不同的方法進(jìn) 行測量，那么各次測量結(jié)果的可靠程度自然也不相同，這樣的測量稱為不等精度測量。處理不等精度 測量的結(jié)果時，需要根據(jù)每個測量值的“權(quán)重，進(jìn)行“加權(quán)平均，因此在一般物理實驗中很少采用。等精度測量的誤差分析和數(shù)據(jù)處理比擬容易，下面所介紹的誤差和數(shù)據(jù)處理知識都是針對等精 度測量的。誤差與偏差1. 真值與誤差任何一個物理量，在一定的條件下，都具有確定的量值，這是客觀存在的，這個客觀存在的量 值稱為該物理量的真值。測量的目的就是要力圖得到被測量的真值。我們把測量值與真值之差稱為 測量的絕對誤差。設(shè)被測量的真值為 X 0,測量值為X，那么絕對誤差£

9、;為£ = X -X 0 1由于誤差不可防止，故真值往往是得不到的。所以絕對誤差的的概念只有理論上的價值。2 .最正確值與偏差在實際測量中，為了減小誤差，常常對某一物理量 X進(jìn)行屢次等精度測量，得到一系列測量值 X, x2,，xn，那么測量結(jié)果的算術(shù)平均值為算術(shù)平均值并非真值， 但它比任一次測量值的可靠性都要高。 值可作為最正確值，稱為近真值。我們把測量值與算術(shù)平均值之差稱為2系統(tǒng)誤差忽略不計時的算術(shù)平均 偏差或殘差：vii 3三、誤差的分類正常測量的誤差，按其產(chǎn)生的原因和性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類，它們對測量結(jié)果 的影響不同，對這兩類誤差處理的方法也不同。在同樣條件下，對同一

10、物理量進(jìn)行屢次測量，其誤差的大小和符號保持不變或隨著測量條件的 變化而有規(guī)律地變化，這類誤差稱為系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差的特征是具有確定性，它的來源主要有以 下幾個方面：儀器因素由于儀器本身的固有缺陷或沒有按規(guī)定條件調(diào)整到位而引起誤差。例如，儀器標(biāo)尺的刻度不準(zhǔn)確，零點沒有調(diào)準(zhǔn)，等臂天平的臂長不等，砝碼不準(zhǔn)，測量顯微鏡精密螺桿存在回程 差，或儀器沒有放水平，偏心、定向不準(zhǔn)等。理論或條件因素由于測量所依據(jù)的理論本身的近似性或?qū)嶒灄l件不能到達(dá)理論公式所規(guī)定的要求而引起誤差。例如，稱物體質(zhì)量時沒有考慮空氣浮力的影響，用單擺測量重力加速度時要求 擺角 t 0,而實際中難以滿足該條件。人員因素由于測量人員的主觀

11、因素和操作技術(shù)而引起誤差。例如，使用停表計時，有的人總是操之過急，計時比真值短；有的人那么反響緩慢，計時總是比真值長；再如，有的人對準(zhǔn)目標(biāo)時， 總愛偏左或偏右，致使讀數(shù)偏大或偏小。對于實驗者來說，系統(tǒng)誤差的規(guī)律及其產(chǎn)生原因，可能知道，也可能不知道。已被確切掌握其 大小和符號的系統(tǒng)誤差稱為可定系統(tǒng)誤差；對于大小和符號不能確切掌握的系統(tǒng)誤差稱為未定系統(tǒng) 誤差。前者一般可以在測量過程中采取措施予以消除，或在測量結(jié)果中進(jìn)行修正。而后者一般難以 做出修正，只能估計其取值范圍。2. 隨機誤差在相同條件下，屢次測量同一物理量時，即使已經(jīng)精心排除了系統(tǒng)誤差的影響，也會發(fā)現(xiàn)每次 測量結(jié)果都不一樣。測量誤差時大時

12、小，時正時負(fù)，完全是隨機的。在測量次數(shù)少時，顯得毫無規(guī) 律，但是當(dāng)測量次數(shù)足夠多時，可以發(fā)現(xiàn)誤差的大小以及正負(fù)都服從某種統(tǒng)計規(guī)律。這種誤差稱為 隨機誤差。隨機誤差的特征是它的不確定性，它是由測量過程中一些隨機的或不確定的因素引起的。例如，人的感受視覺、聽覺、觸覺靈敏度和儀器穩(wěn)定性有限，實驗環(huán)境中的溫度、濕度、氣流 變化，電源電壓起伏，微小振動以及雜散電磁場等都會導(dǎo)致隨機誤差。除系統(tǒng)誤差和隨機誤差外，還有過失誤差。過失誤差是由于實驗者操作不當(dāng)或粗心大意造成的，例如看錯刻度、讀錯數(shù)字、記錯單位或計算錯誤等。過失誤差又稱粗大誤差。含有過失誤差的測量 結(jié)果稱為“壞值，被判定為壞值的測量結(jié)果應(yīng)剔除不用。

13、實驗中的過失誤差不屬于正常測量的范疇，應(yīng)該嚴(yán)格防止。3. 精密度、正確度和準(zhǔn)確度評價測量結(jié)果，常用到精密度、正確度和準(zhǔn)確度這三個概念。這三者的含義不同，使用時應(yīng)注 意加以區(qū)別。精密度反映隨機誤差大小的程度。它是對測量結(jié)果的重復(fù)性的評價。精密度高是指測量的重復(fù) 性好，各次測量值的分布密集，隨機誤差小。但是，精密度不能確定系統(tǒng)誤差的大小。正確度反映系統(tǒng)誤差大小的程度。正確度高是指測量數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值偏離真值較少，測量的 系統(tǒng)誤差小。但是，正確度不能確定數(shù)據(jù)分散的情況，即不能反映隨機誤差的大小。準(zhǔn)確度反映系統(tǒng)誤差與隨機誤差綜合大小的程度。準(zhǔn)確度高是指測量結(jié)果既精密又正確，即隨 機誤差與系統(tǒng)誤差均小。

14、現(xiàn)以射擊打靶的彈著點分布為例，形象地說明以上三個術(shù)語的意義。如圖1所示，其中圖a表示精密度高而正確度低，圖 b表示正確度高而精密度低，圖c表示精密度和正確度均低，即準(zhǔn)確度低，圖d表示精密度和正確度均高，即準(zhǔn)確度高。通常所說的“精度含義不明確，應(yīng) 盡量防止使用。精密度高，正確度低正確度高，精密度低精密度和正確度均低精密度和正確度均高圖1精密度、正確度和準(zhǔn)確度示意圖§ 誤差處理一、處理系統(tǒng)誤差的一般知識1 發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法系統(tǒng)誤差一般難于發(fā)現(xiàn)，并且不能通過屢次測量來消除。人們通過長期實踐和理論研究，總結(jié) 出一些發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的方法，常用的有：理論分析法 包括分析實驗所依據(jù)的理論和實驗方法

15、是否有不完善的地方；檢查理論公式所要 求的條件是否得到了滿足；量具和儀器是否存在缺陷；實驗環(huán)境能否使儀器正常工作以及實驗人員 的心理和技術(shù)素質(zhì)是否存在造成系統(tǒng)誤差的因素等。實驗比對法 對同一待測量可以采用不同的實驗方法，使用不同的實驗儀器，以及由不同的測 量人員進(jìn)行測量。比照、研究測量值變化的情況，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)誤差的存在。數(shù)據(jù)分析法因為隨機誤差是遵從統(tǒng)計分布規(guī)律的，所以假設(shè)測量結(jié)果不服從統(tǒng)計規(guī)律，那么說明存在系統(tǒng)誤差。我們可以按照規(guī)律測量列的先后次序，把偏差殘差列表或作圖，觀察其數(shù) 值變化的規(guī)律。比方前后偏差的大小是遞增或遞減的；偏差的數(shù)值和符號有規(guī)律地交替變化；在某 些測量條件下，偏差均為正

16、號或負(fù)號，條件變化以后偏差又都變化為負(fù)號或正號等情況，都可以判斷存在系統(tǒng)誤差。2.系統(tǒng)誤差的減小與消除知道了系統(tǒng)誤差的來源，也就為減小和消除系統(tǒng)誤差提供了依據(jù)。1減小與消除產(chǎn)生系統(tǒng)誤差的根源對實驗可能產(chǎn)生誤差的因素盡可能予以處理。比方采用更符合實際的理論公式，保證儀器裝置 良好，滿足儀器規(guī)定的使用條件等等。2利用實驗技巧，改進(jìn)測量方法對于定值系統(tǒng)誤差的消除，可以采用如下一些技巧和方法。交換法 根據(jù)誤差產(chǎn)生的原因，在一次測量之后，把某些測量條件交換一下再次測量。例如， 用天平稱質(zhì)量時，把被測物和砝碼交換位置進(jìn)行兩次測量。設(shè)mi和m2分別為兩次測得的質(zhì)量，取物體的質(zhì)量為 m . mi m2，就可以

17、消除由于天平不等臂而產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。替代法 在測量條件不變的情況下，先測得未知量，然后再用一標(biāo)準(zhǔn)量取代被測量，而不 引起指示值的改變，于是被測量就等于這個標(biāo)準(zhǔn)量。例如，用惠斯通電橋測電阻時，先接入被測電 阻，使電橋平衡，然后再用標(biāo)準(zhǔn)電阻替代被測量，使電橋仍然到達(dá)平衡，那么被測電阻值等于標(biāo)準(zhǔn)電 阻值。這樣可以消除橋臂電阻不準(zhǔn)確而造成的系統(tǒng)誤差。異號法 改變測量中的某些條件，進(jìn)行兩次測量，使兩次測量中的誤差符號相反，再取兩次測 量結(jié)果的平均值做為測量結(jié)果。例如，用霍耳元件測磁場實驗中，分別改變磁場和工作電流的方向， 依次為+B，+1、 +B，-I、-B，+1、-B，-I，在四種條件下測量電勢差Uh

18、，再取其平均值,可以減小或消除不等位電勢、溫差電勢等附加效應(yīng)所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差。此外，用“等距對稱觀測法可消除按線性規(guī)律變化的變值系統(tǒng)誤差；用“半周期偶數(shù)測量法 可以消除按周期性變化的變值系統(tǒng)誤差等等，這里不再詳細(xì)介紹。在采取消除系統(tǒng)誤差的措施后，還應(yīng)對其它的已定系統(tǒng)誤差進(jìn)行分析，給出修正值，用修正公 式或修正曲線對測量結(jié)果進(jìn)行修正。例如，千分尺的零點讀數(shù)就是一種修正值；標(biāo)準(zhǔn)電池的電動勢 隨溫度的變化可以給出修正公式；電表校準(zhǔn)后可以給出校準(zhǔn)曲線等等。對于無法忽略又無法消除或修正的未定系統(tǒng)誤差，可用估計誤差極限值的方法進(jìn)行估算。 以上僅就系統(tǒng)誤差的發(fā)現(xiàn)及消除方法做了一般性介紹。在實際問題中，系統(tǒng)誤

19、差的處理是一件復(fù)雜而困難的工作，它不僅涉及許多知識，還需要有豐富的經(jīng)驗，這需要在長期的實踐中不斷積累, 不斷提高。二、隨機誤差及其分布實驗中隨機誤差不可防止，也不可能消除。但是，可以根據(jù)隨機誤差的理論來估算其大小。為 了簡化起見，在下面討論隨機誤差的有關(guān)問題中，并假設(shè)系統(tǒng)誤差已經(jīng)減小到可以忽略的程度。1 .標(biāo)準(zhǔn)誤差與標(biāo)準(zhǔn)偏差采用算術(shù)平均值作為測量結(jié)果可以削弱隨機誤差。但是，算術(shù)平均值只是真值的估計值，不能 反映各次測量值的分散程度。采用標(biāo)準(zhǔn)誤差來評價測量值的分散程度是既方便又可靠的。對物理量 X進(jìn)行n次測量，其 標(biāo)準(zhǔn)誤差標(biāo)準(zhǔn)差定義為(x)l nIjm 仁(°)2在實際測量中，測量次數(shù)

20、 n總是有限的，而且真值也不可知。因此標(biāo)準(zhǔn)誤差只有理論上的價值。對標(biāo)準(zhǔn)誤差 (x)的實際處理只能進(jìn)行估算。估算標(biāo)準(zhǔn)誤差的方法很多，最常用的是貝塞爾法，它用實驗標(biāo)準(zhǔn)偏差 S X近似代替標(biāo)準(zhǔn)誤差(x)。實驗標(biāo)準(zhǔn)差的表達(dá)式為S(x) |二 ° 化 2 5 n 1 i 1本書中我們都是用此式來計算直接測量量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差，其含義將在下面討論。2.平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差如上所述，在我們進(jìn)行了有限次測量后，可得到算術(shù)平均值X。X也是一個隨機變量。在完全相同的條件下，屢次進(jìn)行重復(fù)測量，每次得 到的算術(shù)平均值本身也具有離散性由誤差理論可以證明，算術(shù)平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差為s(X)!1 1)(Xi x)2 6(

21、n 1) i i2所示，當(dāng)n>10以后，隨測量次數(shù)10-20次，而在物理實驗教學(xué)由此式可以看出， 平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差比任一次測量的實驗標(biāo)準(zhǔn)差 小。增加測量次數(shù)，可以減少平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差，提高測量的準(zhǔn)確度。但是，單純憑增加測量次數(shù)來提高準(zhǔn)確度的作用是有限的。如圖n的增加，S(x)減小得很緩慢。所以，在科學(xué)研究中測量次數(shù)一般取 中一般取6-10次。3 .隨機誤差的正態(tài)分布規(guī)律隨機誤差的分布是服從統(tǒng)計規(guī)律的首先，我們用一組測量數(shù)據(jù)來形象地說明這一點。例如用數(shù)字毫秒計測量單擺周期，重復(fù)60次n=60，將測量結(jié)果統(tǒng)計如下表：時間區(qū)間/s出現(xiàn)次數(shù) n頻數(shù)相對頻數(shù)0/%n時間區(qū)間/S出現(xiàn)次數(shù) n頻數(shù)

22、相對頻數(shù)n/%n1215253591591558162723以時間T為橫坐標(biāo)，相對頻數(shù)為縱坐標(biāo)，用直方圖將測量結(jié)果表示如圖 3.如果再進(jìn)行一組測n量如100次，做出相應(yīng)的直方圖，仍可以得到與前述圖形不完全吻合但輪廓相似的圖形。隨著次數(shù)的增加，曲線的形狀根本不變，但對稱性越來越明顯，曲線也趨向光滑。當(dāng)n時，上述曲線T的取變成光滑曲線。這表示測值T與頻數(shù)的對應(yīng)關(guān)系呈連續(xù)變化的函數(shù)關(guān)系。顯然，頻數(shù)與或稱高斯分布規(guī)律?？梢詫?dǎo)出正態(tài)n值有關(guān)，連續(xù)分布時它們之間的關(guān)系可以表示為竺 f(T)dTn dn函數(shù)f T 稱為概率密度函數(shù)，ndT其含義是在測值 T附近、單位時間間隔內(nèi)測值出現(xiàn)的概率。 當(dāng)測量次數(shù)足夠

23、多時，其誤差分布將服從統(tǒng)計規(guī)律。時隨機誤差服從正態(tài)分布許多物理測量中，當(dāng) n 分布概率密度函數(shù)的表達(dá)式為：f( )-re7f()的物理含義是：在誤差值 f ( )d表示誤差出現(xiàn)在 范圍內(nèi)是必然的，即概率為圖4是正態(tài)分布曲線。該曲線的橫坐標(biāo)為誤差，縱坐標(biāo)f()為誤差分布的概率密度函數(shù)。附近，單位誤差間隔內(nèi)，誤差出現(xiàn)的概率。曲線下陰影面積元+ d 區(qū)間內(nèi)的概率。按照概率理論，誤差 出現(xiàn)在區(qū)間，8就是標(biāo)準(zhǔn)差。在正態(tài)分布的情況下， 式7中 的物理意義是什么呢? 7可以看出，當(dāng)=0時，1100%。所以，圖中曲線與橫軸所包圍的面積應(yīng)恒等于1,即f( )d由概率理論可以證明 首先定性分析一下：從式f(0)1

24、，所以曲線峰值高，值大，f(0)就小，誤 5所示。因此，值越小，f (0)的值越大。由于曲線與橫坐標(biāo)軸所包圍的面積恒等于圖4正態(tài)分布曲線兩側(cè)下降就較快。這說明測量值的離散性小，測量的精密度高。相反，如果 差分布的范圍就較大，測量的精密度低。這兩種情況的正態(tài)分布曲線如圖4 置信區(qū)間與置信概率我們還可以從另一個角度理解的物理意義。計算一下測量結(jié)果分布在- 之間的概率，可得R f( )d 0.683 68.3% 9這就是說，在所測的一組數(shù)據(jù)中平均有68.3%的數(shù)據(jù)測值誤差落在區(qū)間-,之間。同樣也可以認(rèn)為在所測的一組數(shù)據(jù)中，任一個測值的誤差落在區(qū)間卜，內(nèi)的概率為68.3%我們把P稱作置信概率，-,就是

25、68.3%的置信概率，所對應(yīng)的 置信區(qū)間。顯然，擴大置信區(qū)間，置信概率就會提高?？梢宰C明，如果置信區(qū)間分別為-2, 2和-3,3，那么相應(yīng)的置信概率為1011k稱為包含因子，對于一個測量結(jié)果,只要給出置信P22 仁)d 95.5%3P33 f()d 99.7%般情況下，置信區(qū)間可用 -k, k 表示,區(qū)間和相應(yīng)的置信概率就表達(dá)了測量結(jié)果的精密度。對應(yīng)于-3，3 這個置信區(qū)間，其置信概率為99.7%，即在1000次的重復(fù)測量中，隨機誤差超出-3，3的平均只有3次。對于一般有限次測量來說，測量值超出這一區(qū)間的可能性非常小，因此常將3稱為極限誤差。根據(jù)誤差理論，當(dāng)測量次數(shù)很少時例如，少于10次，測量

26、列的誤差分布將明顯偏離正態(tài)分布，這時測量值的隨機誤差將遵從t分布。這個分布是1908年由戈塞特首先提出來的，由于發(fā)表時使用了筆名“ Student 故也稱“學(xué)生分布 。t分布曲線與正態(tài)分布曲線類似，兩者的主要區(qū)別是t分布的峰值低于正態(tài)分布，而且上部較窄，下部較寬，如圖1-6。這樣，在有限次測量的情況下，就要將隨機誤差的估算值取大一些，包含因子k應(yīng)轉(zhuǎn)換成tp, tp值與測量次數(shù)有關(guān)，也與置信概率P有關(guān)，表1給出了 tp與測量次數(shù)n、置信概率P的對應(yīng)關(guān)系，供查用。由表1可見，當(dāng)置信概率 P=68%時，tp因子隨測量次數(shù)增加而趨向于1。當(dāng)n>6以后，tp與1的偏離并不大，故在進(jìn)行誤差估算時，當(dāng)

27、n >6時置信概率取 68.3%，包含因子可以不加修正。/、正態(tài)分布/J氐分布nr圖6 t分布與正態(tài)分布比擬三. 壞值的剔除在一列測量值中，有時會混有偏差很大的“可疑值。一方面，“可疑值可能是壞值，會影響測量結(jié)果，應(yīng)將其剔除不用。另一方面，當(dāng)一組正確測量值的分散性較大時，盡管概率很小，出現(xiàn) 個別偏差較大的數(shù)據(jù)也是可能的，即“可疑值也可能是正常值，如果人為地將它們剔除，也不合 理。因此要有一個合理的準(zhǔn)那么，判定“可疑值是否為“壞值。下面介紹三種常用的準(zhǔn)那么。1 .拉依達(dá)準(zhǔn)那么如前所述，3可認(rèn)為是極限誤差，它的估算值3S(x)也可以認(rèn)為是極限偏差。按照拉依達(dá)準(zhǔn)那么，將偏差大于 3S(x)的數(shù)

28、據(jù)視為壞值而將它剔除。剔除壞值時，首先應(yīng)算 出測量列X1,X2,?,Xn的算術(shù)平均值x和任一次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差S(x)，然后檢驗每一個測值的偏差，如果XjX >3 S(x),那么確定Xi為壞值予以剔除。對剔除后的測量列再重復(fù)進(jìn)行上述步驟，直到無壞值為止。應(yīng)該指出的是，拉依達(dá)準(zhǔn)那么只有在測量次數(shù)n> 10時才能應(yīng)用。因為根據(jù)S(x)的定義式5，當(dāng)n<9時，恒有xi X 3S(x)，即拉依達(dá)準(zhǔn)那么失效。2. 維涅準(zhǔn)那么肖維涅準(zhǔn)那么考慮了測量次數(shù)對偏差的影響。設(shè)重復(fù)測量的次數(shù)為n,任一次測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為S(x),肖維涅準(zhǔn)那么認(rèn)為，如果測值xi(i=l , 2,，n)滿足xi x

29、C(n)S(x)，那么認(rèn)為xi為壞值，予以剔除。式中C(n)稱為肖維涅系數(shù)，其值與測量次數(shù)n有關(guān)，下表給出了不同測量次數(shù)對應(yīng) 的C(n)值。測量次數(shù)越多，C(n)越大；當(dāng)n>ioo時，C(n)值接近于3,和拉依達(dá)準(zhǔn)那么相當(dāng)。但當(dāng)n < 4時，準(zhǔn)那么無效，所以表中的系數(shù) n從5開始.表2肖維涅系數(shù)nC( n)nC( n)nC( n)51423615247162581730918401019P5011207512211001322200格拉布斯準(zhǔn)那么比肖維涅準(zhǔn)那么更為科學(xué)，它同時考慮了測量次數(shù) n和置信概率P的影響。該準(zhǔn)那么認(rèn)為，如果Xjg(n，P)S(x)時，測量值Xj為壞值的置信概

30、率為 p。式中g(shù)值為格拉布斯系數(shù)，其值見表3。表3格拉布斯系數(shù)g(n,p)n345367891011121314京、151617181920242832364050必須指出，按以上準(zhǔn)那么判別時,假設(shè)測量數(shù)據(jù)中存在兩個以上測值需要剔除，只能先剔除偏差最大的測值，然后重新計算平均值 X及標(biāo)準(zhǔn)偏差S(x)，再對余下的測值進(jìn)行判斷，直至所有的測值均不 是壞值為止。由于大學(xué)物理實驗中大多數(shù)情況下重復(fù)測量次數(shù)小于9次，所以實驗課程中不使用拉依達(dá)準(zhǔn)那么。格拉布斯準(zhǔn)那么較為科學(xué)，但是涉及置信概率的考慮，較為復(fù)雜。我們一般可采用肖維涅準(zhǔn)那么，必要時采用格拉布斯準(zhǔn)那么判斷壞值四、儀器誤差1. 儀器的示值誤差限測量

31、儀器的誤差來源往往很多，逐項進(jìn)行深入的分析處理是很困難的，在絕大多數(shù)情況下也沒 有必要。實際上，人們最關(guān)心的是儀器提供的測量結(jié)果與真值的一致程度，即測量結(jié)果中各儀器的 系統(tǒng)誤差與隨機誤差的綜合估計指標(biāo)。在物理實驗中，常常把國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或檢定規(guī)程規(guī)定的計量 器具最大允許誤差或允許根本誤差經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕Q為儀器誤差限儀器示值差限用 m來表示，它代表在正確使用儀器的條件下，儀器示值與被測量真值之間可能產(chǎn)生的最大誤差的絕對值.儀器的示值誤差限通常是由制造工廠或計量部門使用更精確的儀器、量具，經(jīng)過檢定比擬 合格給出的，一般寫在儀器的標(biāo)牌上或說明書中，有的儀器直接給出了儀器的準(zhǔn)確等級。各類儀器 的示值誤差

32、限與其準(zhǔn)確度等級之間都存在著一定的關(guān)系一般由儀器的量程和準(zhǔn)確度等級可以 求出儀器示值誤差限的大小。不同的儀器、量具，其示值誤差限有不同的規(guī)定。例如，游 標(biāo)卡尺不分精度等級，測值范圍在300mm以下的示值誤差一律取游標(biāo)的分度值。螺旋測微計分零級和一級兩類，通常實驗室使用的為一級，其示值誤差隨測量范圍的不同而不同，量程在025mm ,及2050mm的一級千分尺的示值誤差均為m。天平的示值誤差以標(biāo)尺分度值的倍數(shù)形式給出，它與天平的稱量載荷有關(guān)，本講義中約定，取 天平標(biāo)尺分度值的一半做為儀器的示值誤差。電表的示值誤差，可以根據(jù)其量程和準(zhǔn)確度等級計算：m=量程準(zhǔn)確度等級%如果測量儀器是數(shù)字式儀表，那么取

33、其末位數(shù)最小分度單位為示值差。在我們不能知道儀器的示 值誤差限或準(zhǔn)確度等級的情況下，也可以取其分度值的一半做為示值誤差限。還有一些儀器如電阻箱，電橋，電勢差計等的誤差用根本誤差來表示，其值需用專用公式 來計算。儀器誤差提供的是誤差絕對值的極限值，而不是測量的真實誤差，也無法確定其符號。在對測量結(jié)果的誤差評定中，隨機誤差是用標(biāo)準(zhǔn)誤差來估算的，相應(yīng)地，也需要知道儀器的標(biāo) 準(zhǔn)誤差。儀器的標(biāo)準(zhǔn)誤差用儀表示，它實際上是一個等價標(biāo)準(zhǔn)誤差，下面要討論的是如何確定儀器的標(biāo)準(zhǔn)誤差，以及它與儀器誤差間的關(guān)系。儀器標(biāo)準(zhǔn)誤差圖7均勻分布類似。般儀器誤差的概率密度函數(shù)近似服從如圖7所示的均勻分布規(guī)律。在-m , m范圍

34、內(nèi)，誤差出現(xiàn)的概率相同，-m ,m區(qū)間以外出現(xiàn)的概率為零。例如，游標(biāo)卡尺的儀器誤差，儀器度盤或其它傳動齒輪的回差所產(chǎn)生的誤差，機械秒表在其分度值內(nèi)不能分辨引起的誤差，指零儀表判斷平衡的誤差等，都屬于均勻分布。 均勻誤差的概率密度函數(shù)為f()根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差的定義，可以求出儀器的標(biāo)準(zhǔn)誤差與儀器誤差限m儀3儀的物理含義與標(biāo)準(zhǔn)誤差3 .儀器的靈敏閾儀器的靈敏閾是指足以引起儀器示值可覺察變化的被測量的最小變化值，即當(dāng)被測量值小于這 個閾值時，儀器將沒有反響。例如，數(shù)字式儀表最末一位數(shù)所代表的量就是數(shù)字式儀表的靈敏閾。 對指針式儀表，由于人眼能覺察到的指針改變量一般為分度值，于是可以把分度值所代表的量作為

35、指針式儀表的靈敏閾。靈敏閾越小，說明儀器的靈敏度越高。一般地講，測量儀器的靈敏閾應(yīng)該小 于示值誤差限，而示值誤差限應(yīng)該小于最小分度值。但是也有一些儀器，特別是實驗室中頻 頻使用的儀器，準(zhǔn)確度等級可能降低了或靈敏閾變大了，因而使用這樣的儀器前，應(yīng)檢查其靈敏閾。 當(dāng)儀器靈敏閾超過儀器示值誤差限時，儀器示值誤差限便應(yīng)由儀器的靈敏閾來代替，這一點并 不難理解。§3有效數(shù)字的記錄與運算一、有效數(shù)字的一般概念cm、13.5cm、13.6cm都可以。換不同的測量者進(jìn)行測量，前兩位數(shù)不會變化， 我們稱之為 準(zhǔn)確數(shù)字，但最后一位數(shù)字各人估計的結(jié)果可能略有不同，我們把這位數(shù)稱為欠準(zhǔn)數(shù)字或可疑數(shù)字。雖然最

36、后這位數(shù)字欠準(zhǔn)，但是記上它能客觀地反映出該物體比13cm長，比14cm短的實際情況，比擬合理。我們把測量結(jié)果中可靠的幾位數(shù)字加上可疑的一位數(shù)字，統(tǒng)稱為測量結(jié)果的有效數(shù)字。有效數(shù)字的上述定義，適用于直接測量量和間接測量量。圖8有效數(shù)字概念“ 5 “ 5是準(zhǔn)確測量出來的，而百分位上的“0才是欠準(zhǔn)的。因為有效數(shù)字只有最后一位是欠準(zhǔn)的，因此大體上說有效數(shù)字的位數(shù)越多，相對誤差就越小。1 2一般來說。測量結(jié)果有兩位有效數(shù)字時，對應(yīng)于 10 10 量級的相對誤差；有三位有效數(shù)字時，對應(yīng)于10 2 10 3量級的相對誤差。X 105m X 10-7s分別表示兩個量的有效數(shù)字是2位和4位，而如果將3 .8 X

37、 105記成380 000m不但繁瑣，而且有效數(shù)字的位數(shù)錯誤，人為地將精度提高了4個數(shù)量級。.直接測量量的有效數(shù)字的讀取在進(jìn)行直接測量時，要用到各種各樣的儀器和量具。從儀器和量具上直接讀數(shù)，必須正確讀取 有效數(shù)字，它是進(jìn)一步估算誤差和數(shù)據(jù)處理的根底。一般而言，儀器的分度值是考慮到儀器誤差所在位來劃分的。由于儀器多種多樣，讀數(shù)規(guī)那么也 略有區(qū)別。正確讀取有效數(shù)字的方法大致歸納如下：1. 一般讀數(shù)應(yīng)讀到最小分度以下再估一位，但不一定估讀十分之一，也可根據(jù)情況如分度的間距、刻線、指針的粗細(xì)及分度的數(shù)值等估讀最小分度值的1/5、1/4或1/2。但無論怎樣估計，最小分度位總是準(zhǔn)確位，最小分度的下一位是估

38、計的欠準(zhǔn)位。2. 有時，讀數(shù)的估計位就取在最小分度位。如儀器的最小分度值為0.5，那么0.1、0.2、0.3、0.4及0.6、0.7、0.8、0.9都是估計的；如儀器最小分度值為 0.2，貝U 0.3、0.5、0.7、0.9都是估 計的。這類情況都是不必再估到下一位。3. 游標(biāo)類量具，只讀到游標(biāo)分度值，一般不估讀，特殊情況估讀到游標(biāo)分度值的一半。4. 數(shù)字式儀表及步進(jìn)讀數(shù)儀器如電阻箱不需要進(jìn)行估讀，儀器所顯示的末位就是欠準(zhǔn)數(shù)字。5. 特殊情況下，直讀數(shù)據(jù)的有效數(shù)字由儀器的靈敏閾決定。例如，在測量靈敏電流計臨界電阻時，調(diào)節(jié)電阻箱的“X10"QQ，測量值也只能記錄到“X10QX 103Q

39、 .6. 在讀取數(shù)據(jù)時，如果測值恰好為整數(shù)，那么必須補“0，一直補到可疑位。例如，用最小刻度為1mm的鋼卷尺測量某物體的長度恰為12 mm寸，應(yīng)記為12.0mm如果改用游標(biāo)卡尺測量同一物體，讀數(shù)也為整數(shù)，應(yīng)記為 12.00mm；如再改用千分尺來測量，讀數(shù)仍為整數(shù)，那么應(yīng)記為12.000 mm切不可一律記為 12mm三、間接測量量有效數(shù)字的運算間接測量量測量結(jié)果的有效數(shù)字，最終應(yīng)由測量不確定度的所在位來決定詳見§ 4有關(guān)內(nèi)容但是在計算不確定度之前，間接測量量需要經(jīng)過一系列的運算過程。運算時，參加運算的量可能很多，有效數(shù)字的位數(shù)也不一致。如果數(shù)字相乘，位數(shù)會增加；如果相除而又除不盡，位數(shù)

40、可以無止 境。為了簡化運算過程，一般可以按以下規(guī)那么進(jìn)行運算：1. 幾個數(shù)進(jìn)行加減運算時，其結(jié)果的有效數(shù)字末位和參加運算的諸數(shù)中末位數(shù)數(shù)量級最大的那一位取齊，稱為“尾數(shù)取齊。例如，278.2+12.451=290.7。2. 幾個數(shù)進(jìn)行乘除運算時，其結(jié)果的有效數(shù)字的位數(shù)與參與運算的諸數(shù)中有效數(shù)字位數(shù)最少的 那個相同，稱為“位數(shù)取齊 X 20.5=110。3. 一個數(shù)進(jìn)行乘方、開方運算，其結(jié)果的有效數(shù)字位數(shù)與被乘方、開方數(shù)的有效數(shù)字位數(shù)相同。 例如，,200=14.1.4. 一般說來，函數(shù)運算的有效數(shù)字，應(yīng)按間接量測量誤差傳遞公式進(jìn)行計算后決定。在普通實 驗中，為了簡便統(tǒng)一起見，對常用的對數(shù)函數(shù)、

41、指數(shù)函數(shù)和三角函數(shù)按如下規(guī)那么處理：對數(shù)函數(shù)運算結(jié)果的有效數(shù)字中， 小數(shù)點后面的位數(shù)取成與真數(shù)的位數(shù)相同；指數(shù)函數(shù)運算結(jié)果的有效數(shù)字中,小數(shù)點后的位數(shù)取成與指數(shù)中小數(shù)點后的位數(shù)相同；三角函數(shù)結(jié)果中有效數(shù)字的取法，可采用試探 法，即將自變量欠準(zhǔn)位上、下波動一個單位，觀察結(jié)果在哪一位上波動，結(jié)果的欠準(zhǔn)位就取在該位 上。以上所述有效數(shù)字的運算規(guī)那么，只是一個根本原那么，在實際問題中，為防止屢次取舍而造成誤 差的累積效應(yīng)，常常采用在中間運算時多取一位的方法。在計算器和微機已經(jīng)相當(dāng)普及的今天，中 間過程多取幾位有效數(shù)字不會給我們帶來太多的麻煩，所以在中間運算過程中，可以適當(dāng)多取幾位如多取2、3位。最后表

42、達(dá)結(jié)果時，有效數(shù)字的取位再由不確定度的所在位來一并截取。四、有效數(shù)字尾數(shù)的舍入法那么過去對有效數(shù)字的尾數(shù)采用“四舍五入的規(guī)那么來修約，但是這樣處理“入的時機總是大于“舍的時機，引起最后結(jié)果偏大。為了彌補這一缺陷，目前普遍采用“小于五舍3.542 2 t3.543.546 6 t3.553.535 0 t 3.54小于五舍去3.545 0 t 3.54等于五湊偶 大于五進(jìn)位 小于五舍去去，大于五進(jìn)位，等于五湊偶的規(guī)那么來修約。例如，將以下數(shù)據(jù)保存三位有效數(shù)字的修約結(jié)果是:大于五進(jìn)位3.545 01t 3.55等于五湊偶3.544 99t 3.54§測量結(jié)果的不確定度評定、測量不確定度的

43、根本概念前面對測量中可能存在的各種誤差做了簡單介紹。這些誤差的存在，使得測量結(jié)果具有一 定程度的不確定性。所以，對某一物理量進(jìn)行測量，我們只能知道測量值N與真值N0之差的絕對值以一定概率分布在-u u之間，用公式表示為N N0 u置信概率為P 13其中，u值可以通過一定的方法進(jìn)行估算，稱為不確定度，它表征真值以某置信概率存在的范圍，是對測量結(jié)果不確定性的度量。1980年，國際計量局提出了關(guān)于“實驗不確定度的建議書，建議用不確定度來評價測量的質(zhì)量。1981年，第17屆國際計量大會通過了采納“建議書的決議。我國計量科學(xué)院在1986年也發(fā)出了用不確定度作為誤差指標(biāo)名稱的通知。國家技術(shù)監(jiān)督局決定于19

44、92年10月1日正式開始采用不確定度進(jìn)行誤差的評定工作。在實驗中全面采用不確定度來評價測量的結(jié)果已成為必然的趨 勢。嚴(yán)格的不確定度理論比擬復(fù)雜。考慮到本課程的性質(zhì)，對不確定度評定的介紹將在保證其 科學(xué)性的前提下，適當(dāng)加以簡化，以免初學(xué)者不得要領(lǐng)。2. 不確定度的分量由于誤差的來源很多，測量結(jié)果的不確定度一般也包含幾個分量。在修正了可定系統(tǒng)誤差 之后，把余下的全部誤差歸為A、B兩類不確定度分量。不確定度A類分量Ua：屢次重復(fù)測量，用統(tǒng)計方法求出的分量。直接測量量的A類不確定度分量就用平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差表示，即Ua S(X) 14不確定度B類分量Ub：用其他非統(tǒng)計方法估算的分量。在實驗中盡管有多方

45、面的因素存在，本講義中一般只考慮儀器誤差這一主要因素。我們用儀器的等價標(biāo)準(zhǔn)差儀近似表示不確定度B類分量，式中m可以是儀器的c示值誤差限、根本誤差或儀器的靈敏閾。因子c與儀器誤差的分布規(guī)律有關(guān)。如果儀器誤差服從均勻分布規(guī)律，那么 c ,3;假設(shè)服從正態(tài)分布，那么 c=3 ；在不能確定其分布規(guī)律的情況下，本著 不確定度取偏大值的原那么，也取c . 3。本講義中，我們一律將 c取為3，即U B儀15埒'3二、直接測量結(jié)果的不確定度評定1. 合成不確定度在各不確定度分量相互獨立的情況下，將兩類不確定度分量按“方和根的方法合成，構(gòu) 成合成不確定度，即j22-u(x) . Ua Ub 16在許多情

46、況下，需要采用95% 99%或 99.7%等較高的置信概率。這時，可以在合成不確定度前乘以一個包含因子 k來求擴展不確定度U(X)。待測量的不確定度服從正態(tài)分布時，對應(yīng)于置信概率P=68.3%,近似地取k=1;對應(yīng)于置信概率 P=95%近似地可取k= 2;對應(yīng)與置信概率 P=99.7%, k = 3。我們認(rèn)為，物理實驗課對誤差處理的要求，主要在于建立正確的概念，而不拘泥于對某一 值的精確計算，從這一觀點出發(fā)，置信概率均取68.3%。按照國際計量局1980年的建議書，直接測量量X的測量結(jié)果可表示為X X u(x)(單位)P=(17)對于測量結(jié)果，同時還可以用相對不確定 度表示：E(x)鑿 100

47、%(18)x這里應(yīng)特別注意兩點：(1) 不確定度有效數(shù)字的取位由于不確定度本身只是一個估計范圍，所以其有效數(shù)字一般只取一或二位。在本課程中為了教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，我們約定對測量結(jié)果的合成不確定度或總不確定度只取一位有效數(shù)字，相對不確定度可取兩位有效數(shù)字。此外，我們還約定，截取剩余尾數(shù)一律采取 進(jìn)位法處理，即剩余尾數(shù)只要不為零，一律進(jìn)位，其目的是保證結(jié)果的置信概率水平不降低。(2) 測量結(jié)果有效數(shù)字的取位對測量結(jié)果本身有效數(shù)字的取位必須使其最后一位與不確定度最后一位取齊。截取時，剩余尾數(shù)按“小于 5舍去，大于5進(jìn)位，等于5湊偶的規(guī)那么修約。所以，x (9.800.03) cm是正確的表示，而x (9.80

48、40.03) cm或x (9.80.03) cm均是不正確的表示。例如，用數(shù)字毫秒計測得某單擺周期的算術(shù)平均值為2.18305s，經(jīng)計算，求出置信概率P=68.3%時的不確定度為 0.0031s，其結(jié)果應(yīng)表示為T (2.183 0.004)s P=68.3%該式表示此單擺周期的真值落在2.183 0.004,2.183 + 0.004 范圍內(nèi)的概率有 68.3%。這一測量列的相對不確定度為E(T) = 0.17 %假設(shè)某直接測量量為 X,其不確定度評定的步驟歸納如下:1修正測量數(shù)據(jù)中的可定系數(shù)誤差；2計算測量列的算術(shù)平均值 X作為測量結(jié)果的最正確值;3計算測量列任一次測量值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差S(x)

49、；4審查各測值，如有壞值那么予以剔除，易V除后再重復(fù)步驟(2)、5)計算平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差S(X)作為不確定度A類分量Ua；2 2. Ua Ub及擴展不確定度U(x)ku(x),68.3%、95%和99.7%時,k可分別取近似值為 1、2、3;6計算不確定度 B類分量uB7求合成不確定度u(x)當(dāng)不確定度正態(tài)分布時，置信概率取8寫出最終結(jié)果表示式：xx U xE xU x(P=)100%x例用一級千分尺對一小球直徑測量8次，測量結(jié)果見下表第二行數(shù)據(jù)，千分尺的零點讀數(shù)為0.008mm,試處理這組數(shù)據(jù)并給出測量結(jié)果。次數(shù)12345678D'/mmD/mm解 (1)修正千分尺的零點誤差：?(

50、D' 0.008)mm,填入上表第三行；2直徑的算術(shù)平均值 D ；3某次測值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差為n_8S(D) (Di D)2 = 0.0033 mm (中間運算多取一位，下同) V81 i ix 0.0033mm x 0.0033mn。經(jīng)檢查，無壞值。5A類分量的估算值平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差：uA S( D) S(,D)0.0011 mmv'86B類分量的估算值：按照國家計量標(biāo)準(zhǔn)，一級千分尺在測量范圍0 100mm內(nèi)的儀器誤差限儀=0.004mm； u b 0.0023 mm V3 0.003mm；7合成不確定度 u(D) . S(D)28測量結(jié)果為+mmP=68.3%E(D)=0.0

51、03=0.15%2.118假設(shè)取P=95%，那么擴展不確定度 UD=2 x u (D)=0.006mm，測量結(jié)果為+mm P=95%E(D)=0.006=0.29%2.118在這里，我們還應(yīng)該特別說明對于單次測量的不確定度處理。在實際測量中，有些量是隨時間 變化的，無法進(jìn)行重復(fù)測量；也有些量因為對它的測量精度要求不高，沒有必要進(jìn)行重復(fù)測量；還 有些量由于儀表的精密度較差，不能反映測量值的隨機誤差，幾次測量值都相同，這時可按單次測 量來處理。般情況下，我們就約定單次測量的不確定度簡單地取Am。三、間接測量量的不確定度評定 設(shè)間接測量量N與直接測量量X,y,z,的函數(shù)關(guān)系為N = f (x,y,z

52、,)(19)由于x,y,z具有不確定度u( x),u(y),u(z),，N也必然具有不確定度u(N),所以對間接測量量N的結(jié)果也需采用不確定度評定。在直接測量中，我們以算術(shù)平均值X,y,z,作為最正確值。在間接測量中，可以證明N f (X, y, z,)為間接測量量的最正確值，即間接測量量的最正確值由各直接測量量的算術(shù)平均 值代入函數(shù)關(guān)系式而求得。19兩邊取微分:dN也可以先對19dNN丄 dx dy x y式兩邊取自然對數(shù),ln f lndxxdz z再取微分，得In fdzz(20)y dy21由于直接測量量具有不確定度，從而導(dǎo)致間接測量量也具有不確定度。 因為不確定度是一個微小量，故可以

53、借助于微分手段來研究。對式其中dN對應(yīng)于u(N) , d( x)對應(yīng)于u X，式20和式21中各求和項稱為不確定度項，各直接測量量不確定度前面的系數(shù)丄、丄、丄及一、一1、一1稱為不確定度傳遞系數(shù)x y zx y z當(dāng)直接測量量x,y,z,彼此獨立時，間接測量量N的不確定度為各分量的均方根：u(N)2u(y) y2 f u(z) z222In fu(z) 23 zA y,A z項，要先合并同類項,再求均i22u(N)ln f /、ln f /、E(N)u(x) u(y)N xy求均方根時要保證各項是獨立的。如果出現(xiàn)多個 x或方根。對于以加減運算為主的函數(shù)，先用式22求不確定度u(N)，再用求相對不確定度比擬N簡便；而對以乘除運算為主的函數(shù)，那么先用式23求出其相對不確定度 曰N，再用u(N) N E(N)求不確定度比擬簡便。