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文檔簡介
1、第二講 測量的不確定度與數(shù)據(jù)處理 (續(xù)),1,PPT學(xué)習(xí)交流,測量的不確定度與數(shù)據(jù)處理,(一)測量 (二)測量誤差 (三)測量的不確定度 (四)數(shù)據(jù)處理,2,PPT學(xué)習(xí)交流,測量的不確定度,不確定度: 由于測量誤差的存在,測量結(jié)果必然存在不確定成份,如何用科學(xué)、合理的方法對實驗結(jié)果評價。 -對測量結(jié)果不確定程度的評定。 1) 對測量結(jié)果可信賴程度的評定。 2) 對被測量量的真值或平均值在以一定概率所處量值范圍的評定。(置信區(qū)間,置信概率),3,PPT學(xué)習(xí)交流,測量不確定度:由于測量方法和誤差來源不同,不確定度也有不同種類和不同的評定方法: 直接測量方法:直接測量量的不確定度 A類不確定度:用統(tǒng)
2、計方法處理隨機誤差 B類不確定度:用非統(tǒng)計方法處理系統(tǒng)誤差 間接測量方法:間接測量量的不確定度,4,PPT學(xué)習(xí)交流,1、直接測量量A類不確定度的估計,平均值,測量列的標(biāo)準(zhǔn)差 (貝塞爾公式),測量列平均值的標(biāo)準(zhǔn)差,A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度,待測物理量(平均值或真值)處在,置信區(qū)間的置信概率為68.3%,置信區(qū)間的置信概率為99.7%,置信區(qū)間的置信概率為95.4%,一 、直接測量量的不確定度,5,PPT學(xué)習(xí)交流,2、直接測量量B類 標(biāo)準(zhǔn)不確定度:,6,PPT學(xué)習(xí)交流,二 、間接測量量的不確定度,間接測量量的不確定度傳遞與合成,7,PPT學(xué)習(xí)交流,直接、,8,PPT學(xué)習(xí)交流,不確定度的算術(shù)合成 僅用于設(shè)計
3、,不用于數(shù)據(jù)處理!,在很多情況下,只需粗略估計不確定度的大小,可采用較為保守的算術(shù)合成法。 此時合成的不確定度常稱作為: “最大不確定度”,9,PPT學(xué)習(xí)交流,間接測量量不確定度的 算術(shù)合成,10,PPT學(xué)習(xí)交流,間接測量量不確定度的 算術(shù)合成,1.對函數(shù)求全微分(對加減法), 或先取對數(shù)再求全微分(對乘除法); 2.合并同一分量的系數(shù),合并時,有的項可以相互抵消,從而可以得到最簡單的形式; 3.系數(shù)取絕對值; 4.將微分號變?yōu)椴淮_定度符號。,11,PPT學(xué)習(xí)交流,不確定度分析的意義,1.不確定度表征測量結(jié)果的可靠程度,反映測量的精確度。 2.根據(jù)對測量不確定度的要求設(shè)計實驗方案,選擇儀器、測
4、量方法等;在實驗過程和實驗后,通過對不確定度大小及其成因的分析,找到影響實驗精確度的原因并加以校正。,12,PPT學(xué)習(xí)交流,不確定度均分原理,在間接測量中,按均分原理,將測量結(jié)果的總不確定度均勻分配到各個分量中,由此分析各物理量的測量方法和使用的儀器,指導(dǎo)實驗。 一般而言,這樣做比較經(jīng)濟合理,對測量結(jié)果影響較大的物理量,應(yīng)采用精確度較高的儀器,而對測量結(jié)果影響不大的物理量,就不必追求高精度儀器。,13,PPT學(xué)習(xí)交流,例:單擺測重力加速度的設(shè)計性實驗,( 大學(xué)物理實驗教材,p126) 實驗原理 實驗內(nèi)容 1. 用不確定度均分原理,根據(jù)測量精度要求,自行設(shè)計實驗方案,測量重力加速度。 2.對重力
5、加速度g的測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和數(shù)據(jù)處理,檢驗實驗結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計要求。 3.測量結(jié)果與深圳地區(qū)重力加速度比較。,14,PPT學(xué)習(xí)交流,假設(shè)擺長:約70.00cm 擺球直徑:約2.00cm 擺動周期:1.700s 米尺精度米0.05cm, 卡尺精度卡0.002cm, 千分尺精度千0.001cm; 秒表精度秒0.01s;根據(jù)統(tǒng)計分析,實驗人員開或停秒表反應(yīng)時間為0.1s左右,所以實驗人員開,停秒表總的反應(yīng)時間近似為人0.2s. 要求細(xì)絲直徑、擺球直徑,周期各測6次,15,PPT學(xué)習(xí)交流,實驗原理,線的質(zhì)量小球的質(zhì)量 球的直徑4.510,24,PPT學(xué)習(xí)交流,2. 測量結(jié)果的有效數(shù)字,測量結(jié)果有效
6、數(shù)字位數(shù)取決于測量結(jié)果的不確定度, 如何確定測量結(jié)果有效數(shù)字? (1).計算測量結(jié)果的不確定度: 1)不確定度通常只取一位有效數(shù)字,首位數(shù)字小于等于3時,也可取兩位有效數(shù)字。 2)不確定度的取舍采用四舍六入五湊偶。 3)數(shù)值運算在中途不必進(jìn)行取舍,最后進(jìn)行一次取舍即可 (2).測量結(jié)果的有效位數(shù)向不確定度看齊。,25,PPT學(xué)習(xí)交流,3. 常用數(shù)據(jù)處理方法,(1)列表法 (2)作圖法:圖示法,圖解法 (3)逐差法 (4)最小二乘法與線性回歸,26,PPT學(xué)習(xí)交流,(1)列表法:例如,表面張力系數(shù)的測定實驗 焦利氏秤的彈簧伸長量與所加的砝碼重量的關(guān)系 l0=37.3mm,27,PPT學(xué)習(xí)交流,(
7、2)作圖法:圖示法、 圖解法,圖示法:作圖表示被測物理量之間關(guān)系 圖解法:根據(jù)圖示法變量的關(guān)系,求解實驗方程。 例如:1)確定直線的斜率和截距 2)曲線改直:當(dāng)函數(shù)關(guān)系為非線性時,可通過數(shù)學(xué)變換將其化為線性,再求出直線的斜率和截距。,28,PPT學(xué)習(xí)交流,作圖法:用坐標(biāo)紙或計算機,1)坐標(biāo)的選擇:最常用的是直角坐標(biāo),對數(shù)坐標(biāo)、半對數(shù)坐標(biāo) 2)確定坐標(biāo)軸和標(biāo)注坐標(biāo)分度: 選取坐標(biāo)軸并標(biāo)出各坐標(biāo)軸所代表的物理量,即坐標(biāo)軸名稱及物理量的單位。 一般自變量作為橫軸, 坐標(biāo)分度:原則上數(shù)據(jù)中的可靠數(shù)字在圖中也應(yīng)可靠,可疑位在圖中應(yīng)是估計。 3)適當(dāng)選取x軸和y軸的比例和坐標(biāo)的起點,使圖線比較對稱的充滿整
8、個圖紙 4)標(biāo)明實驗點:根據(jù)所測得的數(shù)據(jù),選用符號標(biāo)明實驗點。 5)連接實驗圖線:根據(jù)不同函數(shù)關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)點的分布,將點連成直線和光滑的曲線,數(shù)據(jù)點均勻地分布在圖線兩側(cè)。作為校準(zhǔn)曲線,將各校準(zhǔn)點連成折線。 6)標(biāo)明圖名稱,29,PPT學(xué)習(xí)交流,電壓表校準(zhǔn)曲線圖,熱敏電阻的電阻溫度關(guān)系,熱敏電阻 lnRT 1/T關(guān)系,30,PPT學(xué)習(xí)交流,熱敏電阻 lnRT 1/T關(guān)系 用半對數(shù)坐標(biāo)紙作圖,31,PPT學(xué)習(xí)交流,圖1 金屬棒的伸長量與溫度的關(guān)系,32,PPT學(xué)習(xí)交流,錯誤!,(3)逐差法:要求自變量等間隔變化而函數(shù)關(guān)系為線性,楊氏模量實驗,牛頓環(huán)實驗,邁克耳孫干涉儀實驗,避免逐項逐差,用測量的
9、全部數(shù)據(jù)。,33,PPT學(xué)習(xí)交流,(4)最小二乘法與線性回歸 1)回歸分析的概念: 通過大量數(shù)據(jù)的觀察,分析研究變量間存在 相關(guān)關(guān)系的統(tǒng)計分析方法為回歸分析。建立的關(guān)系式為回歸方程。 2)回歸分析的基本思想-最小二乘法:(線性回歸方程) 若最佳擬合的直線為Y=f(x),則所測各yi值與擬合直線上相應(yīng)的點Yi=f(xi)之間的偏差的平方和為最小。 根據(jù)最小二乘法原理建立線性方程稱為線性回歸方程。 這種方法稱為線性擬合或一元線性回歸。,34,PPT學(xué)習(xí)交流,35,PPT學(xué)習(xí)交流,一元線性回歸: 相關(guān)系數(shù) ,定量描述x,y變量之間的 線性程度好壞。 值在 之中。 值越接近1, x、y間線性關(guān)系越好。
10、,36,PPT學(xué)習(xí)交流,數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)分析 科技作圖,Origin軟件,曲線擬合,數(shù)理統(tǒng)計,信號處理,線性擬合,37,PPT學(xué)習(xí)交流,實驗1.單擺測重力加速度的 設(shè)計實驗,38,PPT學(xué)習(xí)交流,例:單擺測重力加速度的設(shè)計性實驗,1.單擺測重力加速度的設(shè)計實驗 實驗內(nèi)容 1)用不確定度均分原理設(shè)計一單擺裝置和測量條件,測量重力加速度,并滿足測量精度要求 2).對重力加速度g的測量結(jié)果進(jìn)行誤差分析和數(shù)據(jù)處 理,檢驗實驗結(jié)果是否達(dá)到設(shè)計要求。 3).測量結(jié)果與深圳地區(qū)重力加速度比較。,39,PPT學(xué)習(xí)交流,實驗2.時間測量中隨機誤差的分布規(guī)律(第一冊教材p62-p69),1.用電子秒表測量電子節(jié)拍器
11、的周期,重復(fù)測量200組以上數(shù)據(jù)。 2.用統(tǒng)計方法研究隨機誤差分布的規(guī)律 : 根據(jù)電子節(jié)拍器周期的測量值,作統(tǒng)計直方圖,檢驗測量值是否符合正態(tài)分布,40,PPT學(xué)習(xí)交流,計算極限差,確定區(qū)間數(shù),1)根據(jù)等精度測量中的最小值xmin和最大值xmax,計算: 極差 R= xmax- xmin, 將極差R分為K個( 半開半閉的小區(qū)間, 計算每個小區(qū)間的間隔為:,41,PPT學(xué)習(xí)交流,計算各區(qū)間的頻數(shù)、頻率、 累計頻率,作統(tǒng)計直方圖,統(tǒng)計測量結(jié)果出現(xiàn)在各個小區(qū)間(第i個區(qū)間)的次數(shù)ni ; 統(tǒng)計測量結(jié)果出現(xiàn)在該區(qū)域內(nèi)的相對頻率: 累計頻率 以電子節(jié)拍器周期x為橫坐標(biāo), 為 縱坐標(biāo),作統(tǒng)計直方圖,42,PPT學(xué)習(xí)交流,計算各區(qū)間中點的f(x)值,繪f(x)-x中曲線,(1),(2),(3),利用公式(3)計算各區(qū)中點值
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