误差理论教材绪论附答案.docx

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误差理论教材绪论附答案

绪论

大学的物理实验课是高等院校理科的一门必修基础课程，是对学生进行科学实验基本训练，提高学生分析问题和解决问题能力的重要课程。

它与物理理论课具有同等重要的地位。

这里主要介绍测量误差理论、实验数据处理、实验结果表述等初步知识，这是进入大学物理实验前必备的基础。

物理实验可分三个环节：

1）课前预习，写预习报告。

2）课堂实验，要求亲自动手，认真操作，详细记录。

3）课后进行数据处理，完成实验报告。

其中：

预习报告的要求：

1）实验题目、实验目的、实验原理（可作为正式报告的前半部分）。

2）画好原始数据表格，单独用一张纸。

实验报告内容：

（要用统一的实验报告纸做）

1）实验题目；

2）实验目的；

3）实验原理：

主要公式和主要光路图、电路图或示意图，简单扼要的文字叙述；

4）主要实验仪器名称、规格、编号

5）实验步骤：

写主要的，要求简明扼要；

6）数据处理、作图（要用坐标纸）、误差分析。

要保留计算过程，以便检查；

7）结论：

要写清楚，不要淹没在处理数据的过程中；

8）思考题、讨论、分析或心得体会；

9）附：

原始数据记录。

测量误差及数据处理

误差分析和数据处理是物理实验课的基础，是一切实验结果中不可缺少的内容。

实验中的误差分析，其目的是对实验结果做出评定，最大限度的减小实验误差，或指出减小实验误差的方向，提高测量结果的可信赖程度。

对低年级大学生，重点放在几个重要概念及最简单情况下的误差处理方法。

一、测量与误差

1、测量：

把待测量与作为标准的量（仪器）进行比较，确定出待测量是标准量的多少倍的过程称为测量。

测量得到的实验数据应包含测量值的大小和单位。

2、测量的分类

测量可以分为两类。

按照测量结果获得的方法来分，可分为直接测量和间接测量两类；而从测量条件是否相同来分，又可分为等精度测量和非等精度测量。

直接测量就是把待测量与标准量直接比较得出结果。

如用米尺测量物体的长度，用电流表测量电流等。

间接测量是借助函数关系由直接测量的结果计算出的物理量。

例如已知了路程和时间，根据速度、时间和路程之间的关系求出的速度就是间接测量。

一个物理量能否直接测量不是绝对的。

随着科学技术的发展，测量仪器的改进，很多原来只能间接测量的量，现在可以直接测量了。

等精度测量是指在相同条件下进行的多次测量，即：

同一个人，用同一台仪器，每次测量时周围环境条件相同，所取参数相同。

等精度测量每次测量的可靠程度相同。

注意：

重复测量必须是重复进行测量的整个操作过程，而不是仅仅重复读数。

物理实验中大多采用等精度测量。

反之，若每次测量时的条件不同，如测量仪器改变，或测量方法条件改变，或不同的人。

这样所进行的一系列测量叫做非等精度测量。

3、描述仪器性能的基本概念

描述仪器性能的基本概念有仪器精密度、准确度和量程等。

仪器精密度：

是指仪器能分辨的物理量的最小值，一般是仪器的最小分度值。

仪器最小的分度越小，仪器精密度就越高，所测量物理量的精密度也越高。

对测量读数最小一位的取值，一般在仪器最小分度范围内再估读一位数字。

如米尺的最小分度为毫米，其精密度就是1毫米，应估读到毫米的十分位。

仪器准确度：

是指仪器测量读数的可靠程度。

一般标在仪器上或写在仪器说明书上。

如电学仪表所标示的级别就是该仪器的准确度。

对不同的仪器准确度是不一样的，如对测量长度的常用仪器：

米尺、游标卡尺和螺旋测微器，它们的仪器准确度依次提高。

量程：

是指仪器所能测量的物理量最大值和最小值之差，即仪器的测量范围（有时也将所能测量的最大值称量程）。

测量过程中，超过仪器量程使用仪器是不允许的，轻则仪器准确度降低，使用寿命缩短，重则损坏仪器。

4、误差与偏差

在一定条件下，任何物理量的大小都有一个客观存在的真实值，称为真值。

测量的目的就是为了得到被测物理量所具有的客观真实数据，但由于受测量方法、测量仪器、测量条件以及观测者水平等多种因素的限制，只能获得该物理量的近似值，即测量值x与真值a之间总是存在着这种差值，这种差值称为测量误差，即

ε＝x－a

显然误差ε有正负之分，常称为绝对误差。

注意，绝对误差不是误差的绝对值！

设某个物理量真值为a，进行n次等精度测量，测量值分别为x1，x2，…xn，（不考虑系统误差）。

可证明其算术平均值为最佳估计值：

（1）

当测量次数n→∞时，

，即

为测量值的近似真实值。

为了估计误差，定义测量值与近似真实值的差值为偏差。

即

。

实验中真值是得不到，因此误差也无法知道，而测量的偏差可以准确知道，实验误差分析中常用偏差来描述测量结果的精确程度。

5、系统误差与随机误差

根据误差的性质和产生的原因，可分为系统误差和随机误差。

1）系统误差是指在一定条件下多次测量的结果总是向一个方向偏离，其数值一定或按一定规律变化。

系统误差的特征是具有一定的规律性。

系统误差的来源有以下几个方面：

（1）仪器误差。

由于仪器本身的缺陷或没有按规定条件使用仪器而造成的误差；例如，用秒表测量运动物体通过某一段路程所需要的时间，若秒表走时偏快，即使测量多次，测量的时间t总是偏大为一个固定的数值，这是仪器不准确造成的误差。

（2）理论误差。

由于测量所依据的理论公式本身的近似性，或实验条件不能达到理论公式所规定的要求，或测量方法等所带来的误差；

（3）观测误差。

由于观测者本人生理或心理特点造成的误差。

通常与观测者反应和观察习惯有关，它因人而异，并与观测者当时的精神状态有关。

例如，按秒表时习惯提前或滞后。

在任何一项实验工作和具体测量中，必须要想尽一切办法，最大限度的消除或减小一切可能存在的系统误差，或者对测量结果进行修正。

以下介绍几种常用的方法。

（1）检定修正法：

指将仪器、量具送计量部门检验取得修正值，以便对某一物理量测量后进行修正。

（2）替代法：

指测量装置测定待测量后，在测量条件不变的情况下，用一个已知标准量替换被测量来减小系统误差。

（3）异号法：

指对实验时在两次测量中出现符号相反的误差，采取平均值后消除的一种方法。

例如在外界磁场作用下，仪表读数会产生一个附加误差，若将仪表转动180°再进行一次测量，外磁场将对读数产生相反的影响，引起负的附加误差。

两次测量结果平均，正负误差可以抵消，从中可以减小系统误差。

2）随机误差是指在实际测量条件下，多次测量同一量时，误差时大时小、时正时负，以不可预定方式变化着的误差叫做随机误差，也叫偶然误差。

当测量次数很多时，随机误差就显示出明显的规律性。

实践和理论都已证明，随机误差服从一定的统计规律（正态分布，如图1），其特点是：

绝对值小的误差出现的概率比绝对值大的误差出现的概率大（单峰性）；

绝对值相等的正负误差出现的概率相同（对称性）；

绝对值很大的误差出现的概率趋于零（有界性）；

误差的算术平均值随着测量次数的增加而趋于零（抵偿性）。

因此，增加测量次数可以减小随机误差，但不能完全消除。

引起随机误差的原因很多，它与仪器精密度和观察者感官灵敏度有关。

如仪器显示数值的估计读数位偏大和偏小；测量环境扰动变化以及其它不能预测不能控制的因素，如空间电磁场的干扰等。

由于测量者过失、实验方法不合理、用错仪器、操作不当、读错数值或记错数据等引起的误差，是一种人为的过失误差，不属于测量误差。

过失误差是可以避免的。

6、随机误差的估算

设在等精度测量中，一组n次测量的值分别为：

x1，x2，……xn，这组测量值称为测量列。

误差理论证明，测量列中某次测量值的标准偏差为

（2）

其意义表示某次测量值的随机误差在

之间的概率为68.3％。

（2）式称为贝塞尔公式。

7、算术平均值的标准偏差

当测量次数n有限，其算术平均值的标准偏差为

（3）

其意义是测量平均值的随机误差在

之间的概率为68.3%。

或者说，待测量的真值在

范围内的概率为68.3％。

这个概率叫置信概率，也叫置信度，用p表示，即p＝0.683。

是反映了平均值接近真值的程度。

但不要误认为真值一定就会落在

之间。

类似地，待测量的真值在

范围内的概率为95.4％，此时的置信度p＝0.954。

8、t分布

由于在实际工作中，测量次数n不可能趋于无穷。

当测量次数较少时，随机误差服从的规律不是正态分布，而是t分布。

t分布的曲线比正态分布的要平坦，两者的分布函数不同，n较小时,t分布偏离正态分布较多，n较大时,趋于正态分布。

如图2所示。

对t分布，只在公式（3）的基础上乘以一个t因子，即

（4）

或

＝

（5）

t值是与测量次数等有关的，如下表是当p=0.95的t值：

n

3

4

5

6

7

8

9

10

15

20

≥100

t

4.30

3.18

2.78

2.57

2.45

2.36

2.31

2.26

2.14

2.09

≤1.97

2.48

1.59

1.204

1.05

.926

0.834

0.770

0.715

0.553

0.467

≤0.139

由上表可知，当5≤n≤10时，

接近1，由（5）式可知ΔA≈Sx。

对教学实验，测量次数一般取5～10次，所以可用

（2）式作为估算偏差的公式。

9、异常数据的剔除

剔除测量列中异常数据的标准有几种，有3

准则、肖维准则、格拉布斯准则等。

下面是3

准则：

统计理论表明，测量值的偏差超过3

的概率已小于1％。

因此，可以认为偏差超过3

的测量值是其他因素或过失造成的，为异常数据，应当剔除。

剔除的方法是将多次测量所得的一系列数据，算出各测量值的偏差

和标准偏差

，把其中最大的

与3

比较，若

＞3

，则认为第j个测量值是异常数据，舍去不计。

剔除

后，对余下的各测量值重新计算偏差和标准偏差，并继续审查，直到各个偏差均小于3

为止。

测量结果的评定和不确定度

一、不确定度的含义

在物理实验中，因真值得不到，测量误差也就不能肯定。

为此，1992年国际计量大会以及四个国际组织制定了《测量不确定度表达指南》。

1993年此《指南》经国际理化等组织批准实施。

对一个物理实验的具体数据来说，不确定度是指测量值（近真值）附近的一个范围，测量值与真值之差（误差）可能落于其中。

它是对误差的一种量化估计，是对测量结果可信赖程度的具体评定。

不确定度小，测量结果可信赖程度高；不确定度大，测量结果可信赖程度低。

所以用不确定度的概念对测量数据做出评定比用误差来描述更合理。

二、测量结果的表示和不确定度

1、测量结果的不确定度

在做物理实验时，要求表示出测量的最终结果。

即

（单位）（6）

式中x为待测量；

是测量的近似真实值,

是总的不确定度，三者的数量级、单位要相同。

简单起见，不确定度一般保留一位有效数字，多余的位数一律进位。

的末尾数与不确定度的所在位数对齐。

这种表达形式反应了三个基本要素：

测量值、不确定度和单位，缺一不可，否则就不能全面表达测量结果。

2、相对不确定度

相对不确定度定义为

（8）

有时候还需要将测量结果与公认值或理论值进行比较（百分偏差）：

（9）

x理可以是公认值，或高一级精密仪器的测量值。

相对不确定度一般取2位有效数字。

3、测量结果

在物理实验中，直接测量时若不需要对被测量进行系统误差的修正，一般就取多次测量的算术平均值

作为近似真实值；

若在实验中有时只需测一次或只能测一次，该次测量值就被认为是测量的近似真实值。

如果要求对被测量值进行一定系统误差的修正，通常是将一定系统误差（即绝对值和符号都确定的可估计出的不确定度分量）从算术平均值

或一次测量值中减去，从而求得被修正后的直接测量结果的近似真实值。

例如，用螺旋测微器来测量长度时，从被测量结果中减去螺旋测微器的零点读数。

4、测量结果的表示

表示测量最后结果时，一般要求绝对和相对的不确定度同时表示出，才能较全面的结果表示。

即

（单位）

或

三、不确定度的两类分量

在不确定度的合成问题中，主要是从系统误差和随机误差等方面进行综合考虑的，将各种来源的误差按计算方法分为两类：

统计不确定度（A类）和非统计不确定度（B类）。

总的不确定度

是由两类分量（A类和B类）求“方和根”计算而得。

为使问题简化，此处只讨论简单情况下（即A类、B类分量保持各自独立变化，互不相关）的不确定度的合成。

A类不确定度（统计不确定度）是指可以采用统计方法（即具有随机误差性质）计算的不确定度，即是前面所说的偶然误差，可以用（5）式或

（2）式计算，用ΔA表示。

B类不确定度（非统计不确定度）是指用非统计方法求出或评定的不确定度，为系统误差。

如实验室中的测量仪器不准确，量具磨损老化等等，用

表示。

本书对B类不确定度的估计作简化处理，只考虑仪器不确定度。

所以因仪器不准确对应的B类不确定

度为

ΔI为仪器不确定度。

一般的仪器说明书中都以某种方式注明仪器不确定度，由制造厂或计量检定部门给定。

物理实验教学中，可由实验室提供。

仪器不确定度一般可分两种情况处理：

已知仪器准确度时，这时以其准确度作为不确定度大小。

如一个量程150mA，准确度0.2级的电流表，测某一次电流，读数为131.2mA。

可估算出最大绝对不确定度为=量程×级别％＝150×0.2％=0.3mA，因而该次测量的结果可写成I＝131.2±0.3mA。

其相对不确定度为EI＝0.3/131.2=0.23%，大于0.2％。

因此，测量值越接近量程，相对不确定度越小。

对于没有标明准确度的仪器，因在制造仪器时，其最小的分度数值是受仪器准确度约束的。

所以，对连续读数的仪器，最大读数不确定度可取仪器最小刻度值的1/10、1/5、1/2或最小刻度，具体可根据所用仪器的精密度、仪器灵敏度、测试者感觉器官的分辨能力，以及观测时的环境条件等因素来考虑。

而无法进行估计的非连续读数的仪器，如数字式仪表，可简单取其最末位数的1作为仪器不确定度。

（若末位或末两位不稳定，可记录稳定的数值加一位不稳定的，或根据其变化规律，四舍五入到稳定的那位。

仪器不确定度则取稳定位的1，或根据不稳定位变化的程度来取。

）

合成不确定度为A类不确定度和B类不确定度的合成

（7）

在计算总的不确定度中求“方和根”时，若某一平方值小于另一平方值的1/9，则这一项就可以略去不计。

这一结论叫做微小误差准则。

在进行数据处理时，利用微小误差准则可减少不必要的计算。

对于单次测量，一般是以最大不确定度进行估计。

可用仪器不确定度作为合成不确定度，即：

。

四、直接测量的不确定度

直接测量的不确定度的合成，用（5）式或

（2）式计算A类不确定度。

对B类不确定度，主要讨论仪器的不确定度。

例1．用感量为0.1g的物理天平称量某物体的质量，其读数值为35.41g,求物体质量的测量结果。

（感量：

在仪器上有标出，一般为最小分度值）

[解]：

用物理天平称物体的质量，重复测量读数值往往相同，故一般只须进行单次测量即可。

单次测量的读数即为近似真实值，m＝35.41g。

对物理天平通常取感量的1/2，作为仪器不确定度，即

＝0.05（g）

测量结果为

m＝35.41±0.05（g）

因为是单次测量,总的不确定度

中ΔA无法估算,所以

＝

。

但是这个结论并不表明单次测量的

就小，因为n＝1时,

是发散的。

例2．用螺旋测微器测量小钢球的直径，五次的测量值分别为

d（mm）

11.922

11.923

11.924

11.921

11.920

螺旋测微器的最小分度数值为0.01mm试写出测量结果的标准式。

[解]：

（1）求直径d的算术平均值

＝11.922（mm）

（2）计算B类不确定度

螺旋测微器的仪器不确定度（取最小刻度值的1/2）为

＝0.005（mm）

＝0.005（mm）

（3）计算A类不确定度

=0.002（mm）

（4）合成不确定度

=0.006（mm）

（5）相对不确定度：

（6）测量结果：

E＝0.050%

测量不确定度表达涉及到深广的知识领域和误差理论问题。

因此，在保证科学性的前提下，在教学中尽量把方法简化，为初学者易于接受。

以后在工作需要时，可以参考有关文献继续深入学习。

有效数字及其运算法则

一、有效数字的概念

1、有效数字的定义

若用最小分度值为1mm的米尺测量某物体的长度，读数为56.3mm。

其中5和6这两个数字是从米尺的刻度上准确读出的，可以认为是准确的，叫做可靠数字。

末尾数字3是从米尺最小分度值上估计出来的，是不准确的，叫做欠准数（或称可疑数字）。

显然有一位可疑数字，使测量值更接近真实值，更能反映客观实际。

因此，测量值保留到这一位是合理的，即使估计数是0，也不能舍去。

故测量数据的有效数字定义为几位可靠数字加上一位可疑数字称为有效数字，有效数字数字的个数叫做有效数字的位数。

注意：

有效数字的位数不要与小数点后的位数混淆。

如上述的56.3mm称为3位有效数字，但小数后只有1位。

有效数字的位数与十进制单位的变换无关，即与小数点的位置无关。

因此，用以表示小数点位置的0不是有效数字。

当0不是用作表示小数点位置时，0和其它数字具有同等地位，都是有效数字，即有效数字中间与末尾的0，均应算作有效位数。

如0.0135m和1.05cm及13.0mm都是三位有效数字。

从有效数字的另一面也可以看出测量用具的最小刻度值，如0.0135m是用最小刻度为毫米的尺子测量的，而1.030m是用最小刻度为厘米的尺子测量的。

2、结果的表示

由于最后一位可疑位是不确定的，即是不确定度所在位。

所以，若把测量结果写成542.817±0.5（mm）

是错误的，由不确定度0.5（mm）可以得知，数据的小数0.8已不可靠，把它后面的数字也写出来没有多大意义，正确的写法应当是：

542.8±0.5（mm）。

即，结果的尾数应与不确定度的所在位对齐，后面的位数可以简单地四舍五入。

二、直接测量的有效数字记录

物理实验中通常仪器上显示的数字均为有效数字（包括最后一位估计读数）都应读出，并记录下来。

仪器上显示的最后一位数字是0时，此0也要记录。

仪器不确定度在哪一位发生，测量数据的可疑位就记录到哪一位。

对于有分度式的仪表，读数要根据人眼的分辨能力读到最小分度的十分之几。

例如，测出物体长为52.4mm与52.40mm是不同的两个测量值，也是属于不同仪器测量的两个值，从这两个值可以看出测量前者的仪器精度低，测量后者的仪器精度高出一个数量级。

在记录直接测量的有效数字时，常用科学表达式。

如0.0451m或45.1mm，可表示为4.51×10－2m。

三、有效数字的运算法则

测量结果的有效数字，只能允许保留一位可疑数字。

根据这一原则，为了简化有效数字的运算，约定下列规则：

1．加法或减法运算

若干个数进行加法或减法运算，其和或者差的结果的可疑数字的位置与参与运算各个量中的可疑数字的位置最高者相同。

因此，几个数进行加法或减法运算时，可先将多余数修约（四舍五入），将应保留的可疑数字的位数多保留一位进行运算，最后结果按保留一位可疑数字进行取舍。

2．乘法和除法运算

有效数字进行乘法或除法运算时，乘积或商的结果的有效数字的位数，一般与参与运算的各个量中有效数字的位数最少者相同，或多一位。

实际运算过程，可比参与运算的位数最少者多取一位，最后由结果的不确定度决定。

如：

7.65+8.268=15.923.841×4.42=9.30　　　　　　　　3.841×8.42=32.34

式中有下划线的表示可疑数字。

3．乘方和开方运算

乘方和开方运算的有效数字的位数与其底数的有效数字的位数相同。

4、三角函数：

一般取四位有效位数。

例：

sin30o07′＝sin30.12o=0.5018

5、指数：

结果的有效数字，与指数小数点后的位数相同。

例：

105.75＝5.6×105；100.075＝1.19

6、对数：

结果的有效数字，其尾数（小数点后的位数）与真数的位数相同，或多取一位。

例：

ln1.550=0.4383

7、对任意函数：

可将数值末位改变1，运算后，看结果是哪位变化了，就保留到开始变化那位。

例：

ln1.550=0.43825，末位改变1：

ln1.551=0.43890，所以，可取小数后4位：

0.4383。

8、自然数1,2,3,4,…不是测量而得，因此，可以视为无穷多位有效数字的位数，书写也不必写出后面的0，如D＝2R，D的位数仅由R的位数决定。

9、无理常数π,

的位数也可以看成很多位有效数字。

例如L＝2πR，若测量值

时，π应比参加运算的最少位数多取一位，取为3.142。

即

。

用计算器计算，可直接输入π。

上述规定和方法，是为了简化有效数字的运算，及作为不需算不确定度时，有效位数取值的参考，但并非完全准确。

在实际的不确定度估算时，作为中间过程，可比上述规定取多1～2位，最后由结果的不确定度决定有效位数。

间接测量结果的不确定度

间接测量的近似真实值和不确定度是由直接测量结果通过函数式计算出来的，既然直接测量存在不确定度，那么间接测量也必有不确定度，这就是不确定度的传递。

由直接测量值及其不确定度来估算间接测量值的不确定度之间的关系式称为不确定度的传递公式。

设间接测量的函数式为

N＝F（x,y,z,…）

N为间接测量的量，它有K个直接测量的物理量x,y,z,…，各直接观测量的测量结果分别为

，

，

，

。

（1）若将各个直接测量量的近似真实值

代入函数表达式中，即可得到间接测量的近似真实值。

（2）求间接测量的不确定度，由于不确定度均为微小量，相似于数学中的微小增量，对函数式N＝F（x,y,z,…）求全微分，即得

式中dN,dx,dy,dz,…均为微小量，dN的变化由各自变量的变化决定,

为函数对自变量的偏导数,将上面全微分式中的微分符号d改写为不确定度符号

，并将微分式中的各项求“方和根”，即为间接测量的合成不确定度

（10）

这里x,y,z,…各量应相互独立。

当间接测量的函数表达式为积和商（或含和差的积商形式）时，为了使运算简便起见，可以先将函数式两边同时取自然对数，然后再求全微分。

即

同样改写微分符号为不确定度符号，再求其“方和根”，即为间接测量的相对不确定度EN，即

（11）

已知

、

，由（11）式可以求出不确定度

（12）

附表：

常用函数的不确定度传递公式

函数关系式

不确定度传递公式

今后在计算间接测量的不确定度时，对函数表达式仅为“和差”形式，可以直接利用（10）式，求出间接测量的不确定度

，若函数表达式为积和商（或积商和差混合）等较为复杂的形式，可直接采用（11）式，先求出相对不确定度，再求出不确定度

。

附表为常用函数的不确定度传递公式，可直接应用。

（注意应用附表时，要求各变量是相互独立的）

例1．已知电阻R1＝50.2±0.5（Ω）,R2＝149.8±0.5（Ω）,求它们串联的电阻R和不确定度

。

[解]：

串联电阻的阻值为

R＝

＋

＝50.2＋149.8＝200.0（Ω）

由附表第一行公式求得不确定度为

（Ω）

相对不确定度

测量结果为R＝200.0±0.7（Ω）

注意：

不确定度保留一位有效数字，相对不确定度保留2位有效数字。

例2．测量金属环的内径D1＝28.80±0.04（mm），外径D2＝3