Lekcja 10

Laboratorium komputerowe

1. Szacowanie niepewności pomiarowych
2. Rzut kostkami
3. Wahadło matematyczne
4. lekcja 10 - laboratorium - kostki.sm
5. lekcja 10 - laboratorium - wahadło.sm

Szacowanie niepewności w pomiarach laboratoryjnych

Pomiar
Aby coś zmierzyć musimy wiedzieć, co chcemy zmierzyć (np. długość, masę, czas, itp.) oraz musimy dysponować odpowiednim przyrządem (np. linijką, stoperem, wagą, itp.). Sam pomiar polega na porównaniu mierzonej wielkości (np. długości stołu) z przyrządem, w wyniku czego uzyskujemy wynik pomiaru, tj. liczbę z jednostką (np. 1522 mm).

Zapis wyniku pomiaru
Otrzymany wynik pomiaru nie jest jednak pełną informacją o mierzonej wielkości. W praktyce bardzo potrzebna jest również ocena wiarygodności pomiaru, polegająca na określeniu (oszacowaniu) niepewności pomiarowej wyniku. W praktyce stosuje się pojęcie niepewności standardowej, w języku potocznym mówimy raczej o błędzie pomiarowym. Sam wynik pomiaru zapisujemy w razem z niepewnością w tej samej jednostce, np. 1522 ± 1 mm, 1,006 ± 0,003s, itp. W niepewności pomiarowej podajemy tylko tyle cyfr znaczących, ile miał ich wynik główny pomiaru!

Ocena niepewności pomiarowej
Jeżeli mamy do czynienia z pojedynczym pomiarem, pomierzonym za pomocą określonego przyrządu - nie ma problemu. Niepewnością będzie zazwyczaj najmniejszą działką na przyrządzie (np. 1 mm na linijce, 0,1 sekunda na stoperze, itp.). Jeżeli mamy do czynienia w pomiarem wielokrotnym (np. mierzymy grubość drutu w różnych miejscach), to średnia arytmetyczna jest bardzo dobrym oszacowaniem pomiaru, a niepewność (błąd) obliczamy z wzoru na niepewność standardową, znanego z obliczeń statystycznych .

Ponieważ wielokrotnie dokonywane pomiary podlegają pod procesy statystyczne, dlatego też opisuje je krzywa Gaussa dana wzorem:

- jeżeli rozkład pomiarów ma kształt krzywej dzwonowej możemy być pewni, że pomiary oddają rzeczywisty charakter mierzonej wielkości.

Obliczanie niepewności na podstawie pomiarów pośrednich
Bardzo często mamy do czynienia z następującą sytuacją: mierzymy pewne wielkości obarczone różnymi błędami, i na podstawie określonego wzoru (chemicznego, fizycznego) wyliczamy dopiero końcowy wynik. Jak w takim wypadku wyliczyć niepewność pomiarową?
Najczęściej stosuje się wzór wyrażający w literaturze prawo przenoszenia odchyłek przypadkowych. Załóżmy, że obliczamy prędkość - V mierząc czas - t i odległość - s. Czas i odległość mają wyliczone średnie (tśr i sśr) oraz wyliczone niepewności pomiarowe - odchylenie standardowe (S(t) i S(s)).
W takim wypadku niepewność prędkości wyliczamy z wzoru:

We wzorze mamy do czynienia z pochodnymi. Na szczęście nie musimy ich wyliczać algebraicznie - odpowiednie programy robią to same. Spotkać można też dużo prostsze rozwiązanie (bez wyliczania pochodnych:

ĆWICZENIE 1 – rzut kostkami
Rzucamy pięcioma kostkami i sumujemy liczbę oczek na wszystkich pięciu kostkach. Zasymuluj w programie 500 rzutów. Wykreśl punkty i krzywą Gaussa.
Wynik sumowania może wahać się pomiędzy 5 a 30 oczek.
1) Zasymulujemy rzuty pięcioma kostkami.
2) Wyliczymy sumy oczek poszczególnych rzutów.
3) Policzymy ile razy wyrzucono poszczególne sumy oczek.
4) Utworzymy wykres z ilościami poszczególnych sum oczek.
5) Utworzymy wykres krzywej Gaussa na podstawie sumy wyrzuconych oczek.
Jeżeli suma wyrzuconych oczek podlega opisowi statystycznemu, utworzony wykres powinien pokrywać się z krzywą Gaussa. Poniżej przedstawiono rozwiązanie. W żółtych polach fragmenty tabel.

tabela M (fragment)

tabela S (fragment)

tabela P (fragment)

Zamiast sumy punktów na wykresie można wyliczyć prawdopodobieństwo wystąpienia takiej sumy w całym zbiorze – jest to bardziej uniwersalna miara rozkładu normalnego Gaussa.
Poniżej obliczono prawdopodobieństwo w tablicy PR oraz wyznaczono punkty do wykresu w tablicy P1, a także wyliczono teoretyczny rozkład z wzory Gaussa na podstawie oryginalnych sum z tablicy S.

ĆWICZENIE 2 – wahadło matematyczne
Przyspieszenia ziemskiego nie można zmierzyć – nie ma takiego przyrządu! Ale można je wyliczyć z wzoru

w których występuje g i inne (mierzalne) wielkości. Wahadło matematyczne, to kulka zawieszona na nici. Wystarczy zmierzyć okres wahadła T oraz długość nici L i skorzystać ze znanego z fizyki wzoru.
Podczas opracowywania wyników eksperymentów naukowych ważne jest nie tylko otrzymanie poszukiwanej wielkości, ale także oszacowanie wielkości popełnionego błędu. Mierzymy czas stoperem i długość linijką, więc możemy pomylić się o ±1 sekundę lub o ±1 milimetr.
A jaki błąd będzie miało przyspieszenie ziemskie? Sposobów wyliczenia tego błędu jest kilka. Możemy policzyć 10 razy przyspieszenie ziemskie na podstawie danych z tabel, a potem odchylenie. Najbardziej znane jest jednak prawo przenoszenia niepewności, które w praktyce opiera się na policzeniu średniej geometrycznej. W praktyce szkolnej stosujemy wzór (1), w obliczeniach inżynierskich wzór (2) z zastosowaniem pochodnych.

Gotowy wynik na przyspieszenie wraz z obliczonym błędem zapisujemy zaś w postaci: g = gśr ± Δgśr (np. 9,805±0,021 m/s2).

W tabelach znajdują się pomierzone czasy 10 wahnięć T10 oraz długość wahadła L. Należy policzyć przyspieszenie ziemskie oraz wyliczyć błąd pomiaru trzema metodami.

Jak wynika z obliczeń, im „poważniejszy” stosujemy sposób obliczania błędy, tym ten błąd wychodzi większy!
Wynik (obliczone przyspieszenie ziemskie) z największym błędem wynosi: g = 9,8894±0,1291m/s2