测量误差及数据处理方法1ppt课件

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1、南京理工大学南京理工大学物理实验中心物理实验中心测量是物理实验的基础。测量就是用一定的测量工具或仪器，通过一定的方法，直接或间接地得到所需要的量值。依照测量方法的不同可将测量分为两大类：（1）直接测量（2）间接测量问题：我们接触过哪些测量？哪些是直接测量？哪些是间接测量？1.1测量与误差概念1、误差的定义：测量误差=测量值-真值即N=N测N真这个误差的定义反映了测量值偏离真实值的大小和方向。1.1测量与误差概念1.1测量与误差概念（1）仪器误差（2）环境误差（4）人员误差（3）测量方法误差（1系统误差a.定义：系统误差是指在同一被测量的多次测量过程中，保持恒定或以可预知方式变化的测量误差的分量

2、。系统误差的特点是其确定性。b.产生原因：测量仪器、测量方法、环境因素1.1测量与误差概念c.减小系统误差的方法：.对测量结果引入修正值；.选择适当的测量方法，使系统误差能够抵消而不会带入测量值中。已定系统误差：必须修正例如电表、螺旋测微计的零位误差；未定系统误差：要估计出分布范围如：螺旋测微计制造时的螺纹公差等。1.1测量与误差概念留意：多次测量求平均并不能消除系统误差。因留意：多次测量求平均并不能消除系统误差。因为在测量条件不变时，其有确定的大小和符号。为在测量条件不变时，其有确定的大小和符号。1.1测量与误差概念（2随机误差a.随机误差是指在同一量的多次测量过程中，其大小与符号以不可预知

3、方式变化的测量误差的分量。随机误差的特征是随机性。b.产生原因：实验条件和环境因素无规则的起伏变化，引起测量值围绕真值发生涨落的变化。例如：实验时温度的随机波动、螺旋测微计测力在一定范围内随机变化、读数时的视差影响。c.消除方法：使用统计方法随机误差的特点：大量的随机误差服从正态分布。单峰性：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。对称性：多次测量时分布对称，即绝对值相等的正负误差出现的概率相同。因此取多次测量的平均值有利于消减随机误差。有界性：在一定的测量条件下，误差的绝对值不超过一定的界限。小小大大P01.1测量与误差概念1.1测量与误差概念（3粗大误差a.定义：明显超出规定

4、条件下预期的误差。b.产生原因：错误读数、仪器有缺陷、环境干扰等。c.应避免出现粗大误差。如出现粗大误差，应分析粗大误差产生的原因。处理数据时，剔除异常数据。l精密度、正确度与准确度又称精确度）这三个名词分别用来反映随机误差、系统误差和综合误差的大小。1.1测量与误差概念（1绝对误差：测量结果：（2相对误差：真测NNN真值绝对误差相对误差 NNN测%100真NNE1.1测量与误差概念1.2测量结果误差估算及评定方法对测量结果评定的三种方法：（1算术平均偏差（2标准偏差均方根偏差）（3不确定度根据统计理论，我们将多次测量的算术平均值作为真值的最佳近似。在对测量结果进行评定时，我们约定系统误差和粗

5、大误差已经消除、修正或可以忽略，只考虑随机误差，其服从正态分布。N1.2测量结果误差估算及评定方法对某一物理量N进行K次测量，得N1，N2，Ni，Nk，则算术平均值为kiikiNKNNNNKN12111NNNNNNNNKki211KiiNNK111.2测量结果误差估算及评定方法l标准偏差是一个描述测量结果离散程度的参量。用它来评定随机误差有以下优点：l1稳定性，值随K(测量次数)变化较小。l2它以平方计值，与个别误差的符号无关，能反映数据的离散程度。l3与最小二乘法吻合。1.2测量结果误差估算及评定方法112KNNNKii 112KKNNKNNKii算术平均值的标准偏差反映了算术平均值在真值附

6、近涨落的大小。1.2测量结果误差估算及评定方法范围 置信概率真值落在确定范围内的概率）68.3%95.4%99.7%NN2N2N3N3N通常将称为随机误差的极限误差。31.2测量结果误差估算及评定方法P03223NuNu1.2测量结果误差估算及评定方法不确定度小，表示误差的可能值小，测量的可信赖程度就高；不确定度大，表示误差的可能值大，测量的可信赖程度降低。不确定度分为两类。不确定度分为两类。A类分量：用统计方法求出，即类分量：用统计方法求出，即(N)或或(N)。B类分量：用其他方法得出。物理实验中通常类分量：用其他方法得出。物理实验中通常使用仪器的极限误差除以相应的置信系数使用仪器的极限误差

7、除以相应的置信系数K。Kuinsj留意：在我们的实验中一般取留意：在我们的实验中一般取K1，即，即insju1.2测量结果误差估算及评定方法22juNu22juNu不确定度的合成方和根合成法）不确定度的合成方和根合成法）1.2测量结果误差估算及评定方法请记住这一公式！请记住这一公式！相对不确定度测量结果100%uuuENN商定：在我们的实验中商定：在我们的实验中u取一位有效数字。取一位有效数字。AI5.00.10留意：留意：的末位和的末位和u对齐。对齐。N例：例：1.2测量结果误差估算及评定方法NNu真（单位）如果对某一物理量只测量一次，则常以测量仪器误差来评定测量结果的误差。例1：用直尺测桌

8、子长度，L1200.00.5mm例2：用50分度游标卡尺测工件长度，L10.000.02mm例3：用10A电流表，单次测量某一电流3.10A，那么jI10A0.50.05AAI05.010.31.3直接测量结果误差估算及评定方法有以上例题可见，仪器误差一般用如下方法确定：1仪器已经标明了误差，如千分尺。2未标明时，可取仪器及表盘上最小刻度的一半作为单次测量的允许误差，如例1。3电学仪器1.3直接测量结果误差估算及评定方法%精度级别量程 ins处理步骤：1、求平均值。2、求和u。3、表示结果：1.3直接测量结果误差估算及评定方法NuNN 22insNu112KNNNKiizzfyyfxxfNzz

9、fyyfxxfNNlnlnln若对若对N=f(x,y,z)取对数，则可得到取对数，则可得到1.4间接测量结果误差估算及评定222222)()()(zyxNzfyfxf222222)ln()ln()ln(zyxNzfyfxfN1.4间接测量结果误差估算及评定1.4间接测量结果误差估算及评定222222)()()(zyxNuzfuyfuxfu222222)ln()ln()ln(zyxNuuzfuyfuxfNuE以上两公式应牢记，并注意应用技巧以上两公式应牢记，并注意应用技巧（1计算各直接测量物理量的值和它们的不确定度；即Nf(x,y,z)中的x,y,z和ux,uy,uz。（2根据不确定度的传递公式

10、计算间接测量量的不确定度。uN或uN/N，保留1位。（3求出间接测量量Nf(x,y,z)，N的末位与不确定度所在位对齐；（4写出结果1.4间接测量结果误差估算及评定)(单位NuNN有效数字是由准确数字若干位和可疑数字一位构成，这样就能够正确而有效地表示测量结果。1.5有效数字及其运算l表示小数位数的“0不是有效数字；数字中间和尾部的“0是有效数字；l数字尾部的“0不能随意舍弃或添加；l有效数字位数与十进制单位的变换无关；l推荐用科学记数法：K10n，1K10。1.5有效数字及其运算、加减运算尾数对齐：在小数点后所应保留的位数与诸量中小数点后位数最少的一个相同。1.5有效数字及其运算例：例：33

11、.2+3.22=36.4 12.567-1.23=11.341.2345+5.11-2.141=4.20、乘除运算位数取齐：诸量相乘除，结果的有效数字位数，一般与各个量中有效数字位数最少的一个相同。1.5有效数字及其运算例：例：1.112.0=2.2 3.248 1.61=2.023、某些常见函数运算的有效位数（1对数函数y=lnx,y=logx计算结果尾数的位数取得与真数的位数相同；（2指数函数y=ax结果的有效数字，可与指数的小数点后的位数相同；（3三角函数按角度的有效位数来定；（4常数的有效位数可以认为是无限的，运算中应多取1位；1.5有效数字及其运算4、混合运算规则当进行加减乘除混合运

12、算时，应按加减规则、乘除规则和函数运算规则逐步计算，最后得到计算结果。1.5有效数字及其运算（1不确定度的有效位数12位本书约定不确定度只保留1位。相对不确定度12位。尾数采用四舍六入五凑偶（2最佳值或测量值末位与不确定度对齐。1.5有效数字及其运算1.列表法2.作图法3.数学方法逐差法、最小二乘法等）1.6数据处理方法数据处理是一个对数据进行加工的过程。常用的数据处理方法有以下三类：1.6数据处理方法例：用读书显微镜测量圆环直径测量圆环直径D仪器：读数显微镜ins=0.004mm测量次序i左读数/mm右读数/mm直径Di/mm112.76418.7625.998210.84316.8385.

13、995311.98717.9785.996411.58817.5845.996512.34618.3385.992611.01517.0105.994712.34118.3355.994直径平均值D/mm5.995标题：说标题：说明表格内明表格内容容附加说明：附加说明：实验仪器、实验仪器、条件等条件等各个栏目各个栏目标明名称标明名称和单位和单位原始数据原始数据注意数据注意数据纪录的顺纪录的顺序序计算的中计算的中间结果数间结果数据据1.6数据处理方法U (V)0.74 1.52 2.33 3.08 3.66 4.49 5.24 5.98 6.76 7.50I(m A)2.00 4.01 6.22

14、 8.20 9.75 12.00 13.99 15.92 18.00 20.01优点：能形象直观地显示物理量之间的函数关系优点：能形象直观地显示物理量之间的函数关系1.6数据处理方法8.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00I(mA)U(V)1.选择合适的坐选择合适的坐标纸标纸3.标实验点标实验点4.连成图线连成图线5.标出图名及注解标出图名及注解电阻伏安特性曲线电阻伏安特性曲线一般选用直角坐标纸。选择图纸时以不损失实验数据的有效位数并能包括所有实验点为限度

15、。2.确定坐标轴，确定坐标轴，选择合适的坐标选择合适的坐标分度值分度值留意：坐标分度时，忌用3、7等进行分度；坐标分度可不从零开始；尽可能使图线充满图纸。留意：连线时应该使用相应的工具；通常连线是平滑的；要注意剔除错误的数据点；直线尽量通过x,y这一点。利用已做好的图线，我们可以定量地求得待测量或得到经验公式。1.6数据处理方法从图中取两点可以计算出直线的斜率和截距，从而也就可以得到经验公式。如本例，由图上如本例，由图上A、B两点可得被测电阻两点可得被测电阻R为：为：)k(379.076.258.1800.100.7ABABIIUURI(mA)U(V)8.004.0020.0016.0012.

16、0018.0014.0010.006.002.000 02.004.006.008.0010.001.003.005.007.009.00电阻伏安特性曲线电阻伏安特性曲线A(1.00,2.76)B(7.00,18.58)1.6数据处理方法由图上由图上A、B两点可得被测电阻两点可得被测电阻R为：为：)k(379.076.258.1800.100.7ABABIIUUR1.6数据处理方法n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图玻璃材料色散曲线图曲线太粗，曲线太粗，不均匀，不均匀，不光滑。不光滑。应该用

17、直应该用直尺、曲线尺、曲线板等工具板等工具把实验点把实验点连成光滑、连成光滑、均匀的细均匀的细实线。实线。1.6数据处理方法n(nm)1.6500500.0700.01.67001.66001.70001.69001.6800600.0400.0玻璃材料色散曲线图玻璃材料色散曲线图改正为：改正为：1.6数据处理方法I(mA)U(V)0 02.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.001.003.00电学元件伏安特性曲线电学元件伏安特性曲线横轴坐标分度选取横轴坐标分度选取不当。横轴以不当。横轴以3 cm 代表代表1 V，使作图，使作图和读图都

18、很困难。和读图都很困难。实际在选择坐标分实际在选择坐标分度值时，应既满足度值时，应既满足有效数字的要求又有效数字的要求又便于作图和读图，便于作图和读图，一般以一般以1 mm 代表代表的量值是的量值是10的整数的整数次幂或是其次幂或是其2倍或倍或5倍。倍。1.6数据处理方法I(mA)U(V)o o1.002.003.004.008.004.0020.0016.0012.0018.0014.0010.006.002.00电学元件伏安特性曲线电学元件伏安特性曲线改正为：改正为：1.6数据处理方法定容气体压强温度曲线定容气体压强温度曲线1.20001.60000.80000.4000图图3P(105P

19、a)t()60.00140.00100.00o120.0080.0040.0020.00图纸使用图纸使用不当。实不当。实际作图时，际作图时，坐标原点坐标原点的读数可的读数可以不从零以不从零开始。开始。1.6数据处理方法定容气体压强温度曲线定容气体压强温度曲线1.00001.15001.20001.10001.0500 P(105Pa)50.0090.0070.0020.0080.0060.0040.0030.00t()改正为：改正为：1.6数据处理方法 逐差法是对等间距测量的有序数据，进行逐项或相等间隔相减得到逐差法是对等间距测量的有序数据，进行逐项或相等间隔相减得到结果。它计算简便，并可充分

20、利用数据，及时发现差错，总结规律，结果。它计算简便，并可充分利用数据，及时发现差错，总结规律，是物理实验中常用的一种数据处理方法。是物理实验中常用的一种数据处理方法。使用条件：使用条件：（1自变量自变量x是等间距变化是等间距变化（2被测物理量之间函数形式可以写成被测物理量之间函数形式可以写成x的多项式：的多项式：m0mmmxay分类：逐差法分类：逐差法逐项逐差用于验证被测量之间是否存在多项式逐项逐差用于验证被测量之间是否存在多项式函数关系）函数关系）分组逐差用于求多项式的系数）分组逐差用于求多项式的系数）应用举例拉伸法测弹簧的倔强系数）应用举例拉伸法测弹簧的倔强系数）设实验中，等间隔的在弹簧下

21、加砝码如每次加一克），共加设实验中，等间隔的在弹簧下加砝码如每次加一克），共加9次，分别记下对应的弹簧下端点的位置次，分别记下对应的弹簧下端点的位置L0 L1 L2 L9，则可用逐差法进行以下处理则可用逐差法进行以下处理（1验证函数形式是线性关系验证函数形式是线性关系 看看L1L2 L9是否基本相等是否基本相等.当当Li基本相等时基本相等时,就就验证了外力与弹簧的伸长量之间的函数关系是线性的，即验证了外力与弹簧的伸长量之间的函数关系是线性的，即F=k L用此法可检查测量结果是否正确，但注意的是必须用逐项逐差用此法可检查测量结果是否正确，但注意的是必须用逐项逐差899122011LLLLLLLL

22、L （1.61）把所得的数据逐项相减把所得的数据逐项相减(2)求物理量数值求物理量数值现计算每加一克砝码现计算每加一克砝码 时弹簧的平均伸长量时弹簧的平均伸长量从上式可看出用逐项逐差，中间的测量值全部抵消了，只有始末从上式可看出用逐项逐差，中间的测量值全部抵消了，只有始末二次测量起作用，与一次加九克砝码的测量完全等价。二次测量起作用，与一次加九克砝码的测量完全等价。若用逐项逐差若用逐项逐差1.61得到：得到：899122011LLLLLLLLL 9LL9LLLLLL9LLLL09891201921 再求平均再求平均 为了保证多次测量的优点，只要在数据处理方法上作些组合，仍为了保证多次测量的优点

23、，只要在数据处理方法上作些组合，仍能达到多次测量减小误差的目的。所以我们采用分组逐差。能达到多次测量减小误差的目的。所以我们采用分组逐差。通常可将等间隔所测的值分成前后两组，前一组为通常可将等间隔所测的值分成前后两组，前一组为L0 L1 L2 L3 L4 后一组为后一组为L5 L6 L7 L8 L9 前前后后两两组组对对应应项项相相减减495162051LLLLLLLLL 再再取取平平均均值值 40iii5491605521)LL(515LLLLLL5LLLL 由此可见，分组逐差和逐项逐差不同，这时每个数据都用上了，有利于由此可见，分组逐差和逐项逐差不同，这时每个数据都用上了，有利于减小误差。

24、但注意：这里的减小误差。但注意：这里的 是增加五克时弹簧的平均伸长量。是增加五克时弹簧的平均伸长量。L 1.6数据处理方法用作图法进行拟合带有相当大的主观随意性，用作图法进行拟合带有相当大的主观随意性，用最小二乘法进行直线拟合优于作图法。用最小二乘法进行直线拟合优于作图法。最小二乘法的原理：最小二乘法的原理：如果能找到一条最佳的拟合直线，那么这条如果能找到一条最佳的拟合直线，那么这条拟合直线上各个相应点的值与测量值之差的平方拟合直线上各个相应点的值与测量值之差的平方和在所有拟合直线中是最小的。和在所有拟合直线中是最小的。1.6数据处理方法01()iiiivyyyaa x220111()kkii

25、iiiSvyaax按最小二乘法原理，应使下式最小按最小二乘法原理，应使下式最小010;0ssaaS取极小值必要的条件是取极小值必要的条件是0110112()02()0kiiikiiiiyaa xyaa x x即即:10210aayaxaxyxx整理后得整理后得:xaya;xxxyyxa10221 解得：解得：11221111;11;ikkiiiikkiiiixx yykkxxxyx ykk式中式中:01220222011,:0;0.,.ikissaaaava x110所 得 的 a满 足故 得 到 的 a对 应 取取 极 小 值这 样 就 得 到 直 线 的 回 归 方 程:y=a1.6数据处

26、理方法22)()()()(yyxxyyxxriiiinxxinyyi其中其中a、b、r 的具体求解方法：的具体求解方法：1.用有二维统计功能的计算器可直接求得用有二维统计功能的计算器可直接求得 a、b、r；2.用计算机用计算机Excel 程序中的程序中的 intercept、slope、correl 函数也可直接求得函数也可直接求得 a、b、r；3.可以根据实际情况自己编程求可以根据实际情况自己编程求 a、b、r。（1测量与误差关系测量与误差关系直接测量、间接测量、误差定义、随机误差、系统误直接测量、间接测量、误差定义、随机误差、系统误差、粗大误差、误差表示方法、误差消除方法、测量差、粗大误差

27、、误差表示方法、误差消除方法、测量结果表示方法结果表示方法（2测量结果误差估算及评定方法测量结果误差估算及评定方法最佳值、标准偏差、不确定度最佳值、标准偏差、不确定度（3直接测量结果误差及评定方法直接测量结果误差及评定方法单次测量、多次测量、不确定度表示测量结果单次测量、多次测量、不确定度表示测量结果（4间接测量结果误差及评定间接测量结果误差及评定误差传递、间接测量式、不确定度表示测量结果误差传递、间接测量式、不确定度表示测量结果（5有效数字及其运算有效数字及其运算有效数字、加减法、乘除法、有效数位约定有效数字、加减法、乘除法、有效数位约定（6常用数据处理方法常用数据处理方法列表法、作图法、逐

28、差法、最小二乘法、直线拟合列表法、作图法、逐差法、最小二乘法、直线拟合游标类器具游标类器具游标卡尺、游标卡尺、分光计度盘、分光计度盘、大气压计等大气压计等一般读至游一般读至游标最小分度标最小分度的整数倍，的整数倍，即不需估读。即不需估读。数显仪表及有数显仪表及有十进步式标度十进步式标度盘的仪表电盘的仪表电阻箱、电桥、阻箱、电桥、电位差计、数电位差计、数字电压表等字电压表等一般应直接读一般应直接读取仪表的示值。取仪表的示值。注意指针指注意指针指在整刻度线在整刻度线上时读数的上时读数的有效位数。有效位数。指针式仪表指针式仪表及其它器具，及其它器具，读数时估读读数时估读到仪器最小到仪器最小分度的分度的1/21/10，或使估，或使估读间隔不大读间隔不大于仪器基本于仪器基本误差限的误差限的1/51/3。1）二者同时存在，有时是难以区分的。2）随着人类认知水平和科技的发展，二者会发生转化。1.1测量与误差概念进行误差处理时，分三种情况：（1系统误差影响远大于随机误差。（2系统误差已改正或小得可以忽略。（3二者对结果影响相近。