测量误差、不确定度与数据处理.doc

第2章 测量误差、不确定度和数据处理 2.1 测量误差与不确定度 2.1.1 测量 在科学实验中，一切物理量都是通过测量得到的。所谓测量就是将待测物理量与规定作为标准单位的同类物理量(或称为标准量)通过一定方法进行比较。测量中的比较倍数即为待测物理量的测量值。测量可分为两类，一类是用已知的标准单位与待测量直接进行比较，或者从已用标准量校准的仪器仪表上直接读出测量值(例如，用米尺量得物体的长度为0.7300m，用停表测得单摆周期为1.05s，用毫安表读出电流值为12.0mA等)，这类测量称直接测量(或简单测量)；另一类测量，它不能直接把待测量的大小测出来，而是依据该待测量和一个或几个直接测得量的函数关系求出该待测量(例如，测量铜(圆柱体)的密度时，我们首先用游标卡尺或千分尺测出它的高h和直径d，用天平称出它的质量M，然后再通过函数关系式计算出铜的密度)，我们把这类测量称为间接测量(或称复合测量)。 一般说，大多数测量都是间接测量、但随着科学技术的发展，很多原来只能以间接测量方式来获得的物理量，现在也可以直接测量了。例如电功率的测量，现在可用功率表直接测量，又如速度也可用速率表来直接测量等。 测得的数据(即测量值)不同于数学中的一个数值，数据是由数值和单位两部分组成的。一个数值有了单位，便具有了一种特定的物理意义，这时，它才可以称为一个物理量。因此，在实验中经测量所得的值(数据)应包括数值和单位，即以上二者缺一不可。 2.1.2 误差 任何物质都有自身的特性，反映这些特性的物理量所具有的客观真实数值称为这些物理量的真值。测量的目的就是要力求得到真值。但测量总是依据一定的理论和方法，使用一定的仪器，在一定的环境中，由一定的人进行的。在实验测量过程中，由于受到测量仪器、测量方法、测量条件和测量人员的水平以及种种因素的限制，使测量结果与客观存在的真值不可能完全相同，导致所测得的只能是该物理量的近似值。也就是说，任何一种测量结果的测量值与客观存在的真值之间总会或多或少地存在一定的差值，这种差值称为该测量值的测量误差(又称测量值的绝对误差)，简称“误差”，即 测量值(x)–真值(X)=误差(() (2-1) 误差存在于一切测量之中，而且贯穿测量过程的始终。每使用一种仪器进行测量都会引起误差。测量所根据的方法和理论越繁多、所用仪器越复杂、所经历的时间越长，引进误差的机会就越多。因此实验应该根据要求和误差限度来制订或选择合理的方案和仪器。要避免测量中某个环节盲目追求不切实际的高指标，这样作既不符合现代信息论的基本思想，又提高了测量的代价。一个优秀的实验工作者，应该是在一定的要求下，以最低的代价来取得最佳的结果。要做到既保证必要的实验精确度又合理地节省人力与物力。 2.1.3 误差的分类及相关知识 误差的产生原因是多方面的。根据误差的性质和来源，可将误差分为两类；系统误差和随机误差。现分别对它们作必要的介绍。 2.1.3.1 系统误差 在同一实验条件下(方法、仪器、环境和观测人都不变)多次测量同一量时，误差的绝对值和正负号保持不变，或按一定规律变化的误差，称为系统误差。系统误差的特征是它的确定性。它主要来自以下几个方面： (1) 理论(方法)误差 这是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，或由于所采用测量方法或数据不完善而引起的误差。例如，单摆的周期公式的成立条件是摆角趋近于零，这实际上是达不到的，用它来计算周期必然引起误差。 (2) 仪器误差 这是由于测量仪器本身的固有缺陷或没有按规定使用而引起的。例如，用未经校准零位的千分尺测量零件长度，用不等臂的天平称衡物体的质量，都会引入仪器误差。 (3) 环境误差 由于环境条件变化所引起的误差。如温度、气压、湿度的变化等。 (4) 个人误差 这是由于观测人的生理或心理因素所造成的。通常与观测人员反应速度和观测习惯有关。例如，用肉眼在米尺刻线上读数时，习惯地偏向一个方向；按动秒表时，习惯地提前或落后。 系统误差的规律及产生的原因可能是实验者已知的，也可能不知道。已被确切掌握了其大小和符号的系统误差称为可定系统误差。对大小和方向未知(或尚未确定)的系统误差叫未定系统误差。前者一般可在测量中采取一定的措施给予减小消除或在测量结果中进行修正，而后者一般难以作出修正，只能估计它的取值范围。 总之，系统误差是在一定实验条件下由一些确定的因素引起的，它使测量结果总是偏向一边，即偏大或偏小。因此，试图在相同条件下用增加测量次数来减小或消除它是徒劳的，只有找出导致该系统误差产生的原因，对症下药采取一定的方法才能减小或消除它的影响，或对测量结果进行修正。 1．系统误差的发现 要发现系统误差，就必须仔细地研究测量理论和方法的每一步推导，检验或校准每一件仪器，分析每一个因素对