Погрешностью измерений в физике считается результат измерения физической величины, в независимости от разновидности применения технического средства при измерении.
При этом, каким бы тщательным образом не производилось измерение, в результате оно всегда будет отличаться на некоторую величину от своего истинного значения.
Понятие погрешности измерения
В зависимости от условий, способствующих проведению соответствующего измерения, а также качества подготовки экспериментатора и вида задействованного при измерении технического средства, будет зависеть погрешность измерений.
Погрешность измерения принято считать в физике отклонением значения величины, получившегося после измерения, от ее действительного (истинного) значения. Погрешность измерения представляет собой характеристику точности измерения.
При этом, как правило, невозможным становится выяснение с абсолютной точностью истинного значения измеряемой величины. По этой причине становится невозможным и указание степени отклонения полученного при измерении значения от истинного. Подобное отклонение физики называют ошибкой измерения. Оценка величины такого отклонения возможна только посредством задействования статистических методов.
На практике истинное значение заменяется использованием значения физической величины, полученного экспериментальным способом и настолько близкого к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче смело может применяться вместо него. Подобное значение, зачастую, вычисляется в качестве среднестатистического значения, полученного в момент статистической обработки результатов серии измерений.
Такое значение точным не является, но представляет собой наиболее вероятное. По этой причине в измерениях требуется указание степени его точности. С этой целью, наряду с полученным результатом, указывают погрешность измерений.
Классификация погрешностей
В целях классифицирования погрешностей, в физике применяются следующие признаки: характер проявления, источник появления, условия для проведения измерений, способ выражения, временное поведение величины при измерении.
По источнику возникновения определяются такие виды погрешностей:
- погрешность метода измерений считается составляющей погрешности измерений, происходящей от несовершенства применяемого метода измерений и приёма задействования средств измерений;
- инструментальная погрешность измерений является составляющей погрешности, зависимой от погрешности используемых средств измерений, иными словами - от степени их точности;
- субъективная погрешность измерений представляет собой составляющую погрешности измерений, обусловленную несовершенством органов чувств экспериментатора;
- погрешность считывания считается составляющей погрешности измерений, происходящей вследствие неточного считывания показаний со средства измерения;
- погрешность интерполяции представляет собой составляющую погрешности считывания, возникающей вследствие неточной от оценки доли деления шкалы, соответствующей положению указателя;
- погрешность параллакса считается составляющей погрешности считывания, возникающей при неперпендикулярном поверхности шкалы визировании измерительной стрелки.
Погрешности средств измерений делят, в зависимости от давления, влажности и температуры, на основную и дополнительную.
Основная погрешность обычно применяется в нормальных условиях работы измерительных приборов, за которые принимается температура $+20 \pm 5 ^\circ C$, а для высокоточных приборов $+20 \pm 1 ^\circ C$; относительная влажность $65 \pm 15 \%$ (с учетом температуры $+ 20 ^\circ C$); давление $100 000 \pm 4000 Па$.
Дополнительная погрешность, в свою очередь, провоцируется отклонением от нормального значения одной или нескольких влияющих величин. При этом она может оказаться в несколько раз выше основной погрешности.
Погрешности измерений разделяются по характеру своих проявлений на: систематические, случайные и грубые.
Систематические погрешности считаются составляющими погрешностями измерения, которые сохраняют свое постоянство либо изменяются в случае повторных измерений одной и той же величины, благодаря одним и тем же приборам и посредством одного и того же метода. Систематические погрешности возникают вследствие неправильного градуирования шкалы измерительного прибора и изменения момента противодействия.
Случайные погрешности изменяются случайным способом в случае повторных измерений одной и той же величины. Они, в свою очередь, обусловлены неодинаковыми при каждом измерении причинами, и поэтому не могут быть учтены.
Грубые погрешности измерений являются погрешностями, превышающими ожидаемые при данных условиях для измерения. Они могут возникать как следствие небрежности экспериментатора или резких изменений условий измерений.
В зависимости от временного поведения измеряемой величины при измерении определяется:
статистическая погрешность, когда измеряют постоянную во времени величину; динамическая погрешность, когда производится измерение переменной во времени величины, при этом такая погрешность возникает в том случае, когда измерительный прибор не успел отследить изменения измеряемой величины.
Оценка погрешностей измерений
В зависимости от задействования определенного вида измерения, производится соответствующая оценка погрешностей.
Так, в случае использования метода прямого измерения, значение величины определяется непосредственно согласно шкале измерительного прибора, который был задействован в данном случае (динамометра, линейки, часов и др.) При совпадении результатов повторных опытов в пределах максимальной точности измерительного прибора, погрешность измерения считается равнозначной цене деления шкалы прибора.
В случае задействования косвенного метода измерения, значение измеряемой величины устанавливается уже не по непосредственным показаниям прибора, а на основании специальных формул, в которые включены значения физических величин, полученных за счет прямых измерений.
При определении плотности вещества изначально производят измерение массы и объема тела и далее вычисляют плотность.
Одним из максимально упрощенных методов оценки погрешности косвенных измерений считается в физике метод границ, состоящий в том, что посредством специальной формулы, по которой вычисляется измеряемая величина, находятся два ее значения: минимальное и максимальное, и далее вычисляется разница между ними, которая и будет являться истинным значением рассчитываемой величины.
Абсолютная погрешность измерения тогда получится при делении величины, полученной при разнице между максимальным и минимальным значением, на два.
А среднее значение, в свою очередь, рассчитывается делением суммы максимального и минимального значений величины на два.
При этом, округление результатов измерений и вычислений следует производить таким образом, чтобы последняя значащая цифра оказалась в одном с абсолютной погрешностью измеряемой величины десятичном разряде.
