Точность и погрешность измерений

Смелое заявление: в экспериментальной науке неукоснительная точность измерений не достижима. Ну, с одной стороны, это действительно так. С другой стороны, точность все-таки — понятие относительное. Если учитывать погрешность измерений, то, оказывается, «приручаются» даже самые разбросанные величины. Научимся же приручать. Сегодня о том, что такое погрешность. Как найти погрешность, как выглядит формула погрешности — рассказываем и показываем.

Откуда берется погрешность измерений?

Одна из самых быстрых машин, которую можно встретить на городской дороге — BMW M8 Competition. Согласно тестированиям автопроизводителя способна разгоняться до 100 км/ч за впечатляющие 2.5 с. Иными словами, вы успеете моргнуть лишь единожды. Прежде, чем спидометр стильного немецкого купе выдаст отметку «100» и, озорно светя задними габаритными огнями, улетит в закат.

Физические величины различного рода и их измерения так или иначе окружают нас везде. К примеру, та же вышеупомянутая динамика разгона. Время, за которое транспортное средство разгоняется до определенной скорости, является важным параметром для любого автомобилиста, приобретающего новенький спорткар в салоне.

В жару мы то и дело поглядываем на отметку термометра. И ужасаемся, когда температура на отметке безжалостно приближается к 40 °C. Если опаздываем, то обязательно держим под рукой часы и проверяем время по минутам.

Когда худеем, каждое утро начинаем со взвешивания и фиксируем массу своего тела в килограммах. Расстраиваемся, если набрали пару сотен лишних граммов.

Это — физические величины. Правда несмотря на то, что физика относится к наукам точным, как бы удивительно ни было, ни одна ее величина — ни время, ни длина, ни скорость, ни что-либо еще —  не может быть выражена с предельной точностью.

Ведь вряд ли вы весите, скажем, ровно 60 килограмм без единого лишнего миллиграмма. Или имеете рост ровно 170 сантиметров. Ровно так же, как и BMW M8 Competition не разгоняется до 100 км/ч абсолютно ровно за две с половиной секунды.

Что такое точность измерений?

Точность измерений характеризует близость результата измерения к фактическому значению измеряемой величины. Строго говоря, ни одна физическая величина не может быть измерена с абсолютной точностью. То есть так, чтобы данные измерительного прибора отображали истинное значение.

Мир и его явления, на самом деле, практически всегда имеют отношение к иррациональным числам. Таким, как, к примеру, результат деления десяти на три. Наберите, кстати, данную операцию на калькуляторе и посмотрите на то, как неэстетично в реальности выглядят данные — с кучей знаков после запятой, за которыми не угнаться.

{"questions":[{"content":"Откройте ниже встроенный калькулятор и поделите $25$ на $7$. Сколько знаков после запятой выводит калькулятор в результате вычислений? Введите ниже <b>количество знаков после запятой</b>. [[input-1]]","widgets":{"input-1":{"type":"input","answer":"6"}},"step":1,"calc":1,"hints":["Должно получиться значение $3.571429$.","Здесь шесть знаков после запятой. Вводим $6$ в поле ответа."]},{"content":"А теперь возьмите полученное вами число ($3.571429$) и умножьте его «обратно» на семь. Каким вышел результат? [[choice-6]]","widgets":{"choice-6":{"type":"choice","options":["Ровно $25$","Меньше $25$","Больше $25$"],"explanations":["","","Казалось бы, калькулятор. Вот, неизбежность погрешности измерений, от этого не застрахован не один калькулятор. Но само по себе вычислительное устройство не виновато. Просто мир устроен «неточным»."],"answer":[2]}},"calc":1}],"mix":1}

Однако иррациональность чисел не удивляет, да и слишком абстрактна, дабы уловить суть. Что есть деление? Тогда, для конкретности, стоит покуситься на святое — на время. Казалось бы, что может быть точнее времени, показываемого самыми точными на свете часами — атомными часами?

И тем не менее, даже если вы зайдете на онлайн-ресурс, официально регистрирующий международное атомное время с точностью до миллисекунд, действительного точного измерения времени там вы не найдете.

Именно поэтому в физике одним из важнейших понятий является понятие погрешность измерений.

Цена деления и точность измерений

Представьте, что вас отправили в магазин купить сахар, но вот незадача: фасованный в пачках как раз закончился и остался только на развес. Что делать, вы просите продавца тогда отмерить вам ровно килограмм. Продавец взял лопатку, наполнил пакет, положил его на весы, и они выдают значение — 1.000 кг.

Как удачно положили.

Вы рассчитываетесь и счастливым возвращаетесь домой. А теперь представим, что по необыкновенной случайности у вас дома имеются весы. Они показывают массу с точностью до миллиграмма. Вы решаете интереса ради перевесить пакет, чтобы посмотреть, действительно ли его масса равна строго килограмму.

И какого же удивление, когда более точные весы показывают массу не в 1.000 кг, а в 0.999990 кг. Иными словами, вас обсчитали. Обсчитали, между прочим, на десять миллиграмм!

Чем меньше цена деления прибора, тем точнее измерение.

Ваши весы с учетом массы до миллиграмма оказались точнее магазинных «граммовых» весов. Однако и это не предел, ведь существуют фармакологические весы, определяющие массу до микрограмма — одной миллиардной килограмма. Так можно продолжать до бесконечности, пока у нас не закончатся технологические возможности сконструировать еще более точные весы.

Однако все измерительные приборы, пусть и самые точные, несовершенны. Несовершенно даже само то, как мы видим, слышим и ощущаем мир вокруг. Это, наряду с прочими факторами, приводит к тому, что при измерении величины получается ее приближенное значение, не истинное.

Что такое погрешность измерений?

Мы готовы дать определение тому, что такое погрешность:

Погрешность — это разница между приближенным и истинным значениями.

В физике погрешность — обыденное явление, присутствующее внутри практически каждой величины, и мало что имеет общего с ошибкой в привычном понимании слова.

Все величины, которые, к примеру, вы видите в типовых физических задачах на вычисление, так или иначе содержат погрешность. Ее не обозначают для удобства. Поэтому помните о невозможности проводить эксперименты в идеальных условиях и о том, что ни один прибор чаще всего не сможет показать результат таким, каков он есть на самом деле.

Важно. Погрешность не равно ошибке. В обычном, бытовом языке мы привыкли к тому, что слово «погрешность» у нас ассоциируется с просчетом или упущением.

Как правило, при однократном проведении измерения определить значение погрешности крайне затруднительно: для ее выявления обычно проводят серию равноточных измерений — измерений, произведенных в одинаковых условиях.

После результаты сличаются, то есть сравниваются между собой и, при необходимости, сопоставляются с различными экспериментальными величинами. На основе данных, полученных в результате измерений и сличения, вычисляется погрешность.

{"questions":[{"content":"Повторим упомянутые важные термины темы. Соотнесите термин с правильным определением. [[matcher-1]]","widgets":{"matcher-1":{"type":"matcher","labels":["Приближенное значение","Истинное значение","Погрешность","Равноточные измерения","Сличение результатов","Цена деления"],"items":["Значение, отличное от точного значения $x$ на некоторое число.","Значение, идеальным образом описывающее количественную характеристику.","Разница между истинным и приближенным значениями.","Измерения, произведенные в одинаковых условиях.","Сравнение результатов в результате измерений.","Разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы."]}}}]}

Как найти погрешность: эксперимент с линейкой

Обнаружить явление погрешности можно самостоятельно вне строгой лабораторной обстановки: достаточно провести простой эксперимент измерения длины с обычной школьной линейкой. В качестве примера, возьмем карандаш и выполним с ним замеры.

Во-первых, необходимо зафиксировать цену деления измерительного прибора. Цена деления определяется разностью двух ближайших отметок. В нашем случае она равна 1 см.

Примечание. На разметке измерительного прибора всегда указываются единицы измерения. К примеру, на стандартной линейке можно увидеть пометку «см», сантиметры.

Довольно часто используемые для измерений приборы не работают с основными единицами СИ — единицы величин либо являются производными, как сантиметр, либо, как миллиметр ртутного столба, являются внесистемными.

{"questions":[{"content":"Хорошо ли вы поняли разницу между системными и внесистемными единицами измерениями? Давайте проверим. Есть метр, есть сантиметр, есть километр. Что из этого считается стандартной согласно СИ единицей измерения длины? [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Метр","Километр","Сантиметр"],"answer":[0]}}}]}

Когда вас просят привести ответ в СИ, не забывайте о переводе значений, если измерительный прибор работает с внесистемными или производными единицами. В случае с сантиметровой линейкой, при подобном требовании, обязательно выражение результата в метрах и т. п.  

Далее совмещаем конец карандаша с нулевой отметкой. Видим, что второй конец располагается между отметками 12 и 13.

Какой из этих результатов следует принять за длину нашего карандаша?

Очевидно, что тот, который будет ближе к истинному значению — 12 см. Если бы мы провели аналогичный опыт, использовав более точную линейку с ценой деления в миллиметр, мы получили бы значение 12.2 см.

А какой из этих результатов лучше будет засчитать теперь? Какой правильный?

Оба результата фактически являются верными, их разница заключается лишь в том, что получены они были с разной точностью измерения: длина карандаша во втором варианте была дана с точностью до миллиметра, в первом — до сантиметра. Можно было бы воспользоваться микро́метром, еще более точным измерительными прибором, и получить результат с точностью до микроме́тра. Однако в случае с карандашом точности до миллиметра будет достаточно.

Наш ответ: 12.2 см.

Вычисление погрешности

Но что делать, если бы мы захотели учесть погрешность? Как ее вычислить и обозначить математически?

На самом деле, точно определить погрешность не так просто. Для этого необходимо владение методами математической статистики, для чего требуется уже знание высшей математики. Плюс немаловажно определение комплексных параметров вроде класса точности измерительного прибора.

Поэтому для простоты измерений с погрешностью считается, что обычно она равна половине цены деления прибора. В нашем эксперименте при цене деления линейки в сантиметр погрешность составила 0.5 см. При цене деления в миллиметр — 0.05 см.

Еще раз, внимание:

За погрешность измерений берется половина цены деления прибора.

Так, полученные замеры, где $l$ — длина карандаша, можно было бы записать в следующем виде:

$l$ = 12 ± 0.5 cм — в случае, когда цена деления составляла сантиметр;

$l$ =  12.2 ± 0.05 см — в случае, когда цена деления составляла миллиметр.

Математический символ плюс-минус (±) используется для обозначения интервала значений и расшифровывается следующим образом: истинное значение величины заключено в диапазоне «от-до». 

{"questions":[{"content":"Вам необходимо измерить длину предмета. Для расчетов предоставлена <i>сантиметровая</i> линейка с ценой деления в 1 см. В результате измерений было выяснено, что длина предмета составляет примерно 17 см. Как научно выразить это значение с погрешностью согласно СИ?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$±17~см$","$17±0,5~см$","$±0.17~м$","$0.17±0,005~м$"],"answer":[3]}},"step":1,"hints":["Во-первых, в условии фигурирует требование выражать значение с погрешностью в СИ. Следовательно значения с сантиметром отпадают. Метр — стандартная единица, не сантиметр.","Во-вторых, включение погрешности в результат измерения обязывает указать половину цены деления измерительного прибора.","Линейка сантиметровая. Тогда погрешность $0,5~см$. В переводе на метры $0,005~м$.","Остается перевести $17~см$ в СИ и указать погрешность через знак «плюс-минус»."]}]}

Формула погрешности

Таким образом, общая формула для записи величин с погрешностью выглядит следующим образом:

$X = x \pm \Delta x,$

где $X$ — измеряемая величина, $x$ — результат измерений, $\Delta x$ — погрешность. 

Выходит, что истинное значение длины карандаша располагается в диапазоне значений от 11.5 см до 12.5 см.

При более точных замерах до миллиметра: от 12.15 см до 12.25 см.

Однако остается один последний интересный момент. Несмотря на то, что мы провели замеры и определили длину, философски говоря, вопрос остается вопросом: так какую же точную длину имеет карандаш?

Таковы погрешности. Где-то от, где-то до. 

А точно — никак.