大学物理实验中不确定度的应用

大学物理实验教学中关于实验数据的不确定度的计算和分析作者：孙红章王翚苏向英来源：《教育教学论坛》2015年第35期摘要：本文首先讨论了大学物理实验教学中关于不确定理论中的直接测量量的A类、B类标准不确定度和合成不确定度以及间接测量量的不确定度的通常表示方法，随后推算出了几个基本物理实验中各个测量量不确定度的计算公式，对大学本科学生的物理实验教学具有指导意义。

关键词：大学物理实验教学;不确定度计算;固体密度测量;杨氏弹性模量测量;共轭法测凸透镜焦距中图分类号：G642 ; ; 文献标志码：A ; ; 文章编号：1674-9324（2015）35-0169-02现如今在大学物理实验教学中为了更加准确和精确的表示实验测量结果，常使用不确定度理论来表示实验测量结果。

[1，2]在大学物理实验教学中，不确定度的计算一直是一个难点，也是一个重点，许多本科学生因为不确定度的计算方法非常复杂，而且计算量很大，而放弃对实验数据的科学处理。

这里我们将阐述大学物理实验教学中不确定度的通常表示方法，并结合有关的基本物理实验，在课堂上用多媒体演示，使大学一年级学生很容易掌握不确定度的计算，取得了良好的教学效果。

一、不确定度理论的一般原理和计算方法[3，4]不确定度理论对于直接测量量把数据的不确定度根据数据的性质来分类，把符合正态分布统计规律的称之为A类标准不确定度，而不符合正态分布统计规律的称之为B类标准不确定度。

把两类不确定度的平方和的根称之为测量量的合成标准不确定度，或者简称为不确定度。

大学物理实验中物理量的直接测量量的平均值的标准偏差即为A类标准不确定度，它的计算公式为：t的大小与物理量的测量次数n和置信概率p有关系，置信概率p一般约定取值为68.3%，特殊情况下置信概率p取95.4%。

如果我们测量9次，置信概率取p=68.3%，那么置信因子取t=1.07。

如果我们测量5次，置信概率取p=68.3%，置信因子取t=1.14。

⼤学物理实验测量的不确定度和数据处理测量的不确定度和数据处理测量不确定度采⽤不确定度的必然性国际计量局等七个国际组织于1993年指定了具有国际指导性的“测量不确定度表⽰指南ISO 1993（E）”（以下简称《指南》）。

⼏年来国际与国内的科技⽂献开始采⽤不确定度概念，我国各个⾼校也不断开展这⽅⾯的讨论，改⾰教学内容与⽅法，以求与国际接轨。

虽然⼀些学者对《指南》的有些内容持批评态度[注1]，但总的趋势是在贯彻《指南》的同时，不断改善它。

测量不确定度定义为测量结果带有的⼀个参数，⽤以表征合理赋予被测量量的分散性，它是被测量客观值在某⼀量值范围内的⼀个评定。

不确定度理论将不确定度按照测量数据的性质分类：符合统计规律的，称为A类不确定度，⽽不符合统计规律的统称为B类不确定度。

测量不确定度的理论保留系统误差的概念，也不排除误差的概念。

这⾥的误差指测量值与平均值之差或测量值与标准值（⽤更⾼级的仪器的测量值）的偏差。

测量不确定度的 B类分量仪器的最⼤允差Δ仪测量中凡是不符合统计规律的不确定度统称为B类不确定度，记为ΔB 。

它包含了由测量者估算产⽣的部分Δ估和仪器精度有限所产⽣的最⼤允差Δ仪。

Δ仪包含了仪器的系统误差，也包含了环境以及测量者⾃⾝可能出现的变化（具随机性）对测量结果的影响。

Δ仪可从仪器说明书中得到，它表征同⼀规格型号的合格产品，在正常使⽤条件下，⼀次测量可能产⽣的最⼤误差。

⼀般⽽⾔，Δ仪为仪器最⼩刻度所对应的物理量的数量级（但不同仪器差别很⼤，⼀些常⽤仪器的最⼤允差见第26页）。

测量者的估算误差Δ估测量者对被测物或对仪器⽰数判断的不确定性会产⽣估算误差Δ估。

对于有刻度的仪器仪表，通常Δ估为最⼩刻度的⼗分之⼏，⼩于Δ仪（因为最⼤允差已包含了测量者正确使⽤仪器的估算误差）。

⽐如，估读螺旋测微器最⼩刻度的⼗分之⼀为0.001毫⽶，⼩于其最⼤允差0.004毫⽶；估读钢板尺最⼩刻度的⼗分之⼀为0.1毫⽶，⼩于其最⼤允差0.15毫⽶。

大学物理实验中的误差和不确定性在大学物理实验中，误差和不确定性是无法避免的。

它们对实验结果的精确性和可靠性有很大影响。

本文将对大学物理实验中的误差来源、误差分析方法以及不确定性进行探讨，以期帮助读者更好地理解和处理实验数据。

一、误差来源1. 人为误差：人为误差源于实验者自身的不准确操作或测量判断。

例如，实验者在读数时可能存在读数不准确、操作不规范等情况，从而引入人为误差。

2. 仪器误差：仪器本身存在的误差也是实验中常见的来源之一。

不同仪器的精度和灵敏度不尽相同，所以在进行实验时需要仔细选择和使用仪器，以减小仪器误差对实验结果的影响。

3. 随机误差：随机误差是由一系列随机因素引起的误差。

例如，由于环境的微弱变化或测量手法的不完美，导致的重复测量结果不完全一致。

二、误差分析方法1. 重复测量法：重复测量法是通过多次重复测量同一物理量的数值，然后计算平均值和标准偏差，以减小随机误差对结果的影响。

重复测量法可以提高实验结果的可靠性和精确性。

2. 构造误差概率密度分布图：通过对测量数据进行概率密度分布图的构建，可以了解误差在整个测量范围内的分布情况。

常见的误差分布有正态分布、均匀分布等，通过分析误差的概率分布情况，可以更好地理解误差的特性。

3. 方差分析法：方差分析法可以用来分析不同因素对实验结果的影响程度。

通过对实验数据进行方差分析，可以确定主要误差来源，并且对影响程度较大的因素进行优化，提高实验的精确性。

三、不确定性不确定性是物理实验中非常重要的一个概念。

不确定性是对测量结果的不确定程度进行量化的指标，一般用标准不确定度或扩展不确定度来表示。

1. 标准不确定度：标准不确定度是测量结果的一种误差范围估计值，通常用统计学的方法计算得出。

标准不确定度用来表示一个测量结果的可靠性和精确性。

2. 扩展不确定度：扩展不确定度是对标准不确定度进行修正和扩展的一种误差范围估计值，一般是用于报告测量结果。

扩展不确定度是由标准不确定度与置信度相乘得到的。

大学物理实验中测量不确定度的评定方法大学物理实验是科学证明的关键，因此对实验结果的准确性和可靠性要求至关重要。

实验结果的不确定度是检验实验结果的一种重要指标，它反映了实验的可重复性和有效性。

因此，不确定度的评定是大学物理实验中的重要内容。

不确定度的评定由两个主要步骤组成：测量不确定度的衡量原理和评估不确定度的方法。

在理论上，对实验结果的测量不确定度衡量原理应具有舍入误差、限制实验精度、可重复性误差、有限性测量原理、数据处理原理五个基本原理。

在实操中，评估不确定度的方法应根据不确定度的评估模型，分别采用测量不确定度、可重复性误差、舍入误差、有限性测量和可能的数据处理误差。

首先，对实验结果的不确定度进行测量。

实验中应尽量采取有效措施减少误差，进行可靠的数据测量，并正确记录测量结果，以确定实验的准确性和可靠性。

其次，进行可重复性误差的评估。

在实验中，实验者应重复测量多次，得出稳定的结果后，计算实验结果的可重复性误差。

再次，对舍入误差进行评估。

实验过程中，数据测量值应尽可能准确，但实际数值不一定是很精确的，应根据实际情况舍入，并考虑舍入的真实影响。

第四，执行有限性测量，即考虑实验测量设备和仪器的性能范围，根据测量设备性能，对实验结果进行准确和正确的评估。

最后，根据可能会发生的数据处理误差和统计误差，进行数据处理。

由于数据处理错误可能是实验失误的主要原因，因此，实验者应采取有效措施避免出现数据处理错误，影响实验结果的正确性。

实验结果的不确定度是检验实验结果的重要指标，对大学物理实验的准确性和可靠性具有重要意义。

大学物理实验中测量不确定度的评定方法，其基本流程是以理论指导为基础，采取测量不确定度、可重复性误差、舍入误差、有限性测量和可能的数据处理误差，用有效方法检验实验结果，以保证实验结果的准确性和可靠性。

大学物理实验不确定度引言在进行大学物理实验时，我们经常会遇到一些测量数据需要进行分析和处理的情况。

然而，真实的物理量是由各种各样的测量误差和不确定度组成的。

因此，正确地评估和报告测量的不确定度对于得出准确的结果至关重要。

什么是不确定度不确定度是指测量结果与被测量物理量真值之间的差异度量。

它反映了测量结果的精确程度和可靠性。

测量不确定度由多种因素引起，如测量设备的精确度、实验条件的稳定性、人为误差等。

如何评估不确定度评估不确定度的方法可以分为两种：直接测量法和间接测量法。

直接测量法直接测量法是指直接对被测量物理量进行测量和记录。

在这种情况下，不确定度可以通过测量设备的精确度和重复测量来评估。

重复测量可以帮助我们确定测量结果的可靠性，进而评估不确定度的大小。

间接测量法间接测量法是指通过对几个相关的物理量进行测量，然后使用数学关系式计算所要测量的物理量。

在这种情况下，不确定度的评估需要考虑每个测量值的不确定度以及数学关系式的传递误差。

不确定度的类型不确定度可以分为两种类型：随机不确定度和系统不确定度。

随机不确定度随机不确定度是由于测量条件的变化或测量设备的随机误差引起的。

它可以通过重复测量获得一系列测量结果，并从中计算出平均值和标准偏差来评估。

系统不确定度系统不确定度是由于系统性误差或仪器固有误差引起的。

它通常不会在重复测量时得到纠正。

评估系统不确定度需要考虑实验装置的特性以及操作者的技术能力。

不确定度的表示方法表示不确定度的常见方法有两种：标准不确定度和扩展不确定度。

标准不确定度标准不确定度是测量结果不确定度的一种方法。

它表示为一个具有区间的数字，通常用测量结果的标准差表示。

标准不确定度给出了测量结果的范围，但无法确定具体的上下限。

扩展不确定度扩展不确定度是在标准不确定度的基础上，根据所选的置信度给出测量结果的范围。

它考虑了标准不确定度的不确定性，并通过乘以一系列修正因子来扩展结果。

不确定度的传递规则当使用数学关系式计算一个物理量时，我们需要考虑每个测量值的不确定度如何传递给最终结果。