Установление зависимостей физических величин

Когда устанавливается зависимость одной величины от другой и сравнивается с теоретически ожидаемой зависимостью, то обычной является практика построения линейных зависимостей. Одна из причин применения этого правила лежит в нашем восприятии: различить две близкие по форме кривые линии весьма непросто, а прямая линия легко «узнается» среди других линий.

Рассмотрим случай, когда погрешность имеет только величина y. На практике этот случай встречается довольно часто. Более общий случай требует усложнения процедуры обработки данных.

Пусть теоретическая модель предсказывает линейную зависимость. Задача состоит в том, чтобы «через» экспериментальные точки провести наилучшим образом прямую линию и сравнить с теоретически ожидаемой зависимостью.

Пусть искомая наилучшая прямая имеет вид

,                                            (12)

где угловой коэффициент (тангенс угла наклона)  и величина смещения  подлежат определению с некоторыми среднеквадратичными погрешностями  и .

Метод наименьших квадратов – один из стандартных методов математической статистики. В этом методе наилучшие значения параметров прямой  и  находятся из условия минимума суммы квадратов величин отклонений :

.                                (13)

Метод минимизации суммы квадратов отклонений, предложенный еще Лежандром в 1806 г. сводится к решению системы уравнений

,                   (14)

.                      (15)

Решение системы уравнений несложно. Результаты получаются следующие.

· наилучшая прямая проходит через центр тяжести всех экспериментальных точек, т.е. через точку с координатами:

,  .                          (16)

· параметры a и b наилучшей прямой равны

, , .        (17)

Математическая статистика дает также среднеквадратичные погрешности в определении параметров a и b:

,      (18)

Если согласно теоретической модели ожидаемая прямая проходит через начало координат, т. е.

,                                               (19)

то наилучшее значение углового коэффициента  и его среднеквадратичная погрешность определяются соотношениями

, .                   (20)

Приведенные формулы не требуют собственно построения графика. Они дают строгий аналитический способ статистической обработки экспериментальных данных.

Существует упрощенный способ оценки параметров наилучшей прямой по данным, представленным на графике, который работает тем лучше, чем больше имеется экспериментальных точек на графике (более 15–20 точек).

Для определения погрешностей ,  и  поступим следующим образом. «Рабочий участок» оси абсцисс (участок, на котором расположены экспериментальные точки) разбиваем на три равные части и в дальнейшем не будем обращать внимание на среднюю ее часть.

Поворачиваем наилучшую прямую линию вокруг центра тяжести  таким образом, чтобы на левом участке выше прямой оказалось вдвое больше экспериментальных точек, чем под ней, а на правом участке – наоборот. Затем поворачиваем прямую линию таким образом, чтобы на левом участке ниже прямой оказалось вдвое больше экспериментальных точек, чем над ней, а на правом участке – наоборот. Обозначим разницу в угловых коэффициентах через . Тогда

.                                           (21)

Теперь смещаем наилучшую прямую вниз параллельно самой себе таким образом, чтобы над ней было вдвое больше точек, чем под ней. Затем смещаем прямую вверх параллельно самой себе таким образом, чтобы под ней было вдвое больше точек, чем над ней. Обозначим разницу в величине смещения через . Тогда

.                                          (22)

Если согласно теоретической модели ожидаемая прямая проходит через начало координат (19), то «рабочий участок» оси абсцисс разбиваем также на три равные части и в дальнейшем не будем обращать внимание на первую – левую, ближнюю к началу координат, ее часть.

Поворачиваем наилучшую прямую линию вокруг начала координат таким образом, чтобы над ней (т. е. над второй и третьей частями «рабочего участка») выше прямой оказалось вдвое больше экспериментальных точек, чем под ней. Затем поворачиваем прямую линию таким образом, чтобы под ней оказалось вдвое больше экспериментальных точек, чем над ней. Обозначим разницу в угловых коэффициентах через . Тогда

.                                             (23)

Применение этих несложных правил дает оценки величин погрешностей ,  и , вполне удовлетворительные при выполнении учебных лабораторных работ.

Литература

1.Анализ, обработка и представление результатов измерения физических величин: Лаб. практикум / В.Н. Холявко и др. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 54 с.

2.Механика и термодинамика: Лабораторный практикум. Вводное занятие / В. Г. Дубровский и др. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2005.

3.Лабораторные занятия по физике: Учеб. пособие / Л.Л. Гольдин,
Ф.Ф. Игошин, С.М. Козел и др. – М.: Наука, 1983. – 704 с.

4.Зайдель А.Н. Погрешности измерений физических величин. – Л.: Наука, 1985.

5.Сквайрс Дж. Практическая физика. – М.: МИР, 1971. – 246 с.

6.Худсон Д. Статистика для физиков. – М.: Мир,1967. – 243 с.

Лабораторная работа № 10