Определение объёма тела цилиндрической формы

Цель работы: на достаточно простом примере научиться проводить измерения физической величины, обрабатывать и представлять результаты прямых и косвенных измерений.

Объём цилиндра рассчитывается по формуле:

V = π d² h/4, (9)

где d – диаметр основания цилиндра,

h – высота цилиндра.

Следовательно, объём тела цилиндрической формы можно определить из косвенного измерения, произведя прямые измерения диаметра и высоты.

Обработка и представление результатов прямых измерений.

Так как у реального цилиндрического тела значения d и h, измеренные в разных местах и направлениях, могут оказаться разными, то следует произвести многократные измерения диаметра и высоты для нескольких сечений цилиндра. Если результаты многократных измерений получатся разными, то следует произвести их статистическую обработку в соответствии с п.1.2. Предстоит определить средние значения d и h, среднеквадратичные отклонения S_d и S_h, доверительные погрешности ∆_d и ∆_h (доверительную вероятность следует выбирать близкую к 100%).

В качестве измерительного прибора в данной работе Вы будете использовать линейку или штангенциркуль. Прибор позволит Вам измерить диаметр и высоту цилиндра. Приборная погрешность δ линейки и штангенциркуля определяется ценой деления. Приступая к измерениям, Вам необходимо определить цену деления измерительного прибора.

Доверительные погрешности ∆_d и ∆_h , полученные в результате статистической обработки, следует сравнить с приборной погрешностью δ. Если, например, большим оказывается значение ∆_d , то результат многократных прямых измерений диаметра представляется в виде:

d ± ∆_d (n =..., P =...).

Если выполняется условие δ > ∆_d, то результат представляется в виде:

d ± δ.

В последнем случае считается, что все имеющиеся случайные погрешности перекрываются погрешностью прибора. Именно в такой ситуации можно ограничиваться однократным измерением.

Обработка и представление результатов косвенного измерения.

Возможны два варианта обработки и представления результатов косвенного измерения объёма.

Первый вариант

По результатам многократных измерений d и h производятся многократные вычисления значений объёма V. После этого производится статистическая обработка и представление результатов в соответствии с п.1.2. в форме:

V ± ∆_V (n =..., P =...).

Второй вариант

Производится оценка среднего значения V путём подстановки средних значений d и h в формулу для вычисления объёма. Оценка погрешности ∆_V производится в соответствии с формулой (7), учитывающей связь погрешностей прямых и косвенных измерений. Результат представляется в форме:

V ± ∆_V.

Строго говоря, варианты в общем случае дают разные результаты, как для средних значений, так и для погрешностей величин, определяемых с помощью косвенных измерений. Но если погрешности существенно меньше самих величин, то результаты оказываются достаточно близкими.

На практике чаще используется второй вариант, позволяющий сэкономить время на многократных вычислениях. А в том случае, когда прямые измерения являются однократными, этот подход является единственно возможным. Поэтому именно второй вариант представления результатов косвенных измерений Вам предстоит использовать в этой лабораторной работе и в последующих.

Задание к работе

1. Используя формулы (7) и (9), получите формулу для определения погрешности ∆_V. Учтите, что при вычислении объёма по формуле (9) число π округляется и, следовательно, характеризуется некоторой погрешностью округления.

2. Определите цену деления и приборную погрешность измерительного прибора.

3. Подготовьте протокол:

- оформите титульный лист,

- напишите цель работы в п.1 протокола,

- начертите и заполните таблицу измерительных приборов в п.2,

- запишите рабочие формулы в п.3 (формула для определения средних значений величин, формула для определения среднеквадратичного отклонения, формула для определения доверительной погрешности, формула для определения объёма, выведенная Вами формула для определения ∆_V - погрешности косвенного измерения объёма),

- п.4 отсутствует,

- в п.5 начертите две таблицы (см. табл.2) для обработки результатов многократных (n = 5) измерений диаметра и высоты цилиндра.

4. Произведите пятикратные измерения диаметра и высоты цилиндра в разных сечениях тела. Результаты измерений занесите в таблицы.

5. Произведите статистическую обработку результатов измерений. Определите средние значения диаметра и высоты, а также соответствующие им доверительные погрешности. Сравните доверительные погрешности с приборной погрешностью измерительного прибора.

6. Сделайте оценку среднего значение объёма цилиндра и соответствующей ему погрешности.

7. В п.6 протокола продемонстрируйте, как проводились расчёты средних величин и их погрешностей.

8. В п.7 протокола приведите окончательные результаты прямых и косвенных измерений в стандартной форме.

9. Проанализируйте полученные результаты, сделайте вывод и запишите его в п.8 протокола.

Литература

1. Агекян Т.А. Основы теории ошибок для астрономов и физиков. – М: Наука, 1972. – 172 с.

2. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов измерений. – М: Наука, 1970. – 104 с.

3. Сквайрс Дж. Практическая физика: Пер. с англ. М: Мир, 1971. – 247 с.

4. Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок: Пер. с англ. М: Мир, 1985. – 272 с.

5. Худсон Д. Статистика для физиков: Пер. с англ. М: Мир, 1967. – 243 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ Работа № 1

Измерение скорости пули с помощью баллистического маятника