Opracowanie danych pomiarowych

1. Pomiar wartości serii oporników

Do wykonania pomiaru potrzebny jest omomierz cyfrowy, mierzący oporność z dokładnością do czterech lub więcej cyfr po przecinku. Do dyspozycji są przemysłowo wytwarzane oporniki o wartościach znamionowych 5 i 10 kiloomów i tolerancji 1%, połączone w listki po 10 sztuk Do zbadania statystyki wartości oporności należy wykonać pomiar min. 20 sztuk oporników i zapisać wartości ich oporności. Wyniki zapisujemy w poniższej tabeli: I

Ri

(Ri - <R>)2

1

9.889

0.000676

2

9.912

0.000009

...

...

...

...

...

...

19

9.936

0.000441

20

9.886

0.000841

SUMA:

198.30

0.073036

Parametry:

<R>=9.915 kΩ

UR=0.062 kΩ

Wzory wykorzystane do obliczenia parametrów rozkładu mają postać:

∑ R

〈 R〉=

i

U =∑ Ri−〈 R〉2

N

R

N −1

Obliczone parametry charakteryzujące średnią wartość i rozrzut serii można wykorzystać do sprawdzenia czy oporniki mieszczą się w normie. Różnica między otrzymaną średnią serii a wartością nominalną (10 kΩ) powinna być mniejsza niż deklarowana tolerancja czyli 1%. W

naszym przypadku oznacza to, że dopuszczalne jest odstępstwo mniejsze niż 0.1 kΩ , co jest spełnione dla badanej serii, gdyż otrzymane w pomiarze ∆R=0.085 kΩ spełnia tą relację. Również otrzymany rozrzut wartości oporności (niepewność pomiaru) jest mniejszy niż deklarowana tolerancja, gdyż UR = 0.062 kΩ odpowiada 0.6% i jest mniejsze niż 1%.

Jest to jedyna analiza jaką można wykonać dla tego pomiaru, gdyż kolejność otrzymywania poszczególnych wartości w żaden dodatkowy sposób nie charakteryzuje badanej serii wyników.

2. Pomiar czasu odliczania

Do wykonania tego eksperymentu wystarcza jakikolwiek stoper mierzący czas z dokładnością do 0.05 sekundy. Pomiary polegają na dwudziestokrotnym zmierzeniu czasu odliczania od jeden do dwudziestu na ślepo, tzn. bez patrzenia na zegarek. Ćwiczenie można wykonywać z zamkniętymi lub skupiając wzrok na jakimkolwiek przedmiocie innym niż zegarek. Należy się starać aby utrzymywać jednakowe tempo odliczania w czasie każdego pomiaru. Każda bardziej lub mniej świadoma decyzja o zmianie sposobu liczenia (szybciej, wolniej, co sekundę itp.) zakłóca jednorodność próbki statystycznej. Pomiary zapisujemy w tabeli podobnej do tej z punktu 1: I

ti

(ti - <t>)2

1

14.85

0.16

2

16.95

2.89

...

...

...

...

...

...

19

16.25

1.00

20

15.05

0.04

SUMA:

305.00

8.027

Parametry:

<t>=15.25 s

Ut=0.65 s

Tak jak w poprzednim przypadku parametry rozkładu obliczamy ze wzorów:

∑ t

〈 t 〉=

i

U =∑ ti−〈 t〉2

N

t

N −1

W przypadku tego eksperymentu nie ma żadnej „wartości nominalnej” czy „dokładnej”, która powinna odpowiadać centrum rozkładu. Otrzymana średnia zależy nie tylko od wybranej osoby, ale nawet od jej chwilowego nastawienia, stanu zdrowia nastroju itp. Z tego właśnie powodu te pomiary wykonywane są osobno dla każdego z członków zespołu.

Dużo więcej informacji niesie w tym przypadku rozrzut, czyli niepewność wartości tego czasu gdyż jest to parametr dużo bardziej powtarzalny dla danej osoby. Stwierdzenie umiejętności powtarzalnego odliczania czasu dostarcza cennej informacji o stabilności zegara biologicznego.

Znaczy to, że objawami pozytywnymi będą mała wartość stosunku niepewności standardowej do wartości średniej i charakterystyki zbliżone do rozkładu normalnego (około 67% pomiarów w przedziale o odchyleniu jednej niepewności wokół wartości średniej).

W tak otrzymanej serii wyników dużo informacji niesie również sekwencja otrzymanych wyników, gdyż stwierdzenie systematycznego wzrostu czy spadku wartości (trendu) może dać dodatkowe informacje o reakcji na zniecierpliwienie, niemożność dłuższego utrzymania skupienia uwagi itp. Dlatego też w przypadku tego pomiaru warto zrobić wykres wartości ti od numeru pomiaru. Przykład takiego wykresu zamieszczony poniżej zawiera serię pomiarów, tzw. linię trendu oraz cztery dodatkowe linie na poziomach: dwie linie <t> ± ut i dwie linie <t> ± 3ut.. Można zauważyć, że w przedziale o odchyleniu jednej niepewności (linie niebieskie) mieści się ok połowy pomiarów, co jest już dość bliskie rozkładowi normalnemu. Dodatkową zaletą jest to, że żaden z wyników nie wyskakuje poza przedział o odchyleniu potrojonej niepewności (linie czerwone) Linia trendu też nie wykazuje jakichś systematycznych zmian w trakcie trwania pomiaru, wystawiając dobre świadectwo zegarowi biologicznemu osoby mierzącej.

Sekwencja wartości czasu

18

17

16

15

14

13

y = -0.0027x + 15.116

12

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

3. Rzuty kostkami

Zestaw eksperymentalny składa się z kubka i pięciu kostek do gry. Po wykonaniu każdego rzutu pięcioma kostkami sumujemy liczbę oczek na wszystkich kostkach i zapisujemy w postaci tzw.

histogramu. Jest to zapis 25 wierszy oznaczonych możliwymi wartościami sumy oczek, tzn od 5 do 30. Po wypadnięciu danej liczby oczek w odpowiednim wierszu w pierwszej wolnej kratce stawiamy krzyżyk, w ten sposób ilość kratek zaznaczonych w danym wierszu oznacza ilość wystąpień danej sumy oczek n(Xi) . Dla uzyskania sensownej próbki statystycznej należy wykonać minimum 80 – 100 rzutów. Po zakończeniu rzucania uzyskane wyniki zapisujemy w tabeli: Xi

n(Xi)

Xi n(Xi)

n(Xi) (Xi - <X>)2

5

0

0

0

6

2

12

268.19

...

...

...

...

...

...

...

...

29

1

29

130.42

30

1

20

154.26

SUMA:

N=100

1758

1490.38

Parametry:

<X>=17.58

Ux=3.88

Wzory wykorzystane do obliczenia parametrów rozkładu mają postać:

∑ n X

〈 X 〉=

i  X i

U =∑ n Xi Xi−〈 X 〉2

N

x

N −1

Rozkład Gaussa (normalny)

Opis teoretyczny pokazuje, że wygenerowany przez nas rozkład powinien być zbliżony do tzw. rozkładu normalnego, nazywanego też rozkładem Gaussa.

−2

N

n X = A exp[− Xi

] A=

i

22

2

Wzór ten przewiduje jaka jest oczekiwana ilość wystąpień danej sumy oczek, przy założeniu że cała statystyka zachowuje się jak rozkład normalny o zadanych dwóch wymaganych parametrach. Jeden z nich µ stanowi informację o położeniu centrum rozkładu (wartości najbardziej prawdopodobnych) zaś drugi σ stanowi informacje o rozrzucie oczekiwanych wartości wokół wartości centralnej.

Jak łatwo zauważyć parametry te są prawie dokładnymi odpowiednikami parametrów, którymi charakteryzowane były serie pomiarów w ćwiczeniach 1 i 2. Oznacza to, że otrzymywana wcześniej wartość <X> powinna być pewnym oszacowaniem (estymatorem) wartości µ , zaś wartość niepewności Ux , oddająca szerokość rozkładu, powinna być przybliżeniem σ . Można wyliczyć, żę dla idealnie wyważonych kości odpowiednie wartości teoretyczne powinny wynosić:

=3.5

=3.8

Jak widać z tabeli otrzymane wartości rzeczywiste nie odbiegają szczególnie od oczekiwanych. W

szczególności otrzymane odchylenie średniej <X> od wartości oczekiwanej µ mieści się przedziale o szerokości równej niepewności podzielonej przez pierwiastek z liczby pomiarów N, jak to przewiduje statystyka.

Obliczenia ilości wystąpień n(Xi) , oczekiwanych z faktycznego rozkładu (dla danych konkretnych kości) można wykonać obliczając odpowiednie n(Xi) z rozkładu Gaussa o parametrach µ = <X> oraz σ = Ux. Przykład takiego obliczenia pokazany jest w tabeli na następnej stronie. Wartości n(Xi) można wyliczyć na dwa sposoby:

●

dodając do używanej tabeli dwie dodatkowe kolumny: jedną zawierającą kwadrat odchylenia Xi od wartości średniej: DX = Xi - <X> , podzielony przez podwojony kwadrat niepewności Ux i drugą zawierającą odpowiednią eksponentę z tej wartości pomnożoną przez stałą normalizacyjną A

●

używając zdefiniowanej funkcji bibliotecznej arkusza kalkulacyjnego MS Excel: N*ROZKŁAD.NORMALNY (Xi , <X>, Ux, FAŁSZ), gdzie ostatnia zmienna określa rodzaj prezentacji rozkładu normalnego (kumulatywny bądź nie)

Poniższa tabelka i wykres zostały wytworzone z użyciem MS Excel i pokazuje oba te sposoby.

Xi

n(Xi)

Xi*n(Xi)

n*DX^2

0.5*(DX/Ux)^2

Gauss

R.NORM.

5

0

0

0

5.214722947 0.27941276

0.282342

6

1

6

132.7104 4.414967797 0.62169228

0.626341

7

1

7

110.6704 3.681748017 1.29422201

1.302326

8

3

24

271.8912 3.015063608

2.520845

2.533844

9

4

36

290.3616 2.414914569 4.59396369

4.613091

10

7

70

395.8528

1.8813009 7.83308844

7.85879

11

14

154

595.1456 1.414222601 12.4963321

12.52769

12

18

216

548.4672 1.013679672

18.652461

18.68694

13

31

403

633.3424 0.679672114 26.0491635

26.08295

14

36

504

446.0544 0.412199925 34.0373293

34.06647

15

36

540

228.6144 0.211263107 41.6122528

41.63409

16

45

720

103.968

0.07686166 47.5982554

47.61269

17

55

935

14.872 0.008995582 50.9406988

50.95045

18

49

882

11.2896 0.007664875 51.0085311

51.01819

19

46

874

100.7584 0.072869537 47.7886532

47.80283

20

38

760

233.7152

0.20460957 41.8900445

41.91157

21

34

714

411.7536 0.402884974 34.3558667

34.38475

22

34

748

682.3936 0.667695747 26.3630134

26.39669

23

17

391

510.5168 0.999041891 18.9274998

18.96203

24

12

288

503.8848 1.396923404 12.7143893

12.74593

25

12

300

671.4048 1.861340288 7.99101256

8.016969

26

3

78

215.7312 2.392292543 4.69907286

4.718462

27

3

81

269.6112 2.989780167 2.58539319

2.598617

28

0

0

0

3.653803162 1.33089894

1.33917

29

1

29

131.7904 4.384361527 0.64101414

0.645775

30

0

0

0

5.181455262 0.28886452

0.291392

500

17.52

7514.8

499.113971

499.6104

<X>=

17.52

Ux =

3.88

3.877

Oczekiwane ilości wystąpień sumy oczek

60

50

40

30

20

10

0

0

5

10

15

20

25

30

35