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题目

用比较仪对某尺寸进行了15次等精度测量,测得值如下:20.216,20.213,20.215,20.214,20.215,20.215,20.217,20.216,20.213,20.215,20.216,20.214,20.217,20.215,20.214。假设已消除了定值系统误差,试求其测量结果。

用比较仪对某尺寸进行了15次等精度测量,测得值如下:20.216,20.213,20.215,20.214,20.215,20.215,20.217,20.216,20.213,20.215,20.216,20.214,20.217,20.215,20.214。假设已消除了定值系统误差,试求其测量结果。

题目解答

答案

1. 算术平均值为: \[ \bar{x} = \frac{1}{15} \sum_{i=1}^{15} x_i = 20.215 \, \text{mm} \] 2. 标准偏差为: \[ \sigma = \sqrt{\frac{\sum v_i^2}{n-1}} = \sqrt{\frac{22}{14}} \approx 1.254 \, \mu m \] 3. 算术平均值的标准偏差为: \[ \sigma_{\bar{x}} = \frac{\sigma}{\sqrt{n}} = \frac{1.254}{\sqrt{15}} \approx 0.324 \, \mu m \] 4. 测量结果为: \[ Q = (20.215 \pm 0.001) \, \text{mm} \] 答案:$ Q = (20.215 \pm 0.001) \, \text{mm} $。

解析

本题主要考察等精度测量中测量结果的计算,涉及算术平均值、标准偏差、算术平均值的标准偏差以及最终测量结果的计算。解题思路如下:

  1. 计算算术平均值:算术平均值是所有测量值的总和除以测量次数,它是测量结果的最佳估计值。
    • 已知测量值$x_i$($i = 1,2,\cdots,15$)分别为$20.216$,$20.213$,$20.215$,$20.214$,$20.215$,$20.215$,$20.217$,$20.216$,$20.213$,$20.215$,$20.216$,$20.214$,$20.217$,$20.215$,$20.214$,测量次数$n = 15$。
    • 根据算术平均值公式$\bar{x}=\frac{1}{n}\sum_{i = 1}^{n}x_i$,可得:
      $\bar{x}=\frac{1}{15}\times(20.216 + 20.213 + 20.215 + 20.214 + 20.215 + 20.215 + 20.217 + 20.216 + 20.213 + 20.215 + 20.216 + 20.214 + 20.217 + 20.215 + 20.214)$
      $=\frac{1}{15}\times303.225 = 20.215\mathrm{mm}$
  2. 计算标准偏差:标准偏差反映了测量值的离散程度。
    • 先计算每个测量值与算术平均值的偏差$v_i=x_i - \bar{x}$,然后计算偏差的平方和$\sum_{i = 1}^{n}v_i^2$。
    • 经计算$\sum_{i = 1}^{15}v_i^2 = 22\times10^{-8}\mathrm{mm}^2$(这里$22$是偏差平方和的数值,单位换算后为$22\times10^{-8}\mathrm{mm}^2$)。
    • 根据标准偏差公式$\sigma=\sqrt{\frac{\sum_{i = 1}^{n}v_i^2}{n - 1}}$,可得:
      $\sigma=\sqrt{\frac{22\times10^{-8}}{15 - 1}}=\sqrt{\frac{22}{14}\times10^{-8}}\approx1.254\times10^{-4}\mathrm{mm}=1.254\mathrm{\mu m}$
  3. 计算算术平均值的标准偏差:算术平均值的标准偏差反映了算术平均值的可靠程度。
    • 根据公式$\sigma_{\bar{x}}=\frac{\sigma}{\sqrt{n}}$,将$\sigma = 1.254\times10^{-4}\mathrm{mm}$,$n = 15$代入可得:
      $\sigma_{\bar{x}}=\frac{1.254\times10^{-4}}{\sqrt{15}}\approx0.324\times10^{-4}\mathrm{mm}=0.324\mathrm{\mu m}$
  4. 确定测量结果:测量结果通常表示为算术平均值加上或减去一定的不确定度。
    • 一般取$3$倍的算术平均值的标准偏差作为测量的不确定度$\Delta = 3\sigma_{\bar{x}}$。
    • $\Delta = 3\times0.324\mathrm{\mu m}=0.972\mathrm{\mu m}\approx1\mathrm{\mu m}=0.001\mathrm{mm}$
    • 所以测量结果$Q = (\bar{x}\pm\Delta)\mathrm{mm}=(20.215\pm0.001)\mathrm{mm}$

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