Бесплатные калькуляторы

Примеры запросов: процентыипотекаплощадь✓ 1 013 работающих калькуляторов

КОЛЕБАНИЯ · ОНЛАЙН

Разброс периода колебаний маятника по серии измерений

В лабораторной работе период маятника измеряют несколько раз, и каждый замер немного отличается от других. Введите полученные значения периода, и калькулятор найдёт дисперсию и стандартное отклонение, которые описывают случайный разброс измерений.

✓ Бесплатно⌁ С пояснением✦ Без регистрации
▦
КАЛЬКУЛЯТОР

Введите данные

Результаты повторных замеров периода в секундах; нужно не менее двух значений. Лучше записывать время нескольких полных колебаний и делить на их число.
✓ Исходные значения передаются серверу только для выполнения расчёта. Регистрация не нужна.
ВАШ РЕЗУЛЬТАТ✓ Вычислено

Дисперсия

Дисперсия генеральная0,000456
Дисперсия выборочная0,00057
СКО генеральное0,021354

«Копировать картинку» помещает изображение результата в буфер обмена без сохранения файла — его можно сразу вставить в мессенджер или документ. Картинка и PDF содержат ссылку на calc-calc.ru.

Был ли калькулятор полезен?Одно касание — и мы поймём, какие инструменты улучшать.
ПОДРОБНЫЙ РАЗБОР · ФОРМУЛЫ И ПРИМЕРЫ

Как оценить разброс периода колебаний маятника по серии измерений

Если измерить период математического маятника пять раз подряд секундомером, вы почти наверняка получите пять разных чисел. Различие вызвано реакцией экспериментатора, моментом запуска и остановки, небольшими изменениями амплитуды. Эти колебания результатов называют случайной погрешностью.

Чтобы оценить разброс периода колебаний маятника по серии измерений, используют дисперсию и стандартное отклонение. Дальше показано, как их считать, чем отличаются выборочная и генеральная оценки и как перейти к погрешности среднего значения.

Что показывают дисперсия и стандартное отклонение

Дисперсия — это средний квадрат отклонения результатов от среднего. Она измеряется в квадратах исходных единиц, поэтому для периода в секундах получаются секунды в квадрате. Корень из неё, стандартное отклонение, снова измеряется в секундах и понятен интуитивно.

Малое отклонение означает, что замеры плотно кучкуются, а большое — что ошибки велики или условия опыта нестабильны. Если стандартное отклонение сравнимо с самим периодом, измерение выполнено слишком грубо.

Выборочная или генеральная оценка в лабораторной работе

Серия из нескольких замеров — это маленькая выборка из бесконечного множества возможных измерений. Среднее вычислено по тем же данным, поэтому отклонения от него занижены, и компенсировать это помогает деление на n − 1 вместо n.

Калькулятор выводит обе дисперсии. Для отчёта берите выборочную, а генеральная подходит, когда у вас действительно полный набор данных, а не оценка по части. С ростом числа замеров различие быстро исчезает.

Разбор примера с пятью замерами периода

Замеры: 1,52; 1,49; 1,55; 1,50; 1,53 с. Среднее равно 1,518 с, отклонения составляют +0,002, −0,028, +0,032, −0,018 и +0,012. Сумма квадратов равна 0,00228 с².

Выборочная дисперсия — 0,00228/4 = 0,00057 с², стандартное отклонение серии около 0,0239 с, генеральная дисперсия — 0,000456 с². Погрешность среднего равна 0,0239/√5 ≈ 0,0107 с, и результат записывают как T = 1,518 ± 0,011 с.

Как уменьшить случайную погрешность периода

Лучший приём — измерять время десяти-двадцати колебаний и делить на их число. Ошибка реакции остаётся прежней, но делится на число колебаний, и стандартное отклонение периода падает почти пропорционально.

Дополнительно удерживайте малую амплитуду, начинайте счёт при прохождении положения равновесия и повторяйте опыт. Помните, что среднее по n замерам точнее одного замера лишь в √n раз, поэтому удвоение точности требует вчетверо больше повторов.

Связь разброса периода с ускорением свободного падения

Для математического маятника T = 2π√(L/g), откуда g = 4π²L/T². Так как период стоит в знаменателе во второй степени, его относительная погрешность входит в оценку g с удвоенным весом.

В примере относительная погрешность среднего периода составляет около 0,7 %, значит g оценивается с точностью примерно 1,4 % без учёта погрешности длины. Сам калькулятор считает только разброс периода; систематическую ошибку секундомера и длины нити нужно оценивать отдельно.

Типичные ошибки при обработке серии измерений периода

Частая ошибка — измерять один период и записывать сразу пять значений подряд. Правильнее засечь время 20 колебаний, например 30,4 с, поделить на 20 и получить период 1,52 с; такой приём делит ошибку реакции на 20. Повторяйте процедуру, чтобы получить независимые замеры для расчёта разброса.

Не выбрасывайте «неудобные» значения без причины. Исключить замер можно только если известна конкретная ошибка, например секундомер нажат с запозданием. Для очень коротких серий дисперсия ненадёжна, поэтому лучше сделать не менее пяти-десяти замеров и округлять итоговую погрешность до одной-двух значащих цифр.

Наконец, записывайте не только итоговое число, но и условия опыта: длину нити, амплитуду, способ запуска секундомера. Тогда при повторе опыта вы сможете понять, вызван ли новый разброс случайностью или изменением условий, и честно отразить это в выводах лабораторного отчёта.

Формула расчёта

ОСНОВНАЯ ФОРМУЛА

s² = Σ(Tᵢ − T̄)² / (n − 1); s = √s²

Проверенные примеры

Пять замеров периода

Периоды в секундах: 1,52; 1,49; 1,55; 1,50; 1,53. Найти разброс.

Среднее 1,518 с. Выборочная дисперсия = 0,00057 с², стандартное отклонение серии s = √0,00057 ≈ 0,0239 с.

Два замера

Периоды 1,50 и 1,54 с.

Среднее 1,52 с; выборочная дисперсия = 0,0008 с², генеральная = 0,0004 с², СКО генеральное = 0,02 с.

Как пользоваться онлайн-калькулятором

  1. Измерьте период несколько раз: лучше засекать время 10–20 полных колебаний и делить его на число колебаний.
  2. Запишите все получившиеся значения периода в секундах через пробел в поле ввода.
  3. Нажмите «Вычислить» и прочитайте выборочную дисперсию, а также генеральную дисперсию и СКО.
  4. Для лабораторного отчёта возьмите корень из выборочной дисперсии и разделите на √n, чтобы получить погрешность среднего.
ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ

Частые вопросы

Чем выборочная дисперсия отличается от генеральной?

Генеральная делится на n и описывает именно эти данные как полную совокупность. Выборочная делится на n − 1 и даёт несмещённую оценку для разброса всех возможных замеров по малой серии. В лабораторной работе обычно используют выборочную.

Как получить погрешность среднего периода?

Разделите выборочное стандартное отклонение на корень из числа замеров. Для пяти замеров из примера это 0,0239/√5 ≈ 0,0107 с.

Почему не стоит измерять один период?

Реакция человека на секундомере даёт ошибку порядка 0,1–0,2 с, и она сравнима с самим периодом. Если засечь 20 колебаний, та же ошибка делится на 20.

Влияет ли разброс периода на вычисленное g?

Да. Так как g = 4π²L/T², относительная погрешность g вдвое больше относительной погрешности периода при точно известной длине.

Похожие калькуляторы

▦OSCILLATIONS AND WAVES

Частота поверхностной волны на воде

Известны скорость распространения гребня по поверхности воды и расстояние между соседними гребнями. Применяется для демонстрационных опытов с волновым лотком и анализа периодических волн.

ПОДЕЛИТЬСЯ ИНСТРУМЕНТОМ

Встроить на свой сайт

Вставьте этот код в HTML-блок на своём сайте. Посетители смогут пользоваться калькулятором без перехода.

Прямая ссылка: https://calc-calc.ru/embed/calc_030247/

Предварительный просмотр