Lycée Blase-Cendrars/Physque/Labos/DC///04 Labos de physque : Mesures - Propagaton d erreurs - Mesures répéttves - Statstques. Prncpe de la mesure en physque Une mesure est toujours mprécse. La précson dépend de pluseurs facteurs. Le facteur human : Mauvase apprécaton de la valeur mesurée, erreur systématque dans la manpulaton, manque de son flagrant, sous estmaton d un effet perturbateur... L outl de mesure : Chaque outl de mesure est basé sur un phénomène physque (p. ex. le thermomètre est basé sur la dlataton des lqudes). La bonne connassance et maîtrse de ce phénomène nfluence la précson de la mesure. De même une bonne concepton de l outl permet de mnmser ou corrger les effets perturbateurs ans que d assurer une bonne reproductblté de la mesure. Le phénomène à mesurer : Certans phénomènes physques nécesstent un apparellage très complexe pour être mesurés. La complexté de la mesure (p. ex. f faut mesurer pluseurs quanttés ndépendantes pour en trer le résultat fnal) nfluence sensblement la précson. De même, dans les phénomènes rares (p. ex. certans phénomènes atomques), l est mportant de dsposer de nombreuses mesures pour obtenr une bonne statstque.. Lo de propagaton des erreurs (cas smples) Les effets des erreurs de mesure des quanttés entrant en compte dans la détermnaton d une grandeur dérvée sont en général assez dffcles à évaluer au nveau gymnasal. ous nous bornerons donc à étuder les cas smples que sont la multplcaton, la dvson, l addton et la soustracton de quanttés mesurées. otaton : L erreur (absolue) sur une quantté A s écrt!a. Le sgne! symbolse en général une pette quantté dans le langage mathématque... Addtons et soustractons de grandeurs Problème : Détermner le pérmètre d un rectangle dont les côtés valent A ±!A et B ±!B. Le pérmètre s exprme par P = A+ B. Calculons les valeurs extrêmes de P : P = P+! P = A+! A+ B+ = A+ B+ (! A+ ) max P = P"! P = A"! A+ B" = A+ B" (! A+ ) mn On en dédut mmédatement pour l erreur sur P :! P =! A+ On peut montrer faclement que ce résultat s applque auss à une soustracton (vor exercces). Par alleurs, l assocatvté de l addton permet de généralser ce résultat à un addton de pluseurs quanttés. On résume la propagaton des erreurs pour les addtons et soustractons ans : On addtonne les erreurs absolues pour des addtons ou soustractons. Mesures/Erreurs /5
Lycée Blase-Cendrars/Physque/Labos/DC///04.. Multplcatons et dvsons de grandeurs Problème : Détermner la surface d un rectangle dont les côtés valent A ±!A et B ±!B. La surface s exprme par S = A# B. Calculons les valeurs extrêmes de P : S = S+! S = ( A+! A) # ( B+ ) = A# B+ B#! A+ A# +! A# max S = S"! S = ( A"! A) #( B" ) = A# B" B#! A" A# +! A# mn Les quanttés!a et!b sont en général pettes par rapport à A et B. On peut donc néglger le terme! A#!!!!! On arrve à exprmer l erreur sur S :! S B! A A AB A AB B $ A B' = # + # = # + # = S # & + ) A B % A B ( En dvsant le tout par S, on exprme l erreur relatve :! S! A = + S A B On peut montrer que ce résultat s applque auss à une dvson. Par alleurs, l assocatvté de la multplcaton permet de généralser ce résultat à une multplcaton de pluseurs quanttés. On résume la propagaton des erreurs pour les multplcatons et dvsons ans : On addtonne les erreurs relatves (%) pour des multplcatons ou dvsons. 3. Mesures répéttves : Ecart-type S l on ne peut pas estmer les erreurs de manère précse, on peut utlser la méthode répéttve. Celle-c consste à mesurer pluseurs fos la même grandeur physque. On arrve ans à calculer une grandeur moyenne sur toutes les mesures (moyenne arthmétque). Ces mesures ne sont pas dentques en vertu de leurs mprécsons. Elles se répartssent autour d une valeur moyenne. S l on reporte sur un graphe le nombre de mesures stuées dans des ntervalles fxes de valeurs, on observe une sorte de forme en cloche dont le maxmum se stue vers la valeur moyenne de toutes les mesures (fg.). Cette forme de représentaton des mesures s appelle un hstogramme. Elle nous donne de préceux rensegnements sur la répartton des mesures et donc de leur qualté.. En général, cette répartton sut une dstrbuton de probablté Gaussenne (courbe mathématque contnue, en cloche). b mesures/! 70% des mesures! Mesures/Erreurs /5
Lycée Blase-Cendrars/Physque/Labos/DC///04 b mesures/! b mesures/! fg. fg. 3 La largeur de cette cloche est drectement lée à la précson des mesures. Plus la cloche est large, plus les mesures peuvent fluctuer (fg. ). Donc l erreur de mesure est grande. Inversement, une cloche mnce reflète une erreur de mesure pette (peu de dfférence entre les mesures, fg. 3). Mathématquement, on peut calculer l écart-type de cette sére de mesure, qu représente la dévaton des mesures autour de la moyenne. Avec une dstrbuton gaussenne, ~67% des mesures dovent être comprses dans un domane de valeurs de ± écart-type autour de la valeur moyenne (zone grsée de la fg. ). On a ans détermné l erreur de mesure moyenne. Ben entendu, plus on dspose de mesure plus cette méthode est précse. C est pourquo une telle méthode ne peut pas s applquer convenablement sur mons de 0 mesures. Sot mesures x.la moyenne arthmétque x se calcule de manère standard : x = = x L écart-type, + ou S, est défn comme la racne carrée de la varance V (vor probabltés en 3ème année). Il représente pour nous l erreur de mesure moyenne, pour chaque mesure effectuée, notée tout naturellement!x. + = V = ( " ) " x x I = d' où! x = + = V = " I = ( x " x) Remarque : le facteur - (au leu de ) découle du fat que la moyenne a été détermnée depus les données et non de manère ndépendante. Sur les machnes à calculer courantes, + correspond à la touche x+ n- et non x+ n. Sur la moyenne de toutes les mesures, l erreur est ben sûr plus fable (Mesurer pluseurs fos la même chose dmnue l ncerttude s l on fat une moyenne). L erreur moyenne se note!x. Elle découle drectement de l erreur!x par! x =! x Ans mesurer 00 fos la même longueur avec une même précson permet de calculer une longueur moyenne avec une précson 0 fos plus pette. Mesures/Erreurs 3/5
Lycée Blase-Cendrars/Physque/Labos/DC///04 Exemple : Mesure d une longueur mesure 3 4 5 6 7 8 9 0 moyenne longueur, x [mm] 00 00 99 98 0 0 0 99 97 04 00.0 On calcule V : V = 0 " 0. + 0. +. +. + 0.9 +.9 + 0.9 +. + 3. + 3.9 ( )= 4. Cela condut à!x =.0 mm. Mas vue la précson des mesures, au meux le mm (vor les valeurs du tableau), on ne peut pas garantr les décmales de!x! L erreur de mesure moyenne sera donc de mm pour chaque mesure.!x Pusque l on a prs 0 mesures, l erreur sur la moyenne,!x, vaut donc = 0 = 063.. Ic auss l ne faut garder que le nombre de chffres sgnfcatfs approprés. Le nombre n a qu un seul chffre sgnfcatf. Donc le résultat ne peut être donné qu avec un seul chffre sgnfcatf sot!x = 0.6 mm. Donc on obtent fnalement : x = 00. ± 0.6 mm Graphquement, on peut construre l hstogramme suvant : Le graphe part de 90 et va de en jusqu à 0. Le nombre total de mesures est ben de 0 : ++++++0+=0 Mesures Gaussenne 3 0 9099939495969798990000030405060708090 La courbe en pontllés représente la dstrbuton gaussenne attendue. En prncpe, c est la forme que prendrat l hstogramme s l on dsposat de très nombreuses mesures (attenton, l faut ben sûr que l hypothèse de la dstrbuton gaussenne sot juste!). L are sous le graphe de la courbe correspond à peu près à 0. Mesures/Erreurs 4/5
Lycée Blase-Cendrars/Physque/Labos/DC///04 4. Moyenne pondérée et erreur sur la moyenne (Source : Phlp R. Bevngton, DataReducton and error analyss for the physcal scences) Dans le cas où dspose de pluseurs mesures ndépendantes d une grandeur, on peut calculer la moyenne de ces mseures en tenant compte de la précson de chaque mesure. Plus une mesure est précse, plus elle dot nfluencer la moyenne. Il s agt en fat d une moyenne pondérée. Statstquement elle est défne comme sut : Valeurs mesurées : x avec erreurs +. Moyenne pondérée µ: µ = ( + ) x ( + ) Erreur sur la moyenne + µ : + µ = ( + ) Exemple : 3 mesures : 3. ± 0. ; 3.6 ± 0. et 4 ± 0.5. 3./(0. ) + 3.6/(0. ) + 4/(0.5 ) 46 µ = = = 3. 30 /(0. ) + /(0. ) + /(0.5 ) 9 + µ = = = 0. 088 /(0. ) + /(0. ) + /(0.5 ) 9 Donc la moyenne vaut c 3.30 ±0.09. Remarque : La valeur est très proche de la valeur la plus précse des tros mesures ntales. L erreur fnale est plus pette que la plus pette des erreurs des mesures ndvduelles. Mesures/Erreurs 5/5