물리학 및 실험-오차의 종류 및 오차 분석

물리학뿐만 아니라 여러 실험 수업 중에서 가장 기초적으로 중요한 내용이다.

 

오차를 이해하려면 먼저 측정의 종류를 알아야 한다.

 

1) 직접 측정: 어떠한 실험을 할 때, 측정하려는 양을 직접 측정기를 이용하여 값을 구하 측정방식

(Ex. 버니어 캘리퍼스로 길이 측정)

 

2) 간접 측정: 측정하려는 양과 일정한 관계를 맺고 있는 다른 양을 측정하여 계산을 통해 구하고자 하는 측정값을 얻는 측정방식

(Ex. 거리와 시간을 이용해 속력을 도출)

 

이러한 측정을 진행할 때, 다양한 변수들에 의하여 참값(본래의 값, ture value)과 차이가 발생한다. 

(절대)오차: 측정값과 참값과의 차이

상대오차: 오차화 참값의 비-> 상대오차를 대부분 백분율로 나타낸다.

 

이제 오차에 대하여 알아보자

실험과정에서 오차는 크게 계통오차, 과실오차, 우연오차로 분류할 수 있다. 

 

1) 계통오차: 규칙적인 형태의 영향이 원인이 되어 생기는 오차

계통오차의 대표적인 예로는 저울의 영점이 제대로 맞추어지지 않았을 경우이다.

만약 3g을 저울이 0g이라 인식한다면 모든 측정값은 3g씩 작게 측정될 것이고 이것은 결과값에 일정한 영향을 미친다.

실험기구의 결함뿐만이 아니라

-측정자의 편견, 측정값을 측정하는 측정자의 버릇

-측정 시의 외부환경(온도, 습도, 위치) 등과 같은 환경에 의해서 생기는 외부적 오차

-이론의 근사 계산으로 생기는 오차 등이 있다.

 

2) 과실오차는 측정기구를 잘못 사용하거나, 눈금을 잘못 읽는 경우, 계산과 정시 오류가 발생한 경우 등이 해당한다.

 

3) 우연오차는 알 수 없는 원인에 기인된 것이며, 여러 가지 오차들의 요소들이 종합되어 나타난다.

 

계통오차와 과실오차는 원인을 제거할 수 있다면 보정될 수 있지만 우연오차는 파악하기 어렵고 항상 나타나게 된다.

이러한 우연오차를 적게 하기 위해서 실험을 여러 번 반복하여 최확값(most probable value)을 구한다.

 

보통 보고서 작성할 때, 오차 분석 및 결론 부분이 매우 막막하다.

결국은 돌아 돌아 기계의 노후화나, 실험 시 측정자의 부주의함을 오차 원인으로 작성하게 될 것이다.

 

한 가지 팁을 이야기하면, 실험 이론과 관련된 분석을 진행하면 쓸 내용이 많아질 것이다.

예시로는 광학 지레에 의한 얇은 판의 두께 측정 실험 시 우리는 각이 매우 작으므로 tan 𝜽= 𝜽라 근사식을 이용하였다.

물론 실험값에 미치는 영향이 작지만, 각이 커진다면 그 영향을 커질 것이다.

또한, 고체의 비열 측정에서 열량계와 외부와의 열 출입이 일어나지 않는다 가정하였지만 실제로는 일어나기에 오차가 발생할 수밖에 없다. 

또한, 직접 얻은 측정값 데이터를 분석하는 것도 좋은 오차 분석 방법이다.

실험을 여러 번 반복할 텐데, 단순히 전체 평균을 내는 것이 아니라 각 실험 별 실험값을 도출해 서로 비교분석을 하여 오차를 도출해내거나 (만일 실험을 총 5회 진행하였는데 3번째 실험의 계산 결괏값이 크게 벗어난다면 이를 제외하고 평균을 내고 3번째 실험 때 다른 실험과 차이점이 무엇인지 고찰 부분에 작성하면 된다.)

엑셀과 같은 프로그램을 이용하여 그래프를 그린다면 시각적, 수치적으로 오차 분석이 가능하다.

 

각 대학의 보고서 채점하시는 분들도 과거에 다들 보고서 작성해보신 분들이다.

인터넷에서 올라온 거 그대로 베껴서 쓰면 다 안다.

아니 알 수밖에 없다. 대부분의 학생들이 똑같이 쓰기 때문에 겹친다.

그러니 자신의 보고서에 차별화를 주고 싶다면 자신이 얻은 데이터를 분석하는 것이 가장 좋은 방법일 것이다.

 

위의 오차 관련부분은 일반물리학실험-서울과학기술대학교 물리실험실 책을 참고하였다.