Fehlerbetrachtungen

Wie zuverlässig ist das Ergebnis einer Messung?


Grundüberlegungen: Fehler als wesentlicher Bestandteil des Experimentes
Grundsätzlich gilt, dass jede Messung mit einem Fehler behaftet ist. Dies entspringt nicht nur dem Unvermögen der Technik oder des Experimentators sondern ist sogar wesentlicher Bestandteil der Physik selbst (siehe Heisenbergsche Unschärferelation).
Im fFolgenden werden einige Grundbegriffe erläutert.

systematischer Fehler: Der Fehler beruht auf einer falschen Annahme, einem defekten Gerät oder einer falschen Messmethode. Er führt zu falschen Ergebnissen. Beispielsweise kann eine verrutschte Skala zu einer zu hohen Temperaturmessung führen oder die Verwechslung von km/k und m/s zu falschen Geschwindigkeitsberechnungen.

stochsastischer Fehler: Der Fehler beruht auf Messungenauigkeiten, die sich mehr oder weniger stark um den wahren Wert herum verteilen. Dieser wahre Wert wird durch den Mittelwert aller Messungen angenähert. Die Abweichungen der Messwerte vom Mittelwert bezeichnet man als absoluten Fehler.
Z.B. führt die Messung von Zeiten mit der Hand bei einer Stoppuhr mit zwei Nachkommastellen dazu, dass sich die gemessenen Zeiten bestenfalls in der zweiten Nachkommastelle stark unterscheiden, da die Reaktionszeit des Menschen zu vorschnellen oder verzögerten Messungen führt.

Fehlerabschätzung: Betrachtet man die Abweichungen der Messwerte vom Mittelwert, so kann man aus der maximalen Differenz den absoluten Fehler der Messung abschätzen, Bei sehr vielen Messungen ist es aber sinnvoller die Standartabweichung zu wählen.

Standartabweichung: Diese Zahl gibt an, in welcher Spannweite vom Mittelwert x ̂ entfernt etwa 65% aller Messwerte xi liegen. Sie wird durch folgende Gleichung ermittelt: (n ist die Anzahl aller Messwerte)
s= i ( x i x ̂ ) 2 n 1

relativer Fehler: Angabe des Fehlers in Prozent, bezogen auf den Mittelwert.
Setzt sich ein Ergebnis aus mehreren Werten zusammen, so addieren sich die relativen Fehler der einzelnen Faktoren. Geht ein Faktor mit einer Potenz ein (z.B. quadratisch oder als Wurzel) so wird der relative Fehler entsprechend der Potenz gewichtet (z.B. zweifach beim Quadrat und 0,5 bei der Wurzel).


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