Pomiar w fizyce

Pomiar w fizyce   Pomiar to jeden z elementów metodologii

badań fizycznych. Metodologia fizyki bez pomiaru nie istnieje. 

Do przeprowadzenia pomiaru niezbędne są:

a) obiekt pomiaru;np.zeszyt

b) przyrząd pomiarowy;

c) jednostka mierzonej wielkości i jej wzorzec.

Tabela jednostek pomiaru

Najprostsze pomiary to pomiary proste, gdzie wyniki końcowe otrzymujemy bezpośrednio z przyrządu.

Takim pomiarem jest odczyt:a) długości z miarki (przymiaru liniowego, suwmiarki, mikrometru, miernika laserowego);

b) natężenia prądu z amperomierza (miliamperomierza, miernika – multimetru);

c) czasu ze stopera (w telefonie komórkowym, komputerze, zegarka);

d) poziomu natężenia dźwięku z przyrządu;

e) długości fali światła z bezpośredniego odczytu.

Przyrządy umożliwiające bezpośredni odczyt wyniku mogą mieć bardzo skomplikowaną budowę i opierać się o złożone procedury wewnętrzne (zastępujące obliczenia wykonywane przez mierzącego).

Przez pomiar prosty będziemy w dalszym ciągu uważać pomiar dający końcowy wynik poprzez bezpośredni odczyt.

Przed przystąpieniem do pomiaru należy określić:

a) obiekt, który mierzymy (ciało lub zjawisko), 

b) badaną cechę mierzonego obiektu;

c) metodę pomiaru;

d) warunki przeprowadzenia pomiaru;

e) potrzebną lub możliwą do uzyskania dokładność pomiaru;

f) przyrząd pomiarowy;

g) cel pomiaru;

Przykład – określenie obiektu pomiaru.

Naszym zadaniem będzie pomiar długości zeszytu.

Tak określony obiekt wymaga doprecyzowania. Wiemy bowiem, że zeszyty są wystandaryzowane, ale występuje wiele ich rodzajów.

Bliższym określeniem będzie podanie formatu zeszytu, np. zeszyt formatu A5.

Nie wszystkie wymienione warunki są zawsze możliwe do spełnienia i trzeba to w sprawozdaniu wyraźnie zaznaczyć.

Możliwość zweryfikowania pomiarów wymaga więc ich 

a) udokumentowania;

b) opublikowania.

Udokumentowanie pomiarów oznacza ich zarejestrowanie w czytelnej i jednoznacznej Wszystkie pomiary mają sens tylko wtedy, gdy mogą być, w miarę możliwości,zweryfikowane:

a) na tym samym obiekcie,

b) inną metodą 

c) innym przyrządem oraz 

d) w takich samych warunkach.formie oraz możliwość wykorzystania w innym czasie oraz innym miejscu.

Opublikowanie pomiarów oznacza:

- udostępnienie wyników bez ryzyka utraty wyników oryginalnych,

- podanie miejsca i czasu wykonania oraz

- ustalenie miejsca przechowywania wyników pomiarów pierwotnych.

Przy wykonywaniu pomiarów w ramach ćwiczeń zasady dokumentowania i publikowania są modyfikowane stosownie do potrzeb ćwiczenia.

Przykład – określenie mierzonej cechy obiektu pomiaru.

Zadaniem naszym jest zmierzenie długości zeszytu formatu A5. 

Sformułowanie jest jednoznaczne, ale zakłada pewną niepisaną umowę. Brzmi ona następująco – obiektowi, który ma kształt prostokąta przypisujemy długość większemu bokowi, krótszemu bokowi nadajemy nazwę – szerokość. 

Obie wielkości (długość i szerokość) mierzymy w tych samych jednostkach i często takimi samymi przyrządami i metodami. Czym więc się one różnią?

Gdy znamy orientacyjnie rozmiary mierzonego obiektu, to sprawa jest dosyć prosta. Trudniej jest, gdy o rozmiarach obiektu przed pomiarem nie wiemy nic.

W takiej sytuacji musimy dokładnie określić mierzoną cechę obiektu. Jedną z metod jest wykonanie fotografii lub rysunku obiektu i zaznaczenie na nich mierzonych cech. Narysowanie długości obiektu jest dosyć proste. 

Nie zawsze jednak można dosłownie zaznaczyć mierzoną cechę. Jak zaznaczyć masę czy temperaturę?

Gdy znamy już mierzoną cechę obiektu trzeba określić sposób dokonania pomiaru – wybrać metodę pomiaru. Często jest to sprawa oczywista, lecz wielokrotnie tylko pozornie oczywista. Szczególnie dotyczy to pomiarów odległości i czasu. 

Niezależnie od tego, czy pomiar wydaje się nam oczywisty, czy nie, warto uświadomić sobie jak mierzymy. Zwykły przymiar liniowy ma początek nie zawsze na samym końcu. Czasami punkt zerowy jest oddalony od końca przymiaru. Przyłożenie przymiaru (linijki) równo z obiektem mierzonym nie zawsze więc da nam poprawny wynik. Dla małych przedmiotów można równocześnie zobaczyć oba końce obiektu, punkt zerowy przymiaru i punkt, dla którego dokonamy odczytu. 

Przykład

Do pomiaru długości zeszytu użyjemy przymiaru liniowego z podziałką milimetrową. Linijkę (przymiar) przyłożymy do zeszytu równolegle do dłuższego brzegu. Punkt zerowy przymiaru przyłożymy do jednego końca zeszytu. Tam, gdzie przypadnie drugi koniec zeszytu odczytamy wynik.

Każdy pomiar przebiega w pewnych warunkach. Dla pomiaru długości zeszytu za pomocą przymiaru liniowego nie trzeba tych warunków określać, przyjmujemy bowiem odruchowo, że pomiaru dokonujemy w pomieszczeniu dobrze oświetlonym, przy normalnych warunkach pokojowych (temperatura, ciśnienie i wilgotność).

Potrzebna dla nas dokładność określenia długości to 1 milimetr czyli 0,001 m. Przy pomiarze w centymetrach oznacza to dokładność 0,1 cm. Tak wycechowane są zwykłe przymiary liniowe. Gdyby potrzebny był nam wynik z dokładnością do 0,5 cm, to odczyt przybliżymy według normalnych zasad lub użyjemy przymiaru wycechowanego z taką dokładnością.

Zastosowanie suwmiarki mierzącej z dokładnością do 0,1 mm nie jest potrzebne, bo wynik i tak zapiszemy w pełnych milimetrach. Nie zwiększamy dokładności odczytu, jeśli nie ma takiej potrzeby.

Naszym przyrządem pomiarowym jest linijka – przymiar liniowy wycechowany z dokładnością do 1 mm. Dla uzyskania wyniku poprawnego pod względem formalnym używamy przyrządu zalegalizowanego, tzn. takiego, który ma świadectwo dopuszczenia do użytku jako przyrządu sprawdzonego z wzorcem.

  Rodzaje błędów pomiarowych Najogólniej mówiąc błąd pomiarowy jest różnicą wartości xi uzyskanej w trakcie pojedynczego

pomiaru i wartości rzeczywistej x0. Taki błąd nosi nazwę

błędu bezwzględnego.   Ponieważ każdy pomiar jest obarczony błędem, więc bardzo trudno jest zdefiniować wartość

rzeczywistą pomiaru. Pozostaje ona nieznana. W praktyce można przyjąć, że jest to wartość uzyskana za pomocą innej metody.

Na podstawie błędu pojedynczego pomiaru nie można wnioskować o dokładności metody pomiarowej. Jeśli następuje statystyczna zmiana wyników to wartość błędu bezwzględnego jest inna dla każdego pomiaru.

    Informacji na temat dokładności danej metody pomiarowej może dostarczyć tzw. krzywa rozkładu błędów. Aby ją sporządzić dany pomiar przeprowadza się wielokrotnie, np. 100 razy

lub więcej, oczywiście przy założeniu, że wartość prawdziwa danej wielkości jest znana. Na podstawie uzyskanych wyników sporządza się histogram. Na podstawie wysokości słupka histogramu można wnioskować o częstotliwości uzyskiwania wyników z określonego przedziału, który jest wyznaczony przez szerokość słupka.

Iloraz błędu bezwzględnego i wartości zmierzonej nazywa się błędem względnym. Może on być wyrażony w procentach

Dzięki błędowi względnemu można porównywać dokładności różnych przyrządów pomiarowych. Typy błędów pomiarowych: błąd systematyczny : mówi się o nim wtedy, gdy w trakcie powtarzania pomiarów uzyskuje się

stałą różnicę między wartościami mierzonymi a rzeczywistymi. Przy czym rozrzut wyników pomiarów nie jest duży.

Błędy systematyczne najczęściej wynikają z samej aparatury pomiarowej, na skutek jej niedoskonałego wykonania. Przyczyną błędu może być np. niedokładnie wykonana podziałka na skali. Błąd systematyczny może również wynikać z wykonywania pomiarów w warunkach różniących się od warunków odniesienia.

Błędy systematyczne są wyjątkowo trudne do zidentyfikowania. Nie umożliwia tego nawet bardzo duża liczba pomiarów. Jedyną możliwością, aby wykryć błąd systematyczny jest użycie innej metody pomiarowej.

błąd przypadkowy - źródłem błędu przypadkowego jest najczęściej

niedokładność ludzkich zmysłów. Rzadziej wynika on z błędów aparatury. O błędzie przypadkowym mówi się gdy występuje statystyczny rozrzut wyników kolejnych pomiarów wokół pewnej wartości średniej. Czyli występuje taka sama szansa uzyskania wyniku większego jak i mniejszego od wartości rzeczywistej.

błąd gruby : powstają na skutek niewłaściwego użycia danego narzędzia pomiarowego, pomyłek przy odczycie lub zapisie wyników i itp.

Różne pomiarynp.pomiar ciśnienia

pomiar hałasu

pomiar temperatury

pomiar prędkości

Badanie ruchu zmiennego