- 83 -

KRZYSZTOF CHYLA

ĆWICZENIA

LABORATORYJNE Z FIZYKI

CZĘŚĆ I

Spis treści:

Wstęp

1.    Wielkości fizyczne i związki pomiędzy nimi

Podstawowym pojęciem, którym posługujemy się w całym kursie fizyki, jest pojęcie wielkości fizycznej.

Wielkość fizyczna zwana niekiedy krótko wielkością, jest to fizyczna wielkość zjawiska lub ciała, którą można określić ilościowo.

Innymi słowy wielkościami fizycznymi będziemy nazywali wszystko to, co jesteśmy w stanie zmierzyć. Będzie to zatem masa, czas, długość czy opór elektryczny: wielkości zaliczane do wielkości fizycznych skalarnych, ale również wielkości fizyczne wektorowe jak prędkość, siła, przyspieszenie czy indukcja magnetyczna. Wielkości te, jak pamiętamy, określamy podając kierunek, punkt przyłożenia, wartość i zwrot.

Chcąc zmierzyć daną wielkość fizyczną musimy zawsze dysponować wzorcem tego samego rodzaju co mierzona wielkość fizyczna. Tak więc chcąc zmierzyć długość musimy dysponować wzorcem długości, aby zmierzyć masę musimy mieć wzorzec masy itd.

Fizycy bardzo dokładnie określili  podstawowe jednostki pozwalające na odtworzenie wzorca nawet wtedy, gdyby wzorce z Międzynarodowego Biura Wag i Miar zostały zniszczone.

Obok trzech podstawowych, powszechnie używanych jednostek: kilograma (kg),
metra (m) i sekundy (s), fizycy musieli określić jeszcze cztery inne – kelwin (K), amper (A), kandelę (cd) i mol (mol). Dopiero te siedem jednostek miar, z takimi pomocniczymi jednostkami jak radian (kąt płaski) oraz steradian (kąt bryłowy), pozwala zdefiniować jednostki wszystkich wielkości, które występują w fizyce.

Bardzo często podając jednostki fizyczne używamy przedrostków określających krotność w stosunku do jednostki podstawowej np.

1 km = 1000 m.

W tym przypadku „k” oznacza kilo, czyli 1000.

Poniżej zamieszczono tabelę przedrostków do tworzenia wielokrotności i podwielokrotności jednostek.

Pomiędzy wielkościami fizycznymi istnieją zazwyczaj ściśle określone zależności wynikające z praw przyrody. W niektórych przypadkach zależności te można przedstawić w postaci prostych relacji, w innych związki te są bardziej skomplikowane. Możemy je przedstawić za pomocą odpowiednich tabel, mniej lub bardziej złożonych funkcji lub wykresów.

2.    Pomiar i przyrządy pomiarowe

Jak wspomnieliśmy wcześniej

              Pomiarem nazywamy porównywanie danej wielkości fizycznej z wielkością fizyczną tego samego rodzaju, którą przyjmujemy za wzorzec.

Chcąc wykonać pomiar danej wielkości fizycznej musimy dysponować odpowiednim przyrządem. Najprostszym przykładem może być pomiar długości za pomocą przymiaru. Odległość między dwiema najbliższymi kreskami na skali przyrządu pomiarowego (np. linijki) będziemy nazywali dokładnością przyrządu. Na linijce odległość ta wynosi 1 mm (10-3 m), na taśmach pomiarowych 0,5 cm (5 · 10-3 m). Suwmiarka pozwala uzyskać dokładność pomiaru 0,1 (10-4 m),

a śruba mikrometryczna dokładność jeszcze większą, bo wynoszącą 0,01 mm (10-5 m).

Do mierzenia czasu używamy zegarów lub sekundomierzy. O ile za pomocą mechanicznego zegarka z sekundnikiem można osiągnąć dokładność rzędu 1 s, to sekundomierz zezwala na pomiar, niezbyt długich przedziałów czasowych, z dokładnością około 0,2 s. Naturalnie istnieją przyrządy (zegary kwarcowe sprzężone z fotokomórkami) pozwalające wyznaczyć czas z dokładnością do 10-3 s.

Podobnie jest z wyznaczaniem masy. Stosowane w sklepach, czy na poczcie wagi uchylne mają dokładność około 10-2 kg. Przy niezbyt dużych masach, dokładny pomiar możemy wykonać stosując wagi laboratoryjne, którymi posługujemy się niekiedy w pracowni fizycznej czy chemicznej. Pozwalają one uzyskać dokładność około 0,01 g (10-5 kg). Stosowane w laboratoriach wagi analityczne dają dokładność rzędu 10-4 g.

3.    Wyznaczanie niepewności pomiaru

Wynik pomiaru nie jest wiernym odbiciem rzeczywistości. Każdy wynik pomiaru obarczony jest jakąś niepewnością, wynikającą z budowy przyrządu pomiarowego, z zastosowanej przez nas metody pomiaru itd.

Należy pamiętać, że nawet najbardziej starannie przeprowadzone pomiary dają wyniki jedynie zbliżone do wartości rzeczywistej.

Rozróżniamy trzy rodzaje błędów pomiarowych

● Błędy systematyczne – wynikają one najczęściej z wadliwego funkcjonowania przyrządów (np. źle wyskalowany termometr).

Błędy systematyczne można zmniejszać nieograniczenie przez doskonalenie metody pomiarowej lub stosowanie odpowiednio doskonałych przyrządów.

● Błędy grube – powstają najczęściej wskutek omyłkowego odczytu na skali przyrządu. Błędy te jest stosunkowo łatwo zauważyć.

● Błędy przypadkowe – są związane z samą istotą pomiaru i nie można ich uniknąć.

                            Źródłami błędów przypadkowych są:

● niedoskonałość zmysłów (np. refleks)

● oddziaływanie otoczenia (temperatura, ciśnienie)

● niedokładność przyrządów itd.

Wykonując pomiar musimy oszacować o ile wynik pomiaru może się różnić od wartości „prawdziwej”, ta różnica nosi nazwę niepewności pomiaru.

Warto pamiętać, że dla fizyka czy inżyniera pomiar bez podania niepewności niewiele znaczy. Zawsze powinniśmy podawać wyniki w postaci;

.

W tablicach, z których korzystamy niepewność pomiaru zawarta jest zazwyczaj w samym zapisie. Jeżeli np. odczytujemy wartość współczynnika załamania szkła

to powinniśmy ją odczytywać jako

Oznaczając sposoby szacowania niepewności pomiarowych ograniczamy się do błędów przypadkowych.

a)     Błędy przypadkowe bezpośrednich pomiarów jednakowo dokładnych

Jeżeli wielokrotnie będziemy powtarzać pomiar jakiejś wielkości fizycznej to stwierdzimy, że wyniki pomiarów

różnią się między sobą. Muszą więc na ogół różnić się od wartości prawdziwej xp, którą ajmni zm...