Przeczytaj
Warto przeczytać
Ważną cechą, wyróżniającą fizykę sposród innych nauk przyrodniczych, jest ilościowe badanie zjawisk zachodzących w przyrodzie. Prowadzenie obserwacji i eksperymentów fizycznych wiąże się z wykonywaniem pomiarów różnych wielkości fizycznych i poszukiwaniem zależności między nimi. Umożliwia to porównanie danych pomiarowych z wynikami teoretycznymi a także porównanie badań prowadzonych w różnych laboratoriach.
Przyrządy pomiarowe stosowane do pomiarów wielkości fizycznych mają zwykle na celu określenie, ile razy mierzona wielkość fizyczna jest większa (czy mniejsza) od wzorca, nazywanego jednostką fizyczną.
A więc: zmierzyć – to porównać, przy pomocy miernika, mierzoną wielkość ze wzorcem.
W większości krajów obowiązuje Międzynarodowy Układ Jednostek SI. Jednostki miar dzielą się na jednostki podstawowe i jednostki pochodne. Jednostki podstawowe to jednostki, których nie można wyrazić za pomocą innych jednostek. Do 20 maja 2019 roku, gdy weszły w życie nowe definicje Międzynarodowego Układu Jednostek SI, jednostki fizyczne były definiowane na podstawie jednostek podstawowych, opartych na wzorcach miarwzorcach miar.
Do wzorców miarwzorców miar należały wtedy: metr, sekunda, kilogram, amper, kelwin, mol i kandela (Tabela 1). Przyjęto też dwie jednostki uzupełniające: radian i steradian- do pomiaru, odpowiednio, kąta płaskiego i bryłowego.
Tabela 1. Dawne jednostki podstawowe układu SI
Nazwa | Symbol | Wielkość fizyczna |
---|---|---|
metr | m | długość |
sekunda | s | czas |
kilogram | kg | masa |
kelwin | K | temperatura |
amper | A | natężenie prądu elektrycznego |
kandela | cd | światłość źródła światła |
mol | mol | liczność materii |
Jednostki pochodne wyrażano za pomocą jednostek podstawowych na podstawie odpowiednich praw i wzorów fizycznych. Na przykład do obliczenia ładunku elektrycznego korzystamy ze wzoru
gdzie – natężenie prądu elektrycznego, a – czas, w którym badamy jego przepływ. Zatem jednostkę ładunku elektrycznego, zwaną kulombem i oznaczaną symbolem , możemy wyrazić za pomocą dwóch jednostek podstawowych: ampera i sekundy: .
Przyrządy pomiarowe stosowane do pomiarów wielkości fizycznych powinny być wykalibrowane, tzn. wskazania tych przyrządów powinny być zgodne ze wskazaniami wzorcowych przyrządów, zwanych wzorcami miary. Większość państwowych wzorców pomiarowych znajduje się w specjalistycznych laboratoriach Głównego Urzędu Miar, krajowej instytucji metrologicznej w Polsce.
Wielkości fizyczne dzielimy na skalarne i wektorowe. Przykładowe wielkości skalarne to: czas, masa, droga, temperatura, napięcie i natężenie prądu elektrycznego, energia, moc. Do wielkości wektorowych zaliczamy na przykład: prędkość, przyspieszenie, siłę, natężenie pola elektrycznego, natężenie pola grawitacyjnego, indukcję magnetyczną.
Wynik pomiaru, jednostki i niepewność.
Wynikiem pomiaru wielkości fizycznej jest jej wartość liczbowa w przyjętych jednostkach miary oraz niepewność tego pomiaru, wyrażona w tych samych jednostkach. Przy pomiarach wielkości wektorowych mogą być mierzone wartości współrzędnych lub wartość wektora.
Każdy przyrząd pomiarowy ma określoną dokładność, więc wynik pomiaru zawsze jest obciążony niepewnością pomiarową:
gdzie oznacza zmierzoną wartość danej wielkości fizycznej, a – niepewność pomiarową graniczną tej wielkości. Niepewność pomiarową zapisujemy z dokładnością do dwóch (maksymalnie) cyfr znaczących. Mierzoną wartość zaokrąglamy w taki sposób, by ostatnia jej cyfra znacząca odpowiadała ostatniej cyfrze znaczącej niepewności.
W przypadku prostych przyrządów, na przykład zwykłej linijki z podziałką milimetrową, niepewność pomiaru określa najmniejsza podziałka. Mówimy wtedy, że dokładność przyrządu jest równa jego rozdzielczości. Niektóre przyrządy, na przykład mierniki elektryczne mają określone klasy dokładności w postaci liczby umieszczonej z boku na skali lub w instrukcji obsługi przyrządu.
Niepewność pomiaru wykonanego miernikiem analogowym można obliczyć ze wzoru
Na przykład: gdy mierzymy natężenie prądu elektrycznego amperomierzem analogowym o klasie 1,5 na skali 480 A (Rys. 2.), niepewność pomiaru natężenia wynosi
Jeśli klasa przyrządu nie została podana przez producenta, to przyjmuje się, że niepewność pomiaru jest równa wartości najmniejszej działki na skali tego przyrządu, czyli rozdzielczości tego przyrządu.
W przypadku mierników cyfrowych przy obliczaniu niepewności pomiaru należy jeszcze uwzględnić wagę ostatniej cyfry, związaną z dokładnością, z jaką miernik wyświetla wyniki pomiaru. Waga ostatniej cyfry oznacza krotność rzędu wielkości określonej przez ostatnią cyfrę wskazywaną przez miernik. Jest ona zwykle podawana przez producenta, a jeśli nie została podana, to przyjmuje się wartość 1.
Niepewność pomiaru wykonanego miernikiem cyfrowym można obliczyć ze wzoru:
Na przykład miernik cyfrowy przedstawiony na rysunku 3 wskazuje napięcie 4,59 V. Pomiar został dokonany z rozdzielczością do 0,01 V. Producent podał dokładność miernika jako (0,3% + 2), gdzie 0,3% oznacza klasę przyrządu, a 2 – wagę ostatniej cyfry. Zatem niepewność graniczna pomiaru wynosi
Zwróć uwagę, że niepewność została zaokrąglona do jednej cyfry znaczącej - w tym przypadku do setnych części wolta. Jest to uzasadnione rozdzielczością przyrządu, która wynosi właśnie 0,01 V. Podawanie niepewności w postaci 0,034 V byłoby więc bezcelowe.
Przy planowaniu pomiarów fizycznych należy dobrać przyrządy i metodę pomiaru tak, aby niepewność pomiaru był jak najmniejsza. Szczegółowe informacje na temat planowania eksperymentu, rozdzielczosci przyrządów pomiarowych oraz niepewności pomiaru znajdują się w e‑materiałach: „Jak właściwie zaplanować eksperyment?”, „Co to jest rozdzielczość przyrządów pomiarowych?”, „Jakie mogą być źródła niepewności pomiarowych?”.
Przyrządy do pomiarów wielkości fizycznych można podzielić ze względu na:
mierzone wielkości fizyczne,
spełniane funkcje,
sposób prezentacji wskazań.
Przy klasyfikacji przyrządów pomiarowych ze względu na mierzone wielkości fizyczne można wyróżnić następujące grupy przyrządów pomiarowych:
przyrządy do pomiaru wielkości geometrycznych,
przyrządy do pomiaru czasu,
przyrządy do pomiaru masy i siły,
przyrządy do pomiaru temperatury,
przyrządy do pomiaru wilgotności,
przyrządy do pomiaru ciśnienia,
przyrządy do pomiarów akustycznych,
przyrządy do pomiarów elektrycznych,
przyrządy do pomiarów fotometrycznych itp.
Przykładowe przyrządy do pomiaru różnych wielkości fizycznych przedstawia Tabela 2.
Tabela 2. Przyrządy do pomiarów różnych wielkości fizycznych
Wielkość fizyczna | Przykładowe przyrządy pomiarowe |
---|---|
czas | stoper, zegar |
długość | przymiar metrowy, suwmiarka, śruba mikrometryczna, dalmierz laserowy |
kąt | kątomierz |
masa | waga szalkowa, waga elektroniczna |
siła | siłomierz |
temperatura | termometr rtęciowy, termometr alkoholowy, termometr elektroniczny |
wilgotność względna | higrometr |
ciśnienie | ciśnieniomierz, barometr |
poziom natężenia dźwięku | miernik dźwięku (decybelomierz) |
częstotliwość dźwięku | miernik częstotliwości |
natężenie prądu elektrycznego | amperomierz, galwanometr |
napięcie elektryczne | woltomierz |
moc | watomierz |
natężenie i napięcie prądu stałego i przemiennego | miernik uniwersalny (multimetr) |
światłość źródła | fotometr |
natężenie oświetlenia | miernik oświetlenia |
Przy klasyfikacji przyrządów pomiarowych ze względu na spełniane funkcje wyróżnia się:
mierniki,
rejestratory,
detektory.
Mierniki to przyrządy pozwalające określić wartość mierzonej wielkości fizycznej za pomocą podziałki i wskazówki lub cyfrowego wyświetlacza. Przykładowe rodzaje mierników to: mierniki elektryczne, mierniki dźwięku, mierniki meteorologiczne, mierniki promieniowania. Najczęściej stosowane mierniki elektryczne to: amperomierz, woltomierz, galwanometr, miernik uniwersalny, watomierz. Mierniki meteorologiczne służą do pomiarów następujących wielkości fizycznych: temperatury, ciśnienia, wilgotności, prędkości wiatru, itp.
Za pomocą mierników dźwięku mierzymy najczęściej poziom natężenia dźwięku w decybelach, rzadziej częstotliwość. Mierniki promieniowania umożliwiają pomiar natężenia promieniowania elektromagnetycznego dla różnych zakresów długości fal. Przykładem są mierniki: promieniowania ultrafioletowego, światła widzialnego czy promieniowania rentgenowskiego.
Rejestratory to urządzenia służące do zapisu i prezentacji informacji o przebiegu parametrów kontrolowanych procesów technologicznych lub pomiarów laboratoryjnych w czasie.
Ze względu na rodzaj nośnika zapisu wyróżnia się:
rejestratory papierowe – w których dane są zapisywane na taśmie papierowej, najczęściej za pomocą pisaka (Rys. 5.),
rejestratory cyfrowe – w których dane są zapisywane na nośnikach pamięci cyfrowej, np. karty pamięci FLASH, dyski twarde, taśmy magnetyczne itp.
Detektory to urządzenia do wykrywania i ewentualnej rejestracji różnych sygnałów czy wielkości fizycznych. Są to na przykład: detektory cząstek elementarnych, detektory promieniowania elektromagnetycznego, detektory wykrywające zmiany parametrów fizycznych czy składu chemicznego. W Europejskim Ośrodku Badań Jądrowych CERN koło Genewy znajduje się wiele detektorów do wykrywania cząstek elementarnych i badania struktury materii. Detektor ALICE (ang. A Large Ion Collider Experiment) jest jednym z siedmiu detektorów zbudowanych przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC).
Do grupy detektorów zaliczamy m.in. licznik Geigera‑Müllera, stosowany do wykrywania promieniowania jądrowego.
Sposób prezentacji wskazań jest kryterium podziału przyrządów na:
przyrządy pomiarowe z odczytem analogowym,
przyrządy pomiarowe z odczytem elektronicznym (cyfrowym).
Przykładem są mierniki elektryczne z odczytem analogowym (Rys. 2.) i cyfrowym (Rys. 3.), wagi szalkowe i elektroniczne oraz suwmiarki: noniuszowa (Rys. 6a.) i cyfrowa (Rys. 6b.). Noniusz to pomocnicza podziałka zwiększająca dokładność odczytu na głównej podziałce kreskowej.
Poszczególne rodzaje przyrządów można też klasyfikować ze względu na dokładność, zasadę działania czy zastosowanie. Ten sam przyrząd pomiarowy może być przydzielony do kilku grup.
Słowniczek
(ang. photometry) dział optyki dotyczący pomiarów natężenia światła, zarówno widzialnego (postrzeganego przez ludzkie oko), jak i z zakresu niewidzialnego.
(ang. standard, etalon) obiekt, przyrząd lub system pomiarowy przeznaczony do definiowania, realizacji, zachowania lub odtwarzania jednostki miary albo jednej lub wielu wartości pewnej wielkości, służący jako odniesienie do wzorcowania przyrządów i systemów pomiarowych (źródło: Encyklopedia PWN).
(ang. calibration) czynność polegająca na kalibracji urządzenia pomiarowego tak, aby uzyskane wyniki spełniały podstawowe wymogi dokładności nakładane przez odpowiednie przepisy dotyczące miar. (źródło: Encyklopedia zarządzania – https://mfiles.pl/pl/index.php/Wzorcowanie).
(ang. maximum measurement uncertainty) niepewność pomiaru wykonanego jednokrotnie, wynikająca z konstrukcyjnych cech przyrządu pomiarowego i związanej z nimi skończonej dokładności. Cechę tę określa producent przyrządu. Niepewność graniczna jest także nazywana niepewnością maksymalną pojedynczego pomiaru.