Temat

Pomiary w fizyce. Niepewność pomiaru

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Określenie pomiaru wielkości fizycznej.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Rozpoznawanie ciał i substancji fizycznych.

2. Rozpoznawanie wielkości fizycznych.

3. Stosowanie układu S.I. do opisu wielkości fizycznych.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- rozpoznaje podstawowe pojęcia fizyczne,

- stosuje jednostki z układu S.I. do opisu wielkości fizycznych.

Metody kształcenia

1. Uczenie się przez obserwację.

Formy pracy

1. Praca indywidualna.

2. Praca z całą klasą.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Czym jest fizyka?

- Fizyka to nauka przyrodnicza zajmująca się badaniem właściwości i przemian materii oraz energii, a także oddziaływań między nimi.
- Fizyka odpowiada na pytania w rodzaju: Dlaczego niebo jest niebieskie? Jak przyciągają się magnesy? Czy należy bać się prądu? Co jest większe: hektolitr czy metr sześcienny? Jak zmierzyć odległość do gwiazd? ... i wiele innych.
- Obiektami badania fizyki mogą być zarówno przedmioty, jak i organizmy żywe.

Realizacja lekcji

Definicje:

a) Każdy obiekt badania fizyki nazywać będziemy ciałem fizycznym a w skrócie – ciałem.
b) Ciała fizyczne zawsze są zbudowane z jakiejś materii - materię tę nazywać będziemy substancją.
c) Zjawisko fizyczne - naturalne zjawisko dotyczące (np. zmian) własności materii (ciała) i energii.
d) Wielkość fizyczna - cechy ciała, substancji lub zjawiska, które możemy zmierzyć nazywamy wielkościami fizycznymi.

Polecenie

Wymienione pojęcia podziel na ciała fizyczne i substancje fizyczne:

glina, drewno, papier, szkło, butelka, drzewo, kartka papieru, woda, mydło, bańka mydlana, kropla wody.

[Tabela 1]

Odpowiedź:

[Tabela 2]

Polecenie

Z jakich substancji zbudowany jest twój długopis?

Odpowiedź:

Obudowa długopisu zbudowana jest z tworzywa sztucznego, będącego polimerem organicznym. Tusz jest mieszaniną substancji organicznych. Końcówka długopisu jest wykonana z metalu.

Polecenie

Zapoznaj się z rysunkami przedstawiającymi prostokątną kartkę papieru i cegłę w kształcie prostopadłościanu.

[Ilutracja 1]

Polecenie

a) Opisz krótko kartkę papieru oraz cegłę. Wskaż podobieństwa i różnice.

b) Wymień cechy opisujące te ciała, które możemy zmierzyć?

c) Wymień cechy opisujące te ciała, które możemy obliczyć korzystając z wcześniejszych bezpośrednich pomiarów.

Odpowiedź:

a) Kartka papieru jest ciałem stałym. Można zmierzyć jej długość i szerokość. Aby zmierzyć jej grubość nie wystarczy linijka. Potrzebne byłyby inne, bardziej dokładne przyrządy pomiarowe, np. śruba mikromertyczna. (A może masz pomysł jak inaczej wyznaczyć jej grubość?)
Cegła jest również ciałem stałym. Możemy zmierzyć jego długość, szerokość i wysokość.
Wykorzystując wagę o odpowiedniej dokładności możemy również wyznaczyć masę tych ciał.
Ciała te różnią się substancją, z której zostały zbudowane.

b) Kartka papieru: długość, szerokość, masa, rodzaj substancji z której ją wykonano.
Cegła: długość, szerokość, wysokość, masa, rodzaj substancji z której ją wykonano.

c) Kartka papieru: powierzchnia (jako iloczyn długości i szerokości).
Cegła: objętość (iloczyn długości, szerokości i wysokości), powierzchnia ścian bocznych oraz rodzaj substancji z której go wykonano.

Polecenie

Zapoznaj się z poniższą tabelą: Wielkości fizyczne i ich podstawowe jednostki w układzie S.I.

[Tabela 3]

Wspólny system jednostek miar został przyjęty w roku 1960 na XI Generalnej Konferencji Miar i Wag w Paryżu pod nazwą Międzynarodowy Układ Jednostek, w skrócie S.I. (z jęz. francuskiego Le Système International d'Unités).

Polska przyjęła ten układ jednostek w roku 1966. Obowiązuje on w zdecydowanej większości krajów świata. Wyjątek stanowią Stany Zjednoczone Ameryki oraz Republika Związku Mjanmy (Birma) i Liberia.

Jednostki tego układu podzielono na podstawowe i pochodne.

Pomiar wielkości fizycznej polega na wyznaczeniu liczbowej wartości określającej  daną wielkość oraz podaniu jej jednostki.

Podawanie samego tylko wyniku liczbowego pomiaru jest zatem niewystarczające.

Pomiar może być bezpośredni lub pośredni.

Pomiar wielkości fizycznej to porównanie wartości mierzonej ze wzorcem.

Z pewnością wiesz, że jednostką długości jest metr. Początkowo definiowano go jako 1/10000000 część południka ziemskiego, a wzorzec tej jednostki sporządzono w postaci szyny platynowo‑irydowej i przechowywano w Sèvres we Francji, niedaleko Paryża. Po około 100 latach uznawania go za wzorzec okazało się, że południk został źle zmierzony i trzeba było ponownie określić wzorzec jednego metra. Po 70 latach okazało się jednak, że substancja z której nowy wzorzec został wykonany zmienia swoje właściwości przez co zmienia również swoją długość. W drugiej połowie XX wieku sformułowano abstrakcyjną definicję jednego metra z pogranicza matematyki i fizyki. Wyjaśnienie tego wzorca jest jednak skomplikowane.

Polecenie

Zmierzcie długość i szerokość jednej książki. Pomiarów dokonajcie zarówno tą samą jak i inną linijką. Porównajcie wasze wyniki. Czy wszystkie otrzymane wyniki są takie same?

Pomiary fizyczne mogą być dokonane tylko ze skończoną dokładnością. Powodem tego jest przede wszystkim niedoskonałość przyrządów pomiarowych i nieprecyzyjność naszych zmysłów biorących udział w obserwacjach. Podawanie samego tylko wyniku pomiaru jest zatem niewystarczające.

Ze względu na istnienie niedokładności przyrządów pomiarowych ale i ograniczoną precyzję odczytywania wyniku przez człowieka w fizyce istnieje pojęcie niepewności pomiarowej, która może wynikać z:
• dokładności użytych przyrządów pomiarowych (za pomocą wagi do wyznaczania masy ciała człowieka nie zważymy masy tabletki),
• własności badanego ciała fizycznego (np. ławka nie ma ostrych krawędzi i dlatego trudno zmierzyć jej długość),
• ograniczonej precyzji osoby dokonującej pomiaru
• niedostosowania przyrządu do pomiaru (np. grubości kartki z wykorzystaniem linijki).

Każda wielkość fizyczna jest wielkością rzeczywistą, tzn. posiada wartość rzeczywistą zwaną wartością prawdziwą.

Gdybyśmy mogli dokonywać pomiarów wielkości fizycznych z idealną dokładnością, to przy każdym pomiarze tej samej wielkości otrzymalibyśmy identyczną wartość. Jednak pomiary takie nie są możliwe.

Niepewność pomiaru charakteryzuje rozrzut wartości wyników pomiarów, które można w uzasadniony sposób przypisać wartości mierzonej.

[Ilustracja interaktywna]

Po kliknięciu ukazuje się informacja:

Błąd systematyczny – pomiary szukanej wielkości są systematycznie oddalone od wartości prawdziwej. Najprawdopodobniej jest to efekt wady przyrządu pomiarowego.

Błąd przypadkowy – niemożliwy do uniknięcia, związany z ograniczoną precyzją przyrządów pomiarowych lub przypadkowością występowania czynników mających wpływ na pomiar.

Błąd gruby – zwykła pomyłka podczas wykonywania pomiaru. Jeżeli tylko wykonujemy serie pomiarów, to błąd gruby jest łatwy do wykrycia – wyraźne odstępstwa od normy.

Podsumowanie lekcji

a) Obiekt będący przedmiotem badań fizyki będziemy nazywać ciałem fizycznym a w skrócie – ciałem.
b) Ciała fizyczne zawsze są zbudowane z jakiejś materii - materię tę nazywać będziemy substancją.
c) Zjawisko fizyczne - naturalne zjawisko dotyczące (np. zmian) własności materii (ciała) i energii.
d) Stosowanie na całym świecie wspólnego systemu miar, którego nazwa brzmi: Międzynarodowy Układ Jednostek, w skrócie S.I. umożliwia porównywanie wyników pomiarów.