Jakie przyrządy pomiarowe stosuje się do pomiaru wielkości fizycznych?
Wprowadzenie Przeczytaj
Mapa myśli/mapa pojęć Sprawdź się
Dla nauczyciela
Czy to nie ciekawe?
Przyrządy pomiarowe stosowane są w laboratoriach, warsztatach, różnych gałęziach przemysłu, medycynie, handlu, usługach, itp. Ciągły rozwój techniki pomiarowej powoduje, że mamy coraz
dokładniejsze przyrządy oraz układy pomiarowe, wyposażone w zestawy czujników do pomiaru różnych wielkości fizycznych oraz oprogramowanie do naboru i analizy danych. Ale używamy też tradycyjnych przyrządów do pomiarów wielkości fizycznych, skonstruowanych wiele lat temu.
Twoje cele
W tym e‑materiale:
poznasz przyrządy pomiarowe stosowane do pomiaru wielkości fizycznych;
poznasz kryteria klasyfikacji przyrządów do pomiarów wielkości fizycznych;
dokonasz klasyfikacji przyrządów do pomiarów wielkości fizycznych według różnych kryteriów;
przeanalizujesz i uzupełnisz mapę pojęciową;
zaplanujesz, jakie przyrządy pomiarowe wybrać do przeprowadzenia doświadczeń.
0036 Jakie przyrządy pomiarowe stosuje się do pomiaru wielkości
fizycznych?
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 .
Rys.1.a Międzynarodowe Biuro Miar i Wag – Bureau Interna onal des Poids et Mesures [Źródło:en:user:Ssolbergj [Public domain], via Wikimedia Commons]
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 miar.
Rys.1.b Obecny układ SI bazuje na siedmiu wielkościach podstawowych, przedstawionych w zewnętrznym kręgu, definiowanych za pomocą siedmiu wzorców, przedstawionych w kręgu wewnętrznym. [Żródło: h p://codata.org/]
Do wzorców miar należały wtedy: metr, sekunda, kilogram, amper, kelwin, mol i kandela (Tabela 1).
Przyjęto też dwie jednostki uzupełniające: radian i steradian, do pomiaru 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 Q korzystamy ze wzoru:
Q = I ⋅ t
gdzie I – natężenie prądu elektrycznego, a t – czas, w którym badamy jego przepływ. Zatem jednostkę ładunku elektrycznego, zwaną kulombem i oznaczaną symbolem C, możemy wyrazić za pomocą dwóch jednostek podstawowych: ampera i sekundy: 1 C = 1 A ⋅ 1 s.
Przyrządy pomiarowe stosowane do pomiarów wielkości fizycznych powinny być wykalibrowane, to znaczy, że 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:
x ± Δ
gdzie x oznacza zmierzoną wartość danej wielkości fizycznej, a Δ x – 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 Δ x wykonanego miernikiem analogowym można obliczyć ze wzoru:
Δ x=klasaprzyrządu ⋅ zakrespomiarowy100
Na przykład, gdy mierzymy natężenie prądu elektrycznego amperomierzem analogowym o klasie 1,5 na skali 480 A (Rys. 2.), niepewność pomiaru natężenia wynosi:
Δ I=1,5 ⋅ 480A100=7,2A
Rys. 2. Miernik elektryczny - amperomierze wskazówkowe
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 Δ x wykonanego miernikiem cyfrowym można obliczyć ze wzoru:
Δ x=klasaprzyrządu ⋅ wskazanie100+wagaostatniejcyfry
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:
Δ U=0,3 ⋅ 4,59V100+2 ⋅ 0,01V=0,01377V+0,02V≈0,04V
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.
Rys.3. Cyfrowy miernik uniwersalny wykorzystany jako woltomierz
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.
Rys. 4. Miernik elektryczny - miernik uniwersalny z cyfrowym wyświetlaczem
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.
Rys. 5. Przyrząd rejestrujący temperaturę i wilgotność względną powietrza (Żródło: José Cruz/ABr [CC BY 3.0 br], via Wikimedia Commons)
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).
Rys. 6. Detektor ALICE w CERN (Źródło: Stefan A. Gärtner [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons))
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.
Rys. 7. a). Suwmiarka z noniuszem o rozdzielczości 0,02 mm (Źródło: By I, ArtMechanic, CC BY-SA 3.0, Link)
Rys. 7. b). Suwmiarka cyfrowa
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
Fotometria
(ang. photometry) dział optyki dotyczący pomiarów natężenia światła, zarówno widzialnego (postrzeganego przez ludzkie oko) jak i z zakresu niewidzialnego.
Wzorzec jednostki miary (etalon, standard)
(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).
Wzorcowanie
(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).
Niepewność pomiarowa graniczna
(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.
Mapa myśli/mapa pojęć
Jakie przyrządy pomiarowe stosuje się do pomiaru wielkości fizycznych?
Zapoznaj się z poniższą klasyfikacją przyrządów pomiarowych. Zastanów się jak można wykorzystać zaproponowaną mapę pojęć.
Polecenie 1
Uzupełnij mapę pojęć wpisując do odpowiednich grup brakujace nazwy przyrządów wg mierzonych wielkości fizycznych. Zastąp znaki zapytania odpowiednimi pojęciami i wciśnij Generuj, aby uzyskać pełną mapę pojęć.
Sprawdź czy Twoja mapa jest prawidłowo uzupełniona.
Polecenie 2
Wskaż nazwy przyrządów, które mogą pełnić funkcję mierników meteorologicznych. Wyobraź sobie odpowiednie połączenia i narysuj je na mapie pojęć.
Sprawdź się
Ćwiczenie 1
Do jednostek podstawowych układu SI należą:
metr kulomb amper kandela Ćwiczenie 2
Przyrząd do pomiaru światłości źródła to:
światłomierz miernik światła fotometr fonometr
Ćwiczenie 3
Uczniowie zmierzyli natężenie prądu elektrycznego za pomocą amperomierza analogowego klasy 2 na zakresie pomiarowym 1 A. Niepewność graniczna pomiaru wynosiła:
0,2 A 0,02 A 0,1 A 0,01 A
Ćwiczenie 4
Jaką wielkość fizyczną mierzy higrometr?
ciśnienie
natężenie oświetlenia wilgotność względną poziom natężenia dźwięku Ćwiczenie 5
Przy klasyfikacji przyrządów ze względu na pełnione funkcje wyróżnia się:
mierniki, rejestratory i detektory przyrządy analogowe i cyfrowe
przyrządy o różnych klasach dokładności
Ćwiczenie 6
Uczniowie planowali przeprowadzenie doświadczenia mającego na celu wyznaczenie średniej prędkości ruchu samochodu zabawki. Jakie przyrządy pomiarowe powinni wybrać do tego doświadczenia?
cyfrowy miernik przyspieszenia przymiar metrowy i stoper galwanometr
fotometr Ćwiczenie 7
Przyporządkuj przyrządy pomiarowe do odpowiednich wielkości fizycznych.
wilgotność względna, natężenie prądu elektrycznego, ciśnienie, napięcie elektryczne amperomierz
barometr
woltomierz
higrometr
Ćwiczenie 8
Uczniowie planowali przeprowadzenie doświadczenia mającego na celu wyznaczenie oporu elektrycznego opornika. Jakie dwa przyrządy pomiarowe powinni wybrać do tego doświadczenia?
watomierz i wagę
amperomierz i watomierz woltomierz i amperomierz wagę i woltomierz
Dla nauczyciela
Imię i nazwisko
autora: Elżbieta Kawecka
Przedmiot: Fizyka
Temat zajęć: Jakie przyrządy pomiarowe stosuje się do pomiaru wielkości fizycznych?
Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres podstawowy i rozszerzony
Podstawa programowa:
Cele kształcenia – wymagania ogólne
III. Planowanie i przeprowadzanie obserwacji lub doświadczeń oraz wnioskowanie na podstawie ich wyników.
Zakres podstawowy
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia
korzystając z ich opisów; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów i uwzględnia ich rozdzielczość;
Zakres rozszerzony
I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
10) przeprowadza wybrane obserwacje, pomiary i doświadczenia korzystając z ich opisów; planuje i modyfikuje ich przebieg; formułuje hipotezę i prezentuje kroki niezbędne do jej weryfikacji;
11) opisuje przebieg doświadczenia lub pokazu; wyróżnia kluczowe kroki i sposób postępowania oraz wskazuje rolę użytych przyrządów
i uwzględnia ich rozdzielczość.
Kształtowane kompetencje kluczowe:
Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,
kompetencje cyfrowe,
kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.
Cele operacyjne:
Uczeń:
1. pozna przyrządy pomiarowe stosowane do pomiaru wielkości fizycznych.
2. pozna kryteria klasyfikacji przyrządów do pomiarów wielkości fizycznych.
3. nauczy się klasyfikować przyrządy do pomiarów wielkości fizycznych według różnych kryteriów.
4. przeanalizuje i uzupełni mapę pojęciową.
5. zaplanuje, jakie przyrządy pomiarowe wybrać do przeprowadzenia doświadczeń.
Strategie nauczania: Concept mapping / mind mapping – tworzenie i wykorzystywanie map pojęciowych / map myśli.
Metody nauczania: Rozwiązywanie problemów, dyskusja.
Formy zajęć: Praca w parach
Środki dydaktyczne: Mapa pojęciowa „Jakie przyrządy pomiarowe stosuje się do pomiaru wielkości fizycznych?”, zestaw zadań interaktywnych.
Materiały E‑materiały: Klasyfikacja przyrządów pomiarowych, Jak właściwie
Materiały pomocnicze:
E‑materiały: Klasyfikacja przyrządów pomiarowych, Jak właściwie zaplanować eksperyment?, Co to jest rozdzielczość przyrządów pomiarowych?, Jakie mogą być źródła niepewności pomiarowych?
PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca:
Zaciekawienie: Pogadanka na temat nowoczesnych laboratoriów i przyrządów do pomiarów fizycznych.
Rozpoznanie wiedzy wyjściowej uczniów w kontekście realizowanego tematu oraz nawiązanie do tej wiedzy:
- Jakie znasz przyrządy pomiarowe?
- Podaj znane ci wielkości fizyczne i ich jednostki.
- Jakie przyrządy pomiarowe są używane w laboratoriach fizycznych?
Faza realizacyjna:
Nauczyciel dzieli uczniów na grupy 2‑osobowe (na przykład metodą losowania) i omawia sposób pracy z mapą pojęciową.
Praca w parach:
- Uczniowie oglądają i bawią się mapą pojęciową z klasyfikacją przyrządów do pomiarów wielkości fizycznych rozwijając kolejne gałęzie. Po rozwinięciu wszystkich gałęzi uzupełniają brakujące nazwy przyrządów korzystając z opisu w części III e‑materiału.
- Uczniowie przyporządkowują podane przyrządy pomiarowe do różnych kategorii, tworzą odpowiednie połączenia.
- Uczniowie rozwiązują zadania interaktywne nr: 1, 3 i 6.
Nauczyciel pełni rolę doradcy, obserwuje i kontroluje pracę uczniów.
Faza podsumowująca:
Uczniowie w parach przeprowadzają dyskusję podsumowującą w oparciu o rozwiązanie zadań interaktywnych nr: 4 i 7. Nauczyciel obserwuje pracę uczniów, wspiera w realizacji zadania.
Praca domowa:
Uczniowie utrwalają wiedzę i umiejętności zdobyte w czasie lekcji przez rozwiązanie w domu zadań interaktywnych nr: 2, 5, i 8.
Wskazówki
metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:
Mapę pojęciową można wykorzystać podczas lekcji tak jak opisano
w scenariuszu. Może być też samodzielnie wykorzystana przez uczniów po lekcji do przypomnienia, powtórzenia klasyfikacji przyrządów do pomiarów wielkości fizycznych.
Przetwarzam wzory matematyczne: 37%
