Expeimentell metodik 1. EXPERIMENTELL METODIK Stohete, mätetal och enhete En fysikalisk stohet ä en egenskap som kan mätas elle beäknas. En stohet ä podukten av mätetal och enhet. Exempel 1. Elektonens massa ä m = 9,109 10 31 kg. 31 m{ = 9,109 14243 10 kg { Mätetal Stohetsbeteckning Enhetsbeteckning I våt måttsystem (SI) finns 7 gundenhete. Se nedanstående tabell. De enhete som följe efte ett mätetal ä ofta en kombination av flea gundenhete. En fysikalisk fomel ge ett samband mellan stohete men samtidigt måste enhetena alltid vaa lika i vänste och höge led (annas ä fomeln fel). Detta innebä att den kombination av gundenhete som finns i vänsteledet även måste föekomma i högeledet. Det ä mest lämpligt att välja enhete som bygge på SI-systemets gundenhete. Stohet SI enhet Kotvesion Längd 1 mete 1 m Massa 1 kilogam 1 kg Tid 1 sekund 1 s Elektisk stöm 1 ampee 1 A Tempeatu 1 kelvin 1 K Ljusstyka 1 candela 1 cd Substansmängd 1 mol 1 mol Tabell 1. SI systemets gundenhete. Ingen av de sju gundenhetena kan uttyckas med hjälp av någon elle någa av de anda gundenhetena. Exempel 2. 2 Ett av fysikens mest kända samband ä fomeln E = m c dä E ä enegin, m ä massan och c ä ljushastigheten i vakuum. I SI-systemet ä enheten fö högeledet 1 kg m 2 s 2. Enheten fö vänsteledet ä 1 J = 1 Nm = 1 kg m 2 s 2 pecis som väntat. Om dimensionslösa stohete Det ä alltid av väde att göa en enhetskontoll nä man ä fädig med en
Expeimentell metodik beäkning. På så sätt upptäcke man lätt eventuella fel i de samband man använt. Dessutom minska sannolikheten fö feltolkning av pefix och tiopotense. Fysikaliskt kan man också uttycka detta som att vänste- och högeled ska ha samma dimension. Om vänsteledet i ett uttyck ha dimensionen längd/tid ( = hastighet) så ska också högeledet ha det. Då båda leden uttycks i SI-enhete medfö en enhetskontoll att det stå mete pe sekund såväl till höge som till vänste om likhetstecknet. Det finns fysikaliska stohete som ä dimensionslösa. Dessa upptäde nä vi definiea en stohet som en kvot mellan två stohete med samma dimension. Låt oss ta ett exempel. Vinkeln θ definieas som kvoten mellan cikelbågens längd s, och adien enligt s θ = Då både s och ha dimensionen längd innebä detta att enheten fö vinkel ä m/m dvs. 1. Men alla vet ju att vi kalla enheten fö adiane. Vi sätte alltså ett namn efte mätetalet tots att det egentligen inte behövs, eftesom det inte epesentea någon av fysikens gunddimensione. Eftesom cikelsn omkets ä 2π bli 2π θ = = 2π ett mått på hu stot ett vav ä. Vi säge att ett vav motsvaa 2π adiane. Du komme unde kusens gång att stöta på fle dimensionslösa stohete. Titta t.ex. på uttycket fö ljudintensitetsnivå, I L = 10 log I 0 Hä ä I och I 0 två intensitete (med SI-enheten 1 W/m 2 ). Kvoten bli föstås dimensionslös och enheten lika med 1. Det senae ä, som vi stax ska se, nödvändigt fö att vi ska kunna logaitmea. Högeledet (och dämed vänsteledet) ä alltså dimensionslöst. Tots detta uttycke vi ljudintensitetsnivåe i 1 decibel, en enhet som alltså baa ska betaktas som ett namn.
Expeimentell metodik Allmänt om tabelle och diagam Fö diagamitning finns ett antal egle som skall iakttas: 1. Fö att undelätta initning av punktena i ett diagam och fö att undelätta avläsning u diagammet, så skall diagamskalona väljas så att 1 cm motsvaa 1 elle 2 elle 5 (elle tiopotense av 1 elle 2 elle 5). Exempelvis kan 1 cm på diagamaxeln motsvaa 1 V, 2 V elle 5 V. På diagamaxla och i tabelle skilje vi stoheten och enheten med ett båksteck enligt följande exempel dä stoheten exemplifieas med spänning U: Diagamaxel: 6,0 7,0 U/mV Tabellhuvud: U/mV 6,0 7,0 U Detta kan inte missföstås, ty = 6,0 innebä att U = 6,0 mv. mv 2. Låt den linje elle den kuva du ita uppfylla diagammet på ett ba sätt genom att göa avbott på diagamaxlana. Oigo behöve inte alltid finnas med. 3. Makea mätpunktena med ett plustecken (+) elle med en ing (o) och ita, i föekommande fall, in felgänsena. 4. Anslut en ät linje elle en så jämn kuva som möjligt till mätpunktena. Använd alltid linjal elle kuvmall. Vid avläsning u diagammet skall du använda den initade kuvan, elle äta linjen, som ä en appoximation av dina mätpunkte. Använd aldig mätvädena fö vidae beäkninga eftesom det fösäma noggannheten. Olika type av skalo i diagam Fö att testa olika hypotese om funktionssamband ä det lämpligt att vid diagamitning välja vaiable på axlana, så att det föväntade sambandet bli en ät linje. I detta avsnitt beskivs någa sådana metode. Räta linjen Räta linjens ekvation ä y = k x + m, dä k och m ä konstante. Gafen (y av-
Expeimentell metodik satt mot x) bli en ät linje med iktningskoefficient k. Fö att bestämma k fö en ät linje i ett diagam behövs två punkte på den äta linjen, (x 1 ; y 1 ) och (x 2 ; y 2 ), vilket ge y y y k = = x x x Däefte fås m u den äta linjens ekvation elle som linjens skäning med y axeln. Obsevea att deivatan av den äta linjens ekvation bli iktningskoefficienten k. dy dx d = ( k x + m) = k dx Om m = 0 så ha vi y = k x och vi säge att y ä popotionell mot x. Vi skive detta som y ~ x. Omskivning av funktionssamband Då ett samband mellan två vaiable inte ä linjät kan man i vissa fall välja nya vaiable på diagamaxlana så att mätpunktena ändå följe en ät linje. Om t.ex. y = 3 x 2 kan man välja att sätta av y som funktion av x 2. Man få då en ät linje vas iktningskoefficient ä 3. Ofta äcke det inte att välja nya vaiable utan funktionssambandet måste föst skivas om. Följande exempel avse att illustea metoden. Exempel 3. Exempel 4. Två fysikaliska stohete mäts och ge en uppsättning mätetal, z och. Man vill testa hypotesen att z = a + b m dä a, b och m ä konstante och m ä känd. I diagam bö man då sätta av z som funktion av m dvs. z på y axeln och m på x axeln. Om hypotesen ä iktig hamna mätpunktena på en ät linje i diagammet. Vidae kan konstantena a och b bestämmas med hjälp av diagammet. a ä skäningen med y axeln (vädet på z då m ä lika med noll) och b ä linjens iktningskoefficient. Två fysikaliska stohete mäts och ge en uppsättning mätetal, z och. man vill testa hypotesen att a z = + b dä a och b ä konstante och 0. Sambandet kan skivas om 2 som z = a + b. I diagam bö man då sätta av z som
Expeimentell metodik funktion av 2 dvs. z på y axeln och 2 på x axeln. Om hypotesen ä iktig ge detta en ät linje i diagammet och konstantena a och b fås enligt ( z ) ( z ) b = Omskivning av z = a b 2 2 2 1 och a ( z ) 2 b 2 2 =. Alla samband mellan två uppsättninga mätetal som kan skivas på fomen z = a b, dä a och b ä konstante, ge en ät linje i ett diagam dä log z sätts av som funktion av log. Logaitmeing av sambandet ge logz = b { { log + log a { { } } } } y = k x + m konstanten b fås som iktningskoefficienten enligt: logz b = log logz log Jämfö med äta linjens ekvation: Konstanten a bestäms genom att man välje en punkt på den äta linjen (log 1 ; log z 1 ). Eftesom b ä känd så fås a u b log z 1 = b log 1 + log a elle z1 = a 1 Det ä viktigt att poängtea att z och epesentea mätetal. Vi kan alltså baa logaitmea något som ä dimensionslöst, ha enheten 1. Logaitmeade mätetal ska i en tabell ha ett tabellhuvud enligt modellen log(stohet/enhet), t.ex. log(u/mv). På samma sätt makeas diagamaxla då vi avsätte logaitmeade mätetal i ett diagam. Detta kan aldig missföstås eftesom stohet/enhet = mätetal. Omskivning av z = a e b Alla samband mellan två uppsättninga mätetal som kan skivas på fomen z = a e b dä a och b ä konstante, ge en ät linje i ett diagam dä log z sätts av som funktion av. (Basen e kan esättas med vilken bas som helst). Logaitmeing av sambandet ge log z = ( b log e) { { + log a 14243 { } } } } y = k x + m (b log e) fås som iktningskoefficienten enligt: Jämfö med äta linjens ekvation:
logz b log e = logz Expeimentell metodik Konstanten a bestäms genom att man välje en punkt på den äta linjen och läse av ( 1 ; log z 1 ). Eftesom b ä känd så ehålls a u 1 log z 1 = (b log e) 1 + log a elle z = a 1 e b Anmäkning: Enklast bli logaitmeingen ovan om man välje basen e, eftesom ln e = 1. Exempel 5. Två fysikaliska stohete mäts och ge en uppsättning mätetal z och. Man vill testa hypotesen att z = a e b/ dä a och b ä konstante. Logaitmeing ge 1 lnz = lna + b I diagam bö man sätta av ln z som funktion av 1. Riktningskoefficienten b fås som lnz lnz b = 1 1 och konstanten a fås genom insättning i funktionssambandet z1 a =. / e b 1 Exempel 6. Sambandet mellan två fysikaliska stohete mäts och ge en uppsättning mätetal z och. z 1,0 0,5 2,0 2,0 3,0 4,5
Expeimentell metodik 4,0 8,0 5,0 12,5 6,0 18,0 Bestäm sambandet mellan z och. Lösning: Att sambandet inte ä linjät syns diekt om z sätts av mot. Fö att kunna da slutsatse om sambandet måste vi få en ät linje i ett diagam och pova däfö att logaitmea mätvädena. Utöka tabellen med kolumne fö ln och ln z z ln ln z 1,0 0,5 0,000-0,693 2,0 2,0 0,693 0,693 3,0 4,5 1,099 1,504 4,0 8,0 1,386 2,079 5,0 12,5 1,609 2,526 6,0 18,0 1,792 2,890 Avsätt ln z som funktion av ln i ett diagam på vanligt mm pappe. Se figu 1. Figu 1. ln z avsatt mot ln ge en ät linje, vilket visa att sambandet ä z = a b. Punktena ligge på en ät linje vilket innebä att sambandet ä av typen z = a b dä a och b ä konstante. Logaitmeing ge ln z = b ln + ln a. Jämfö med y = k x + m Avläsning på linjen ge oss två punkte t.ex. (1,80 ; 2,90) och (0,00 ; -0,69). Riktningskoefficienten b bli då
Expeimentell metodik b lnz lnz 2,90 ( 0,69) ln ln 1,80 0 = = = 1,99 2 och a ehålls genom insättning ln a = ln z 2 b ln 2 = 2,90 2 1,80 = 0,70 a = 0,50 Sva: Det sökta sambandet ä z = 0,5 2. Om diagamitning på dato I ovanstående exempel ha vi föutsatt att diagammen itas fö hand (på mmpappe). Om antalet mätväden inte ä alltfö stot, ä detta ofta enkelt och effektivt. Med hjälp av en äknae gå det snabbt att plocka fam ekvationen fö den äta linje som bäst anslute till mätpunktena. Detta bli oftast bätte än nä ögat ska avgöa linjens lutning. Vill man använda daton fö att ita diagam, gälle det att vaa uppmäksam på hu daton hantea skalo och mätväden. Pogam som Matlab fungea ba, eftesom du med någa enkla kommandon själv sty hu inpickning av mätpunkte och eventuell anpassning av äta linje ska se ut. Poblemet med Matlab ä att ehålla gafiskt tilltalande diagam (som också ä fomellt koekta). Att ita diagam i Excel ä vanskligt. Pogammet ä vaken anpassat fö natuvetenskapliga elle matematiska behov, och mycket kan däfö bli helt fel.
Expeimentell metodik