Opakování
Opakování – měření, jednotky, odhady a práce s daty
Úlohy opakují fyzikální veličiny a jednotky, převody jednotek, měření, fyzikální odhady, tabulky a grafy, funkce a fitování a absolutní a relativní odchylku.
Pokud odpovíte špatně, zobrazí se nejprve první nápověda. Při další chybné odpovědi dostanete konkrétnější nápovědu. Úplné řešení můžete kdykoli otevřít.
Fyzikální veličiny a jednotky
Co je fyzikální veličina?
Co z následujícího je fyzikální veličina?
Řešení a vysvětlení
Správnou odpovědí je délka lavice.
Fyzikální veličina je vlastnost tělesa, látky nebo fyzikálního děje, kterou můžeme měřit. Výsledek měření zapisujeme pomocí číselné hodnoty a jednotky.
l = 1,20 m
Zápis říká, že měřenou veličinou je délka, její číselná hodnota je 1,20 a jednotkou je metr.
Barvu trička nebo oblíbenost písně můžeme popsat, ale v tomto smyslu nejde o fyzikální veličiny vyjádřené číselnou hodnotou a fyzikální jednotkou.
Základní, nebo odvozená?
Která dvojice obsahuje pouze základní veličiny soustavy SI?
Řešení a vysvětlení
Správně je délka a čas.
Soustava SI používá sedm základních veličin. Patří mezi ně například délka, hmotnost, čas a termodynamická teplota.
Jiné veličiny z nich můžeme odvodit. Například rychlost:
v = s/t
Její jednotka m/s je tedy složena ze základních jednotek metru a sekundy. Rychlost je proto odvozená veličina.
Podobně je odvozenou veličinou síla nebo tlak.
Převody jednotek
Rychlost
Převeďte 72 km/h na m/s.
Řešení a vysvětlení
Rychlost 72 km/h znamená, že by těleso při stálé rychlosti urazilo za jednu hodinu 72 km.
Převedeme kilometr na metry a hodinu na sekundy:
72 km/h = 72 · 1000 m / 3600 s
= 20 m/s
Výsledek je tedy 20 m/s.
Hustota
Převeďte 1,2 g/cm³ na kg/m³.
Řešení a vysvětlení
U hustoty převádíme současně jednotku hmotnosti i jednotku objemu.
Pro hmotnost platí:
1 g = 10−3 kg.
U objemu musíme pamatovat, že jednotka délky je umocněna na třetí:
1 cm³ = (10−2 m)³ = 10−6 m³.
Proto:
1 g/cm³ = 10−3 kg / 10−6 m³ = 10³ kg/m³.
A tedy:
1,2 g/cm³ = 1200 kg/m³.
Obsah plochy
Převeďte 250 cm² na m².
Řešení a vysvětlení
Víme, že:
1 cm = 0,01 m.
Protože ale převádíme obsah plochy, je centimetr ve druhé mocnině:
1 cm² = (0,01 m)² = 0,0001 m².
Nyní vynásobíme 250:
250 cm² = 250 · 0,0001 m² = 0,025 m².
Objem
Převeďte 2,5 l na m³.
Řešení a vysvětlení
Litr je jednotka objemu a platí:
1 l = 1 dm³.
Protože:
1 dm = 0,1 m,
dostáváme:
1 dm³ = (0,1 m)³ = 0,001 m³.
Pro 2,5 litru tedy:
2,5 l = 2,5 · 0,001 m³ = 0,0025 m³.
Měření ve fyzice
Přímé a nepřímé měření
Které měření je nepřímé?
Řešení a vysvětlení
Nepřímým měřením je určení rychlosti z naměřené dráhy a času.
Pravítkem přímo měříme délku, stopkami přímo měříme čas a teploměrem přímo určujeme teplotu.
Rychlost ale v uvedeném případě přímo neodečítáme z žádného měřidla. Nejprve změříme dráhu s a čas t a teprve potom vypočítáme:
v = s/t.
Jde tedy o nepřímé měření.
Kolik desetinných míst?
Váha zobrazuje hmotnost pouze na celé gramy. Který zápis výsledku odpovídá zobrazenému rozlišení?
Řešení a vysvětlení
Z nabízených možností je správně 152 g.
Pokud váha zobrazuje pouze celé gramy, nemáme z jejího displeje informaci o desetinách nebo setinách gramu. Zápis 152,347 g by proto naznačoval mnohem větší rozlišení, než jaké měřidlo skutečně poskytuje.
Stejně tak zápis 152,000000 g neznamená, že jsme měřili mimořádně přesně. Pouze jsme připsali nuly, které měřidlo neurčilo.
Opakované měření
Pětkrát změříme délku: 29,7; 29,8; 29,8; 29,9; 29,8 cm. Určete aritmetický průměr [cm].
Řešení a vysvětlení
Jednotlivá měření nejsou úplně stejná. To je při reálném měření běžné.
Jako reprezentativní hodnotu série opakovaných měření můžeme použít aritmetický průměr:
průměr = (29,7 + 29,8 + 29,8 + 29,9 + 29,8) / 5
= 149,0 / 5 = 29,8 cm.
Opakovaná měření nám navíc umožňují posoudit, jak moc jednotlivé výsledky kolísají.
Fyzikální odhady
Odhad není tip
Který postup nejlépe odpovídá fyzikálnímu odhadu objemu vzduchu v učebně?
Řešení a vysvětlení
Správný je postup, při kterém odhadneme rozměry učebny a nahradíme ji kvádrem.
Fyzikální odhad není náhodný tip. Snažíme se složitější situaci zjednodušit tak, abychom mohli získat alespoň přibližnou hodnotu nebo správný řád velikosti.
Například pro učebnu můžeme odhadnout:
8 m × 6 m × 3 m.
Nemusíme přesně měřit každý výklenek, skříň nebo nerovnost. Pro odhad objemu vzduchu je model kvádru dostatečný.
Kolik vzduchu je v učebně?
Učebnu odhadneme jako kvádr 8 m × 6 m × 3 m. Kolik litrů vzduchu přibližně obsahuje?
Řešení a vysvětlení
Učebnu jsme zjednodušili na kvádr. Jeho objem vypočítáme:
V = 8 · 6 · 3 = 144 m³.
Jeden metr krychlový obsahuje 1000 litrů:
144 m³ = 144 · 1000 l = 144 000 l.
Protože rozměry učebny byly pouze odhadnuté, můžeme výsledek rozumně zaokrouhlit například na:
přibližně 1,5 · 105 l.
Smyslem odhadu není získat mnoho přesných číslic, ale rozumnou velikost výsledku.
Tabulky a grafy
Záhlaví tabulky
Měříme teplotu v závislosti na čase. Které záhlaví tabulky je nejvhodnější?
Řešení a vysvětlení
Nejvhodnější je:
Čas t [s] | Teplota T [°C]
Čtenář z takového záhlaví okamžitě pozná, jakou veličinu sloupec obsahuje, jakou značku pro ni používáme a v jaké jednotce jsou hodnoty uvedeny.
Jednotku pak nemusíme psát ke každému jednotlivému číslu.
Interpolace
Teplotu jsme změřili v časech 90 s a 120 s. Z grafu odhadneme hodnotu pro 105 s. Jak tento postup nazýváme?
Řešení a vysvětlení
Jde o interpolaci.
Naměřené hodnoty máme pro 90 s a 120 s. Čas 105 s leží mezi nimi:
90 s < 105 s < 120 s.
Pokud z průběhu grafu odhadujeme hodnotu mezi naměřenými body, provádíme interpolaci.
Kdybychom například z těchto dat odhadovali hodnotu pro čas 200 s, dostali bychom se mimo rozsah měření. Takový postup se nazývá extrapolace a bývá obecně méně spolehlivý.
Musí osa začínat nulou?
Které tvrzení o měřítku fyzikálního grafu je správné?
Řešení a vysvětlení
Správně je možnost: osa nemusí vždy začínat nulou, ale měřítko musí být čitelné a nezavádějící.
Představme si například měření teploty v rozsahu od 19,8 °C do 20,4 °C. Pokud by svislá osa začínala v 0 °C, malé změny teploty by byly v grafu téměř neviditelné.
Je proto možné zobrazit například jen interval od 19,5 °C do 20,5 °C.
Musí však být zřetelně označeno, jaký rozsah osa používá. Zkrácená osa může totiž při nevhodném použití opticky zveličovat malé rozdíly.
Grafy, funkce a fitování
Přímka versus přímá úměrnost
Naměřená data dobře popisuje vztah y = 2,0x + 3,0. Jde o přímou úměrnost?
Řešení a vysvětlení
Vztah
y = 2,0x + 3,0
skutečně popisuje přímku. Každá přímka ale ještě neznamená přímou úměrnost.
Přímá úměrnost musí mít tvar:
y = ax.
Pokud tedy x = 0, musí být také y = 0. Graf přímé úměrnosti proto prochází počátkem souřadnic.
V našem vztahu ale:
x = 0 ⇒ y = 3,0.
Jde tedy o lineární závislost, ale nikoli o přímou úměrnost.
Co dělá fit?
Které tvrzení o fitování naměřených dat je správné?
Řešení a vysvětlení
Fitování znamená, že zvolíme určitý matematický model a hledáme jeho parametry tak, aby model naměřená data co nejlépe popisoval.
Například u lineární závislosti používáme model:
y = ax + b.
Fitování potom hledá vhodné hodnoty parametrů a a b.
Experimentální body zpravidla neleží přesně na jedné přímce, protože každé reálné měření obsahuje určité odchylky. Fit proto nemusí procházet každým bodem.
Také není správné automaticky volit co nejsložitější funkci. Vhodný model by měl odpovídat fyzikálnímu ději, který zkoumáme.
Reziduum
Model předpovídá pro určitý bod ŷ = 5,2 m, zatímco naměřeno bylo y = 5,5 m. Určete reziduum e = y − ŷ [m].
Řešení a vysvětlení
Reziduum je rozdíl mezi naměřenou hodnotou a hodnotou, kterou předpovídá fitovaný model:
e = y − ŷ.
Dosadíme:
e = 5,5 m − 5,2 m = +0,3 m.
Kladné reziduum znamená, že naměřený bod leží nad hodnotou předpovězenou modelem.
Kdyby vyšlo reziduum záporné, naměřená hodnota by byla menší než hodnota modelu.
Absolutní a relativní odchylka
Interval výsledku
Výsledek je t = (12,4 ± 0,3) s. Jaká je dolní mez intervalu [s]?
Řešení a vysvětlení
Zápis:
t = (12,4 ± 0,3) s
znamená, že k hodnotě 12,4 s připojujeme absolutní odchylku 0,3 s.
Dolní mez intervalu získáme odečtením:
12,4 − 0,3 = 12,1 s.
Horní mez bychom naopak získali přičtením:
12,4 + 0,3 = 12,7 s.
Výsledek tedy odpovídá intervalu:
12,1 s až 12,7 s.
Relativní odchylka
Naměřili jsme m = (8,0 ± 0,1) kg. Určete relativní odchylku v procentech.
Řešení a vysvětlení
Absolutní odchylka je v tomto případě:
Δm = 0,1 kg.
Relativní odchylku získáme jako poměr absolutní odchylky a naměřené hodnoty:
δm = Δm / m.
Dosadíme:
δm = 0,1 / 8,0 = 0,0125.
V procentech:
0,0125 · 100 % = 1,25 %.
Relativní odchylka tedy říká, že absolutní odchylka odpovídá 1,25 % měřené hodnoty.
Které měření je relativně přesnější?
Porovnejte:
m1 = (80,0 ± 0,1) kg
m2 = (8,0 ± 0,1) kg.
Které měření má menší relativní odchylku?
Řešení a vysvětlení
Obě měření mají stejnou absolutní odchylku:
Δm = 0,1 kg.
Vzhledem k velikosti měřené hodnoty ale tato odchylka nepředstavuje stejný podíl.
Pro první měření:
δ1 = 0,1 / 80,0 · 100 % = 0,125 %.
Pro druhé měření:
δ2 = 0,1 / 8,0 · 100 % = 1,25 %.
První měření má tedy desetkrát menší relativní odchylku.
Právě v tom je výhoda relativní odchylky: umožňuje porovnávat kvalitu měření veličin různých velikostí.