← Zpět na Měření

Nepřímé měření

hledanou veličinu vypočítáme ze vzorce z jiných změřených veličin

Co je nepřímé měření

Hledanou veličinu (např. hustotu tělesa) nedokážeme změřit přímo jedním měřidlem. Změříme proto jiné, pomocné veličiny a hledanou veličinu z nich vypočítáme podle vzorce. Odchylky pomocných veličin se přitom „přenesou“ i do výsledku — jak, závisí na tom, jaké početní operace ve vzorci jsou.

Příprava a měření

Příprava

  1. Najdeme vzorec, ve kterém se nachází hledaná veličina a jehož ostatní veličiny umíme změřit.
  2. Je-li to nutné, vyjádříme hledanou veličinu ze vzorce.
  3. Vzorec i s odvozením zapíšeme do teoretického úvodu protokolu.

Měření

  1. Vybereme vhodná měřidla pro měření pomocných veličin.
  2. Tyto veličiny opakovaně změříme.
  3. Naměřené hodnoty zapisujeme do přehledných tabulek.
Zpracování pomocných veličin

Všechny naměřené pomocné veličiny zpracujeme podle pravidel přímého měření:

  1. Určíme průměr \(\bar{x}\) každé naměřené veličiny.
  2. Určíme absolutní odchylku \(\Delta x\) každé naměřené veličiny.
  3. Odchylky zaokrouhlíme na jednu platnou cifru.
  4. Průměr zaokrouhlíme na stejný řád, v jakém je zaokrouhlená odchylka.
  5. Vypočítáme relativní odchylku \(\delta x\) a zaokrouhlíme ji na dvě platné cifry.
  6. Pod tabulku zapíšeme všechny pomocné veličiny ve tvaru \(x = (\bar{x} \pm \Delta x)\ \text{jednotka}\), \(\delta x = \ldots\ \%\).

Měříme-li veličinu jen jednou, nahradí průměr naměřená hodnota a odchylku přesnost měřidla.

Výpočet hledané veličiny
  1. Do vzorce z teoretického úvodu dosadíme za všechny pomocné veličiny jejich již zaokrouhlené průměry \(\bar{x}, \bar{y}, \bar{z}, \ldots\) (jsou zapsané pod tabulkou).
  2. Výsledek si zapíšeme s dostatečným počtem cifer — alespoň o 2 cifry více, než mělo dosazované číslo s nejvíce ciframi.
  3. Vypočítanou hodnotu označíme \(\bar{v}\) a zapíšeme i s jednotkou. Zaokrouhlíme ji až na konci podle odchylky \(\Delta v\).

Jak určit odchylku \(\Delta v\) výsledku, záleží na operacích ve vzorci — viz následující části. Ve všech případech „průměrnou“ hodnotu \(\bar{v}\) už musíme mít spočítanou.

Sčítání a odčítání

Ve vzorci se pomocné veličiny pouze sčítají nebo odčítají (i kombinovaně), např. \(v = x + y - z\).

  1. Bez ohledu na znaménka sečteme absolutní odchylky všech pomocných veličin:

    \[\Delta v = \Delta x + \Delta y + \Delta z + \cdots\]

  2. Zaokrouhlíme odchylku \(\Delta v\) a podle ní průměrnou hodnotu \(\bar{v}\).
  3. Dopočítáme relativní odchylku \(\delta v = \dfrac{\Delta v}{\bar{v}} \cdot 100\ \%\).
  4. Zapíšeme výsledek.

Odchylky se sčítají i při odčítání veličin — chyby se nikdy navzájem neodečtou.

Příklad — součet

Obvod trojúhelníku

Rozklikejte si postup krok po kroku — další krok se odemkne, jakmile otevřete ten předchozí.

Naměřeno: \(l_1 = (28{,}2 \pm 0{,}1)\ \mathrm{mm}\), \(l_2 = (39{,}4 \pm 0{,}1)\ \mathrm{mm}\), \(l_3 = (65{,}3 \pm 0{,}2)\ \mathrm{mm}\)
Příklad — rozdíl

Objem tělesa odměrným válcem

Objem tělesa určíme jako rozdíl objemu vody s ponořeným tělesem a bez něj.

Naměřeno: \(V_1 = (18{,}2 \pm 0{,}1)\ \mathrm{ml}\), \(V_2 = (32{,}4 \pm 0{,}2)\ \mathrm{ml}\)
Násobení a dělení

Ve vzorci se pomocné veličiny pouze násobí nebo dělí (i kombinovaně), např. \(v = \dfrac{x \cdot y}{z}\).

  1. Bez ohledu na operace sečteme relativní odchylky všech pomocných veličin:

    \[\delta v = \delta x + \delta y + \delta z + \cdots\]

  2. Z relativní odchylky určíme absolutní odchylku:

    \[\Delta v = \dfrac{\delta v \cdot \bar{v}}{100\ \%}\]

  3. Zaokrouhlíme odchylku \(\Delta v\) a podle ní střední hodnotu \(\bar{v}\).
  4. Zapíšeme výsledek — relativní odchylku už nepřepočítáváme.
Mocnina a odmocnina

Pomocné veličiny se ve vzorci pouze umocňují nebo odmocňují.

  1. Začínáme opět relativní odchylkou:

    umocnění — relativní odchylka se vynásobí mocnitelem:

    \[\bar{v} = \bar{x}^{\,n} \quad\Rightarrow\quad \delta v = n \cdot \delta x\]

    odmocnění — relativní odchylka se vydělí odmocnitelem:

    \[\bar{v} = \sqrt[n]{\bar{x}} \quad\Rightarrow\quad \delta v = \dfrac{\delta x}{n}\]

  2. Určíme absolutní odchylku \(\Delta v = \dfrac{\delta v \cdot \bar{v}}{100\ \%}\).
  3. Zaokrouhlíme odchylku \(\Delta v\) a podle ní střední hodnotu \(\bar{v}\).
  4. Zapíšeme výsledek — relativní odchylku už nepřepočítáváme.
Kombinace násobení, dělení, mocnin a odmocnin

Začínáme relativní odchylkou a uplatníme obě předchozí pravidla zároveň: relativní odchylky sčítáme, u mocniny je násobíme mocnitelem a u odmocniny dělíme odmocnitelem. Konstanty (čísla, \(\pi\)) odchylku nemají. Například pro hustotu válečku:

\[\rho = \dfrac{4 \cdot m}{\pi \cdot d^2 \cdot v} \quad\Rightarrow\quad \delta\rho = \delta m + 2 \cdot \delta d + \delta v\]

Zbylé kroky jsou stejné jako u násobení a dělení.

Příklad z praxe

Hustota válečku

U válečku jsme opakovaně změřili průměr \(d\), výšku \(v\) a hmotnost \(m\) a zpracovali je jako přímé měření.

\(d = (15{,}22 \pm 0{,}03)\ \mathrm{mm}\), \(\delta d = 0{,}20\ \%\)
\(v = (45{,}20 \pm 0{,}03)\ \mathrm{mm}\), \(\delta v = 0{,}066\ \%\)
\(m = (22{,}95 \pm 0{,}06)\ \mathrm{g}\), \(\delta m = 0{,}26\ \%\)
Kombinace všech operací

Pokud vzorec kombinuje sčítání a odčítání s násobením, dělením či mocninami, je zpracování nejnáročnější.

  1. Součty a rozdíly ve vzorci nahradíme novými veličinami (písmeny). Uvnitř jedné náhrady smí být jen sčítání a odčítání.
  2. Při výpočtu těchto náhrad (mezivýsledků) ještě nezaokrouhlujeme.
  3. Náhrady jsou nepřímo měřené veličiny — jejich odchylky určíme postupem pro sčítání a odčítání.
  4. Vzniklý vzorec pak řešíme postupem pro násobení a dělení (případně mocniny).

Příklad: součet \(a + c\) nahradíme veličinou \(D\) a rozdíl \(w - d\) veličinou \(H\):

\[v = \dfrac{(a + c) \cdot (w - d)}{q \cdot i} \quad\Rightarrow\quad v = \dfrac{D \cdot H}{q \cdot i}\]

Shrnutí
OperaceVzorec1. krok2. krok
součet\(v = x + y\)\(\Delta v = \Delta x + \Delta y\)\(\delta v = \dfrac{\Delta v}{\bar{v}} \cdot 100\ \%\)
rozdíl\(v = x - y\)\(\Delta v = \Delta x + \Delta y\)
součin\(v = x \cdot y\)\(\delta v = \delta x + \delta y\)\(\Delta v = \dfrac{\delta v \cdot \bar{v}}{100\ \%}\)
podíl\(v = \dfrac{x}{y}\)\(\delta v = \delta x + \delta y\)
mocnina\(v = x^n\)\(\delta v = n \cdot \delta x\)
odmocnina\(v = \sqrt[n]{x}\)\(\delta v = \dfrac{\delta x}{n}\)

Upraveno podle materiálu Václav Skřivan: Zpracování dat nepřímého měření – pracovní úkoly k výkladu, Gymnázium Jaroslava Vrchlického, Klatovy (licence CC BY-NC-SA 4.0).