background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 1/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

 

Pracownia „Wprowadzenie do metrologii” 

Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych 

 

Ć

wiczenie nr 2 

Wyznaczanie g

ę

sto

ś

ci ciał stałych o kształtach 

regularnych przy u

ż

yciu mierników długo

ś

ci  

i wag o ró

ż

nej klasie dokładno

ś

ci 

 

 

 

 

 

Krzysztof Kucab 

Uniwersytet Rzeszowski 

background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 2/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

I.

 

Wstęp teoretyczny 

1.

 

Gęstość ciała (masa właściwa) 

ρ

 to stosunek masy ciała (m) do zajmowanej 

przez nie objętości (V): 

m

V

ρ

=

Gęstość ciała podajemy w jednostkach [m]/[V], czyli np. [g/cm

3

], [kg/dm

3

], 

itp. Jednostką gęstości w układzie SI jest [kg/m

3

].  

Tabela 1. Gęstości ciał

*

Substancja 

ρ

 [kg/m

3

wodór 

0.090 

powietrze 

1.293 

tlen 

1.429 

chlor 

3.22 

alkohol etylowy 

790 

aceton 

791 

woda (20

o

C) 

998.099 

gliceryna 

1260 

rtęć 

13550 

glin (aluminium) 

2720 

żelazo 

7875 

mosiądz 

8400-8700 

miedź 

8933 

ołów 

11 300-11 400 

 

2.

 

W  celu  wyznaczenia  objętości  niektórych  brył  geometrycznych  wystarczy 

zmierzyć ich podstawowe wymiary (np. wysokość, szerokość i głębokość dla 

prostopadłościanu).  Podstawowymi  przyrządami  pomiarowymi  (dla 

pomiarów długości) na I Pracowni Fizycznej są linijka, suwmiarka oraz śruba 

mikrometryczna. Przyjmujemy, że maksymalny błąd bezwzględny dla linijki 

jest równy najmniejszej podziałce na niej naniesionej. 

 

Suwmiarka  to  przyrząd  służący  do  pomiarów  długości  z  dokładnością  do 

0.02mm  (przeważnie  0.1mm  i  0.05mm).  Zdjęcie  suwmiarki  przedstawia 

rysunek nr 1. 

 

*

Źródło: Tablice matematyczne, fizyczne, chemiczne i astronomiczne, WSiP, Warszawa 1974. 

background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 3/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

 

Rys. 1. Suwmiarka 

 

 

 

 

Maksymalny  błąd  bezwzględny  (

)  dla  pomiarów  dokonywanych 

suwmiarką można obliczyć z zależności: 

najmniejsza jednostka skali nieruchomej

liczba dzialek (kresek) na noniuszu

∆ =

Przykładowy odczyt długości (d) dla suwmiarki (patrz rys. 2.): 

Rys. 2. Odczyt z suwmiarki 

 

 

11mm

0.50mm

d

=

+

=

11.50mm

 

 

linijka 

głębokościomierz 

szczęki do pomiaru 

średnic wewnętrznych 

noniusz 

szczęki do pomiaru 

średnic zewnętrznych 

dokładność suwmiarki  

(maks. błąd bezwzględny) 

kreska ‘0’ „przechodzi” 

poza 11 mm. 

kreska ‘5’ leży w jednej linii z kreską 

podziałki milimetrowej 

background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 4/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

Śruba  mikrometryczna  to  przyrząd  służący  do  pomiarów  długości 

z dokładnością  do  0.01mm.  Zdjęcie  śruby  mikrometrycznej  przedstawia 

rysunek nr 3. 

 

Rys. 3. Śruba mikrometryczna 

 

 

Przykładowy odczyt długości (d) dla śruby mikrometrycznej (patrz rys. 4.): 

 

Rys. 4. Odczyt ze śruby mikrometrycznej 

 

 

d = 2mm+0.5mm+0.26mm = 2.76mm

 

3.

 

Do pomiarów masy (ciężaru) ciał służy waga. W ćwiczeniu używamy wagi 

szalkowej, przedstawionej na rysunku 5. 

wrzeciono 

tuleja 

bęben 

sprzęgło 

kowadełko 

bęben odsłonił dwa milimetry 

bęben odsłonił dodatkowo 

pół milimetra 

pozioma kreska na tulei jest 

przedłużeniem 26 działki bębna 

background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 5/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

Rys. 5. Waga szalkowa 

 

 

 

-  Przed  przystąpieniem  do  ważenia  należy  najpierw  wypoziomować 

(poziomica) oraz wyzerować (śruby korekcyjne) wagę.  

-  Badane ciało kładziemy na jednej szalce, odważniki na drugiej.  

-  Zarówno badane ciało jak i odważniki powinny znajdować się pośrodku szalki.  

-  Zdejmowanie  bądź  nakładanie  badanego  ciała  oraz  odważników  powinno 

odbywać się przy zabezpieczonej wadze (pokrętło do aretowania).  

-  Jeżeli  podczas  pomiaru  wskazówka  wychyla  się  w obie  strony  wokół  zera 

o jednakową ilość działek na podziałce, możemy zakończyć ważenie.  

-  Odważniki  powinno  się  nakładać  od  względnie  najcięższego  (za  pomocą 

pęsety). 

 

II.

 

Przebieg ćwiczeń 

1.

 

Za  pomocą  wagi  laboratoryjnej  (belkowej)  trzykrotnie  zważyć  badany 

przedmiot. 

2.

 

Zmierzyć  za  pomocą  linijki  wymiary  geometryczne  figury  niezbędne  do 

wyznaczenia jej objętości. Pomiary każdego wymiaru wykonać trzykrotnie. 

W  przypadku,  gdy  otrzymane  wyniki  któregokolwiek  z wymiarów  nie 

powtarzają się, serię pomiarową rozszerzyć do dziesięciu. 

 

szalka 

belka 

wskazówka 

pryzmat 

poziomica 

pokrętło do zabezpieczania 

(aretowania) wagi 

podziałka 

wykręcana nóżka 

śruby korekcyjne 

background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 6/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

3.

 

Wyniki pomiarów umieścić w tabelach 

Tabela 2. 

L.p. 

m [g] 

 

 

 

 

Tabela 3. 

schematyczny rysunek badanego 

przedmiotu ze wskazaniem 

mierzonych wymiarów 

geometrycznych 

L.p. 

a[mm] 

b[mm] 

... 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

4.

 

Wykonać  serię  dziesięciu  pomiarów  wymiarów  geometrycznych  badanego 

przedmiotu  (analogicznie  jak  w  punkcie  2)  wykorzystując  suwmiarkę  oraz 

śrubę mikrometryczną. Wyniki zapisać w tabeli. 

5.

 

Obliczyć gęstość materiału badanego przedmiotu. 

 

III.

 

Informacje uzupełniające 

1.

 

Ze  względu  na  mały  błąd  względny  wnoszony  przez  pomiar  masy,  można 

ograniczyć  się  do  trzech  pomiarów  masy  badanego  ciała.  Jako  wynik 

końcowy  należy  przyjąć  średnią  arytmetyczną  pomiarów,  zaś  jako  błąd 

pomiaru masy: 

m = 0.01 g. 

2.

 

Po  każdorazowym  pomiarze  masy  ciała,  zdejmujemy  odważniki  oraz 

badane ciało, sprawdzamy czy waga jest wyzerowana, następnie kładziemy 

ważone  ciało  na  szalce,  na  której  poprzednio  znajdowały  się  odważniki 

i rozpoczynamy cały proces ważenia od początku. 

3.

 

Pomiaru  wymiarów  geometrycznych  dokonujemy  w  różnych  miejscach 

badanej bryłki. 

background image

 

 

UR – nowoczesność i przyszłość regionu 

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego 

 

 

Uniwersytet Rzeszowski, al. T. Rejtana 16c, 35-959 Rzeszów 

s. 7/7 

Biuro Projektu: budynek A1, pokój 024, tel. + 48 17 872 11 84 

www.nipr.univ.rzeszow.pl, 

 nipr@univ.rzeszow.pl

 

IV.

 

Dla dociekliwych 

W przypadku, gdy wyniki próbnej serii pomiarów się powtarzają, możemy 

przyjąć  że  dominują  błędy  systematyczne.  W  takim  przypadku  zwiększanie 

liczby  pomiarów  mija  się  z  celem  (dla  zwiększenia  dokładności  pomiarów 

należy  zmienić  przyrząd  pomiarowy  na  dokładniejszy).  Jako  niepewność 

pomiarową  wielkości  mierzonej  bezpośrednio  przyjmujemy  niepewność 

przyrządu  pomiarowego.  W  celu  obliczenia  niepewności  pomiarowych 

wielkości  złożonych  stosujemy  metodę  różniczki  zupełnej  (ew.  pochodnej 

logarytmicznej). 

W przypadku, gdy wyniki próbnej serii pomiarów różnią się, celowym jest 

zwiększenie  liczby  pomiarów  (u  nas  do  dziesięciu).  Jako  wynik  pomiaru 

wielkości  mierzonej  bezpośrednio  przyjmujemy  średnią  arytmetyczną 

pomiarów,  zaś  jako  niepewność  pomiarową  tej  wielkości  przyjmujemy 

odchylenie  standardowe  średniej  arytmetycznej 

x

S

.  W  celu  obliczenia 

niepewności  pomiarowych  wielkości  złożonych  stosujemy  odchylenie 

standardowe  średniej  wielkości  mierzonej  pośrednio.  Jako  wynik  końcowy 

niepewności  pomiarowej  przyjmujemy  iloczyn  odchylenia  standardowego 

przez  współczynnik  Studenta-Fishera  (uwzględniający  liczbę  pomiarów  oraz 

poziom ufności). 

Obliczenia  w  Laboratorium  przeważnie  odbywają  się  dla  n=10  pomiarów 

oraz  przy  poziomie  ufności  1-

α

  =  0.683.  W  tym  przypadku  współczynnik 

Studenta wynosi 

,

1.0585

n

t

α

=

 

V.

 

Zalecana literatura 

1.

 

H. Szydłowski, Pracownia fizyczna, PWN, Warszawa 1999. 

2.

 

J. Smela, T. Zamorski, A. Puch, Pierwsza pracownia fizyczna - przewodnik

Wydawnictwo Oświatowe FOSZE, Rzeszów 1995. 

3.

 

J.R. Taylor, Wstęp do analizy błędu pomiarowego, PWN, Warszawa 1999. 

4.

 

J. Rakowiecki, Podstawy metrologii, PWSZ, Katowice 1972. 

5.

 

T. Dryński, Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki, PWN, Warszawa 1980. 

6.

 

Sz. Szczeniowski, Fizyka doświadczalna, cz. 1, PWN, Warszawa 1980.