v2.0.9792.42761
Fizyka dla każdego
Wahadła fizyczne, wybór osi i pomiary bezwładności · 1 min czytania

Niepewność nachylenia a niepewność wyznaczonego g

Opublikowano: 25.10.2026
Wyślij link e-mailem Własna poczta Komentarze: 0

Dopasowanie Y = aX + b dla wahadła fizycznego dało a = 4,025 s²/m ze standardową niepewnością u(a) = 0,020 s²/m oraz b = 0,161 m·s². Masa bryły wynosi 0,750 kg. Przyjmij, że u(a) uwzględnia już właściwy model niepewności pomiaru. Wyznacz g i jego standardową niepewność w przybliżeniu pierwszego rzędu, a także punktowe oszacowania k i IC. Czy same podane liczby wystarczają do wyznaczenia niepewności IC?

Pokaż rozwiązanieUkryj rozwiązanie
Wskazówka

g jest odwrotnie proporcjonalne do a, więc w pierwszym przybliżeniu względne niepewności g i a są równe. Moment centralny obliczysz z IC = mb/a; do jego niepewności potrzebujesz więcej informacji.

Rozwiązanie

1. Przyspieszenie grawitacyjne

Zależność nachylenia od g to a = 4π²/g, zatem:

g=\frac{4\pi^2}{4{,}025}\approx9{,}8083\ \mathrm{m/s^2}.

Jednostka 1/a jest m/s². Nie przeliczamy a na jednostkę g przez samą zamianę etykiety: konieczne jest odwrócenie i czynnik 4π².

2. Propagacja niepewności

u(g)\approx\frac{4\pi^2}{a^2}u(a)=\frac{4\pi^2\cdot0{,}020}{4{,}025^2}\approx0{,}04874\ \mathrm{m/s^2}.

Po zaokrągleniu zapisujemy g = 9,81 m/s² oraz u(g) = 0,05 m/s², czyli g = (9,81 ± 0,05) m/s² ze wskazaniem, że ± opisuje niepewność standardową. Nie jest to automatycznie przedział o poziomie ufności 95% ani granica wszystkich możliwych błędów. Względny wynik można skontrolować: u(g)/g ≈ 0,020/4,025 ≈ 0,497%.

3. Rozkład masy

k^2=\frac{0{,}161}{4{,}025}=0{,}0400\ \mathrm{m^2},\qquad k=0{,}200\ \mathrm m,\qquad I_C=0{,}750\cdot0{,}0400=0{,}0300\ \mathrm{kg\,m^2}.

To punktowe oszacowania. Do niepewności IC potrzebna jest niepewność b, informacja o kowariancji a i b oraz ewentualna niepewność masy. Parametry pochodzące z jednego dopasowania zwykle nie są niezależne. Przepisanie względnej niepewności samego a na IC pomijałoby te składniki.

Przyjęliśmy, że model niepewności nachylenia jest poprawny. Gdyby np. zignorowano wspólny błąd położenia C albo amplitudę, podane u(a) nie naprawiłoby tego automatycznie podczas przeliczenia na g.

Większe nachylenie oznacza mniejsze g. Znak pochodnej dg/da jest ujemny, natomiast standardowa niepewność jest nieujemna, dlatego w jej przeliczeniu stosujemy wartość bezwzględną pochodnej. Znaku zmiany nie przenosimy na u(g).

Powiązana teoria

Zmierz g wahadłem fizycznym: dlaczego wykreślamy T²h względem h²?

Dalsza lektura

Materiał referencyjny

Od okresu do prostego wykresu

Najpierw przewiduj: Zapisz T i h dla trzech zawieszeń. Oblicz T²h i h²: dlaczego te punkty układają się na prostej? To przewidywania modelu, nie pomiary.

Zmieniaj jedną wielkość i porównuj wyniki

Ruch uruchamiasz samodzielnie. Esc zatrzymuje animację; suwaki i przycisk „Jeden krok” pozwalają oglądać kolejne chwile bez odtwarzania.

Linearyzacja pomiarów wahadła: T²h w funkcji h².
Linearyzacja pomiarów wahadła: T²h w funkcji h². Wybierz rysunek, aby otworzyć go w pełnym rozmiarze.

Pręt o długości 1 m, zawieszony na końcu: h = 0,5 m, I/m = 1/3 m². Przy g = 9,81 m/s² okres wynosi około 1,638 s.

Co oblicza model i gdzie kończą się jego założenia?

Przy małych wychyleniach T=2\pi\sqrt{\frac{I_{\rm cm}/m+h^2}{gh}}. Dla pręta Icm/m = L²/12, dysku R²/2, a cienkiej obręczy R². Oś pozostaje w obrębie bryły. Suwak położenia osi podaje ułamek maksymalnego h: L/2 dla pręta oraz R dla koła. Nie jest bezpośrednio odległością w metrach.

Wykres pokazuje T(h). Minimum wypada przy h = √(Icm/m). Zbliżanie osi do środka masy osłabia moment siły przywracającej; dla h → 0 okres rośnie bez ograniczenia. Sam punkt h = 0 nie opisuje takiego wahadła i nie jest dostępny. Animacja używa amplitudy 10°, przybliżenia małych kątów i stałego g = 9,81 m/s². Pomija tarcie, podatność zawieszenia oraz opory powietrza.

Dodatkowo T²h = (4π²/g)h² + (4π²/g)(Icm/m). Podane pod wykresem wartości pozwalają zbudować prostą na papierze. Masa skraca się tylko wtedy, gdy porównujesz tę samą geometrię rozkładu masy.

Najpierw spróbuj samodzielnie. Zapisz dane, wybierz prawa fizyczne i sprawdź jednostki. Przejdź do zadań ze sprawdzaniem odpowiedzi »

Ostatnie materiały autora

Wszystkie materiały autora »

Komentarze (0)

Nie ma jeszcze opublikowanych komentarzy. Rozpocznij rozmowę o tym materiale.

Dodaj komentarz

Możesz komentować jako gość lub zalogować się, aby użyć danych konta. Utwórz konto

Emotikony

Zaznacz tekst i wybierz formatowanie lub użyj Ctrl/Cmd+B, I, U w polu komentarza. Znaczniki HTML nie są wykonywane.

Wybór wszystkich komentarzy obejmuje odpowiedzi. Powiadomienia wymagają potwierdzenia adresu; zrezygnujesz z nich przez link w wiadomości.

← Wróć do działu: Zadania Do góry ↑
Nie znalazłeś szukanego materiału? Napisz do nas — pomóż nam rozwijać Fizykę dla każdego.