Mjerenje i srednja vrijednost mjerenja
- Prepoznati instrument, skalu i najmanji podiok na njoj.
- Zapisati mjerenje s nesigurnošću, na primjer (25,0 ± 0,1) cm.
- Izračunati srednju vrijednost ponovljenih mjerenja i odstupanje pojedinog mjerenja.
- Objasniti zašto jedno loše očitanje pomjera srednju vrijednost.
1. Mjerenje, instrument i skala
Da bi izmjerio nešto, treba ti dogovorena jedinica i instrument. Mjerenje je upoređivanje nepoznate vrijednosti s tom jedinicom. Na lenjiru, menzuri, vagi ili termometru to upoređivanje čitaš sa skale — niza crtica i brojeva.
Svaka skala ima tri važne stvari:
- jedinicu — npr. cm na lenjiru, °C na termometru, mL na menzuri;
- najmanji podiok — razmak između dvije susjedne crtice;
- opseg — od najmanje do najveće vrijednosti koju instrument mjeri.
Na školskom lenjiru crtice su na svakom milimetru, pa je najmanji podiok 1 mm, odnosno 0,1 cm. Na menzuri s podjelom na svakih 2 mL najmanji podiok je 2 mL. Na termometru s crticom na svakom stepenu najmanji podiok je 1 °C.
Instrument ne daje beskonačno tačan broj. On razlikuje dvije susjedne crtice, pa između njih samo procjenjuješ. Zato uz svako mjerenje ide i podatak koliko mu vjerujemo.
Zašto mjerenje čini poređenje objektivnijim?
Jedan učenik kaže da je klupa duga „četiri pedlja“, a drugi „pet pedljeva“. Ne mora niko pogriješiti: njihove šake nisu iste veličine. Kada upotrijebe istu dogovorenu jedinicu i pravilno očitaju instrument, rezultat mogu uporediti i drugi ljudi. Mjerenje je poređenje s utvrđenim etalonom, odnosno dogovorenom referencom jedinice. Lenjir praktično prenosi tu jedinicu, a nije svaki lenjir primarni etalon.
Riješeno korak po korak
- Za dužinu klupe ne biramo broj pedljeva jer veličina pedlja zavisi od osobe.
- Oba učenika mjere metarskom skalom od istog početka do istog kraja.
- Očitaju 119,9 cm i 120,0 cm. Razlika 0,1 cm odgovara jednom podioku skale od 1 mm.
- Zaključak: mjerenja su uporediva i bliska, uz navedenu podjelu instrumenta. Objektivnost ne znači da je rezultat bez nesigurnosti.
Samostalno: dvije osobe izmjere hodnik kao 20 svojih koraka i 25 svojih koraka. Da li to dokazuje da hodnik ima dvije različite dužine? Predloži objektivnije mjerenje i navedi jednu svakodnevnu odluku za koju je važno.
Provjeri obrazloženje
Ne: njihovi koraci mogu imati različite dužine. Upotrijebi metarsku traku, isti početak i kraj, provjeri nulu i zapiši dužinu u m uz podjelu instrumenta. Podatak pomaže, naprimjer, pri kupovini odgovarajuće dužine podne obloge. Dogovorena jedinica omogućava provjeru bez obzira na osobu.
2. Najmanji podiok i nesigurnost mjerenja
Dužina olovke pročitana s metarske skale glasi 25,0 cm. Ali to nije „tačno 25,000 cm“ — instrument ne razlikuje stoti dio centimetra. Zato pišemo:
Broj 0,1 cm je nesigurnost mjerenja. Prema procjeni nesigurnosti, rezultat prikazujemo intervalom od 24,9 cm do 25,1 cm. To nije obećanje da u mjerenju nema dodatnih grešaka. Nesigurnost nije greška u računu i nije „loše mjerenje“ — ona pokazuje granicu koju instrument dopušta pri očitavanju.
Dogovor koji koristimo u ovoj lekciji: nesigurnost zbog očitavanja procjenjujemo jednim najmanjim podiokom skale. To nije uvijek ukupna nesigurnost: rasipanje ponovljenih mjerenja, pomjerena nula i vrijeme reakcije mogu je povećati. Za skalu s podiokom 1 mm to je 0,1 cm, za menzuru s podiokom 2 mL to je 2 mL, a za termometar s podiokom 1 °C to je 1 °C.
| Instrument | Najmanji podiok | Zapis mjerenja |
|---|---|---|
| metarska skala | 1 mm = 0,1 cm | (25,0 ± 0,1) cm |
| menzura | 2 mL | (84 ± 2) mL |
| termometar | 1 °C | (21 ± 1) °C |
Dvije stvari koje uvijek moraju biti usklađene:
- ista jedinica u broju i u nesigurnosti;
- isti broj decimala u broju i u nesigurnosti.
Preciznost i tačnost nisu isto
Preciznost govori koliko su ponovljena mjerenja bliska jedno drugom, tj. koliko se rasipaju. Tačnost govori koliko je mjerenje blizu prave vrijednosti. Mjerenja mogu biti precizna, a netačna: očitanja 27,1 cm, 27,0 cm i 27,1 cm su bliska jedno drugom, ali sva su oko 2 cm veća od prave dužine 25,0 cm. Mogu biti i tačna u prosjeku, a neprecizna: očitanja 24,6 cm, 25,4 cm i 25,0 cm imaju srednju vrijednost 25,0 cm, ali su jako rasuta.
Preciznost se popravlja pažljivijim mjerenjem, a tačnost se popravlja otklanjanjem uzroka sistematske greške, npr. pomjeranjem lenjira tako da mu nula bude tačno na početku predmeta. Ponavljanje mjerenja ne može ispraviti sistematsku grešku.
Isprobaj: precizno, a pogrešno?
Rasipanje i pomjerena nula na istoj osi
Referentna dužina šipke je 25,0 cm (poznata iz etalona). Prvo predvidi: ako mjerila imaju pomjerenu nulu, hoće li ih ponavljanje mjerenja dovesti do 25,0 cm? Zatim odvojeno biraj rasipanje i pomak nule, dodaj očitanja i klasifikuj grupu. U ovoj aktivnosti dogovorno važi: grupa je precizna ako je raspon najviše 0,4 cm, a tačna u prosjeku ako srednja vrijednost odstupa od reference najviše 0,3 cm. Prikaz je šematski, s unaprijed pripremljenim nizom očitanja.
Zelena linija: referenca 25,0 cm. Krugovi: očitanja (jednaka se slažu u stupac). Gornja zagrada: raspon. Trougao: srednja vrijednost x̄. Donja strelica: odstupanje x̄ od reference.
Odaberi klasu grupe da vidiš provjeru s brojevima.
Korak po korak: preciznost ili tačnost?
Riješeno poređenje: ponovljivost i referenca
Referentna dužina je 25,0 cm. Grupa A dobije 27,1; 27,0; 27,1 cm, a grupa B 24,6; 25,4; 25,0 cm.
- Ponovljivost: raspon grupe A je 0,1 cm, a grupe B 0,8 cm. A je preciznija: njena očitanja su međusobno bliža.
- Poređenje s referencom: srednja vrijednost grupe A je ≈ 27,1 cm, pa odstupa ≈ 2,1 cm. Srednja vrijednost grupe B je 25,0 cm, jednaka referenci u ovom primjeru.
- Zaključak: B je tačnija u prosjeku, A preciznija. Ponavljanje pomjerene skale može dati vrlo bliska, ali stalno pogrešna očitanja. Zato provjeravamo i rasipanje i referencu.
3. Ponovljena mjerenja i srednja vrijednost
Isti instrument i ista olovka mogu dati 24,9 cm, pa 25,1 cm, pa 25,0 cm. Razlog su sitne slučajnosti: kako si postavio početak skale, kako si gledao, gdje si procijenio dio između crtica. Zato mjerenje ponavljamo 3 do 5 puta i uzimamo srednju vrijednost:
Srednja vrijednost je bolja procjena od pojedinačnog mjerenja, jer se slučajne greške djelimično poništavaju: neka očitanja su malo veća, neka malo manja.
Odstupanje pojedinog mjerenja je razlika između tog mjerenja i srednje vrijednosti:
Odstupanje može biti pozitivno ili negativno, a mjeri se u istoj jedinici kao i veličina. Za mjerenja 24,9 cm, 25,0 cm i 25,1 cm srednja vrijednost je 25,0 cm, a odstupanja su −0,1 cm, 0,0 cm i +0,1 cm.
Odstupanje nije isto što i nesigurnost: odstupanje govori koliko se jedno očitanje razlikuje od srednje vrijednosti, a nesigurnost opisuje raspon koji pridružujemo rezultatu. Na nju mogu uticati podjela instrumenta, način rada i rasipanje očitanja.
Pregledna tabela mjerenja
Više mjerenja preglednije je zapisati u tabelu nego u dugu rečenicu. Tabela ima jedinicu u zaglavlju, po jedno mjerenje u svakom redu i red za srednju vrijednost. Tako se odmah vidi i rasipanje i odstupanja.
| Mjerenje | t / s | Δt / s |
|---|---|---|
| 1 | 0,45 | −0,006 |
| 2 | 0,47 | +0,014 |
| 3 | 0,44 | −0,016 |
| 4 | 0,46 | +0,004 |
| 5 | 0,46 | +0,004 |
| srednja | 0,456 ≈ 0,46 | zbir ≈ 0 |
4. Isprobaj: tri mjerenja iste dužine
Tri mjerenja, srednja vrijednost i odstupanja
Tri učenika mjere istu olovku metarskom skalom s podiokom 1 mm. Pomjeri klizače za po 1 mm i gledaj šta se dešava s tabelom, s oznakama na skali i sa srednjom vrijednošću. Obrati pažnju na slučaj kada jedno očitanje jako odstupi.
| Mjerenje | Očitanje | Odstupanje Δ |
|---|
Rezultat zapisujemo s nesigurnošću.
Pomjeri klizače i uporedi srednju vrijednost sa pojedinačnim očitanjima.
5. Korak po korak: srednja vrijednost i odstupanja
Zadatak: „Učenik je tri puta izmjerio dužinu olovke: 24,9 cm, 25,0 cm i 25,1 cm. Izračunaj srednju vrijednost, odstupanja i napiši rezultat, ako je najmanji podiok skale 1 mm.“
6. Riješeni primjeri
Dva tipa zadatka: srednja vrijednost ponovljenih mjerenja te nesigurnost i zapis rezultata. U svakom tipu su tri primjera, od lakšeg ka težem.
Tip 1: srednja vrijednost i odstupanja
Primjer 1: tri mjerenja
Dužina stola izmjerena je tri puta: 124,9 cm, 125,0 cm i 125,1 cm. Odredi srednju vrijednost.
Primjer 2: četiri mjerenja
Visina knjige mjerena je četiri puta: 12,4 cm, 12,5 cm, 12,3 cm i 12,4 cm. Odredi srednju vrijednost i odstupanja.
Primjer 3: jedno očitanje jako odstupa
Masa uzorka mjerena je pet puta: 48,2 g, 48,4 g, 48,3 g, 48,5 g i 51,0 g. Izračunaj srednju vrijednost sa svih pet mjerenja i bez posljednjeg, pa uporedi.
Tip 2: nesigurnost i zapis rezultata
Primjer 1: metarska skala
Dužina olovke očitana je kao 25,0 cm na skali s najmanjim podiokom 1 mm. Zapiši rezultat s nesigurnošću i navedi interval u kojem je prava vrijednost.
Primjer 2: menzura
U menzuri s najmanjim podiokom 2 mL očitana je zapremina 84 mL. Zapiši rezultat s nesigurnošću.
Primjer 3: temperatura mjerena tri puta
Temperatura vode mjerena je tri puta termometrom s najmanjim podiokom 1 °C: 21 °C, 22 °C i 21 °C. Odredi srednju vrijednost, odstupanja i zapiši rezultat.
- „Nesigurnost znači da sam pogriješio.“ Ne. Nesigurnost opisuje granicu očitavanja instrumenta i piše se i kada je mjerenje savršeno pažljivo izvedeno.
- Previše decimala. (25,03 ± 0,1) cm obećava stoti dio centimetra koji skala ne razlikuje. Ispravno je (25,0 ± 0,1) cm.
- Jedno mjerenje i odmah rezultat. Jedno očitanje može biti slučajno preveliko ili premalo; ponovi mjerenje 3 do 5 puta i uzmi srednju vrijednost.
- Pogrešna osnova za odstupanje. Odstupanje se računa od srednje vrijednosti, a ne od nule ni od prvog mjerenja.
✅ Kviz — provjeri sebe (4 pitanja)
1. Zašto isto mjerenje ponavljamo nekoliko puta?
2. Šta znači zapis (25,0 ± 0,1) cm?
3. Najmanji podiok skale je 1 mm. Kolika je nesigurnost zapisa po dogovoru iz lekcije?
4. Mjerenja su 12,4 cm, 12,5 cm i 12,3 cm. Kolika je srednja vrijednost?
7. Primijeni i objasni
Provjeri rješenje i obrazloženje
Sa svih pet mjerenja: zbir je 182,3 + 182,5 + 182,4 + 182,6 + 185,0 = 914,8 cm, pa je x̄ = 914,8 : 5 = 182,96 cm ≈ 183,0 cm. Bez posljednjeg mjerenja: zbir je 729,8 cm, pa je x̄ = 729,8 : 4 = 182,45 cm ≈ 182,5 cm. Posljednje očitanje odstupa 2,6 cm od ostalih, što je dvadeset i šest puta više od nesigurnosti 0,1 cm — takvo očitanje je vjerovatno pogrešno pročitana skala, pa ga treba provjeriti ponovnim mjerenjem. Nemoj ga izbrisati samo zato što odstupa. Ako se potvrdi greška očitavanja, zabilježi razlog izostavljanja. Za preostala četiri očitanja srednja vrijednost je ≈ 182,5 cm; samo nesigurnost zbog podioka je 0,1 cm. Raspon 182,3–182,6 cm upozorava da za ukupnu nesigurnost treba uzeti u obzir i rasipanje.
Provjeri rješenje i obrazloženje
Prvi: x̄ = (50,6 + 50,5 + 50,6) : 3 ≈ 50,6 cm; rasipanje 50,6 − 50,5 = 0,1 cm; odstupanje od prave vrijednosti 50,6 − 50,0 = 0,6 cm. Precizan je, ali netačan. Drugi: x̄ = (49,8 + 50,3 + 50,0) cm : 3 ≈ 50,03 cm; rasipanje 50,3 − 49,8 = 0,5 cm; odstupanje srednje vrijednosti od prave vrijednosti ≈ 0,03 cm. Tačniji je u prosjeku, ali manje precizan. Odgovor: precizniji je prvi mjerilac, a tačniji drugi.
Provjeri rješenje i obrazloženje
Zbir je 16,06 s, pa je t̄ = 16,06 : 5 = 3,212 s ≈ 3,21 s. Tabela: (1) 3,21 s, Δt = −0,002 s; (2) 3,18 s, Δt = −0,032 s; (3) 3,25 s, Δt = +0,038 s; (4) 3,20 s, Δt = −0,012 s; (5) 3,22 s, Δt = +0,008 s. Zbir odstupanja je 0 s, što provjerava račun srednje vrijednosti. Nesigurnost zbog podioka je 0,01 s, ali opaženo rasipanje i vrijeme reakcije mogu biti veći. Zapis (3,21 ± 0,01) s zato opisuje samo očitanje skale, a ne dokazanu ukupnu nesigurnost mjerenja.
Pokušaj najprije samostalno. Ako zapneš, vrati se na simulaciju i pomjeri treći klizač na krajnju vrijednost — vidjet ćeš kako jedno očitanje vuče srednju vrijednost.
Ključni sadržaji koje ovdje učiš: mjerenje, instrument i skala, najmanji podiok, nesigurnost mjerenja, ponovljena mjerenja, srednja vrijednost i odstupanje.
Oblast A. Priroda fizike i naučni metod — mjerenje. Predmetni kurikulum KS, 7. razred, štampana stranica 10. Redoslijed lekcija na portalu je urednički. Objašnjenja, primjeri i simulacija su autorski.