Buffonova jehla. Jiří Zelenka. Gymnázium Zikmunda Wintra Rakovník

Podobné dokumenty
Laboratorní práce č. 1: Měření délky

Graf I - Závislost magnetické indukce na proudu protékajícím magnetem. naměřené hodnoty kvadratické proložení. B [m T ] I[A]

ZÁKLADY FYZIKÁLNÍCH MĚŘENÍ FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 5: Měření tíhového zrychlení

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 10 Název: Rychlost šíření zvuku. Pracoval: Jakub Michálek

5. Pro jednu pružinu změřte závislost stupně vazby na vzdálenosti zavěšení pružiny od uložení

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

Systém vykonávající tlumené kmity lze popsat obyčejnou lineární diferenciální rovnice 2. řadu s nulovou pravou stranou:

1. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli z protažení drátu. 2. Změřte modul pružnosti v tahu E oceli a duralu nebo mosazi z průhybu trámku.

Matematické modelování dopravního proudu

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM I. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Pracoval: Pavel Ševeček stud. skup.: F/F1X/11 dne:

K čemu slouží vektory?

I Mechanika a molekulová fyzika

Laboratorní práce č. 4: Určení elektrického odporu

plynu, Měření Poissonovy konstanty vzduchu

EXPERIMENTÁLNÍ MECHANIKA 2 Přednáška 5 - Chyby a nejistoty měření. Jan Krystek

Měření permitivity a permeability vakua

Měření vzdáleností. KGI/KAMET Alžběta Brychtová

2 (3) kde S je plocha zdroje. Protože jas zdroje není závislý na směru, lze vztah (5) přepsat do tvaru:

Teorie elektromagnetického pole Laboratorní úlohy

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Charakterizují kvantitativně vlastnosti předmětů a jevů.

STANOVENÍ TÍHOVÉHO ZRYCHLENÍ REVERZNÍM KYVADLEM A STUDIUM GRAVITAČNÍHO POLE

Praktikum II Elektřina a magnetismus

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Praktikum I úloha IX. Měření modulu pružnosti v tahu

Úloha 5: Spektrometrie záření α

Měřicí přístroje a měřicí metody

Měření momentu setrvačnosti prstence dynamickou metodou

Kapitola Hlavička. 3.2 Teoretický základ měření

Laboratorní práce č. 2: Měření velikosti zrychlení přímočarého pohybu

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Posuzoval:... dne:...

KOMBINATORIKA, PRAVDĚPODOBNOST, STATISTIKA. Charakteristiky variability. Mgr. Jakub Němec. VY_32_INOVACE_M4r0120

PRAKTIKUM II. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. úloha č. 6. Název: Měření účiníku. dne: 16.

Matematika PRŮŘEZOVÁ TÉMATA

Mgr. Ladislav Zemánek Maturitní okruhy Matematika Obor reálných čísel

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Projekt z volitelné fyziky Výtok kapaliny otvorem ve stěně

Fyzikální praktikum II

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.XI. Název: Měření stočení polarizační roviny

3. Změřte závislost proudu a výkonu na velikosti kapacity zařazené do sériového RLC obvodu.

PRAKTIKUM I Mechanika a molekulová fyzika

1. Okalibrujte pomocí bodu tání ledu, bodu varu vody a bodu tuhnutí cínu:

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Fakulta technologická Ústav fyziky a materiálového inženýrství

1. Změřte průběh intenzity magnetického pole na ose souosých kruhových magnetizačních cívek

Fyzikální korespondenční seminář MFF UK

Praktikum III - Optika

Název: Měření paralelního rezonančního LC obvodu

FYZIKÁLNÍ PRAKTIKUM FJFI ČVUT V PRAZE. Úloha 7: Rozšíření rozsahu miliampérmetru a voltmetru. Cejchování kompenzátorem. Abstrakt

=10 =80 - =

Laboratorní úloha č. 3 Spřažená kyvadla. Max Šauer

Střední průmyslová škola elektrotechnická a informačních technologií Brno

Fyzikální praktikum...

Simona Fišnarová (MENDELU) Den pí / 10

Fyzikální praktikum...

Náhodné chyby přímých měření

PRAKTIKUM III. Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK. Úlohač.III. Název: Mřížkový spektrometr

Měření momentu setrvačnosti

Měření tíhového zrychlení matematickým a reverzním kyvadlem

1. Zadání Pracovní úkol Pomůcky

Vzorový protokol pro předmět Zpracování experimentu. Tento protokol by měl sloužit jako vzor pro tvorbu vašich vlastních protokolů.

Měření délky tělesa. VY_52_Inovace_154. Vzdělávací oblast: Člověk a příroda. Vzdělávací obor: Fyzika. Ročník: 6

Chyby nepřímých měření

Tabulka I Měření tloušťky tenké vrstvy

Úloha 8: Absorpce beta záření. Určení energie betarozpadu měřením absorpce emitovaného záření.

Projekt: ŠKOLA RADOSTI, ŠKOLA KVALITY Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ EU PENÍZE ŠKOLÁM

Kapacita kondenzátoru a deskový kondenzátor

Millikanův experiment

Fyzikální praktikum FJFI ČVUT v Praze

Balmerova série. F. Grepl 1, M. Benc 2, J. Stuchlý 3 Gymnázium Havlíčkův Brod 1, Gymnázium Mnichovo Hradiště 2, Gymnázium Šumperk 3

Pravděpodobnost, náhoda, kostky

Laboratorní práce (č.10)

POHYB TĚLESA. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Sekunda

Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu MatemaTech Matematickou cestou k technice

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. Stanovení základních materiálových parametrů

Úloha 4: Totální účinný průřez interakce γ záření absorpční koeficient záření gama pro některé elementy

Oddělení fyzikálních praktik při Kabinetu výuky obecné fyziky MFF UK

2. Ve spolupráci s asistentem zkontrolujte, zda je torzní kyvadlo horizontálně vyrovnané.

1. Změřte závislost indukčnosti cívky na procházejícím proudu pro tyto případy:

SEMESTRÁLNÍ PRÁCE. Leptání plasmou. Ing. Pavel Bouchalík

T- MaR. Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. Podmínky názvy. 1.c-pod. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

1. Změřit metodou přímou závislost odporu vlákna žárovky na proudu, který jím protéká. K měření použijte stejnosměrné napětí v rozsahu do 24 V.

Mˇeˇren ı vlastn ı indukˇcnosti Ondˇrej ˇ Sika

ZKUŠEBNÍ PROTOKOLY. B1M15PPE / část elektrické stroje cvičení 1

Pohyb tělesa po nakloněné rovině

Teorie měření a regulace

MATURITNÍ TÉMATA Z MATEMATIKY

RNDr. Božena Rytířová. Základy měření (laboratorní práce)

PRAKTIKUM II Elektřina a magnetismus

Statistika - charakteristiky variability

OVMT Kontrola úchylky tvaru a polohy Tolerance tvaru

Laboratorní cvičení č.11

PRAKTIKUM IV Jaderná a subjaderná fyzika

Úkol 1) Proměřit transformaci napětí pro cívky 300 a 300 závitů. Stvořit společný graf závislosti U 2 na U 1 pro hodnoty teoretické a naměřené.

Rezonanční jevy na LC oscilátoru a závaží na pružině

Experimentální realizace Buquoyovy úlohy

Úloha 1: Kondenzátor, mapování elektrostatického pole

( r ) 2. Měření mechanické hysterezní smyčky a modulu pružnosti ve smyku

ROVNOMĚRNĚ ZRYCHLENÝ POHYB

Transkript:

Buffonova jehla Jiří Zelenka Gymnázium Zikmunda Wintra Rakovník jirka-zelenka@centrum.cz Abstrakt Zaměřil jsem se na konstantu π. K určení hodnoty jsem použil matematický experiment nazývaný Buffonova jehla. Naměřil jsem hodnotu π = 3,15 ± 0,10. Standardně se uvádí π tab = 3,14 [1]. 1 Úvod Pí, někdy nazývané Ludolfovo číslo, ne jedno z nejznámějších iracionálních čísel spolu s Eulerovým číslem nebo odmocniny ze dvou. Zároveň je matematickou konstantou využívanou v mnoha vědních oborech, jako je matematika, fyzika, statistika atd. Bez ní bychom nebyli schopni spočítat např. obvod kruhu nebo matematické kyvadlo. Tento matematický experiment vymyslel Georges Louis Leclerc de Buffon v roce 1777 [2]. 2 Teoretický rozbor Hodnota pí π je dána pravděpodobností protnutí p linek od sebe vzdálených délkou t jehlicí o délce l ve vztahu: (1) Kde pravděpodobnost je dána podílem celkového počtu hodů n a počtem protnutí linek h: (2) Hodnota pí je: Obr. 1 Jehly na poli s linkami (3) 3 Popis experimentu 1. Narýsování rovnoběžných linek ve vzdálenosti 150 mm 2. Sbroušení špejlí na stejnou délku 3. Změření délky špejlí

4. Změření vzdálenosti 5. Provedení 600 hodů s 10 špejlemi Použité přístroje a pomůcky: 10 špejlí, papír s nakreslenými linkami o velikosti 1x1,5m, posuvné měřítko, svinovací metr, personální počítač, program RStudio 4 Vypracování Určení délky špejlí U každé špejle jsem změřil délku posuvným měřítkem s přesností na 0,05 mm. Číslo měření [l] = mm 1 146,95 2 146,80 3 146,95 4 146,90 5 146,95 6 147,05 7 146,90 8 146,90 9 146,95 10 146,95 Aritmetická průměr 146,93 Nejistota měření na 95% 0,06 Výpočet nejistoty: ( ) ( ) ( ) U vzorce (4) jsem vynásobil u al dvěma, abych dostal interval nejistoty, kde je 95% pravděpodobnost, že skutečná hodnota leží v intervalu. Nepřesnost měřidla je u bl. U vztahu (5) x znamená celkový počet měření. (4) (5) Tab. 1: Naměřená délka špejlí Určení mezer mezi linkami Ke změření mezer mezi rovnoběžnými linkami jsem použil svinovací metr s přesností na 0,5 mm. Měřil jsem vždy vzdálenost mezi sousedními linkami na obou koncích papíru. Číslo měření [t] = mm 1 150,00 2 149,50 3 150,00 4 150,50 5 149,50 6 150,00 7 149,50 8 150,00 9 150,00 10 150,00 Aritmetická průměr 149,90 Nejistota měření na 95% 0,54 Tab. 2: Naměřená délka mezer mezi linkami Výpočet nejistoty: ( ) ( ) ( ) U vzorce (6) jsem vynásobil u at dvěma, abych dostal interval nejistoty, kde je 95% pravděpodobnost, že skutečná hodnota leží v intervalu. Nepřesnost měřidla je u bt. (6) (7)

Hodnota pí Hodnotu pí jsem spočítal ze vztahu (3) po 600 hodech. Během experimentu špejle protnuly 374krát jakoukoliv linku. Házel jsem vždy deset špejlí samostatně vodorovný vrhem ze vzdálenosti od 0,5 m až 1 m od středu papíru s linkami a z výšky 0,5 m až 0,6 m. Abych zajistil, že každá špejle dopadne jinak, házel jsem poslepu a měnil výšku a vzdálenost, ze které jsem házel. Číslo série měření (po 10) Počet protnutí Číslo série měření (po 10) Počet protnutí 1 6 31 6 2 6 32 5 3 8 33 6 4 7 34 7 5 3 35 7 6 7 36 6 7 8 37 6 8 4 38 7 9 6 39 7 10 4 40 5 11 7 41 7 12 6 42 5 13 4 43 7 14 8 44 5 15 6 45 6 16 7 46 7 17 6 47 6 18 6 48 5 19 8 49 5 20 8 50 7 21 5 51 9 22 6 52 7 23 7 53 4 24 7 54 7 25 5 55 6 26 7 56 5 27 5 57 7 28 8 58 8 29 7 59 6 30 6 60 5 Celkem 374 π = 3,1450 Tab. 3: Počet protnutí linky špejlí v každé sérii po deseti hodech

Výpočet nejistoty pí U tohoto experimentu závisí na náhodnosti dopadu jehly, což bude hlavní zdroj nejistoty, kterou si můžeme vyjádřit ze vztahu: ( ) ( ) ( ) (8) Vztah pro pí: (9) Mezi výpočty ke vztahu (8): (10a) (10b) (10c) Nejistota pravděpodobnosti je: ( ) (11) Zjednodušený zápis nejistoty pí: (12) π = 3,1450* p = 0,6233 l = 146,93 mm t = 149,90 mm u p = 0,0198 u l = 0,06 mm u t = 0,54 mm u π = 0,1006 * Hodnota pí je dána ze vztahu (3).

Grafické znázornění vývoje naměřené hodnoty pí v průběhu měření Obr. 2: Graf hodnoty pí v závislosti na počtu hodů V obrázku (2) můžeme vidět graf hodnoty pí v závislosti na počtu hodů. Červenou přímkou označena skutečnou hodnotu pí π=3,1416 a černými kolečky hodnoty naměřené v průběhu měření. Z černých koleček vybíhají chybové úsečky znázorňující interval nejistoty. Body s hodnotami jsou vždy po deseti hodech. Dále v grafu najdeme teoretickou závislost rozpětí intervalu nejistoty. Tvoří ji proložená funkce, která byla vypočítaná nelineální regresí. Proložená funkce pro horní hranici intervalu je y = π + 1/(a * x^b), kde a = 0,35 ± 0,04 a b = 0,51 ± 0,02. Pro dolní hranici vychází opačná funkce y = π - 1/(a * x^b), kde a = 0,41 ± 0,03 a b = 0,52 ± 0,02. V chí kvadrátu vychází hodnota 0,001, díky které je jasné, že probíhající funkce představuje téměř přesnou předpověď, jak se bude interval nejistoty zmenšovat. 5 Diskuze Ze změřených dat jsem pomocí vztahu (3) spočítal hodnotu pí π = 3,15 ± 0,10. Když ji porovnám s tabulkovou hodnotou π tab = 3,14 [1], tak zjistím, že jsem se dopustil chyby 0,003. Tato chyba je pravděpodobně způsobena, že žádný hod není náhodný. Házel jsem vždy deset špejlí samostatně. Takže se mohly navzájem ovlivnit při dopadu. Výhoda tohoto experimentu byla, že jsem nepotřeboval přesné měřicí přístroje, takže konečný výsledek nemohl být výrazně ovlivněn chybou přístroje. Při měření jsem používal papír, na kterém byly narýsované linky ve vzdálenosti t = (0,1499 ± 0,0005) m, což je zanedbatelná odchylka vůči nejistotě pravděpodobnosti. K házení jsem používal špejle o dálce l = (0,14693 ± 0,00006) m, což je opět zanedbatelná odchylka vůči nejistotě pravděpodobnosti.

6 Závěr Pomocí Buffonovy jehly jsem změřil hodnotu pí jako π = 3,15 ± 0,10. 7 Literatura [1] Mikulčák J. a kolektiv: Matematické, fyzikální a chemické tabulky & vzorce pro střední školy. 1. vyd. Prometheus, Praha 2003. ISBN: 978-80-7196-264-9. [2] Weisstein, Eric W.: Buffon's Needle Problem [online]. MathWorld--A Wolfram Web Resource. Dostupné z WWW http://mathworld.wolfram.com/buffonsneedleproblem.html