4 Vyhodnocení naměřených funkčních závislostí Kromě měření konstant je častou úlohou měření zjistit, jak nějaká veličina y (závisle proměnná, jinak řečeno funkce) závisí na jiné proměnlivé veličině x (nezávisle proměnné, jinak řečeno argumentu). Každá taková funkční závislost je určena tabulkou, grafem, nebo analytickým zápisem. Při vlastním měření ke zvoleným hodnotám x1, x2,... x n (rostoucím nebo klesajícím) zaznamenáváme do tabulky naměřené hodnoty y1, y2,... y n. Dvojice hodnot xi, yipak vyneseme do grafu a podle přibližného tvaru křivky, spojující tyto body, rozhodneme, jakou funkcí vyjádříme hledanou závislost y= yx ( ). Může to být funkce lineární, kvadratická popř. i funkce s vyššími mocninami x. Časté jsou také funkce exponenciální či logaritmické. V praxi se mohou vyskytnout dva případy: 1. Měřená závislost je známa a experiment ji více nebo méně přesně potvrdí. Je nutné tedy najít správné hodnoty koeficientů v analytickém vyjádření funkce. Touto problematikou se zabývá vyrovnávací počet. 2. Fyzikální interpretace měřené závislosti není v literatuře jednoznačně popsaná, tzn. že nemůžeme předem znát tvar funkční závislosti tzv. modelovou funkci. Pak je možné pokusit se vyslovit hypotézu o funkční závislosti a ověřit výsledky jinou metodou. Je nutno zdůraznit, že tzv. modelová funkce musí být fyzikálně opodstatněná. Předpokládáme-li lineární závislost, není vhodné proložit naši naměřenou závislost např. kvadratickou funkcí, i kdybychom dospěli k lepší shodě s naměřenými údaji. V takovém případě musíme výsledky měření analyzovat a pokusit se nalézt zdroj možných chyb měření. Využití počítačů v této problematice nám umožňuje nalézt analytické vyjádření funkce, která nejlépe reprodukuje skutečně naměřenou funkční závislost i ve složitějším tvaru (např. polynom n-tého stupně, logaritmická či exponenciální funkce, popřípadě jejich kombinace). Při hledání vhodné funkce nesmíme zapomenout, že naměřené hodnoty závisle i nezávisle proměnné jsou zatíženy chybami stejně jako naměřené hodnoty konstantní veličiny (tj. chybami hrubými, soustavnými a nahodilými). Hodnoty v tabulce jsou tedy vyjádřením funkce, která osciluje kolem funkce hledané (uvažujeme-li chyby nahodilé), popřípadě je posunuta vůči funkci hledané (jestliže jsme neodstranili chyby soustavné). Nejvíce patrné jsou ovšem chyby hrubé, které vyloučíme pokud možno ještě před zpracováním. Po zadání tvaru funkce nám vhodný program sám určí potřebné koeficienty (konstanty) ve vzorci. Správnost těchto konstant pak určuje tzv. regresní koeficient, který se při úplné shodě teorie s praktickým měřením rovná 1. Ve Fyzikálním praktiku půjde většinou o ověření závislostí y = a + bx, y = e, y = ax bx b 00-4/1
4.1 Lineární závislost Řada jednodušších fyzikálních zákonů a závislostí je lineární, grafem je tedy přímka vyjádřená rovnicí kde a, b jsou konstanty. y = a + bx, (4.1) Z vyrovnávacích metod je v tabulkových kalkulátorech nejčastěji používána metoda nejmenších čtverců. Pracují s ní i kvalitnější programovatelné kapesní kalkulátory. Dává dobré výsledky při normálním (gaussovském) rozložení chyb. Pokud však opomeneme vyloučit hrubé chyby, výrazně zkreslují výsledek svým čtvercem. Nemáme-li k dispozici program, můžeme určit hledané koeficienty graficky. Existují grafické metody, které umožňují s dostatečnou přesností nalézt přímku, která se body vynesenými do grafu prokládá. Zkušenější experimentátor je schopen v případech, že požadavky na přesnost nejsou vysoké, proložit těmito body přímku od oka. Na obr. 4.1 jsou zobrazeny výsledky měření závislosti brzdného napětí na frekvenci, naměřené při stanovování Planckovy konstanty. Závislost je vyrovnána skupinovou metodou graficky. Měření, jehož obrazem je bod A, je zřejmě zatíženo hrubou chybou, proto jej do vyhodnocování nezahrneme. Ostatní body jsou rozděleny do dvou skupin, jsou nalezena jejich těžiště a jimi je proložena přímka. Bodu B byla přisouzena dvojnásobná váha, neboť při opakování měření jsme obdrželi stejnou hodnotu brzdného napětí. Obr. 4.1 Přímka proložená naměřenými body grafickou metodou Směrnice lineární závislosti Prodloužíme-li přímku až po x = 0, určíme koeficient a jako úsek na svislé ose. Koeficient b, tj. směrnici lineární závislosti, určíme ze vzorce: y2 y b = 1. (4.2) x x 2 1! Pozor! Z geometrie jste zvyklí určovat směrnici přímky jako tangentu jejího směrového úhlu. To ovšem platí jen tehdy, jsou-li na obou osách zvolena stejná měřítka. 00-4/2
Obr. 4.2 Směrnice zobrazení 1 Obr. 4.3 Směrnice zobrazení 2 Na obr. 4.2 a 4.3 je zobrazena tatáž lineární závislost. Na svislé ose je však v druhém případě jiné měřítko než na ose vodorovné. Při použití vztahu b = tg α vidíme, že při vyhodnocení téže lineární závislosti dostaneme při zobrazení v různých měřítkách různý výsledek. Stanovíme-li však pro obě zobrazení směrnice hodnotu b výpočtem podle vztahu (4.2): vyjde podle očekávání v obou případech stejná. 56 mv 48 mv b1 = = 8,0 Ω, b2 = = 8,0 Ω (4.3) 7,0 ma 6,0 ma Je třeba zdůraznit, že směrnice není obecně bezrozměrné číslo. Rozměr, resp. jednotku obdržíme po dosazení rozměrů (jednotek) veličin x, y do rovnice (4.2), tak jak je vidět v rovnici (4.3). 4.2 Exponenciální a mocninná závislost Máme-li zpracovat výsledky měření veličiny, jejíž závislost na nezávisle proměnné veličině je exponenciální nebo mocninná, lze vhodným zobrazením u exponenciální funkce semilogaritmickým, u mocninné logaritmickým převést tyto závislosti na lineární. Postup používáme zejména tehdy, nemáme-li přístup k automatizovanému zpracování, neboť vyrovnání lineární závislosti zvládneme jednoduchými prostředky. Snadno pak z grafu určíme koeficienty v původní měřené závislosti. Tato metoda má však své výhody i v případě počítačového zpracování měření, kdy nám koeficienty funkce v hledané závislosti určí program přímo a nemuseli bychom tedy graf linearizovat. Před samotným zpracováním je nutno totiž zjistit, zda měření neobsahuje hrubé chyby. V transformované přímce postřehneme tyto chyby snáze než v exponenciální nebo mocninné závislosti a můžeme je vyřadit. Mnohdy také podle zalomení přímky zjistíme, že naměřené hodnoty je vhodné rozdělit do dvou skupin a pro každou z nich určit jiné koeficienty prokládané funkce. 00-4/3
Exponenciální funkce má tvar y = a, (4.4) e bx po logaritmování (přirozené logaritmy) obdržíme: Provedeme následující transformaci: Y = ln y, X = x, A= ln a. ln y = ln a + bx. (4.5) Po dosazení do (4.5) je vidět, že exponenciální závislost dostala tvar lineární funkce Y = A + bx. V souřadnicích X, Y bude tedy funkce zobrazena přímkou. Používáme SW nástroje (v programu Excel nastavíme pro jednu z os logaritmické měřítko), nebo semilogaritmický papír (jedna z os má předtištěné logaritmické měřítko). Obr. 4.4 Exponenciální funkce v semilogaritmickém zobrazení U logaritmických os jsou na patřičných místech zobrazeny mocniny 10, neboť i když na osu vynášíme logaritmus hodnoty, pro větší přehlednost připisujeme k dělícím bodům přímo hodnoty, nikoliv jejich logaritmy. Při výpočtech musíme vzít v úvahu, že osa je dělena v dekadických, nikoliv přirozených logaritmech. Po vynesení bodů do semilogaritmického zobrazení provedeme podle potřeby vyrovnání lineární závislosti a sestrojíme přímku. Směrnici této přímky, tj. koeficient b v závislosti (4.4), obdržíme ze vztahu log y2 log y b = 1ln10. (4.6) x x 2 1 Do rovnice (4.6) dosazujeme souřadnice dvou dostatečně vzdálených bodů vyrovnávající přímky. Nedosazujeme hodnoty z tabulky, ale dva body ležící na proložené přímce. Nevolte vždy paušálně krajní body přímky, okrajové hodnoty měřeného intervalu jsou měřeny obvykle s menší přesností. Fyzikální rozměr koeficientu b je v tomto případě určen rozměrem jmenovatele zlomku, neboť logaritmus veličiny je vždy bezrozměrné číslo. Na obr. 4.4 je závislost relativního světelného toku na tloušťce pohlcujícího prostředí x při absorpci světla, která má tvar Φ = e ax. r 00-4/4
Závislost má v semilogaritmickém zobrazení (osa x má lineární a osa y logaritmické měřítko) tvar klesající přímky. Směrnice této přímky k (přičemž k = a) je log 2 log30 k = ln10 = 0,54 cm (7,0 2,0) cm 1 Mocninnou závislost jednoduchého typu b y = ax (4.7) lze také transformovat na závislost lineární. Rovnici (4.7) logaritmujeme: log y = log a+ blog x (4.8) a po substituci Y = log y, X = log x, A = log a obdržíme rovnici přímky Y = A + bx. (4.9) V tomto případě, jak sami vidíte, musejí mít obě osy logaritmické měřítko. Takže v Excelu nastavíte logaritmické měřítko u obou os nebo použijete logaritmický papír (tj. obě osy mají logaritmické měřítko). Na obr. 4.5 je závislost výkonu vyzařovaného žárovkou na teplotě vlákna této žárovky. Podle Stefanova Boltzmannova zákona má být vyzařovaný výkon úměrný čtvrté mocnině absolutní teploty: Obr. 4.5 Mocninná závislost v logaritmickém zobrazení P= ασ ST. 4 V logaritmickém zobrazení tedy očekáváme přímku, jejíž směrnice je 4. Ze souřadnic dvou bodů nalezené přímky vypočítáme směrnici přímky, tj. koeficient b, podle vztahu log y2 log y b = 1. log x log x Po dosazení obdržíme 2 1 log P log 2, 4 log 0, 2 b = = = 4,03, logt log1000 log 540 což je v dobré shodě s ověřovaným Stefanovým Boltzmannovým zákonem. Na s. 25-28 si ukážeme postup vytvoření tohoto grafu v aplikaci MS Excel. 00-4/5
4.3 Zásady tvorby grafů Grafické zobrazení je díky názornosti velmi časté a v odborné fyzikální literatuře je téměř každá naměřená závislost doplněna grafem. Pro jejich zhotovování nejsou jednoznačná pravidla v každém oboru jsou trochu odlišné zvyklosti. Ve fyzikálním praktiku doporučujeme držet se následujících zásad: 1. Grafy zhotovujeme na milimetrovém, popřípadě jiném speciálním grafickém papíře (semilogaritmický, logaritmický, polární), obvykle formátu A4. V pravoúhlé soustavě souřadnic se nezávisle proměnná vynáší na vodorovnou osu, přičemž kladné hodnoty veličin vzrůstají vpravo a nahoru od počátku souřadnic. V polární soustavě souřadnic musí ležet počátek čtení úhlů na vodorovné nebo svislé ose a kladný smysl úhlových souřadnic musí odpovídat opačnému smyslu otáčení hodinových ručiček. 2. Osy grafu musejí být popsány symbolem nebo názvem veličiny. Do kulaté závorky nebo za lomítko uvedeme i její jednotku (není-li veličina bezrozměrná). Na vnější stranu os vyneseme stupnici, jejíž body jsou přiměřeně daleko od sebe, abychom mohli z grafu pohodlně odečítat. Čísla se píší vodorovně, a to i u svislé osy. Pokud je to účelné, užíváme mocnin 10 popř. násobků jednotek. Souřadnice naměřených bodů na osách nevyznačujeme, ty lze vyhledat v tabulce. 3. Měřítka a stupnice grafu volíme tak, aby vynášené křivky zaplňovaly co největší plochu mezi osami. Do průsečíku os klademe nuly stupnic pouze v některých případech (chceme-li např. ukázat, že graf neprochází počátkem souřadnic). Jinak začíná stupnice hodnotou o něco menší než je nejmenší vynášená. 4. Chyba při odečítání obou souřadnic je stejná jen v té části křivky, kde směrnice příslušné tečny je rovna 1. V místech, kde se křivky příliš přibližují rovnoběžkám s některou osou, je chyba odečtu jedné či druhé souřadnice z grafu větší. Tuto chybu nelze vždy odstranit pouhou změnou měřítek stupnic na osách. 5. Jednotlivé naměřené hodnoty v grafu výrazně označíme nejlépe křížkem. Naprosto nevhodné jsou pouhé tečky, které po vytažení křivky většinou zmizí. Potřebujeme-li do jednoho grafického pole vynést více křivek a mohlo by dojít k záměně bodů, odlišujeme je různými černobílými značkami (,,,,,, ). Barvy použijeme pouze tehdy, bude-li graf tisknut barevně a také barevně rozmnožován. Ke každé křivce zapíšeme hodnotu parametru, který ji určuje. 6. Body nespojujeme lomenou křivkou, spojnice bodů nemá zpravidla žádný fyzikální význam. Pokud je žádoucí vytvořit spojnici bodů, prokládáme hladkou křivku (např. pomocí křivítka). Křivku volíme tak, aby neměla fyzikálně neopodstatněné skoky, zlomy a extrémy, byla dostatečně hladká a měla přibližně stejný počet bodů nad a pod čarou. 7. Graf musí mít svoje číslo a stručný a výstižný název. Pokud to situace vyžaduje uvedeme i další potřebné údaje (datum, typ vzorku, parametry a podmínky měření, apod.). Často musíme z grafu odečíst určitou hodnotu, kterou potřebujeme pro další zpracování měření. Tyto význačné body označíme odlišně od naměřených hodnot, a to jak na křivce, tak na příslušné ose. Na následujícím obrázku jsou V A charakteristiky diody, které budete měřit při zjišťování výstupní práce elektronu z kovu. Každou z nich jsme měřili při jiné konstantní hodnotě žhavicího proudu I ž. 00-4/6
Body, v nichž anodový proud I A dosahuje nasycení (charakteristika přejde v lineární), jsou na křivce vyznačeny kolečkem a jejich souřadnice je vynesena na osu I A, neboť právě tyto hodnoty I an (v obrázku jsou vyznačeny IS1, IS2, I S3) potřebujeme k dalším výpočtům. Všechny zásady uvedené na předchozí straně platí i pro počítačovou tvorbu grafů. Grafy ovšem v tomto případě netiskneme na milimetrový papír, ale na jednobarevný, nebo je vkládáme přímo do textu. 4.4 Grafy v MS Excelu Vzhledem k tomu, že většina studentů používá při zpracování protokolů počítač, zmíníme se stručně i o zpracování grafů v tabulkovém procesoru MS Excel. Nepůjde samozřejmě o vyčerpávající návod, většina z vás základní práci s Excelem ovládá. Zdůrazníme jenom některé kroky při tvorbě grafů, v nichž studenti nejvíce chybují. Nejlépe si vysvětlíme postup na konkrétní úloze, kterou budete měřit v laboratorním cvičení z fyziky v letním semestru, a to na ověřování platnosti Stefanova-Boltzmannova zákona. Podle Stefanova-Boltzmannova zákona (S-B zákon) je vyzářený výkon úměrný čtvrté mocnině teploty vlákna, tedy 4 P = konst T. Má-li tento zákon platit, grafem musí být mocninná funkce. Měřením a výpočty byly získány hodnoty V-A charakteristiky, příkon, odpor a teplota vlákna žárovky a koeficient pohltivosti, které jsou uvedeny v následující tabulce: 00-4/7
U I P R R/R0 T α V ma W Ω - K - 0,4 51 0,020 7,84 2,48 583 0,436 1,0 86 0,086 11,63 3,68 818 0,475 2,0 128 0,256 15,63 4,94 1058 0,506 4,0 193 0,772 20,73 6,56 1354 0,568 5,0 219 1,095 22,83 7,23 1473 0,576 6,0 245 1,470 24,49 7,75 1566 0,605 8,0 289 2,312 27,68 8,76 1741 0,623 10,0 332 3,320 30,12 9,53 1872 0,669 12,0 367 4,404 32,70 10,35 2010 0,668 14,0 402 5,628 34,83 11,02 2120 0,689 Sloupce veličin T a P uspořádáte v Excelu vedle sebe, vyznačíte data v tabulce a kliknutím na ikonu vyvoláte Průvodce grafem. V prvním dialogovém okně 1/4 vyberete typ grafu. Pro fyzikální závislosti budete vždy volit XY bodový graf. Jednotlivé body nespojujeme lomenou křivkou, spojnice bodů nemá zpravidla žádný fyzikální význam. Ve druhém okně 2/4 upravujete oblast dat, ve většině situací lze toto okno přeskočit. Po stisknutí tlačítka další přejdete na okno 3/4, kde zadáte název grafu a popis os, na posledním 4/4 zadáte umístění grafu. Takto vytvořený graf můžete snadno znovu editovat, a to tak, že na něj 2krát kliknete a otevřete ho tím pro úpravy. 00-4/8
Pak jej můžete dále doplňovat a formátovat, tentokrát klikáním pravým tlačítkem myši. Tak např. můžete naměřenými body proložit křivku, která odpovídá dané závislosti a podívat 4 se, zda opravdu platí S-B zákon, tedy že P = konst T. Kliknete pravým tlačítkem myši na jeden z bodů grafu (ty se podsvítí) a zvolíte přidat spojnici trendu. Poté volíte typ trendu a regrese, v našem případě funkci mocninnou a na kartě možnosti zaškrtnete položku zobrazit rovnici regrese. V grafu se objeví rovnice vyrovnané mocninné funkce. V exponentu jsme očekávali 4, nám vyšla mocnina 4,37. Můžeme to však považovat za dobrou shodu s teorií chyba nepřesahuje 5 %. Takovýmto postupem můžete upravovat i další parametry grafu. Např. měřítko os, hodnoty maxima a minima na osách, hodnoty průsečíku, písmo, legendu grafu, aj. Regresní funkci volíme samozřejmě podle typu fyzikální závislosti, ne podle vzhledu grafu. 4 Nevolíme tedy lineární závislost, ale mocninnou, neboť S-B zákon má tvar P = konst T. Naše body jsou v přímce jen díky logaritmickému měřítku na obou osách (viz také s. 23). 00-4/9
Graf závislosti P(T) 10,000 y = 2E-14x 4,3756 1,000 P/W 0,100 0,010 100 1000 10000 T/K Obr. 6.1: Ověření platnosti Stefanova-Boltzmannova zákona 00-4/10