Měření (fyzika)

Měření (fyzika)
	Soubor:Micrometer 01.jpg
	Mikrometr, přesný měřicí přístroj pro měření délek.
Obor	Fyzika, Metrologie

Rozbalit box

Obsah boxu

Měření ve fyzice je základní činnost směřující ke zjištění hodnoty fyzikální veličiny. Jedná se o proces, který umožňuje kvantitativně popsat přírodní jevy a je nezbytný pro exaktní popis reality. Fyzika jako exaktní věda se opírá o přesný kvantitativní popis, kterého lze dosáhnout pouze prostřednictvím fyzikálního měření.

⏳ Historie měření

Potřeba měřit provází lidstvo od nejstarších dějin, zejména s rozvojem obchodu. Již ve starověku, dávno předtím, než byla fyzika pojímána jako samostatná věda, se prováděla měření fyzikálního charakteru. Příkladem je Aristarcheovo měření poměrné vzdálenosti Měsíce a Slunce od Země nebo Eratosthenovo měření poloměru Země. Tyto výsledky dokládají vysokou úroveň experimentální zručnosti a fyzikálního myšlení již v té době. Starověké civilizace jako Egypt, Mezopotámie, Indie a Čína měly své systémy měr a vah, které byly důležité ve stavitelství (např. pyramidy), zemědělství a obchodě. Jednotky byly často odvozeny z částí lidského těla, například loket (asi 53 cm v Egyptě, 59,1 cm jako pražský loket od roku 1268).

Významný zlom nastal na konci 18. století ve Francii zavedením metrické soustavy, která usilovala o standardizaci a sjednocení měrných jednotek. Rozvoj vědy a techniky v moderní době vedl k rozšíření počtu jednotek, jejich zpřesňování a propojování do systémů napříč státy.

📏 Mezinárodní soustava jednotek (SI)

V současné době je celosvětově nejrozšířenější a dlouhodobě používanou Mezinárodní soustava jednotek (francouzsky Système International d'Unités), zkráceně SI. Tento systém, budovaný od konce 18. století, je komplexní a jeho jednotky jsou definovány z obecných fyzikálních jevů a konstant. SI soustava byla oficiálně přijata v roce 1960 na 11. Generální konferenci pro váhy a míry (CGPM).

Soustava SI je založena na sedmi základních jednotkách:

Metr (m) pro délku. Je definován pomocí číselné hodnoty rychlost světla ve vakuu, která je stanovena na přesně 299 792 458 metrů za sekundu.
Kilogram (kg) pro hmotnost. Až do roku 2019 byl definován na základě mezinárodního prototypu kilogramu uloženého v Mezinárodním úřadu pro míry a váhy v Sèvres u Paříže. Od roku 2019 je definován pomocí Planckovy konstanty.
Sekunda (s) pro čas. Je definována jako doba trvání 9 192 631 770 period záření odpovídajícího přechodu mezi dvěma hladinami velmi jemné struktury základního stavu atomu cesia 133.
Ampér (A) pro elektrický proud. Definován je na základě elementárního náboje.
Kelvin (K) pro termodynamickou teplotu. Je definován pomocí Boltzmannovy konstanty.
Mol (mol) pro látkové množství. Je definován pomocí Avogadrovy konstanty.
Kandela (cd) pro svítivost. Je definována pomocí světelné účinnosti monochromatického záření.

Od roku 2019 byly všechny základní jednotky SI redefinovány na základě fundamentálních fyzikálních konstant, což zajišťuje jejich stabilitu a univerzálnost. Kromě základních jednotek zahrnuje SI soustava také odvozené jednotky (např. rychlost v metrech za sekundu) a předpony (např. kilo, mega, nano), které slouží k vyjádření násobků a dílů jednotek.

🛠️ Metody a přístroje měření

Ve fyzice existuje řada různých metod fyzikálních měření, které se dělí podle použitých fyzikálních principů, vztahů a vybavení.

Přímé metody jsou založeny na přímém odečtení hodnoty veličiny na stupnici měřidla (např. měření délky pravítkem, teplota teploměrem).
Nepřímé metody stanovují hodnotu veličiny na základě fyzikálního vztahu z hodnot jiných, přímo měřených veličin (např. výpočet hustoty z naměřené hmotnosti a objemu).
Absolutní metody poskytují hodnotu veličiny přímo v příslušné jednotce (např. elektrické napětí voltmetrem).
Relativní (srovnávací) metody porovnávají měřenou veličinu s danou známou hodnotou téhož druhu, tzv. etalonem (např. vážení na rovnoramenných vahách).
Statické metody určují hodnotu z klidového stavu měřidla.
Dynamické metody jsou založeny na pohybových změnách měřicího zařízení.
Substituční metody spočívají v postupném nahrazování měřeného objektu etalony.
Kompenzační metody vyrovnávají účinek měřeného objektu stejně velkým účinkem etalonu s opačným znaménkem.

Měřicí přístroje a jednoduchá měřidla slouží k zjišťování hodnot fyzikálních vlastností. Dělí se na:

Analogové měřicí přístroje (např. ručkové ampérmetry, voltmetry) zobrazují hodnotu spojitě, často prostřednictvím výchylky ručky na stupnici.
Digitální měřicí přístroje (např. digitální multimetry) zobrazují hodnotu číslicově na displeji. Nabízejí vyšší přesnost a odpadá u nich chyba nepřesným odečítáním.

Mezi konkrétní typy měřidel patří například:

Délková měřidla: Pravítko, pásmo, posuvné měřítko, mikrometr, hloubkoměr, laserový dálkoměr.
Váhy: Pro měření hmotnosti.
Měřiče času: Stopky, hodiny.
Teploměr: Pro měření teploty.
Barometr: Pro měření atmosférického tlaku.

📉 Chyby a nejistoty měření

Žádné měření nemůže s jistotou zjistit skutečnou (pravou) hodnotu měřené veličiny, protože výsledek je vždy ovlivněn řadou faktorů, které omezují přesnost měření. Rozdíl mezi skutečnou a naměřenou hodnotou se nazývá chyba měření.

Rozlišujeme několik druhů chyb:

Hrubé chyby vznikají nepozorností, přehlédnutím, poruchou měřicího přístroje nebo nevhodnou metodou. Tyto chyby je třeba vyloučit opakovaným měřením.
Systematické chyby (soustavné) ovlivňují výsledek měření pravidelně a určitým způsobem (např. trvale vyšší nebo menší hodnoty). Mohou mít původ v metodě, přístrojích nebo pozorovateli a lze je často určit a korigovat. Příkladem je zanedbání Archimédova zákona při vážení ve vzduchu.
Náhodné chyby (statistické) kolísají náhodně co do velikosti i znaménka při opakování měření, způsobené mnoha nepředvídatelnými vlivy (např. drobné změny teploty, tlaku, otřesy, nedokonalost smyslů pozorovatele). Tyto chyby nelze zcela odstranit, ale lze je statisticky zpracovat opakovaným měřením.

Kromě chyb se zavádí pojem nejistota měření, která charakterizuje rozsah hodnot, které lze přiřadit k měřené veličině. Nejistota měření je často vyjádřena jako standardní nejistota nebo rozšířená standardní nejistota, která udává interval, v němž se s určitou pravděpodobností nachází skutečná hodnota.

🔬 Metrologie a kalibrace

Metrologie je vědní a technický obor, který se zabývá měřením, tvorbou metod měření a zkoumáním vztahu mezi měřenou a skutečnou hodnotou veličiny. Její význam je zásadní pro vědecký výzkum, průmysl, mezinárodní obchod a zlepšování kvality života.

Mezi klíčové aspekty metrologie patří:

Etalony: Nejpřesnější měřicí přístroje, které realizují jednotku měření a slouží k ověřování ostatních měřidel.
Kalibrace: Činnost, která za specifikovaných podmínek stanoví vztah mezi hodnotami veličiny indikovými měřicím přístrojem a odpovídajícími hodnotami realizovanými etalony. Cílem je zajistit jednotnost a správnost měření.
Ověření: Soubor činností, kterými se potvrzuje, že stanovené měřidlo má požadované metrologické vlastnosti a je v souladu s úředně stanovenými požadavky.
Metrologická návaznost: Vlastnost výsledku měření, kterou lze určit vztah k referencím (národním nebo mezinárodním etalonům) přes nepřerušený řetězec porovnávání.

Na mezinárodní úrovni hraje klíčovou roli Mezinárodní úřad pro míry a váhy (BIPM), který byl založen Metrickou konvencí v roce 1875. BIPM je domovem SI a zajišťuje globální srovnatelnost a návaznost měření. V České republice je nejvyšší institucí v oblasti metrologie Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR (MPO), pod které spadá Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví (ÚNMZ) a Český metrologický institut (ČMI).

⚛️ Měření v kvantové fyzice

V kvantové fyzice má pojem měření specifický a hluboký význam, který se liší od klasického pojetí. Kvantové měření je proces, který představuje kvantové zobecnění klasického měření a vyznačuje se několika specifiky.

Klíčové aspekty kvantového měření:

Kolaps vlnové funkce: Když se provádí měření na kvantovém systému, systém se zhroutí do jednoho z vlastních stavů měřené pozorovatelné veličiny. Pravděpodobnost každého výsledku je určena druhou mocninou modulu koeficientu stavového vektoru v odpovídající vlastní bázi.
Vliv na systém: Samotný proces měření může změnit původní stav měřeného systému.
Superpozice: Kvantový systém může existovat v superpozici více stavů současně. Teprve měření "vybere" jeden z těchto stavů.
Princip neurčitosti: Nelze současně s libovolnou přesností změřit některé dvojice fyzikálních veličin, například poloha a hybnost částice (tzv. princip neurčitosti).

Kvantové měření je základním kamenem kvantové mechaniky a jeho pochopení je klíčové pro teorie kvantových počítačů a dalších kvantových technologií.

👧 Pro laiky

Představte si, že máte hračku autíčko a chcete zjistit, jak je velké, jak je těžké a jak rychle jezdí.

Když měříte, jak je autíčko velké, použijete třeba pravítko nebo metr. To je jako přímé měření délky. Prostě se podíváte na čísla.
Když chcete vědět, jak je autíčko těžké, dáte ho na váhu. To je taky přímé měření.
Ale co když chcete vědět, jakou má autíčko hustotu? Hustotu nemůžete změřit přímo. Musíte nejdřív změřit, jak je autíčko těžké (jeho hmotnost) a jak velký kus místa zabírá (jeho objem). A pak ty dvě čísla vydělíte. To je nepřímé měření.
Všechna ta čísla, která naměříte (třeba 10 centimetrů, 200 gramů), to jsou fyzikální veličiny s jejich jednotkami (centimetry, gramy). Abychom si všude na světě rozuměli, používáme jednotky z SI soustavy, jako je metr nebo kilogram.
Někdy se stane, že se spletete, nebo vám pravítko trochu klouže. Tomu se říká chyba měření. Vždycky se snažíme, aby ty chyby byly co nejmenší, a proto měříme pečlivě a třeba i několikrát.
Metrologie je taková věda, která se stará o to, aby všechna měření byla co nejpřesnější a aby se všichni řídili stejnými pravidly. Díky ní si můžeme být jisti, že když si koupíte 1 metr látky v Praze nebo v New Yorku, dostanete vždycky stejně dlouhý kus.

📚 Zdroje