Experimentální fyzika I. 1

1. Experimentální fyzika I.1 Vojtěch Petráček

2. Přehled doporučené literatury • J. Brož – Základy fyzikálních měření (3 díly) ,SPN Praha 1983 • Z. Horák – Praktická fyzika • Roskovec, Valouch – Fyzikální a matematické tabulky • R.W. Leo – Techniques for Nuclear and Particle Physics experiments, 1983 • Z. Horák, F. Krupka – Fyzika, SNTL 1981 • J. Kvasnica – Matematický aparát fyziky, Academia 1989 • A. Beiser – Úvod do moderní fyziky, Academia 1977 • B.R. Levin – Teorie náhodných procesů a její aplikace v radiotechnice, SNTL 1965

3. Zdroje informací na webu • http://physicsweb.org/resources/home/ • http://web.mit.edu/redingtn/www/netadv/ii.html • http://web.mit.edu/redingtn/www/netadv/hep-ex.html • http://230nsc1.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html • http://hypertextbook.com/physics/ • http://www-sul.stanford.edu/depts/physics/databases/resourcephys2.html

4. Přehled tématu • Experimentální fyzika se zabývá měřením fyzikálních jevů, zjišťováním hodnot fyzikálních veličin a vztahů mezi nimi • Jedině na základě měřitelných (a opravdu změřených) veličin lze rozhodnout o platnosti fyzikálních teorií

5. Pozorování a experiment • Při pozorování měříme fyzikální jevy probíhající nezávisle na naší vůli (např. v astronomii) • Při experimentu připravujeme podmínky, při nichž má daný fyzikální jev proběhnout. Často však nemáme kontrolu nad všemi důležitými parametry – to vnáší do výsledků měření prvek náhodnosti E,p lze nastavit, srážkový parametr b ne

6. Druhy experimentu • Kvalitativní – trendy závislostí (růst, pokles… ), např. závislost el. odporu na teplotě, objemu na teplotě… • Kvantitativní – určení velikosti měřených veličin, např. určení velikosti změny el. odporu při dané změně teploty, počet srážek částic za jednotku času….

7. Průběh experimentu • Příprava – vytýčení cíle měření, návrh a konstrukce měřicího zařízení / detektoru, simulace předpokládané odezvy • Provedení měření – ladění detektoru, provedení měření • Vyhodnocení – kalibrace detektoru, statistické zpracování, určení závislostí mezi veličinami, určení chyb měření, srovnání s teoretickými předpověďmi

8. Délka přípravy provedení a vyhodnocení experimentu 2h / 1h / 2h 15let / 10let / 10let ?

9. Fyzikální veličiny a jednotky • Fyzikální veličiny vypovídají o měřitelných vlastnostech/stavech pozorovaného systému • F.v. == hodnota X jednotka (v = 5 m/s) • F.v. kvantitativní – určují množství (délka, čas, el.proud) • F.v. intenzivní – určují stav (teplota) • F.v. vyjadřují měřenou hodnotu v smluvených jednotkách

10. Soustavy fyzikálních jednotek • SI – současný standard m,kg,s,A,K,mol • CGS(E,M) – (Gauss 1832) cm,g,s • Jednotky základní – m,kg,s,A,K,cd,rad,sr . Jsou definovány na základě standardu (prototyp 1kg v Mezinár. Úřadu pro míry a váhy v Paříži) či na základě fyz. procesů (1m = 1650763,73 vac záření 86Kr při přechodu 2p10 – 5d5) • Jednotky odvozené – Hz(s-1), N(m.kg.s-2), Pa(N.m-2), J(N.m), C(A.s), W(J.s-1)

11. Měřící metody • Přímé – měření veličiny na základě její definice (=m/V) • Nepřímé – např. určení hustoty pomocí Archimédova zákona, ze síly jakou je těleso nadlehčováno v kapalině známe hustoty a při známé váze na vzduchu • Absolutní – poskytují absolutní velikost veličiny • Relativní – poměr dvou veličin téhož druhu (vážení – srovnání se závažím), můstkové metody měření R,C • Objektivní – nezávisí na pozorovateli • Subjektivní – závisí na pozorovateli (např. srovnání int. zvuku či světla) • Statické – měřená veličina je stálá – klidová poloha ukazatele • Dynamické – na velikost měřené veličiny se usuzuje z periodického pohybu měřicí soustavy (tíhové zrychlení – kyvadlo) • Kompenzační – vyrovnání účinku F.v. opačným (vážení, R,C můstky) • Nulové – hodnota F.v. se dá vyvodit jestliže je výsledek pozorování 0 např. omezení množství produkovaných částic jestliže nejsou pozorovány v konečném vzorku zaznamenaných srážek • Substituční – veličina je nejdříve změřena a týmž přístrojem jsou pak měřeny známé normály až je nalezen ten, jehož odezva (hodnota odečtená na přístroji) je shodná

12. Charakteristiky měřících aparatur • Transformují měřenou veličinu do zaznamenatelné formy • Kromě nejjednodušších případů je měřená veličina převedena nejdříve senzorem(čidlem) na veličinu dobře zpracovatelnou (U,I,t..) a ta je pak upravena (např. zesílena) a zaznamenána či zobrazena

13. Příklady senzorů a čtecího řetězce měřicího přístroje PbWO4 scintilátor PIN foto-dioda zesilovač zesilovač e,p  TDC Přímé odečtení délky Osciloskop ADC PC

14. Drift Drift 256 anodes MOS charge injectors for drift velocity monitoring 256 anodes Křemíkový driftový detektor ionizujících částic převádí 2D polohu hitu na x,t polohu elektrického impulzu guard region implanted HV voltage dividers 256 collection anodes (294 m pitch)

15. Typy senzorů • Aktivní – dodává energii (radar) • Pasivní – nedodává energii (termočlánek T U) • Analogové • Digitální

16. Vlastnosti senzorů • Odezvu čidla na signál je třeba okalibrovat (zjistit, jak souvisí měřená hodnota se skutečnou hodnotou měřené veličiny) • U čidel se mohou uplatnit i nežádoucí vlastnosti jako nelinearita, saturace při velkých signálech, hystereze, posun nulové úrovně, zkreslení signálu a časová či teplotní závislost.

17. Některé nežádoucí vlastnosti senzorů

18. Přístroje nenulové a nulová metoda Použití ve statickém i dynamickém režimu Velká přesnost X pomalejší měření Neznámý vstup Kalibrovaný vstup Stupnice Neznámá síla Ukazatel Komparátor Možnost automatické regulace