1. No category

Intro til …
Fysikklab
for kursene
TFY4102
TFY4104
TFY4109
TFY4115
Innhold
•
•
•
•
•
•
•
•
Hvorfor?
Hvorfor?
Hva?
Hvordan?
Hvem?
Journal og rapport
Litt om usikkerhetsanalyse
Noen tips ..
Oppsummering
2
Empirisk observasjon -> Analyse -> Modell
3
Modell
Modell
Analyse
Empiri

Brahe (1546—1601)
Analyse

Kepler (1572-1630)
Newton (1642-1727)
4
«Den naturvitenskaplige metoden»
Modell
Empiri
Analyse
5
Ingeniørvitenskap - Ingeniørkunst
• Eiffeltårnet 1889
6
Grunnkurs i fysikk
Modell
Ingeniørvitenskap
Fysikk
Empiri
Analyse
Nødvendige basiskunnskaper, uavhengige av hva norske
ingeniører skal jobbe med i fremtiden.
7
Mål med fysikklaben
Få en forståelse for:
• Hvordan man bruker sin kunnskap på en vitenskapelig måte.
• Hvordan man arbeider rasjonelt med åpen problemstilling.
• Hvordan fysikk/eksperiment er viktig.
• Veien til kunnskap er ikke enkel, så lab må være utfordrende!
8
Problemløsning
Ex 1
Ex 2
Lab
Utgangspunkt
Gitt
Gitt
Ukjent
Method
Gitt
Ukjent
Ukjent
Mål
Gitt
Gitt
Kjent
Vanlig «demo lab»
Vår lab!
9
Polyas strategi for problemløsning
Formulert 1945 i «How to solve it»
•
•
•
•
Understand
Plan
Carry Out
Look back
10
Ekperimentell problemløsning
• Understand: Analyser og planlegg - bruk din kunnskap –
Formuler problemet i egne ord.
• Plan: Hvilke variabler og konstanter påvirker systemet?
Hvilke er kjente (nøyaktige nok?) Hvilke kan neglisjeres?
Måleoppstilling, hva er mulig å måle?
Test, optimer måle-oppsettet, hva er grensene, hvordan måle
på en effektiv måte? Finnes det alternativ?
Systematisere og formulere hypotese og målestrategi,
forberede måleserier. Skriv en plan.
• Carry out: Gjennomfør eksperiment, dokumenter alle
resultater og observasjoner
• Look back: Analyser data, data må svare til problemet.
11
Innhold
• Hvorfor?
• Hva?
•
•
•
•
•
•
Hvordan?
Hvem?
Journal og rapport
Litt om usikkerhetsanalyse
Noen tips ..
Oppsummering
12
Alle skal møte 5 ganger
hver økt er 4 timer
Tid
Obligatorisk
Forberedelse
1
Lab 1-1
Lag plan for lab og få
plan (før) og journal
(etter) godkjent
Se på øvinger, lag plan,
les og forstå info
2
Lab 1-2
Journal godkjent
Gå gjennom journal,
oppdater plan (leveres
ikke)
3 Veiledning /
feedback rapport
Gjennomgang av vanlige Lever rapport en uke før
feil og rapporter
+ les rapporten igjen
4 Lab 2-1
Lag plan for lab og få
plan (før) og journal
(etter) godkjent
Planlegg lab, lag plan og
se på info
5 Lab 2-2
Journal godkjent
Gå gjennom journal,
oppdater plan (leveres
13
ikke)
Planlegging før lab
Lever en plan (maksimalt 1 side, en uke før lab) som minst
skal inneholde følgende momenter for å bli godkjent:
1. Formuler med egne ord hva som er målet for oppgaven.
2. Hva er de fysiske størrelsene som kan tenkes å påvirke
målet for oppgaven (Her trengs kanskje noen likninger
relatert til målet for oppgaven)? Hvilke av disse er kjent (til
hvilken nøyaktighet)? Hvilke kan du eventuelt neglisjere
(hvorfor)?, og hvilke er ukjente og må bestemmes?
3. Hvilke eksperimenter vil du gjennomføre for å bestemme de
størrelsene du trenger å måle eksperimentelt?
4. Hvilke innledende målinger vil du gjøre for å bli kjent med
måleinstrumenter og teste at målingene fungerer som
planlagt?
14
Laboppgave 1: Mekanikk
15
Laboppgave 1: Mekanikk
Poenget med denne oppgaven er å bestemme vinkelen som
kreves for at to ulike klosser (ulike friksjonslag og masser)
forbundet med en snor skal skli med konstant hastighet
nedover et skråplan.
For å løse oppgaven er det viktig at dere
• har en teoretisk modell for systemet
• har målt de ukjente parameterne i modellen
eksperimentelt
• kan utføre en usikkerhetsanalyse for de målte størrelsene
Når dere er ferdige med disse tre punktene, og føler dere har
god kontroll, tar dere kontakt med en labveileder for å få en
avsluttende oppgave.
16
Laboppgave 2: Ocillator
Labopgave 2: Oscillator
Målet med oppgaven er å bygge,
karakterisere og styre en mekanisk
oscillator.
Det er tre deloppgaver;
• Bygge oscillator med gitt egenfrekvens.
• Karakterisere dempingskonstanten til
systemet for ulike dempebetingelser.
• Lage et stabilt drevet oscillatorsystem
for tre ulike fjærer/frekvenser.
Laben må planlegges (levere plan som i oppgave 1)
Laben gjennomføres over to økter ( økt 4 og 5)
18
Innhold
• Hvorfor?
• Hva?
• Hvordan?
•
•
•
•
•
Hvem?
Journal og rapport
Litt om usikkerhetsanalyse
Noen tips ..
Oppsummering
19
Registrering og oppmelding
• Gjøres via øvingssystemet;
http://web.phys.ntnu.no/ovsys/lab/?db=TFY4102_4104_4109_4115-lab-H2016
•
•
•
•
•
Du må først registrere deg (brukernavn og passord)
Kan melde deg opp fra tirsdag 23. august kl. 07.00
Kan melde på to og to ..
Velg dag - få en gruppe og en veileder
Labveileder sender mail, leveringer skjer via mail
til veileder
• Oppstart i uke 36 og 37
• Fem oppmøter over 10 uker (annenhver uke)
20
Labtidspunkter
Disse er timeplanfestet, og skal følges så langt det
lar seg gjøre
21
mtpetr
ma
8
9
10 TFY4102
11 TFY4102
12
13
14
15
16
17
18
19
mtnano
mtkj
mtiøt
marin
ti
TIØ4258
TIØ4258
TIØ4258
on
to
fr
TMA4240 TIØ4258
TMA4240 TIØ4258
TMA4110
TMA4110
TMA4110
TMA4110 TMA4240
TMA4110
TMA4110 TMA4240
TFY4102 TFY4102
TFY4102 TFY4102
ma
8 TMA4100
9 TMA4100
10 TDT4110
11 TDT4110
12 TFY4350
13 TFY4350
14 TFY4115
15 TFY4115
16 TMA4100
17 TMA4100
18
19
ti
on
TMA4100
TMA4100
TDT4110
TDT4110
to
TDT4110
TDT4110
TFY4350
TFY4350
TFY4115
TFY4115
ma
8 TFY4104
9 TFY4104
10 KJ1041
11 KJ1041
12
13
14
15
16 KJ1041
17 KJ1041
18 TFY4104
19 TFY4104
ti
TKJ4102
TKJ4102
on
TKJ4102
TKJ4102
to
ma
8 TFY4104
9 TFY4104
10
11
12 TMR4167
13 TMR4167
14
15
16
17
18 TFY4104
19 TFY4104
ti
on
to
TIØ4105
TIØ4105
TEP4110
TEP4110
TEP4110
TEP4110
TEP4110 TIØ4105
TEP4110 TIØ4105
TMR4167
TMR4167
TMR4167
TMR4167
TMR4167
TMR4167
TFY4115
TFY4115
TMA4100
TMA4100
TMT4122
KJ1041
KJ1041
KJLAB
KJLAB
KJLAB
KJLAB
fr
ti
on
TIØ4258
TIØ4258
TIØ4258 TMA4110
TMA4110
TMA4240
TMA4240
TFY4102
TFY4102
mttk
ti
TMA4100
TMA4100
TFY4350
TFY4350
fr
KJ1041
TMT4122 KJ1041
TKJ4102
TKJ4102
KJ1041
KJ1041
mttekgeo ma
8
9
10 TFY4102
11 TFY4102
12
13
14
15
16
17
18
19
mtmart
TKJ4102
TKJ4102
TFY4104
TFY4104
fr
TEP4110
TEP4110
TIØ4105
TIØ4105
TFY4104
TFY4104
ma
8
9
10 TMA4120
11 TMA4120
12 TDT4160
13
14 TFY4115
15 TFY4115
16
17
18
19
mtiøt
maskin
on
to
fr
TIØ4258
TIØ4258
TMA4110
TMA4110
TMA4110 TMA4240
TMA4110 TMA4240
TFY4102
TFY4102
to
fr
mtenerg ma
8
9
10 TET4100
11 TET4100
12 TET4100
13 TET4100
14
15
16 TETLAB
17 TETLAB
18 TETLAB
19 TETLAB
ti
on
TMA4130
TMA4130
TEP4120 TET4100
TEP4120 TET4100
TFY4109
TFY4109
TFY4109 TEP4120
TFY4109 TEP4120
TETLAB
TETLAB
TETLAB
TETLAB
to
fr
TET4100
TET4100
TEP4120
TEP4120
TFY4109 TMA4130
TFY4109 TMA4130
TMA4130
TMA4130
mtelsys
ti
on
TTT4265 TMA4120
TTT4265 TMA4120
TTT4265
TTT4265
TFY4115
TFY4115
TDT4160
TDT4160
to
fr
TMA4120
TMA4120
TFY4115
TFY4115
TTT4265
TTT4265
TTT4265
TTT4265
to
fr
TKT4122
TKT4122
TMA4110
TMA4110
ma
8
9
10 TMA4120
11 TMA4120
12 TDT4160
13
14 TFY4115
15 TFY4115
16
17
18
19
TMA4120 TTK4240
TMA4120 TTK4240
TFY4115
TFY4115 TTK4240
TFY4115
TFY4115
TMA4120 TDT4160 TTK4240
TMA4120 TDT4160 TTK4240
ma
8 TFY4104
9 TFY4104
10
11
12 TMR4167
13 TMR4167
14 TMA4110
15 TMA4110
16
17
18 TFY4104
19 TFY4104
ti
ma
8 TFY4104
9 TFY4104
10
11
12
13
14 TMA4110
15 TMA4110
16
17
18 TFY4104
19 TFY4104
ti
on
to
TIØ4105
TIØ4105
TEP4120
TEP4120
TEP4120
TEP4120
TIØ4105
TIØ4105
TMA4110
TMA4110
TEP4110
TEP4110
TEP4110
TEP4110
on
to
fr
TEP4110
TEP4110
TEP4110 TMA4110
TEP4110 TMA4110
mtprod
TMA4110 TMR4167 TFY4104
TMA4110 TMR4167 TFY4104
TMR4167
TMR4167
TMR4167
TMR4167
fr
TEP4120
TEP4120
TMA4110
TMA4110
TIØ4105
TIØ4105
TFY4104
TFY4104
bkj
ma
ti
8 TFY4104
9 TFY4104
10
11
12 TMA4110
13 TMA4110
14 TMA4110 TEP4120
15 TMA4110 TEP4120
16
17
18 TFY4104
19 TFY4104
on
ma
8 TFY4104
9 TFY4104
10 TDT4110
11 TDT4110
12 TDT4105
13 TDT4105
14 TMA4240
15 TMA4240
16 KJ2050
17 KJ2050
18 TFY4104
19 TFY4104
on
ST0103
ST0103
TDT4110
TDT4110
ti
KJ2031
KJ2031
KJ2050
KJ2050
TEP4120
TEP4120
TKT4122 TEP4120
TKT4122 TEP4120
TKT4122 TFY4104
TKT4122 TFY4104
fyslab
mtmt
ma
8
9
10
11
12 MTKJ
13 MTKJ
14 MTKJ
15 MTKJ
16 MTTK
17 MTTK
18 MTTK
19 MTTK
ti
MTTK
MTTK
MTTK
MTTK
ma
8 TFY4104
9 TFY4104
10
11
12
13
14 TMA4110
15 TMA4110
16
17
18 TFY4104
19 TFY4104
ti
TMT4177
TMT4177
TMT4177
TMT4177
MTPROD
MTPROD
MTPROD
MTPROD
on
MTMART
MTMART
MTMART
MTMART
NANO/MT
NANO/MT
NANO/MT
NANO/MT
09 og 02
09 og 02
09 og 02
09 og 02
to
MTPROD
MTPROD
MTPROD
MTPROD
on
to
fr
TMT4240
TMT4240
TMT4240
TMT4240
TMA4110
TMA4110
TMA4110
TMA4110
TFY4104
TFY4104
MTMART
MTMART
MTMART
MTMART
TMT4177
TMT4177
TMT4240
TMT4240
fr
09 og 02
09 og 02
09 og 02
09 og 02
TMT4240
TMT4240
to
fr
TDT4110
KJ2031
KJ2031
TDT4105 KJ2050
TMA4240 TDT4105 KJ2050
TMA4240 TDT4105 KJ2050
KJ2031 KJ2050
KJ2031 KJ2031 KJ2050
KJ2031
TMA4110
TMA4110
TMA4110
TMA4110
TFY4104
TFY4104
22
Praktisk informasjon
• Plan og rapport leveres via mail til labveileder
• Ta med:
Egen laptop med Tracker installert
Pennal
Egen overflate til lab 1 (>20x20 mm, e.g. tøy, papp, plast,
papir, velcro, …)
Levert plan
Journal
• Fravær: Avtal med assistent om bytte/ny tid.
• Lab fra tidligere?
Lab i samme kurs må være registrert i systemet.
Lab fra andre emner kan kanskje godkjennes, kontakt faglærer eller
labansvarlig
• Bytte av labtid:
Bytt med annen gruppe, kan også finnes tider fra andre paralleller..
- Ta opp dette i god tid på forhånd med veileder!
23
Krav til studentene
Oppmøte: Oppmøte er obligatorisk, møt til avtalt tid, forberedt og med plan levert.
Plan: Før hver labøkt skal laben planlegges med en skriftlig plan.
Leveres en uke før første økta på mail til labveileder.
Journal: Det er krav om en vitenskapelig og ryddig journal, godkjennes hver labøkt.
Rapport: En rapport må leveres for laboppgave 1.
Det kreves ikke at man blir ferdig med alle oppgaver, men en kan ikke gå før tiden.
Kursmateriell: All info finnes på labsidene
http://home.phys.ntnu.no/brukdef/undervisning/fyslab/
Arbeidsform: Labene gjennomføres i grupper på to personer, journal føres av hver
student, og rapport skrives i gruppe (to studenter).
24
Krav til labveilederne
• Veilederes rolle er å svare på spørsmål om og
kontrollere mål, resultat og bakgrunnsfysikk, samt ta seg
av eventuelle feil i lab utstyret.
• Skal ikke: Gi direkte veiledning om utstyr og eksperiment
- bruk labsiden!
• Men: Gi indirekte veiledning, peke på hva som kan være
nødvendig å justere for å nå målene.
• Passe på at ikke studenter eller utstyr skades!
• Navn og kontaktdetaljer: se labsiden  Introduksjon
25
Ryddighet!
• Utstyr er dyrt, og andre fag og studenter er avhengig av
at alt er på plass.
• Det er ~1000 studenter som tar laben, kl. 08-20 hver
dag..
• Labplassen må være i bedre stand når du går enn da du
kom
• Spising/drikking er ikke
tillatt i lablokalene
26
Labplasser
• Totalt 24 labplasser i 3
rom (48 studenter)
• 1 assistentrom
• Faste plasser
• 1 PC per 2 plasser!
• Bruk egen PC om mulig!
(installer software før lab)
• Kamerastativ er store
• Se labsiden  utstyr
27
Innhold
• Hvorfor?
• Hva?
• Hvordan?
• Hvem?
•
•
•
•
Journal og rapport
Litt om usikkerhetsanalyse
Noen tips ..
Oppsummering
28
Hvem?
Randi, professor, ansvarlig
+ 15 labveiledere
(PhD studenter i fysikk)
Vetle, PhD student, sjefsveileder
Hver gruppe får en veileder 29
Innhold
•
•
•
•
Hvorfor?
Hva?
Hvordan?
Hvem?
• Journal og rapport
• Litt om usikkerhetsanalyse
• Noen tips ..
• Oppsummering
30
Journal og rapport
31
Hvorfor skrive journal?
• Man arbeider mer systematisk når
man skriver hva som skjer
• Man kan få oversikt over data,
tankemåter etc
• Man kan kontrollere det man gjort
• Sporbarhet – dvs at man har
dokumentasjon på alt man har
gjort.
• Man kan dele informasjonen, og
reprodusere eksperimentet!
• HMS
Side fra Newton’s journal
32
Journal
1. Journalen skall være fullstendig og med sidenummer.
2. Dato og tittel på eksperiment på hver side.
3. Lab-partner noteres med navn.
4. Intet skal strykes eller viskes ut.
5. Alle beregninger skal føres i journalen, eller det skal refereres til
fullstendige beregninger.
6. Alt skal samles i journalen.
7. Eksperimentelle prosedyrer skal føres inn i journalen.
8. Diagram av utstyr og en liste med detaljer (modell, serienummer) skal
være med.
9. Angi feilkilder og usikkerhet for hver måling.
10. Noter alle rå-data, inkludert alle beregninger som behandler rå-data.
11. Skriv kun ned egne observasjoner i journalen. Andres observasjoner
kan legges til som kommentar,
12. Vær nøyaktig med å notere innstillinger på instrumentet. Husk alltid å
skrive ned enheten (meter, gram, etc) til alle størrelser.
Se labside  journal
33
34
Rapport
• Konsis kommunikasjon av
resultater er essensielt
• Rapport leveres en uke etter andre labøkt. Man får
muntlig tilbakemelding og en ny sjanse.
• To og to skal skrive rapport sammen.
• Rapporten skal:
• Være øvelse i å skrive vitenskapelig rapport.
• Være skrevet på PC, inkludere figurer.
• Inneholde kvantitativ usikkerhetsanalyse.
• Være utfyllende.
35
Forslag til organisering av rapport
• Forord
• Sammendrag
• Innholdsfortegnelse
•
•
•
•
•
•
Innledning
Teoretisk grunnlag
Beskrivelse av eksperiment
Resultater og diskusjon
Konklusjon
Litteraturhenvisninger
Følg mål! Se eksempel og evalueringsskjema på labsiden!
36
Figurer
37
Innhold
•
•
•
•
•
Hvorfor?
Hva?
Hvordan?
Hvem?
Journal og rapport
• Litt om usikkerhetsanalyse
• Noen tips ..
• Oppsummering
38
Målinger og måleusikkerhet
39
Hva er en måling?
• Nøyaktige målinger skjer etter
kalibreringer i standardsystemet
(SI)
• En kjede av kalibreringer, som
lenkes tilbake til nasjonale
institutt (justervesenet) og BIPM
(The Bureau Internasjonal des
Poids et Mesures).
• Er lenket til SI-systemet som gir
enheter.
40
Verktøy for sammenligning med modell
1) Reduser og estimer feil i en variabel
2) Estimer hvor stor feil en feil i en variabel gir på
sluttresultatet (Gauss feilforplantningslov)
3) Kurvetilpasning
Modell
Info og eksempler: labsider
Fysikkkk
Empiri
Analyse
41
Måleusikkerhet
• Måling: tallfeste en egenskap (hvor langt, tungt,
tyktflytende noe er).
• Måling: Verdi og enhet (2 m, 4.5 kg, 1.2 Pa·s)
• Alle målinger har en viss grad av usikkerhet!
L = 193 ± 2 mm
• Hvor stor usikkerhet vi kan tolerere avhenger av
situasjonen og problemstillingen
42
Ulike typer av feil
• Grove feil:
– Noterer at spenningen var 2,4 V når den egentlig var 2,4 mV
– Botemiddel: Gjør dem ikke!
• Definisjonsusikkerhet:
– Hva er lengden på en sau?
– Botemiddel: Klare og spesifiserte
definisjoner.
• Systematiske feil
• Statistiske feil
43
Presisjon og nøyaktighet
Nøyaktighet
Presisjon
Tenk hvordan dette er for en måling i laben, for eksempel
lengde.
44
Systematiske feil
• Blant annet:
–
–
–
–
Feil kalibrert måleinstrument/for tidlig måling
Måler utenfor instrumentets tiltenkte måleområde
Menneskelig egenskap
Andre forsøksbetingelser enn antatt
• Eksempel: Linjalen er ikke eksakt 30 cm, men 30.04 cm
• Botemiddel:
–
–
–
–
Tenk kritisk igjennom utføring av måling
Sjekk nøyaktighet og måleområde for instrument
Kalibrer måleutstyr
Anslå fornuftig grense for ukorrigerbare systematiske feil
45
Statistisk usikkerhet
• Gjentatte målinger gir forskjellige verdier
• Eksempel: Vi måler lengden av et bord flere ganger.
Bruker meterstokk med fin gradering.
• Vi får:
x1 = 3.12 m
x2 = 3.07 m
x3 = 3.10 m
• Botemiddel:
– Mål mange ganger, beregn middelverdi
– Variasjonen i målingene angir usikkerheten som betegnes
46
Mer om måleusikkerhet senere..
Oppsummering;
• Måledata har alltid verdi, enhet og usikkerhet.
• Reduser systematiske feil ved å tenke kritisk på utførelse
av måling.
• Reduser statistisk usikkerhet ved å repetere målinger.
Oppgi estimert usikkerhet.
Ruler melting in the sun
Inferior measuring
equipment
Poor measurement
techniques
47
Innhold
•
•
•
•
•
•
Hvorfor?
Hva?
Hvordan?
Hvem?
Journal og rapport
Litt om usikkerhetsanalyse
• Noen tips ..
• Oppsummering
48
Jobb selvstendig!
49
Ikke vær redd for å prøve ut ting!
50
Prøv å forstå
– spør om du ikke gjør det!
Ikke fortvil, prøv igjen!
Tenk først – bruk at du er smart!
53
Modell
Oppsummering
Fysikk
• Eksperimentelt arbeid er viktig
Empiri
Analyse
• Systematisk arbeid fra forberedelse til rapport
• Usikkerhetsanalyse må være med
• Disse slidene og all info som trengs
kan du finne på labsiden
http://home.phys.ntnu.no/brukdef/undervisning/fyslab/index.html
54
Velkommen til lab 
55
56
57
Fordelinger av målinger
Middelverdi
Verdi
58
Fordelinger av målinger
Middelverdi
Verdi
59
Fordelinger av målinger
Middelverdi
Verdi
60
Normalfordeling
f(x) = sannsynlighet for å måle verdien x
μ = middelverdi
σ = standardavvik
95% sannsynlighet ved 2 σ
61
Estimater for μ og σ
Middelverdi μ estimeres med:
σ
μ
μ
Standardavvik σ estimeres med:
Usikkerhet i enkeltmåling!
Estimat for usikkerhet i middelverdi:
62
Eksempel:
63
Eksempel:
Data
Histogram
64
Feilforplantning
Vi beregner en fysisk størrelse f(x,y,z,...) ut fra målinger av
de individuelle fysiske størrelsene x, y, z, ...
Anta at x, y, z,... er uavhengige. Da er usikkerheten i f :
Dersom en har målt middelverdier for x, y, z, ... bruker vi:
og
i uttrykket for usikkerheten
65
Feilforplantning
Eksempel:
Tips: Lettere å regne med relativ usikkerhet:
Som gir:
66
Kurvetilpassning
• Ulike rutiner finnes baserer seg ofte på minste
kvadratens metode
• Optimerer kvadraten av avvik fra modell (residual):
67
Kurvetilpassning
La oss si at vi tror f er en lineær funksjon av x:
f(x) = k1 + k2x
68
Kurvetilpassning
Hvordan finner vi “den beste” rette linja?
69
Kurvetilpassning
Minste kvadraters metode: Minimaliser summen av
kvadratet av avvikene
Se notat om usikkerhetsanalyse på websiden for detaljer
70
Minste kvadraters metode
71
Minste kvadraters metode
72
Minste kvadraters metode
73
Minste kvadraters metode
74
I analyseprogram
MSR (mean square root): 0.15 og 0.0036
76
Residual
77
Kurvetilpasning
Advarsel: ikke stol blindt på kurvetilpasninger i software.
Inspiser data nøye: er de lineære? Er det noen datapunkter
som skiller seg ut?
I noen tilfeller kan visuell kurvetilpasning gi bedre resultat.
78