DASAR PENGUKURAN DAN KETIDAKPASTIAN

Transkripsi

1 DASAR PENGUKURAN DAN KETIDAKPASTIAN Herayanti, Lisna, Arsyam Basri, Rafika Rahmatia, Ridwan Syawal PENDIDIKAN FISIKA 2014 Abstrak Telah dilakukan suatu praktikum tentang dasar pengukuran dan ketidakpastian dengan tujuan mampu menggunakan alat-alat ukur dasar, mampu menentukan ketidakpastian pada pengukuran tunggal dan berulang, mangerti atau memahami penggunaan angka berarti. Pengukuran yang dilakukan ada tiga, yaitu pengukuran panjang, massa, serta waktu dan suhu. Pengukuran panjang menggunakan alat ukur mistar, jangka sorong, dan mikrometer sekrup. Pengukuran massa menggunakan tiga alat ukur neraca ohauss 2610 gram, neraca ohauss 311 gram, dan neraca ohauss 310 gram. Pengukuran waktu dan suhu menggunakan termometer. Masingmasing alat ukur yang digunakan memiliki NST dan ketidakpastian tersendiri. Ketidakpastian merupakan kesalahan yang mungkin terjadi dalam pengukuran. Pengukuran tunggal hasil pengukuran sementara mengikut pada kesalahan mutlak. Sedangkan pada pengukuran berulang kesalahan mutlak yang mengikut pada hasil pengukuran sementara. Selain kesalahan mutlak, ada pula kesalahan relatif yang digunakan untuk menentukan angka penting yang digunakan dalam penulisan hasil laporan. Untuk mencari besar ketidakpastian pengukuran volume kubus dan bola, massa jenis, dari setiap pengukuran maka digunakan analisis rambat ralat. Kata kunci: kesalahan mutlak, kesalahan relatif, pengukuran RUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana cara menggunakan alat-alat ukur dasar? 2. Bagaimana cara menentukan ketidakpastian pada pengukuran tunggal dan berulang? 3. Bagaimana cara penggunaan angka berarti? TUJUAN 1. Mampu menggunakan alat-alat ukur dasar. 2. Mampu menentukan ketidakpastian pada pengukuran tunggal dan berulang. 3. Mengerti atau memahami penggunaan angka berarti.

2 METODOLOGI EKSPERIMEN Teori Singkat Pengukuran merupakan bagian dari keterampilan Proses Sains yang merupakan pengumpulan informasi baik secara kuantitatif maupun secara kualitatif. Dengan melakukan pengukuran, dapat diperoleh besarnya atau nilai suatu besaran atau bukti kualitatif. Dalam pengukuran ada yang dikatakan ketepatan dan ketelitian pengukuran. Ketepatan adalah jika suatu besaran diukur beberapa kali (pengukuran berulang) dan menghasilkan angka-angka yang menyebar di sekitar harga yang sebenarnya maka pengukuran dikatakan akurat. Pada pengukuran ini, harga rata-ratanya mendekati harga yang sebenarnya. Sedangkan, ketelitian adalah jika hasil-hasil pengukuran terpusat di suatu daerah tertentu maka pengukuran disebut presisi (harga tiap pengukuran tidak jauh berbeda).[2] Suatu pengukuran selalu disertai oleh ketidakpastian. Beberapa penyebab ketidakpastian tersebut antara lain adanya Nilai Skala Terkecil (NST), kesalahan kalibrasi, kesalahan titik nol, kesalahan paralaks, fluktuasi parameter pengukuran, dan lingkungan yang saling mempengaruhi serta tingkat keterampilan pengamat yang berbeda-beda. Dengan demikian sangan sulit untuk mendapatkan nilai sebenarnya suatu besaran melalui pengukuran. Beberapa panduan bagaimana cara memperoleh hasil pengukuran seteliti mungkin diperlukan dan bagaimana cara melaporkan ketidakpastian yang menyertainya.[4] Kita mengukur setiap besaran fisik dalam satuannnya masing-masing, menggunakan perbandingan terhadap suatu standar. Satuan adalah nama unik yang kita tetapkan untuk mengukur besaran tersebut. Misalnya, meter (m) untuk besaran panjang.[1] Dalam pengukuran terdapat besaran pokok yaitu besaran yang satuannya telah didefinisikan terlebih dahulu yang terdiri dari panjang, masssa, waktu, suhu, kuat arus listrik, intensitas cahaya dan jumlah zat dan besaran turunan yaitu besaran yang satuannya diperoleh dari besaran pokok yang terdiri dari luas, volume, massa jenis, kecepatan, percepatan, gaya, usaha, daya, tekanan dan momentum.[4]

3 Bentuk ketidakpastian pengukuran terdiri atas ketidakpastian bersistem dan ketidakpastian acak (rambang). Ketidakpastian bersistem terdiri atas : kesalahan kalibrasi, kesalahan titik nol, kerusakan komponen alat, gesekan, kesalahan paralaks. Ketidakpastian rambang (acak) merupakan kesalahan yang bersumber dari gejala yang tidak mungkin dikendalikan atau diatasi berupa perubahan yang berlangsung sangat cepat sehingga pengontrolan dan pengaturan di luar kemampuan.[2] Ketidakpastian berbeda antara pengukuran tunggal dengan pengukuran berulang. a. Ketidakpastian pengukuran tunggal Pengukuran tunggal adalah pengukuran yang hanya dilakukan satu kali saja. Keterbatasan skala alat ukur dan keterbatasan kemampuan mengamati serta banyak sumber kesalahan lain, mengakibatkan hasil pengukuran selalu dihinggapi ketidakpastian. Nilai X sampai goresan terkhir dapat diketahui dengan pasti, namun bacaan selebihnya adalah terkaan atau dugaan belaka sehingga patut diragukan. Inilah yang ketidakpastian yang dimaksud dan diberi lambang X. Lambang X merupakan ketidakpastian mutlak. X = 1 2 NST Alat Dimana X adalah ketidakpastian pengukuran tunggal. Angka 2 pada persamaan di atas menunjukkan satu skala (nilai antar dua goresan terdekat) masih dapat dibagi 2 bagian secara jelas oleh mata. Nilai X merupakan hasil pengukuran dilaporkan dengan cara yang sudah dibakukan sebagai berikut : X = X ± X satuan b. Ketidakpastian pengukuran berulang Pengukuran berulang merupakan pengukuran yang dilakukan lebih dari satu kali, akan tetapi dapat dibedakan anta pengukuran yang dilakukan beberapa kali (2 atau 3 kali) dengan pengukuran yang cukup sering (10 kali atau lebih. Nilai pengukuran rata-rata dapat dilaporkan sebagai { } sedangkan deviasi (penyimpangan) terbesar atau deviasi rata-rata dilaporkan sebagai X. Deviasi adalah selisih antara tiap hasil pengukuran dari nilai rata-ratanya. [2]

4 Pelaporan ketidakpastian pengukuran berbeda antara pengukuran tunggal dengan pengukuran berulang. Pada pengukuran tunggal, ketidakpastiannya diberi lambang x. Lambang x merupakan ketidakpastian mutlak. Semakin kecil x, semakin tepat hasil pengukuran. Selain, ketidakpastian mutlak ada pula ketidakpastian relatif. Makin tinggi ketidakpastian relatif, makin tinggi ketelitian yang dicapai pada pengukuran.[2] Saat menghitung jawaban dari beberapa hasil pengukuran, yang masingmasing memiliki ketepatan tertentu, kita harus memberikan hasil jawaban dengan jumlah angka penting yang benar. Secara umum, angka penting dalam pengukuran adalah digit yang telah diketahui dan dapat diandalkan (selain angka nol yang digunakanuntuk menentukan titik desimal) atau perkiraan digit pertama. Saat mengalikan beberapa besaran, jumlah angka penting dalam jawaban akhir harus sama dengan jumlah angka penting dalam besaran yang angka pentingnya paling sedikit.[3] Selain angka penting ada juga massa jenis (kerapatan) suatu zat. Massa jenis didefinisikan sebagai massa per satuan volume. Zat yang berbeda juga memiliki massa jenis yang berbeda karena perbedaan massa dan susunan atom. [3] Hukum-hukum fisika menyatakan hubungan antara besaran-besaran fisik, seperti panjang, waktu, gaya, energi, dan suhu. Jadi, kemampuan untuk mendefinisikan besaran-besaran tersebut secara tepat dan mengukur secara teliti merupakan suatu syarat dalam fisika. Pengukuran setiap besaran fisik mencakup perbandingan besaran tersebut dengan beberapa nilai satuan besaran tersebut, yang telah didefinisikan secara tepat. [4] Semua besaran fisik dapat dinyatakan dalam beberapa satuan-satuan pokok. Sebagai contoh, kelajuan dinyatakan dalam satuan panjang dan satuan waktu, misalnya meter per sekon atau mil per jam. Banyak besaran seperti gaya, momentum, kerja, energi, dan daya, dapat dinyatakan dalam tiga besaran pokok panjang, waktu dan massa. Pemilihan satuan standar untuk besaran-besaran pokok ini mengahasilkan suatu sistem satuan. Sistem satuan yang digunakan secara universal dalam masyrakat ilmiah adalah Sistem Internasional (SI). Dalam SI,

5 standar satuan untuk panjang adalah meter, satuan untuk waktu adalah sekon dan standar satuan untuk massa adalah kilogram. [1] Alat ukur yang digunakan dalam pengukuran panjang : 1. Jangka sorong Jangka sorong mempunyai dua rahang dan satu penduga. Rahang dalam digunakan untuk mengukur diameter dalam atau sisi dalam suatu benda. Rahang luar untuk mengukur diameter luar atau sisi luar suatu benda. Sedangkan penduga digunakan untuk mengukur kedalaman. Skala utama pada jangka sorong memiliki skala dalam cm dan mm. Sedangkan skala nonius pada jangka sorong memiliki panjang 9 mm dan di bagi dalam 10 skala, sehingga beda satu skala nonius dengan satu skala pada skala utama adalah 0,1 mm atau 0,01 cm. Jadi, skala terkecil pada jangka sorong adalah 0,1 mm atau 0,01 cm. Jangka sorong tepat digunakan untuk mengukur diameter luar, diameter dalam, kedalaman tabung, dan panjang benda sampai nilai 10 cm. 2. Mikrometer Skrup Mikrometer sekrup digunakan untuk mengukur panjang benda yang memiliki ukuran maksimum sekitar 2,50 cm, Benda yang akan diukur panjangnya dijepit diantara bagian A dan B. Untuk menggerakan bagian B anda harus memutar sekrup bagian C. Pada micrometer sekrup dalam 0,5 mm pada skala utama terbagi atas 50 skala putar, dan pada setiap penunjukan tidak selalu terdapat skala utama yang berimpit dengan skala putar. Mikrometer sekrup memiliki ketelitian 0,01 mm atau 0,001 cm. Mikrometer sekrup dapat digunakan untuk mengukur benda yang mempunyai ukuran kecil dan tipis, seperti mengukur ketebalan plat, diameter kawat, dan onderdil kendaraan yang berukuran kecil. Bagian-bagian dari mikrometer adalah rahang putar, skala utama, skala putar, dan silinder bergerigi. Skala terkecil dari skala utama bernilai 0,1 mm, sedangkan skala terkecil untuk skala putar sebesar 0,01 mm.

6 3. Mistar Penggaris atau mistar berbagai macam jenisnya, seperti penggaris yang berbentuk lurus, berbentuk segitiga yang terbuat dari plastik atau logam, mistar tukang kayu, dan penggaris berbentuk pita (meteran pita). Mistar mempunyai batas ukur sampai 1 meter, sedangkan meteran pita dapat mengukur panjang sampai 3 meter. Mistar memiliki ketelitian 1 mm atau 0,1 cm. Posisi mata harus melihat tegak lurus terhadap skala ketika membaca skala mistar. Hal ini untuk menghindari kesalahan pembacaan hasil pengukuran akibat beda sudut kemiringan dalam melihat atau disebut dengan kesalahan paralaks. Mistar digunakan untuk mengukur panjang, lebar, dan tinggi sesuai dengan batas ukur dari mistar itu sendiri.[4] Alat ukur yang digunakan pada pengukuran massa : 1. Neraca Ohauss 2610 gram Pada neraca ini terdapat 3 (tiga) lengan dengan batas ukur yang berbeda-beda. Pada ujung lengan dapat digandeng 2 buah beban yang nilainya masing-masing 1000 gram dan 1000 gram. Sehingga kemampuan atau batas ukur alat ini menjadi 2610 gram. Untuk pengukuran dibawah 610 gram, cukup menggunakan semua lengan neraca dan diatas 610 gram sampai 2610 gram ditambah dengan beban gantung. Hasil pengukuran dapat ditentukan dengan menjumlah penunjukan beban gantung dengan semua penunjukan lengan-lengan neraca. 2. Neraca Ohauss 311 gram Neraca ini mempunyai 4 lengan dengan nilai skala yang berbedabeda, masing-masing lengan mempunya batas ukur dan nilai skala yang berbada-beda. Untuk mengggunakan neraca ini terlebih dahulu tentukan nilai skala masing-masing lengan NST dari Neraca Ohauss 311 gram, diambil dari NST dari empat lengannya. Hasil pengukuran ditentukan dengan menjumlahkan penunjukan semua lengan neraca yang digunakan. 3. Neraca Ohauss 310 gram Neraca ini mempunyai 2 lengan dengan nilai skala yang berbedabeda dan dilengkapi dengan sebuah Skala Putar (skala utama) dan skala

7 nonius. NST neraca Ohauss 310 gram dapat ditentukan dengan cara yang sama dengan jangka sorong. Hasil pengukuran ditentukan dengan menjumlahkan penunjukan semua lengan neraca ditambahkan dengan nilai pengukuran dari skala putar dan noniusnya.[2] Adapun pengukuran suhu dan waktu menggunkan alat ukur : 1. Termometer Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur temperatur suatu zat. Ada dua jenis termometer yang umum digunakan dalam laboratorium, yaitu termometer air raksa dan termometer alkohol. Keduanya adalah termometer jenis batang gelas dengan batas ukur minimum-10 0 C dan batas ukur maksimum C. NST untuk kedua jenis termometer tersebut dapat ditentukan seperti halnya menentukan NST mistar biasa, yaitu dengan mengambil batas ukur tertentu dan membaginya dengan jumlah skala dari nol sampai pada batas ukur yang diambil tersebut. 2. Stopwatch Stopwatch merupakan salah satu alat ukur waktu yang paling sering digunakan di laboratorium. Alat ukur ini dilengkapi dengan tombol untuk menjalankan, mematikan, dan mengembalikan jarum ke posisi nol. Terdapat beberapa bentuk stopwatch dengan NST yang berbeda-beda. Cara menentukan NST stopwatch sama dengan menentukan NST alat ukur tanpa nonius.[2] Alat dan Bahan 1. Alat a. Penggaris/Mistar 1buah b. Jangka sorong (skala 20) 1buah c. Mikrometer Sekrup (skala 50) 1buah d. Stopwatch 1buah e. Termometer 1buah f. Neraca Ohauss 2610 gram 1buah

8 g. Neraca Ohauss 311 gram 1buah h. Neraca Ohauss 310 gram 1buah i. Gelas ukur 1buah j. Kaki tiga dan kasa 1buah k. Pembakar Bunsen 1buah 2. Bahan a. Balok besi 1buah b. Bola (kelereng) 1buah c. Air secukupnya Identifikasi Variabel Kegiatan 1 1. Panjang 2. Lebar 3. Tinggi 4. Diameter Kegiatan 2 1. Massa balok kubus 2. Massa bola (kelereng) Kegiatan 3 1. Suhu 2. Waktu Definisi Operasional Variabel Kegiatan 1 1. Panjang adalah pengukuran yang dilakukan pada salah satu rusuk balok dengan cara mengukur dimulai dari titik atas hingga bawah (rusuk) yang diukur menggunakan mistar dengan satuan cm. 2. Lebar adalah pengukuran yang dilakukan pada rusuk balok yang lain dan pada umumnya lebih pendek dari panjang, kecuali pada kubus karena semua rusuknya sama panjang. Lebar diukur menggunakan alat ukur mistar dengan satuan cm.

9 3. Tinggi adalah pengukuran yang dilakukan pada salah satu rusuk balok yang ditandai, selain rusuk yang telah ditandai sebagai panjang dan lebar. Tinggi diukur dengan mistar dengan satuan cm. 4. Diameter adalah jarak yang diukur dari suatu titik ketitik sebelanya dengan tetgak lurus. Bisa pula dikatakan bahwa diameter adalah dua kali dari jarak titik pusat suatu benda (kelereng) ke pinggir terluarnya diukur menggunakan alat ukur mistar dengan satuan mm. Untuk lebih akuratnya digunakan alat ukur jangka sorong atau mikrometer sekrup dengan satuan cm. Kegiatan 2 1. Massa balok kubus merupakan berat balok yang diukur dengan menggunakan neraca ohauss 2610 gr, 311 gr, dan 310 gr dengan satuan gram. 2. Massa bola (kelereng) merupakan berat bola (kelereng) yang diukur dengan menggunakan neraca ohauss 2610 gr, 311 gr, dan 310 gr dengan satuan gram. Kegiatan 3 1. Suhu merupakan besaran pokok dengan satuan standar kelvin tapi dalam praktikum ini menggunakan satuan celcius. Suhu yang diukur adalah suhu air yang dipanasi diukur setiap interval waktu 1 menit. 2. Waktu digunakan sebagai pengontrol dan batas pengukuran suhu pada air yang sedang dipanasi untuk mengetahui kenaikan suhu setiap interval waktu 1 menit dengan satuan sekon. ProsedurKerja Kegiatan 1 1. Mengambil mistar, jangka sorong dan micrometer sekrup kemudian menentukan NST. 2. Mengukur masing-masing sebanyak 3 kali untuk panjang, lebar, dan tinggi balok berbentuk kubus yang disediakan dengan menggunakan ketiga alat ukur tersebut. Catat hasil pengukuran anda pada tabel hasil pengamatan dengan disertai ketidakpastiannya. 3. Mengukur masing-masing sebanyak 3 kali untuk diameter bola (ukur ditempat berbeda) yang disediakan dengan menggunakan ketiga alat ukur tersebut.

10 Catat hasil pengukuran anda pada tabel hasil pengamatan dengan disertai ketidakpastiannya. Kegiatan 2 1. Menentukan NST masing-masing neraca. 2. Mengukur massa balok kubus dan bola (yang kamu gunakan dipengukuran panjang) sebanyak 3 kali secara berulang. 3. Mencatat hasil pengukuran anda yang dilengkapi dengan ketidakpastian pengukuran. Kegiatan 3 1. Menyiapkan gelas ukur, bunsen pembakar lengkap dengan kaki tiga dan lapisan asbesnya dan sebuah termometer. 2. Isi gelas ukur dengan air hingga ½ bagian dan letakkan di atas kaki tiga tanpa ada pembakar. 3. Mengukur temperaturnya sebagai temperatur mula-mula (T o ). 4. Menyalakan bunsen pembakar dan tunggu beberapa saat hingga nyalanya terlihat normal. 5. Meletakkan bunsen pembakar tadi tepat di bawah gelas kimia bersamaan dengan menjalankan alat pengukur waktu. 6. Mencatat perubahan temperatur yang terbaca pada termometer tiap selang waktu 1 menit sampai diperoleh 10. HASIL EKSPERIMEN DAN ANALISIS DATA Hasil Pengamatan 1. Pengukuran panjang NST Mistar NST Jangka Sorong = = batas ukur/jumlah skala = 1 cm = 0,1 cm/skala =1 mm 10 skala 20 SN = 39 SU 1SN = 1,95mm 2-1,95 = 0.05 NST = 0,05mm = 2 x 0,05 = 0,1mm