PENGUKURAN
Pengukuran dalam fisika bertujuan untuk mendapatkan data. Apakah manfaat data yang diperoleh adalah dapat dipelajari sifat-sifat alam dari besaran yang sedang diukur. Dari data itu pula dapat dilakukan prediksi kejadian berikutnya. Dari penjelasan tersebut dapat dilihat betapa pentingnya arti data hasil pengukuran. Namun perlu kita ketahui bahwa untuk memenuhi pemanfaatannya data yang ada perlu dianalisa atau diolah. Metode pengolahan data sangat tergantung pada tujuan pengukuran (eksperimen) yang dilakukan. Sebagai contoh untuk kelas X SMA ini dapat dikenalkan tiga metode analisa data seperti berikut.
Metode Generalisasi
Metode Kesebandingan
Tujuan pengukuran (eksperimen) yang utama adalah mencari hubungan antara besaran yang satu dengan besaran yang lain. Dari hubungan antar besaran ini dapat diketahui pengaruh antar besaran dan kemudian dapat digunakan sebagai dasar dalam memprediksi kejadian berikutnya. Misalnya semakin besar massa balok besi maka semakin besar pula volume balok besi tersebut.
Untuk memenuhi tujuan pengukuran di atas maka data yang diperoleh dapat dianalisa dengan cara membandingkan atau disebut metode kesebandingan. Dalam metode kesebandingan ini sebaiknya data diolah dengan menggunakan grafik. Untuk tingkat SMA ini dapat dipelajari dua bentuk kesebandingan yaitu berbanding lurus dan berbanding terbalik.
Berbanding Lurus
Dua besaran yang berbanding lurus (sebanding) akan mengalami kenaikan atau penurunan dengan perbandingan yang sama. Misalnya X berbanding lurus dengan Y, maka hubungan ini dapat dituliskan seperti berikut.
Hubungan berbanding lurus ini dapat digambarkan pada grafik dengan kurva yang linier seperti pada gambar berikut.
Grafik X berbanding lurus dengan Y
Berbanding Terbalik
Dua besaran akan memiliki hubungan berbanding terbalik jika besaran yang satu membesar maka besaran lain akan mengecil tetapi pernya tetap. Misalnya X berbanding terbalik dengan Y, maka hubungan ini dapat ditulis sebagai berikut :
Hubungan berbanding terbalik ini dapat digambarkan pada grafik dengan kurva yang berbentuk hiperbola pada satu kuadran (untuk X dan Y positif) seperti pada gambar a diatas atau linier seperti yang terlihat pada gambar b diatas.
Metode Perhitungan Statistik
Dalam belajar fisika banyak ditemukan persamaan-persamaan, bahkan ada siswa yang mengatakan, fisika itu rumus. Rumus-rumus fisika merupakan bentuk singkat dari suatu konsep, hukum atau teori fisika. Salah satu pemanfaatan rumus fisika adalah untuk perhitungan dan pengukuran suatu besaran.
Besaran-besaran fisika ada yang dapat diukur langsung dengan alat ukur tetapi ada pula yang tidak dapat diukur langsung. Besaran yang belum memiliki alat ukur inilah yang dapat diukur dengan besaran-besaran lain yang punya hubungan dalam suatu perumusan fisika. Contohnya mengukur massa jenis benda. Besaran ini dapat diukur dengan mengukur massa dan volume bendanya, kemudian massa jenisnya dihitung dengan rumus berikut.
Apakah pengukuran yang hanya dilakukan satu kali dapat memperoleh data yang akurat? Jawabnya tentu tidak. Kita sudah mengetahui bahwa pada pengukuran banyak terjadi kesalahan. Untuk memperkecil kesalahan dapat dilakukan pengukuran berulang. Nilai besaran yang diukur dapat ditentukan dari nilai rata-ratanya. Perhitungan ini dinamakan perhitungan statistik. Metode ini dapat dibantu dengan tabel seperti pada tabel statistik dibawah. Bahkan pada analisa ini dapat dihitung kesalahan mutlak (standar deviasi) dari pengukuran.
Tabel Statistik
Dari tabel statistik diatas dapat dihitung nilai rata-rata x dan kesalahan mutlak dengan persamaan statistik seperti di bawah.
dengan :
x = nilai rata-rata
Δx = nilai kesalahan mutlak pengukuran
Ketidakpastian Pengukuran
terdapat ketidakpastian. Apakah penyebab ketidakpastian pada hasil
pengukuran? Secara umum penyebab ketidakpastian hasil
pengukuran ada tiga, yaitu kesalahan umum, kesalahan sistematik,
dan kesalahan acak.
1. Kesalahan Umum
Kesalahan umum adalah kesalahan yang disebabkan keterbatasan pada pengamat saat melakukan pengukuran. Kesalahan ini dapat disebabkan karena kesalahan membaca skala kecil, dan kekurangterampilan dalam menyusun dan memakai alat, terutama untuk alat yang melibatkan banyak komponen.
2. Kesalahan Sistematik
Kesalahan sistematik merupakan kesalahan yang disebabkan oleh alat yang digunakan dan atau lingkungan di sekitar alat yang memengaruhi kinerja alat. Misalnya, kesalahan kalibrasi, kesalahan titik nol, kesalahan komponen alat atau kerusakan alat, kesalahan paralaks, perubahan suhu, dan kelembaban.
a. Kesalahan Kalibrasi
Kesalahan kalibrasi terjadi karena pemberian nilai skala pada saat pembuatan atau kalibrasi (standarisasi) tidak tepat. Hal ini mengakibatkan pembacaan hasil pengukuran menjadi lebih besar atau lebih kecil dari nilai sebenarnya. Kesalahan ini dapat diatasi dengan mengkalibrasi ulang alat menggunakan alat yang telah terstandarisasi.
b. Kesalahan Titik Nol
Kesalahan titik nol terjadi karena titik nol skala pada alat yang digunakan tidak tepat berhimpit dengan jarum penunjuk atau jarum penunjuk yang tidak bisa kembali tepat pada skala nol. Akibatnya, hasil pengukuran dapat mengalami penambahan atau pengurangan sesuai dengan selisih dari skala nol semestinya. Kesalahan titik nol dapat diatasi dengan melakukan koreksi pada penulisan hasil pengukuran.
c. Kesalahan Komponen Alat
Kerusakan pada alat jelas sangat berpengaruh pada pembacaan alat ukur. Misalnya, pada neraca pegas. Jika pegas yang digunakan sudah lama dan aus, maka akan berpengaruh pada pengurangan konstanta pegas. Hal ini menjadikan jarum atau skala penunjuk tidak tepat pada angka nol yang membuat skala berikutnya bergeser.
d. Kesalahan Paralaks
Kesalahan paralaks terjadi bila ada jarak antara jarum penunjuk dengan garis-garis skala dan posisi mata pengamat tidak tegak lurus dengan jarum.
3. Kesalahan Acak
Kesalahan acak adalah kesalahaan yang terjadi karena adanya fluktuasifluktuasi halus pada saat melakukan pengukuran. Kesalahan ini dapat disebabkan karena adanya gerak brown molekul udara, fluktuasi tegangan listrik, lkitasan bergetar, bising, dan radiasi.
a. Gerak Brown Molekul Udara
Molekul udara seperti kita ketahui keadaannya selalu bergerak secara tidak teratur atau rambang. Gerak ini dapat mengalami fluktuasi yang sangat cepat dan menyebabkan jarum penunjuk yang sangat halus seperti pada mikrogalvanometer terganggu karena tumbukan dengan molekul udara.
b. Fluktuasi Tegangan Listrik
Tegangan listrik PLN atau sumber tegangan lain seperti aki dan baterai selalu mengalami perubahan kecil yang tidak teratur dan cepat sehingga menghasilkan data pengukuran besaran listrik yang tidak konsisten.
c. Lkitasan yang Bergetar
d. Bising
Bising merupakan gangguan yang selalu kita jumpai pada alat elektronik. Gangguan ini dapat berupa fluktuasi yang cepat pada tegangan akibat dari komponen alat bersuhu.
e. Radiasi Latar Belakang
Radiasi gelombang elektromagnetik dari kosmos (luar angkasa) dapat mengganggu pembacaan dan menganggu operasional alat. Misalnya, ponsel tidak boleh digunakan di SPBU dan pesawat karena bisa mengganggu alat ukur dalam SPBU atau pesawat. Gangguan ini dikarenakan gelombang elektromagnetik pada telepon seluler dapat mengasilkan gelombang radiasi yang mengacaukan alat ukur pada SPBU atau pesawat. Adanya banyak faktor yang menyebabkan kemungkinan terjadinya kesalahan dalam suatu pengukuran, menjadikan kita tidak mungkin mendapatkan hasil pengukuran yang tepat benar. Oleh karena itu, kita harus menuliskan ketidakpastiannya setiap kali melaporkan hasil dari suatu pengukuran. Untuk menyatakan hasil ketidakpastian suatu pengukuran dapat menggunakan cara penulisan x = (xo ± Δx), dengan x merupakan nilai
pendekatan hasil pengukuran terhadap nilai benar, xo merupakan nilai hasil pengukuran,
dan Δx merupakan ketidakpastiannya (angka taksiran ketidakpastian). Ketidakpastian pada Pengukuran Tunggal
Pengukuran tunggal merupakan pengukuran yang hanya dilakukan sekali saja. Pada pengukuran tunggal, nilai yang dijadikan pengganti nilai benar adalah hasil pengukuran itu sendiri. Sedangkan ketidakpastiannya diperoleh dari setengah nilai skala terkecil instrumen yang digunakan. Misalnya, kita mengukur panjang sebuah benda menggunakan mistar.
Panjang suatu benda yang diukur dengan menggunakan mistar
Pada gambar diatas ujung benda terlihat pada tanda 15,6 cm lebih sedikit. Berapa nilai lebihnya? Ingat, skala terkecil mistar adalah 1 mm. Telah kita sepakati bahwa ketidakpastian pada pengukuran tunggal merupakan setengah skala terkecil alat. Jadi, ketidakpastian pada pengukuran tersebut adalah sebagai berikut.
Karena nilai ketidakpastiannya memiliki dua desimal (0,05 mm), maka hasil pengukurannya pun harus kita laporkan dalam dua desimal. Artinya, nilai x harus kita laporkan dalam tiga angka. Angka ketiga yang kita laporkan harus kita taksir, tetapi taksirannya hanya boleh 0 atau 5. Karena ujung benda lebih sedikit dari 15,6 cm, maka nilai taksirannya adalah 5. Jadi, pengukuran benda menggunakan mistar tersebut dapat kita laporkan sebagai berikut. Panjang benda (l)
l = x0± Δx
= (15,6 ± 0,05) cm
Arti dari laporan pengukuran tersebut adalah kita tidak tahu nilai x (panjang benda) yang sebenarnya. Namun, setelah dilakukan pengukuran sebanyak satu kali kita mendapatkan nilai 15,6 cm lebih sedikit atau antara 15,60 cm sampai 15,70 cm. Secara statistik ini berarti ada jaminan 100% bahwa panjang benda terdapat pada selang 15,60 cm sampai 15,7 cm atau (15,60 ≤ x ≤ 15,70) cm.
Ketidakpastian pada Pengukuran Berulang
ratarata dari data yang diperoleh (x0). Sedangkan untuk nilai ketidakpastiannya (Δx ) dapat
digantikan oleh nilai simpangan baku nilai rata-rata sampel. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
Keterangan:
x0: hasil pengukuran yang mendekati nilai benar Δx : ketidakpastian pengukuranN :
banyaknya pengkuran yang dilakukan
Pada pengukuran tunggal nilai ketidakpastiannya (Δx ) disebut ketidakpastian mutlak. Makin kecil ketidakpastian mutlak yang dicapai pada pengukuran tunggal, maka hasil pengukurannya pun makin mendekati kebenaran. Nilai ketidakpastian tersebut juga menentukan banyaknya angka yang boleh disertakan pada laporan hasil pengukuran. Bagaimana cara menentukan banyaknya angka pada pengukuran berulang?
Cara menentukan banyaknya angka yang boleh disertakan pada pengukuran berulang adalah dengan mencari ketidakpastian relatif pengukuran berulang tersebut. Ketidakpastian relatif dapat ditentukan dengan membagi ketidakpastian pengukuran dengan nilai rata-rata pengukuran. Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.
ketidak pastian relatif =
Setelah mengetahui ketidakpastian relatifnya, kita dapat menggunakan aturan yang telah disepakati para ilmuwan untuk mencari banyaknya angka yang boleh disertakan dalam laporan hasil pengukuran berulang. Aturan banyaknya angka yang dapat dilaporkan dalam pengukuran berulang adalah sebagai berikut.
ketidakpastian relatif 10% berhak atas dua angka ketidakpastian relatif 1% berhak atas tiga angka
ketidakpastian relatif 0,1% berhak atas empat angka
Jenis-Jenis Alat Ukur Besaran
Panjang
Besaran panjang dapat diukur dengan beberapa alat, diantaranya
mistar,jangka sorong,meter kelos, mikrometer sekrup dan lain
sebagainya. Pada kali ini akan diuraikan beberapa jenis alat ukur
besaran panjang yang dapat ditemui di lapangan. Setiap jenis atau
tipe alat ukur besaran panjang tersebut memiliki kelebihan dan
akurasi pengukuran yang berbeda. Berikut penjelasan singkat
tentang jenis-jenis alat ukut besaran panjang.
Mistar/penggaris berskala terkecil 1 mm mempunyai ketelitian 0,5 mm. Ketelitian pengukuran menggunakan mistar/penggaris adalah setengah nilai skala terkecilnya.
Dalam setiap pengukuran dengan menggunakan mistar, usahakan kedudukan pengamat (mata) tegak lurus dengan skala yang akan diukur. Hal ini untuk menghindari kesalahan penglihatan (paralaks). Paralaks yaitu kesalahan yang terjadi saat membaca skala suatu alat ukur karena kedudukan mata pengamat tidak tepat.
2.
Roll Meter (Meter Kelos)
Rollmeter merupakan alat ukur panjang yang dapat digulung, dengan panjang 25 – 50 meter. Meteran ini dipakai oleh tukang bangunan atau pengukur lebar jalan. Ketelitian pengukuran dengan rollmetersampai 0,5 mm. Meteran ini biasanya dibuat dari plastik atau pelat besi tipis, tampak seperti pada gambar diatas.
3.
Jangka Sorong
Hasil pengukuran menggunakan jangka sorong berdasarkan angka pada skala utama ditambah angka pada skala nonius yang dihitung dari 0 sampai dengan garis skala nonius yang berimpit dengan garis skala utama.
4.
Mikrometer Sekrup
Mikrometer sekrup merupakan alat ukur ketebalan benda yang relatif tipis, misalnya kertas, seng, dan karbon. Pada mikrometer sekrup terdapat dua macam skala, yaitu skala tetap dan skala putar (nonius).
1) Skala tetap (skala utama)
Skala tetap terbagi dalam satuan milimeter (mm). Skala ini terdapat pada laras dan terbagi menjadi dua skala, yaitu skala atas dan skala bawah.
2) Skala putar (skala nonius)
Skala putar terdapat pada besi penutup laras yang dapat berputar dan dapat bergeser ke depan atau ke belakang. Skala ini terbagi menjadi 50 skala atau bagian ruas yang sama. Satu putaran pada skala ini menyebabkan skala utama bergeser 0,5 mm. Jadi, satu skala pada skala putar mempunyai ukuran (1/50)*0,5mm =0,01mm. Nilai 0,01mm merupakan batas ketelitian mikrometer sekrup.
Alat ukur besaran panjang yang baik adalah alat ukur yang memiliki tingkat ketelitian paling kecil, dengan tingkat ketelitian yang kecil ini alat ukur besaran panjang memiliki akurasi pengukuran yang tinggi. Diantara jenis-jenis alat ukur besaran panjang yang dijelaskan diatas maka mirkometer sekrup adalah alat ukur besaran panjang yang memiliki tingkat ketelitian paling tinggi yaitu mampu mengukur besaran panjang hingga 0,01 mm.
Alat Ukur Besaran Masa
Alat ukur besaran masa yang wajib diketahui dalam
pelajaran fisika ada beberapa jenis. Sebelum mengenal beberapa
jenis alat ukur masa kita harus mengerti tentang masa benda. Massa
benda menyatakan banyaknya zat yang terdapat dalam suatu benda.
Massa tiap benda selalu sama dimana pun benda tersebut berada.
Satuan SI untuk massa adalah kilogram (kg). Alat untuk mengukur
massadisebut
neraca
. Ada beberapa jenis neraca, antara
lain, neraca ohauss, neracalengan, neraca langkan, neraca pasar,
neraca tekan, neraca badan, dan neraca elektronik. Setiap neraca
memiliki spesifikasi penggunaan yang berbeda-beda. Jenis neraca
yang umum ada di sekolah adalah neraca tiga lengan dan empat
lengan.
Jenis-Jenis Alat Ukur Besaran Masa
1.
Neraca Analitis Dua Lengan
Neraca ini berguna untuk mengukur massa benda, misalnya emas, batu, kristal benda, dan lain-lain. Batas ketelitian neraca analitis dua lengan yaitu 0,1 gram.
2.
Neraca Ohauss
Neraca ini berguna untuk mengukur massa benda atau logam dalam praktek laboratorium. Kapasitas beban yang ditimbang dengan menggunakan neraca ini adalah 311 gram. Batas ketelitian neraca Ohauss yaitu 0,1 gram. 3.
Neraca Lengan Gantung
Neraca ini berguna untuk menentukan massa benda, yang cara kerjanya dengan menggeser beban pemberat di sepanjang batang.
Neraca digital (neraca elektronik) di dalam penggunaanya sangat praktis, karena besar massa benda yang diukur langsung ditunjuk dan terbaca pada layarnya. Ketelitian neraca digital ini sampai dengan 0,001 gram.
Cara Menggunakan Alat Ukur Besaran Masa
Sebagai contoh cara menggunakan alat ukur besaran masa salah satunya adalah menggunakan neraca tiga lengan atau neraca ohauss karena sering digunakan pada percobaan di laboratorium. Pada neraca tiga lengan, lengan paling depan memuat angka satuan dan sepersepuluhan, lengan tengah memuat angka puluhan, dan lengan paling belakang memuat angka ratusan. Cara menimbang dengan menggunakanneraca tiga lengan adalah sebagai berikut.
Posisikan skala neraca pada posisi nol dengan menggeser penunjuk pada lengan depan dan belakang ke sisi kiri dan lingkaran skala diarahkan pada angka nol!
Periksa bahwa neraca pada posisi setimbang!
Letakkan benda yang akan diukur di tempat yang tersedia pada neraca!
Geser ketiga penunjuk diurutkan dari penunjuk yang terdapat pada ratusan, puluhan, dan satuan sehingga tercapai keadaan setimbang!
Bacalah massa benda dengan menjumlah nilai yang ditunjukkan oleh penunjuk ratusan, puluhan, satuan, dan sepersepuluhan!
