Как зарождалась физика - основные понятия и определения с примерами

Содержание:

В переводе с древнегреческого слово «физика» значит «природа».

Физика — наука о природе, одна из естественных наук. обратимся к толковому словарю. Словом «природа» обычно называют окружающий нерукотворный мир. Но существует и другое толкование: природа — это сущность, основное свойство чего-либо. Попробуем определить, в каком же понимании использовано слово «природа» в названии предмета, который вы начинаете изучать.

Как зарождалась физика

Еще в древности люди начали исследовать окружающий мир. Прежде всего это было вызвано повседневными потребностями: надежно защититься от непогоды и хищников, собрать урожай, противостоять врагу и т. д. Людям нужно было научиться поднимать и перемещать тяжелые камни, чтобы строить дома с крепкими стенами; выплавлять металл из руды, чтобы изготовлять плуги, топоры, наконечники стрел...

Но не только практические потребности побуждали людей к изучению природы. Любознательность, присущая человеку, подталкивала его к поиску ответов на многочисленные вопросы: как возникли Земля и Солнце, Луна и звезды? как летают птицы и как плавают рыбы? почему случаются землетрясения, наводнения, засухи, пожары? откуда появился человек и каково его предназначение? Так начала зарождаться наука о природе, которую сегодня называют природоведение (естествознание). Со временем объем знаний увеличивался и единая «наука о природе» стала распадаться на отдельные дисциплины.

Еще в древние времена возникла астрономия — наука, изучающая расположение и движение небесных тел, позже — философия (в переводе с древнегреческого это слово означает «любовь к мудрости»). Философы собирали знания об окружающем мире, дополняли их собственными идеями и передавали ученикам. Основателем физики считают древнегреческого философа Аристотеля. Одну из своих работ, в которой были систематизированы естественнонаучные знания, существующие на то время, Аристотель назвал «Физика».

Что ученые называют материей

Услышав слово «материя», многие из вас наверняка представят какую-нибудь ткань. Но для ученых это понятие намного шире! Материя — это все то, что нас окружает. Наблюдая мир вокруг, вы видите разнообразные физические тела (рис. 1.4). Любое физическое тело состоит из вещества — металла, пластика, дерева, воздуха и т. д. Вещество — это один из видов материи.

Физическое тело — это объект из вещества, имеющий внешнюю границу.

Физические тела могут быть твердыми (карандаш, камень), жидкими (капли дождя, растительное масло в бутылке), газообразными (воздух в воздушном шарике). Многие тела имеют твердые, жидкие и газообразные составляющие (живые существа, автомобили, тучи). Попробуйте привести еще несколько подобных примеров. В ХІХ в. ученые установили, что кроме вещества существует еще один вид материи — поле. С помощью электромагнитного поля — невидимых электромагнитных волн — мы, например, имеем возможность общаться по мобильному телефону, капитан корабля может определить координаты своего судна через спутник. На подобных волнах работают радио и телевидение. Свет тоже является примером электромагнитного поля. Вещество и поле различаются своими свойствами, однако могут превращаться друг в друга. Свет Солнца и звезд, рождение элементарных частиц в современных ускорителях — результаты таких превращений. В конце ХХ в. учеными были открыты новые мате реальные сущности — темная материя и темная энергия, физическая природа которых пока не установлена. По данным 2013 г., Вселенная только на 4,9 % состоит из «обычной» материи (вещества и поля), а на 95,1 % — из темной материи и темной энергии. Вопрос о свойствах этих загадочных субстанций — одна из главных проблем современной физики.

Что такое физические явления

Мир вокруг нас непрерывно изменяется. Тела перемещаются относительно друг друга, некоторые из них сталкиваются и, возможно, разрушаются, из одних тел образуются другие... Перечень таких изменений можно продолжать и продолжать — недаром еще древнегреческий философ Гераклит (ок. 544–483 гг. до н. э.) сказал: «Все течет, все изменяется». Изменения в природе ученые называют природными явлениями (рис. 1.5).

Чтобы лучше понять сложные природные явления, ученые рассматривают их как совокупность физических явлений — явлений, которые можно описать с помощью физических законов. Так, грозу можно рассматривать как совокупность молнии (электромагнитное явление), грома (звуковое явление), движения туч, падения капель дождя (механические явления) и др. (рис. 1.6). Рассмотрите примеры некоторых физических явлений, приведенные в таблице. Казалось бы, что может быть общего между полетом ракеты, падением камня, бегом коня, вращением Земли? Ответ прост. Все эти явления — механические, и описываются они одними законами — законами механического движения. Приведем еще один пример. Снимая свитер или расчесывая волосы пластмассовой расческой, вы, наверное, обращали внимание на возникновение крохотных искорок. Эти искорки и мощный разряд молнии относятся к электромагнитным явлениям (рис. 1.7), а значит, подчиняются одним и тем же законам. Поэтому для исследования электромагнитных

явлений не обязательно ждать грозы. Достаточно изучить, как ведут себя безопасные искорки, чтобы понять, чего ждать от молнии и как избежать возможной опасности. Изучая физические явления, ученые, в частности, устанавливают их взаимосвязь. Так, разряд молнии (электромагнитное явление) обязательно сопровождается значительным повышением температуры в канале молнии (тепловым явлением). Исследование этих явлений в их взаимосвязи позволило не только лучше понять природное явление — грозу, но и найти путь для практического применения электрического разряда. Примером может быть электросварка — способ соединения металлических деталей с помощью электрического разряда (см. рис. 1.7) (каждый, кто проходил мимо строительной площадки, наверняка видел рабочих в защитных масках и ослепительные вспышки). Электросварка — это пример практического использования результатов научных исследований.

Что изучает физика

Физика — это наука, изучающая наиболее общие закономерности явлений природы, свойства, строение материи и законы ее движения. Физика является основной из естественных наук. Почему так? Чем она отличается от других естественных наук — биологии, химии, астрономии, географии и т. д. Во-первых, физика изучает наиболее общие закономерности, которые определяют структуру и поведение самых разных объектов — от гигантских звезд до очень маленьких атомов. Во-вторых, законы физики являются основой для всех естественных наук. Например, в астрономии законы физики объясняют причины свечения и строение звезд, образование планет, движение космических объектов. В географии законы физики применяют для объяснения климата, течений рек, образования рельефа. В химии именно физика объясняет направление и скорость протекания химических реакций.

Физика является основой техники.

Сравним морские путешествия в старину и сегодня (рис. 1.8). В отличие от парусников прошлого, судно ХХІ в. имеет двигатель и не зависит от прихотей ветра. У современного капитана есть подробная карта; судно имеет GPS-навигатор, благодаря которому всегда известны курс и месторасположение судна; сонар, предупреждающий о подводных скалах и рифах; радар, который обнаружит айсберги, скалы и другие суда в условиях плохой видимости*. В случае аварии всегда можно вызвать помощь по радио. Очевидно, что с современным оборудованием морские путешествия стали более быстрыми и безопасными.

На протяжении всей истории люди создавали технические устройства на основе физических знаний. Изучение тепловых явлений привело к созданию тепловых двигателей, которые устанавливают на автомобилях и мотоциклах, судах и самолетах, тепловых электростанциях и ракетоносителях. Благодаря открытиям в области электричества мы имеем возможность освещать помещения и улицы, пользоваться телевизором, телефоном, компьютером, утюгом, стиральной машиной и др. Примерно половина электроэнергии в нашей стране вырабатывается на атомных электростанциях, созданных благодаря открытиям в области ядерной физики. Врачи и строители, путешественники и земледельцы, энергетики и машиностроители пользуются устройствами и технологиями, создание которых стало возможным благодаря знанию законов, в свое время открытых физиками.

Итоги:

Вселенная состоит из разных видов материи — вещества и поля. Недавно были открыты темная материя и темная энергия, природа которых пока точно не установлена. Все физические тела «построены» из вещества.

В природе постоянно происходят изменения, которые называют природными явлениями. Сложные природные явления рассматривают как совокупность физических явлений —таких, которые можно описать с помощью физических законов. Физические явления бывают тепловые, световые, механические, звуковые, электромагнитные и др. Физика является основной из естественных наук. Она изучает наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи, законы движения материи.

Строение вещества. Молекулы. Атомы

Из курса природоведения 5 класса вы знаете, что все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул, атомов. Вы также знаете, что атомы имеют специальные названия и символы для обозначения, например: Гидроген (H), оксиген (O), Карбон (C), Сульфур (S). Сейчас науке известны 118 разных видов атомов и при этом — миллионы разных молекул. Как объясняется такое расхождение в цифрах?

Отличия атома от молекулы

Каждое вещество состоит из определенных молекул и только из них. Так, вещество метанол состоит из молекул метанола, а вещество муравьиная кислота состоит из молекул муравьиной кислоты. Прежде чем начать изучение строения молекулы, вспомним алфавит. В нем всего 33 буквы, но каждый из вас может составить из этих букв тысячи слов! А теперь проведите аналогию: буква — атом, слово — молекула. Каждое слово — это определенная комбинация букв. Точно так же каждая молекула — это определенная комбинация атомов.

Используя эту аналогию, рассмотрим схематическое изображение двух молекул — молекулы муравьиной кислоты и молекулы метанола (рис. 2.1, а, б). Видим, что эти молекулы содержат одинаковые виды атомов, но очевидно, что эти молекулы — разные: молекула муравьиной кислоты состоит из 5 атомов (и является аналогом слова, в котором 5 букв), а молекула метанола состоит из 6 атомов (и является аналогом слова, в котором 6 букв). Таким образом, каждая новая комбинация даже одних и тех же видов атомов соответствует новой молекуле. Существует множество слов, имеющих одинаковое количество букв, — точно так же в разных молекулах может быть одинаковое количество атомов. Таким образом, из 118 видов атомов можно составить миллионы разных молекул и, соответственно, получить миллионы разных веществ.

Размеры атомов

Мир молекул, атомов и их составляющих называют микромиром. Характеризуя объекты микромира, ученые используют числа, существенно отличающиеся от тех, с которыми люди имеют дело в повседневной жизни. Для краткой записи таких чисел используют степень числа 10*. Так, размер атома приблизительно равен 0,000 000 0001 м, или м. Попробуем представить, насколько мало это значение.

• Пример 1. Если из баллона со сжатым воздухом через микроскопическую трещину будет каждую секунду вытекать миллиард молекул воздуха, то за 650 лет масса баллона уменьшится всего на 0,001 г.
• Пример 2. Головка стальной булавки радиусом 1 мм вмещает около 100 000 000 000 000 000 000, или атомов. Если эти атомы разместить друг за другом, получим цепочку длиной 20 миллионов километров, что приблизительно в 50 раз больше расстояния между Землей и Луной. Увидеть отдельные атомы и молекулы даже в самый мощный оптический микроскоп невозможно, но в ХХ в. ученые создали приборы, позволяющие не только видеть отдельные атомы, но даже перемещать их с места на место.

Строение атома

Атом, как и молекула, имеет сложную структуру. Атом представляет собой ядро, окруженное легкими частицами — электронами. Диаметр ядра намного меньше, чем диаметр собственно атома, — примерно во столько раз, во сколько размер горошины меньше размера футбольного поля. Внутреннее строение атома наглядно описать невозможно, поэтому для объяснения процессов, происходящих в атоме, созданы его физические модели**, например планетарная модель атома (рис. 2.2). Электроны могут покидать одни атомы и присоединяться к другим. Если атом потерял один или несколько электронов, то атом превращается в положительный ион. Если же к атому присоединились один или несколько электронов, то атом превращается в отрицательный ион.

Между молекулами есть промежутки.

Как вы считаете, если смешать 100 мл воды и 100 мл спирта, каким будет объем смеси? Наверняка многие ответят, что 200 мл. На самом деле он будет меньше! Дело в том, что между молекулами существуют

Такую запись называют стандартным видом числа, то есть это запись числа в виде произведения , где , n — целое число. Число п называют порядком числа. Например, порядок числа, передающего размер атома, составляет -10.

промежутки и во время смешивания данных жидкостей молекулы воды попадают в промежутки между молекулами спирта и наоборот. Этот опыт хорошо моделируется с помощью пшена и гороха (рис. 2.3).

Тепловое движение

Вам уже знакомо такое явление, как диффузия (от лат. diffusio — распространение, растекание). диффузия — процесс самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в промежутки между молекулами другого вещества, в результате чего происходит перемешивание соприкасающихся веществ.

Проведем опыт. В прозрачный сосуд с водой аккуратно нальем водный раствор медного купороса — так, чтобы жидкости не перемешались (рис. 2.4). Сначала между водой и раствором будет наблюдаться четкая граница, однако, если оставить сосуд в покое, через несколько дней вся жидкость приобретет бирюзовый цвет (рис. 2.5), то есть жидкости перемешаются. Причина диффузии — непрерывное хаотическое движение частиц веществ (молекул, атомов, ионов).

Благодаря этому движению вещества перемешиваются без какого-либо внешнего воздействия. Непрерывное хаотическое движение частиц вещества называют тепловым движением. С увеличением (уменьшением) температуры вещества увеличивается (уменьшается) средняя скорость движения его частиц. Так, если налить раствор медного купороса не в один, а в два сосуда с водой и один сосуд поместить в теплое место, а второй — в холодное, то можно убедиться, что в теплом месте диффузия протекает намного быстрее.

Взаимодействие молекул

Молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении. Почему же они не разлетаются во все стороны? Более того, тела не только не рассыпаются на отдельные молекулы, а наоборот, чтобы их растянуть, сломать, разорвать, нужно приложить усилия. Причина — в притяжении между молекулами. Именно благодаря межмолекулярному притяжению твердые тела сохраняют свою форму, жидкость собирается в капли (рис. 2.6), клей прилипает к бумаге, а растянутая пружина возвращает исходную форму. Если осколки разбитой чашки прижать друг к другу, чашка не станет снова целой. Но почему, ведь между молекулами есть притяжение?

Дело в том, что межмолекулярное притяжение становится заметным только на очень малых расстояниях — сравнимых с размерами самих частиц. Когда мы прижимаем друг к другу осколки чашки, то из-за неровностей их поверхностей на указанные расстояния приближается незначительное количество молекул. А расстояние между большинством молекул остается таким, что они практически не взаимодействуют.

Попробуйте сжать, например, закрытую пластиковую бутылку, доверху заполненную водой, или монетку — вы почувствуете, что изменить их размеры или форму без дополнительных средств невозможно. Дело в том,что молекулы не только притягиваются друг к другу, но и отталкиваются. Обычно в жидкостях и твердых телах притяжение уравновешивается отталкиванием. Но если сжимать жидкость или твердое тело, то расстояние между молекулами уменьшится и межмолекулярное отталкивание станет сильнее, чем притяжение.

Основные положения молекулярно-кинетической теории

Более 25 столетий назад древнегреческий философ Демокрит (ок. 460– 370 гг. до н. э.) предположил, что все тела состоят из маленьких телец (Демокрит назвал их атомами, что в переводе с греческого означает «неделимый»). А вот подтверждение существования атомов и молекул было получено только в XIX в. Именно тогда появилась и была экспериментально обоснована молекулярно-кинетическая теория, рассматривающая строение веществ с точки зрения следующих трех основных положений.

1. Все вещества состоят из частиц — молекул, атомов, ионов; между частицами есть промежутки.
2. Частицы веществ находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении; такое движение называют тепловым.
3. Частицы взаимодействуют друг с другом (притягиваются и отталкиваются).

Итоги:

Все вещества состоят из мельчайших частиц — молекул, атомов, ионов. Между частицами есть промежутки. Частицы, из которых состоят вещества, находятся в непрерывном хаотическом движении. Такое движение называют тепловым. С увеличением (уменьшением) температуры вещества увеличивается (уменьшается) средняя скорость движения его частиц. Одним из доказательств движения молекул является диффузия — процесс самопроизвольного перемешивания соприкасающихся веществ, который происходит вследствие теплового движения их молекул. Частицы вещества взаимодействуют — они отталкиваются и притягиваются. Взаимодействие частиц проявляется на расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц.

Научные методы изучения природы

Вклад украинских ученых в развитие Физики Вы каждый день исследуете окружающий мир и получаете новые знания. Например, вы самостоятельно и достаточно давно установили, что ложка, если ее выпустить из рук, обязательно падает вниз, пламя костра устремляется вверх, солнечные лучи нагревают землю, а льдинка холодит ладонь. А как проводят научные исследования ученые? Как они получают новые знания?

Физическое исследование и чем отличаются наблюдения и эксперименты

Физическое исследование — это целенаправленное получение новых знаний о физических телах или явлениях. Обычно физическое исследование начинается с наблюдения, когда исследователь наблюдает за явлением, не вмешиваясь в его ход. Если результаты наблюдений повторяются, то исследователь на основе полученных данных делает выводы. Например, в ходе наблюдений можно установить, что каждую зиму вода в реках, прудах и озерах нашей страны покрывается льдом. По результатам этих наблюдений можно сделать вывод: вследствие сильного охлаждения (до минусовой температуры) вода в реках, прудах и озерах превращается в лед. Однако далеко не всегда выводы, полученные с помощью наблюдений, истинны. Например, на рис. 3.1 длина красного отрезка кажется меньше длины синего. Если же измерить длины отрезков линейкой, то окажется, что они равны.

Чтобы не делать подобных ошибочных выводов, ученые проводят эксперименты (опыты). Эксперимент (опыт) — это исследование физического явления в условиях, находящихся под контролем исследователя (рис. 3.2). Эксперименты обычно сопровождаются измерениями.

Когда ученые проводят серию экспериментов, направленных на изучение определенного физического явления, — это экспериментальное исследование. Совсем скоро вы будете выполнять лабораторную работу — простейший вид экспериментального исследования.

Основные этапы получения новых знаний в ходе физических исследований:

Сначала исследователь анализирует увиденное во время наблюдений, а затем выдвигает гипотезу — делает некое предположение, связанное с исследуемым явлением.

Например, по результатам наблюдений за состоянием воды в реках и озерах зимой можно выдвинуть гипотезу: после охлаждения до температуры ниже нуля вода всегда (не только в реках и озерах и не только зимой) превращается в лед. Далее исследователь проводит эксперимент, с помощью которого проверяет гипотезу.

Какой эксперимент вы можете провести, чтобы проверить гипотезу об условии превращения воды в лед? Благодаря гипотезе и ее экспериментальной проверке исследователь получает новое знание. А результат вашего эксперимента наверняка будет таким: при температуре ниже 0 °С вода всегда превращается в лед*.

Проведение некоторых экспериментов не требует много времени, но иногда поиски истины продолжаются столетиями. Приведем пример. Опираясь на повседневный опыт, философы Древней Греции сделали вывод, что более тяжелые предметы всегда падают быстрее, чем легкие. И только почти через две тысячи лет итальянский ученый Галилео Галилей (рис. 3.3) выдвинул гипотезу: время падения тел не зависит от их массы, и если бы не было сопротивления воздуха, все тела падали бы одинаково.

По легенде, для подтверждения своей догадки ученый провел исследование, использовав для этого знаменитую Пизанскую башню. С вершины этого сооружения он бросал предметы (мушкетную пулю и пушечное ядро), на движение которых сопротивление воздуха влияет незначительно. Результаты экспериментов подтвердили гипотезу ученого: оба предмета достигали земли практически одновременно. Более точные эксперименты осуществил выдающийся английский ученый Исаак Ньютон (рис. 3.4, 3.5). При этом Ньютон не ограничился подтверждением выводов Галилея.

Проанализировав полученные данные и сделав необходимые вычисления, то есть проведя теоретические исследования, И. Ньютон предположил, что и падение тел, и вращение планет Солнечной системы вокруг Солнца подчиняются одному закону. Чтобы обосновать это утверждение, ученый снова обратился к математике. В результате Ньютон открыл закон всемирного тяготения — создал новое знание. Со времен Галилея и Ньютона основными методами получения новых знаний стали экспериментальный и теоретический. Современные экспериментальные исследования невозможно представить без специально сконструированных сложных приборов. В разработке новых теорий участвуют сотни ученых, для теоретических расчетов применяют сверхмощные компьютеры. При этом и сегодня основные этапы получения новых знаний (наблюдения — гипотеза — эксперимент) остаются неизменными. Последовательность этапов получения новых знаний в ходе физических исследований можно представить в виде спирали, которая состоит из повторяющихся элементов (рис. 3.6).

• Заказать решение задач по физике

Физические модели

Любой физический процесс достаточно сложен и сопровождается многочисленными явлениями. Понятно, что одновременно исследовать все явления, происходящие в ходе данного процесса, и учесть влияние абсолютно всех факторов невозможно. Поэтому в начале физического исследования определяют факторы, существенно влияющие на процесс. Далее ученые создают физическую модель процесса — его воображаемый аналог, в котором «действуют» только эти факторы. Какие именно факторы следует учесть, а какими можно пренебречь, определяется целью исследования. Те из вас, кто играл в компьютерную игру «Angry Birds», уже имели дело с простейшей физической моделью движения тела, брошенного под углом к горизонту (рис. 3.7). Общие закономерности, «работающие» в этой модели, будут выполняться и в случае, например, пушечного выстрела, но с некоторыми поправками — на скорость ветра, качество заряда, износ дула пушки и т. п.

А вот если необходимо рассчитать движение космической ракеты, то поправок должно быть еще больше, ведь следует учесть уменьшение массы ракеты из-за сгорания топлива, изменение температуры внешней среды, постепенное разрежение воздуха и многое другое. Именно поэтому движение ракет моделируют большие коллективы ученых, используя мощнейшие компьютеры.

Итоги:

Основные методы получения новых знаний — экспериментальный и теоретический. На определенном этапе ученые имеют некие знания; в результате наблюдений и размышлений они убеждаются в необходимости усовершенствования этих знаний; затем ученые проводят теоретические исследования, выдвигают гипотезу и подтверждают (или опровергают) ее путем экспериментальной проверки. Результатом становится новое знание. Перед проведением теоретических исследований физического процесса ученые создают его идеализированный аналог — физическую модель.

Физические величины. Измерение физических величин

Как вы думаете, насколько часто люди выполняют измерения? Насколько важно уметь делать это правильно? Каких последствий следует ожидать, если результаты измерений будут ошибочными? Чтобы помочь вам ответить на эти вопросы, напомним несколько приборов, которыми вы и ваша семья пользуетесь практически ежедневно: часы, весы, термометр, спидометр, манометр.

Понятие «физическая величина»

Для описания каких-либо явлений или свойств тел люди издавна используют их характеристики. Например, когда мы говорим, что теннисный шарик меньше воздушного шара, то имеем в виду, что объем теннисного шарика меньше объема воздушного шара. Объем — пример физической величины. Эта величина характеризует общее свойство тел занимать некоторую часть пространства (рис. 4.1, а). Еще одним примером физической величины может служить уже известное вам понятие скорость движения, которое является характеристикой движения тел (рис. 4.1, б).

Физическая величина — это количественно выраженная характеристика тела или физического явления. Разумеется, объем и скорость движения — это далеко не все физические величины, которыми оперирует физика. Даже в повседневной жизни мы имеем дело с большим количеством физических величин: длина, площадь, объем, масса, время, путь, температура. Какую физическую величину измеряет человек при простуде? Для удобства каждую физическую величину обозначают определенным символом (буквой латинского или греческого алфавита). Например, объем обозначают символом V, время — символом t, скорость движения — символом v.

Международная система единиц

В романе Жюля Верна «Пятнадцатилетний капитан» есть такой эпизод: «Пройдя шагов триста по берегу реки, маленький отряд вступил под покров девственного леса, по извилистым тропинкам которого ему предстояло странствовать…» Проанализируем этот отрывок и выясним, какую физическую величину имел в виду автор, чему равно ее числовое значение и в каких единицах была измерена эта величина. Нетрудно установить, что речь идет о физической величине путь; числовое значение этой физической величины — триста; единицей пути служит один шаг.

Очевидно, что в большинстве случаев выбор шага как единицы пути не может быть удачным, ведь длина шага у всех разная (рис. 4.2). Таким образом, становится понятным, почему люди с древних времен начали договариваться о том, чтобы измерять одну и ту же физическую величину одинаковыми единицами. Сейчас в большинстве стран мира действует введенная в 1960 г. Международная система единиц, которую называют Система Интернациональная (СИ) (рис. 4.3). В СИ единицей длины является метр (м), единицей времени — секунда (с), объем измеряется в метрах кубических (м3), скорость движения — в метрах в секунду (м/с). О других единицах СИ вы узнаете позже. При записи значения физической величины указывают символ, которым она обозначается, числовое значение физической величины и ее единицу. Например, запись v = 5 м/с означает, что скорость движения некоего тела составляет 5 метров в секунду.

Отличия кратных единиц от дольных

Для удобства записи больших и малых значений физических величин используют кратные и дольные единицы. Кратные единицы — это единицы, которые больше основных единиц в 10, 100, 1000 и более раз. Дольные единицы — это единицы, которые меньше основных единиц в 10, 100, 1000 и более раз. Названия кратных и дольных единиц включают в себя специальные префиксы. Например, километр (1000 м) — кратная единица длины; сантиметр (0,01 м) — дольная единица длины. В таблице на с. 27 приведены наиболее часто употребляемые префиксы.

Отличия прямых измерений и косвенных

Значения физических величин получают путем измерений. Вспомните пример измерения. Автор, описывая путешествие отряда по берегу реки, в качестве единицы пути выбрал шаг. Чтобы выразить числовое значение (триста) пути в шагах, ему необходимо было сравнить пройденное расстояние с длиной шага.

Измерить физическую величину означает сравнить ее с однородной величиной, взятой за единицу. Существует два вида измерений: прямые и косвенные измерения. При прямом измерении искомое значение физической величины получают сразу — по показаниям измерительного прибора (рис. 4.4, 4.5).

При косвенном измерении искомое значение физической величины определяют с помощью формулы, подставив в нее значения других физических величин, полученных в ходе прямых измерений. Так, чтобы определить площадь S прямоугольника, сначала с помощью линейки измеряют длину l и ширину d прямоугольника (прямые измерения), а потом вычисляют его площадь по формуле S=l⋅d. Косвенные измерения каких величин вы выполняли на уроках математики?

Измерительные приборы

Для установления значений физических величин в ходе прямых измерений используют измерительные приборы (рис. 4.6). Сейчас в науке, технике, быту применяют как электронные цифровые измерительные приборы, у которых значение измеряемой величины высвечивается на экране, так и измерительные приборы, при пользовании которыми значение измеряемой величины определяют по шкале. Измерительный прибор обычно содержит информацию о единицах, в которых поданы значения измеряемой этим прибором величины. По шкале можно установить две самые важные характеристики измерительного прибора: цену деления шкалы прибора и пределы измерения*.

Цена деления шкалы измерительного прибора — это значение наименьшего деления шкалы данного прибора. Чтобы определить цену деления шкалы измерительного прибора, необходимо разность двух любых ближайших значений величины, приведенных на шкале, разделить на количество делений между ними.

Пределы измерения электронных цифровых приборов определяют по его паспорту. Существуют приборы, пределы измерения которых устанавливают специальным переключателем.

Определим цену деления шкалы медицинского термометра (рис. 4.7): 1) выберем два любых значения температуры, которые обозначены на шкале и стоят рядом, например 40 °С и 39 °С, и найдем их разность: 40 °C−39 °C=1 °C; 2) определим количество делений между метками, рядом с которыми указаны данные значения, — 10 делений; 3) полученную разность разделим на количество делений: Итак, цена деления шкалы данного термометра составляет 0,1 °C:

Пределы измерения прибора — это наибольшее и наименьшее значения физической величины, которые можно измерить этим прибором. Так, верхний предел измерений медицинского термометра на рис. 4.7 равен 42 °С, нижний предел составляет 34,1 °С.

Итоги:

Физическая величина — это количественно выраженная характеристика тела или физического явления. Измерить физическую величину — значит сравнить ее с однородной величиной, взятой за единицу. Записывая значение физической величины, следует привести символ, которым она обозначается, числовое значение физической величины и ее единицу. Для удобства записи больших и малых значений физических величин используют кратные и дольные единицы — их названия содержат специальные префиксы. Цена деления шкалы измерительного прибора — это значение наименьшего деления шкалы этого прибора. Пределы измерения прибора — это наибольшее и наименьшее значения физической величины, которые можно измерить данным прибором.

Погрешности и оценка точности измерений

Определите площадь поверхности тетрадного листа с помощью линейки. Затем предложите вашему соседу или соседке сделать то же самое с помощью той же линейки. Сравните полученные результаты. если результаты окажутся разными, то чей результат следует считать более точным? Можно ли считать результаты измерений абсолютно точными? Попробуем ответить на эти вопросы.

Вы много раз проводили измерение длины. Проверим, правильно ли вы это делали. Измерим, например, длину карандаша с помощью линейки. Для этого: — приложим линейку к карандашу так, чтобы ноль на шкале линейки совпадал с одним концом карандаша (рис. 5.1); — определим, напротив какой отметки шкалы линейки расположен второй конец карандаша. Видим, что второй конец карандаша расположен возле отметки 12 см, то есть можно сказать, что длина карандаша составляет приблизительно 12 см. Но конец карандаша выступает за отметку 12 см примерно на 2 миллиметра, следовательно, более точная длина карандаша — 12,2 см, или 122 мм.

Точность измерений

Измеряя длину карандаша, мы получили два результата: 12 см и 12,2 см. Какой же из них правильный? Вообще правильными являются оба результата, а вот точность измерений была разной: в первом случае измерение было выполнено с точностью до 1 см, а во втором — с точностью до 1 мм (0,1 см). Для данного эксперимента измерение с точностью до 1 мм — вполне достаточно. А вот если нужен более точный результат, следует использовать измерительные приборы, имеющие меньшую цену деления шкалы — 0,5 мм или даже 0,1 мм. Но и тогда мы неизмерим длину карандаша абсолютно точно. Причин для этого много: это и несовершенство конструкции прибора, и несовершенство метода измерения (например, начало карандаша невозможно абсолютно точно совместить с нулевым делением шкалы линейки), и влияние внешних факторов.

Итак, измерения всегда осуществляются с погрешностью. Чтобы уменьшить погрешность, одни и те же измерения выполняют несколько раз, а потом вычисляют среднее значение результатов измерений (определяют их среднее арифметическое).

Определение абсолютной и относительной погрешности результата измерения

Различают абсолютную и относительную погрешности. абсолютная погрешность результата измерения — это отклонение результата измерения от истинного значения физической величины. Абсолютная погрешность результата измерения показывает, на сколько максимально может ошибиться исследователь, правильно измеряя физическую величину. Определить абсолютную погрешность результата измерения непросто. Необходим анализ метода измерения, качества измерительного прибора, условий опыта, требуется знание высшей математики и т. д.

Поэтому пока примем следующее: при одном прямом измерении абсолютная погрешность будет равна цене деления шкалы измерительного прибора. Для записи значения абсолютной погрешности используют символ ∆ (дельта), рядом с которым записывают символ измеряемой физической величины. Например, запись означает, что абсолютная погрешность результата измерения объема составляет Вернемся к измерению длины l карандаша (см. рис. 5.1). 1. Цена деления шкалы линейки — 1 мм. Значит, будем считать, что абсолютная погрешность результата измерения составляет 1 мм ( ∆l =1 мм). 2. Длина карандаша, измеренная линейкой, равна 122 мм . 3. Результат измерения в данном случае следует записать так: l=(122 ± 1)мм. Эта запись означает, что истинное значение длины карандаша находится в интервале от 121 мм (122 мм – 1 мм) до 123 мм (122 мм + 1 мм) (рис. 5.2). Измерим теперь толщину d карандаша (рис. 5.3): = 7 мм. Это почти в 18 раз меньше длины карандаша. При этом абсолютная погрешность та же — 1 мм (∆ d = 1 мм). Но это не значит, что длину и толщину карандаша мы измерили с одинаковой точностью. Насколько точно проведено измерение, более наглядно показывает относительная погрешность.

Относительная погрешность результата измерения равна отношению абсолютной погрешности к измеренному значению физической величины. Относительную погрешность обозначают символом ε (эпсилон) и чаще всего выражают в процентах. Найдем относительные погрешности результатов измерения:

длины карандаша: толщины карандаша: Относительная погрешность измерения длины меньше относительной погрешности измерения толщины почти в 18 раз. Это означает, что длина карандаша была измерена точнее, чем его толщина, почти в 18 раз.

Необходимая точность измерения:

Предположим, что нам нужно измерить длину не карандаша, а комнаты. Понятно, что в таком случае нет необходимости учитывать миллиметры (рис. 5.4). Точно так же, если портной, раскроив пиджак, ошибется на 1 мм, мы этого даже не заметим. А вот если, вдевая нитку в ушко иглы, он каждый раз будет ошибаться на 1 мм, то вряд ли пиджак вообще будет сшит.

Таким образом, можно сделать вывод: необходимая точность измерений во время эксперимента определяется целью этого эксперимента.

Итоги:

Измерение невозможно провести с абсолютной точностью. Погрешности в ходе измерения физических величин связаны как с процессом измерения, так и с выбором прибора для измерения. Чтобы уменьшить погрешность, одни и те же измерения выполняют несколько раз, а потом вычисляют среднее значение результатов измерения.

Физика — наука о природе

Вы узнали, что физика является основной из естественных наук, и получили ответ на вопрос «Что изучает физика?».

Вы выяснили основные положения молекулярно-кинетической теории и узнали, из чего состоит вещество.

Вы проследили последовательность этапов физических исследований:

Вы ознакомились с основными методами физических исследований.

Вы расширили свои знания о физических величинах.

Вы узнали об измерениях физических величин.

Почему в современном мире трудно потеряться:

Всего несколько десятилетий назад слова «радиолокатор», «радар» ассоциировались с военной техникой, слово «гидролокатор», «сонар» — с сейнерами и подводными лодками. А вот аббревиатуры GPS вообще не существовало. В наше время простейшие модели сонаров может приобрести каждый рыбак, радарами оснащают не только самолеты, но и небольшие катера, а система GPS позиционируется как лучшее противоугонное средство для автомобилей.

Радиолокатор / радар:

В начале ХХ в. было обнаружено, что радиоволны отражаются от металлических предметов. Это открытие дало возможность предложить принцип радиолокации — обнаружения, распознавания и определения координат различных предметов с помощью радиоволн. Если прибор фиксирует факт отражения радиоволны, это означает, что он обнаружил объект (например, самолет). По скорости распространения радиоволны (300 000 км/с), интервалу времени между моментом излучения и моментом приема отраженного сигнала можно определить расстояние до объекта (его координаты). Наконец, по характеру отраженного сигнала можно распознать, от какого объекта (самолета, айсберга, скалы) отразилась радиоволна.

Это интересно РАДАР — от английского слова radar, сокращение от radio detecting and ranging — радиообнаружение и определение дальности. СоНАР — от английского слова sonar, сокращение от sound navigation and ranging — звуковая навигация и определение дальности. GPS — аббревиатура англ. global position system — всемирная система определения местонахождения.

Это интересно Система GPS сначала была создана по заказу американского правительства. Сегодня эта система применяется во многих сферах: городское и сельское хозяйство, разведка природных ресурсов, археология, навигация, спорт, мониторинг движущихся объектов. европейский Союз завершает создание собственной системы навигации — Galileo, которая является аналогом GPS

Гидролокатор / сонар Принцип работы гидролокатора похож на принцип работы радара, только он излучает и фиксирует не радио-, а звуковые волны. Как и в случае с радиоволнами, по скорости распространения звука в воде (1500 м/с) и времени прихода отраженной волны можно определить расстояние до объекта, а по направлению отраженного сигнала — направление, в котором расположен объект. Впервые гидролокатор был применен для обнаружения подводных лодок во время Первой мировой войны (1914–1918), со временем его стали применять для исследования рельефа дна морей и океанов, обнаружения косяков рыбы и т. д.

GPS GPS создали для того, чтобы любой пользователь мог определить свои координаты на земной поверхности с точностью до нескольких десятков метров. Сейчас эта система не только следит за правильным курсом судов, но и помогает обычным туристам не заблудиться в незнакомом городе. Система GPS состоит из множества спутников, летающих на высоте примерно 20 000 км над Землей, и наземных систем. Спутники постоянно поддерживают связь с наземными системами и благодаря этому точно «знают» свое положение относительно Земли.

Каждый пользователь GPS-навигатора в любой момент может определить свое местонахождение: устройство получает сигналы от трех-четырех разных спутников одновременно и обрабатывает полученные данные с помощью встроенного компьютера.