Физические величины и их измерение. В быту, технике, при изучении физических явлений часто приходится выполнять различные измерения.
Так, например, изучая падение тела, необходимо измерить высоту, с которой падает тело, массу тела, его скорость, время падения. Высота, масса, скорость, время и т. д. являются физическими величинами. Физическую величину можно измерить. Измерить какую-нибудь величину - это значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу. Так, например, измерить длину стола - значит сравнить ее с другой длиной, которая принята за единицу длины, например с метром.
Для каждой физической величины приняты свои единицы. Для удобства все страны мира стремятся пользоваться одинаковыми единицами физических величин. С 1963 г. в России и других странах применяется Международная система единиц - СИ (система интернациональная). В этой системе основной единицей длины является метр (1 м), единицей времени - секунда (1 с), единицей массы - килограмм (1 кг). Часто применяют единицы, которые в 10, 100, 1000 и т. д. раз больше принятых единиц (кратные). Эти единицы получили наименования с соответствующими приставками, взятыми из греческого языка. «Дека» - 10, «гекто» - 100, «кило» - 1000 и др. Если используются единицы, которые в 10, 100 и 1000 и т. д. раз меньше принятых единиц (дольные), то применяют приставки, взятые из латинского языка. «Деци» - 0,1, «санти» - 0,01, «милли» - 0,001 и др. Для проведения опытов необходимы приборы.
Одни из них очень просты и предназначены для простых измерений.
К таким приборам можно отнести: измерительную линейку, рулетку, измерительный цилиндр и др. По мере развития физики приборы усложнялись и совершенствовались. Появились амперметры, вольтметры, секундомеры, термометры. Измерительные приборы, как правило, имеют шкалу. Это значит, что на приборе нанесены штриховые деления, а рядом написаны значения величин, соответствующие делениям. Расстояния между двумя штрихами, возле которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены еще на несколько делений.
Эти деления иногда не обозначены числами. Определить, какому значению величины соответствует каждое самое малое деление, нетрудно. Так, например, возьмем измерительную линейку. Цифрами 1, 2, 3, 4 и т. д. обозначены расстояния между штрихами, которые разделены на 10 одинаковых делений. Следовательно, каждое деление (расстояние между ближайшими штрихами) соответствует 1 мм. Эта величина называется ценой деления шкалы прибора.
Перед тем как приступить к измерению физической величины, следует определить цену деления шкалы используемого прибора. Для того чтобы определить цену деления, необходимо: - найти два ближайших штриха шкалы, возле которых написаны значения величины; - вычесть из большего значения меньшее и полученное число разделить на число делений, находящихся между ними. Определим цену деления термометра. Возьмем два штриха, около которых нанесены значения измеряемой величины (температуры). Например, штрихи с обозначениями 10 °С и 20 °С. Расстояния между этими штрихами разделены на 10 делений.
Следовательно, цена деления будет равна: = 1 °С Следовательно, термометр показывает 24 °С. 5. Точность и погрешность измерений Всякое измерение может быть выполнено с большей или меньшей точностью. В качестве примера рассмотрим измерение длины бруска демонстрационным метром с сантиметровыми делениями. Вначале определим цену деления линейки. Она будет равна 1 см. Если левый конец линейки совместить с нулевым штрихом, то правый будет находиться между 11 и 12 штрихами, но ближе к 11. Какое из этих двух значений следует принять за длину бруска? Очевидно, то, которое ближе к истинному значению, т. е. 11 см. Считая, что длина бруска 11 см, мы допустили неточность, так как брусок чуть длиннее 11 см. В физике допускаемую при измерении неточность называют погрешностью измерений.
Погрешность измерения не может быть больше цены деления измерительного прибора. В нашем случае погрешность измерения бруска не превышает 1 см. Если такая точность измерений нас не удовлетворяет, то можно произвести измерения с большей точностью.
Но тогда придется взять масштабную линейку с миллиметровыми делениями, т. е. с ценой деления 1 мм. В этом случае длина бруска окажется равной 11,4 см. Из этого примера видно, что точность измерений зависит от цены деления шкалы прибора. Чем меньше цена деления, тем больше точность измерения. Точность измерения зависит также от правильного применения измерительного прибора, расположения глаза при отсчете по прибору.
Вследствие несовершенства измерительных приборов и наших органов чувств при любом измерении получаются лишь приближенные значения, несколько большие или меньшие истинного значения измеряемой величины. Во время выполнения лабораторных работ или просто измерений следует считать, что: погрешность измерений равна половине цены деления шкалы измерительного прибора. Измерим длину шариковой ручки. Нулевую отметку линейки совместим с одним концом ручки, а другой ее конец окажется вблизи 14 см. Цена деления линейки 1 мм, тогда погрешность измерения будет равна 0,5 мм или 0,05 см. Следовательно, длину ручки можно записать в виде: l = (14 ± 0,05) см, где l - длина ручки.
Истинное значение длины ручки находится в интервале от 13,95 см до 14,05 см. При записи величин, с учетом погрешности, следует пользоваться формулой: А = а ± ∆a, где А - измеряемая величина, а - результат измерений, ∆a - погрешность измерений (∆- греч. буква «дельта»). 6.