Измерение физических величин
Теперь мы знаем, что такое физическая величина и как ее записать. Для того чтобы узнать ее значение в каждом конкретном случае, проводят измерения.
Нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств называют измерением физической величины.
Только проводя измерения с помощью соответствующих приборов, физики экспериментально устанавливают количественные соотношения между физическими величинами. Великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев писал: «Наука начинается с тех пор,
Без проведения измерений физических величин невозможно описать свойства объектов и обнаружить количественные закономерности в природе.
В самом простом случае, чтобы измерить какую-либо величину, необходимо сравнить ее с единицей этой величины, т. е. определить, во сколько раз измеряемая величина отличается от ее единицы. К примеру, при измерении длины ручки можно использовать линейку. Линейка является простейшим физическим прибором, предназначенным для измерений длин.
Как и на других приборах, например на часах, термометрах, на линейке нанесена шкала — ряд делений.
Прежде чем проводить измерения с помощью прибора, имеющего шкалу, необходимо определить цену деления его шкалы (рис. 1). То есть нужно узнать, сколько единиц измеряемой величины приходится на одно деление — расстояние между двумя соседними отметками шкалы (штрихами). Обычно одно деление линейки соответствует 1 мм.
Определять цену деления других измерительных приборов вы научитесь, выполняя лабораторные работы.
Цена деления шкалы — разность значений измеряемой величины, соответствующим двум соседним отметкам (штрихам) шкалы.
После нахождения цены деления шкалы можно проводить измерение длины. Измерим с помощью линейки длину карандаша (рис. 2). Для этого совместим один из концов карандаша с началом шкалы.
Затем найдем штрих на шкале, ближайший ко втором у концу карандаша (на рисунке он отмечен пунктирной линией). Подсчитаем число делений шкалы между началом и найденным штрихом. После этого цену деления умножим на найденное число делений.
Полученный результат можно выразить в различных единицах (например, в миллиметрах, сантиметрах или метрах).
Но линейкой нельзя измерить точно длину предмета, по крайней мере, по двум причинам. Первая заключается в том, что невозможно точно нанести штрихи на шкалу. Вторая причина: измеряемый предмет может оказаться чуть длиннее или короче, чем длина целого числа делений шкалы. Имеется и целый ряд других причин. Так, человеческий глаз улавливает различия в длине только до определенного значения, штрихи имеют конечную толщину, торец карандаша не идеально ровный и т. п. Обычно линейки изготавливают так, чтобы ошибка (погрешность) при измерении не превышала половины цены деления в любом месте шкалы.
Поэтому, как правило, не имеет смысла пытаться измерить длину предмета с точностью, превышающей половину цены деления линейки. В данной ситуации можно лишь утверждать, что измеренная длина карандаша больше 92, но меньше 93 мм.
Как правило, для линеек цена деления шкалы составляет 1 мм. Поэтому не имеет смысла пытаться измерить длину предмета с помощью линейки с точностью, превышающей половину цены деления шкалы линейки, — 0,5 мм.
К сожалению, за очень редким исключением, любое измерение не в состоянии дать результат без погрешности. Поэтому почти все измеренные физические величины известны нам приблизительно. Следовательно, обычно мы можем говорить лишь об измерении с некоторой точностью, которая зависит от измерительного прибора и метода измерения.
Развитие физики связано с появлением все более точных приборов и методов измерений, дающих все меньшую погрешность. Очень наглядно это проявилось при измерении такой физической величины, как время. В древнейшие времена единицами времени были сутки и год.
Наблюдения за движением Солнца по небу позволили создать солнечные часы. С их помощью в Древнем Вавилоне научились измерять более короткие отрезки времени, разделив и день, и ночь на 12 часов, а час — на 60 минут. Люди поняли, что час нужно задавать как постоянный промежуток времени.
Его длительность можно определить через регулярно повторяющийся природный процесс, например суточное вращение небесной сферы.
В Древнем Вавилоне использовалась не десятичная система счисления, а двенадцатеричная (и основанная на ней шестидесятиричная). Напоминанием об этих древних временах служит деление суток на 24 часа, часа — на 60 минут, а минуты — на 60 секунд.
Изобретение стекла дало возможность создать песочные часы (1). К сожалению, такие часы не позволяли измерять интервалы времени, меньшие нескольких секунд. Галилео Галилей в начале XVII в. в экспериментах по изучению движения тел измерял временные промежутки, считая удары собственного пульса (примерно один удар в секунду), пока не открыл периодичность колебаний маятника.
Используя это открытие, другой физик, Христиан Гюйгенс, изобрел маятниковые часы (2).
Открытие и исследования электрических явлений привели к созданию многих электронных приборов, в том числе и электронных часов (3). А открытие тайн микромира позволило изготовить сверхточные атомные часы (4).
Интересно, что усовершенствование измерительных приборов подталкивает развитие всех наук. Например, изобретение хронометра — точных механических часов (5) — дало возможность морякам определять свое положение в море и привело к множеству географических открытий; развитие угломерных инструментов позволило получить более точную информацию о небесных телах и Земле и т. п. Поэтому в физике уделяется большое внимание усовершенствованию методов измерений и созданию новых приборов.
Итоги
Измерение физической величины — нахождение ее значения опытным путем с помощью специальных технических средств.
Чтобы измерить какую-либо величину, необходимо сравнить ее с единицей этой величины, т. е. определить, какое число раз в измеряемой величине содержится эта единица.
Перед проведением измерения с помощью измерительного прибора, имеющего шкалу, определяют цену деления шкалы.
Все измерения производятся с погрешностью. Для простых приборов со шкалой погрешность обычно принимают равной половине цены деления шкалы.
Вопросы
Что такое измерение физической величины? Для чего необходимо измерять физические величины? Как провести измерение физической величины? С чем сравнивают физическую величину при ее измерении? Что такое цена деления шкалы? Как ее определяют? Почему с помощью линейки нельзя точно измерить длину любого тела? Как погрешность измерения связана с ценой деления шкалы измерительного прибора?
(1 votes, average: 5,00 out of 5)