Фізична величина - властивість фізичних об'єктів, загальне у якісному відношенні багатьом об'єктам, але у кількісному відношенні індивідуальне кожному за них. Якісна сторона поняття "фізична величина" визначає її рід (наприклад, електричний опір як загальна властивість провідників електрики), а кількісна - її "розмір" (значення електричного опору конкретного провідника, наприклад, R = 100 Ом). Числове значення результату виміру залежить від вибору одиниці фізичної величини.
Фізичним величинам присвоєно буквені символи, що використовуються у фізичних рівняннях, що виражають зв'язки між фізичними величинами, що існують у фізичних об'єктах.
Розмір фізичної величини - кількісна визначеність величини, властива конкретному предмету, системі, явище чи процесу.
Значення фізичної величини- Оцінка розміру фізичної величини у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць виміру. Числове значення фізичної величини- абстрактне число, що виражає відношення значення фізичної величини до відповідної одиниці даної фізичної величини (наприклад, 220 - значення амплітуди напруги, причому саме число 220 і є числове значення). Саме термін "значення" слід застосовувати для вираження кількісної сторони властивостей, що розглядаються. Неправильно говорити та писати "величина струму", "величина напруги" і т. д., оскільки струм і напруга самі є величинами (правильним буде застосування термінів "значення сили струму", "значення напруги").
При вибраній оцінці фізичної величини її характеризують істинним, дійсним та виміряним значеннями.
Справжнім значенням фізичної величини називають значення фізичної величини, яке ідеальним чином відображало б у якісному та кількісному відношеннях відповідну властивість об'єкта. Визначити експериментально його неможливо внаслідок неминучих похибок виміру.
Це поняття спирається на два основні постулати метрології:
§ справжнє значення обумовленої величини є і вона постійно;
§ справжнє значення вимірюваної величини знайти неможливо.
На практиці оперують поняттям дійсного значення, ступінь наближення якого до справжнього значення залежить від точності засобу виміру та похибки самих вимірів.
Справжнім значенням фізичної величини називають її значення, знайдене експериментальним шляхом і настільки наближається до справжнього значення, що для певної мети може бути використане замість нього.
Під виміряним значеннямрозуміють значення величини, відраховане за індикаторним пристроєм засобу вимірювання.
Одиниця фізичної величини - Величина фіксованого розміру, якій умовно присвоєно стандартне числове значення, що дорівнює одиниці.
Одиниці фізичних величин ділять на основні та похідні та об'єднують у системи одиниць фізичних величин. Одиниця виміру встановлюється кожної з фізичних величин з урахуванням те, що багато величин пов'язані між собою певними залежностями. Тому лише частина фізичних величин та їх одиниць визначаються незалежно від інших. Такі величини називають основними. Інші фізичні величини - похідніта їх знаходять з використанням фізичних законів та залежностей через основні. Сукупність основних та похідних одиниць фізичних величин, утворена відповідно до прийнятих принципів, називається системою одиниць фізичних величин. Одиниця основної фізичної величини є основною одиницеюсистеми.
Міжнародна системаодиниць (Система СІ; SI - франц. Systeme International) була прийнята XI Генеральною конференцією з мір і ваг у 1960 р.
В основу системи СІ покладено сім основних та дві додаткові фізичні одиниці. Основні одиниці: метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, моль та кандела (табл. 1).
Таблиця 1. Одиниці Міжнародної системи СІ
|
Найменування |
Розмірність |
Найменування |
Позначення |
|
|
міжнародне |
||||
|
Основні |
||||
|
кілограм |
||||
|
Сила електричного струму |
||||
|
Температура |
||||
|
Кількість речовини |
||||
|
Сила світла |
||||
|
Додаткові |
||||
|
Плоский кут |
||||
|
Тілесний кут |
стерадіан |
Метрдорівнює відстані, що проходить світлом у вакуумі за 1/299792458 частку секунди.
Кілограм- одиниця маси, що визначається як маса міжнародного прототипу кілограма, що представляє циліндр із сплаву платини та іридію.
Секундадорівнює 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає енергетичному переходу між двома рівнями надтонкої структури основного стану атома цезію-133.
Ампер- сила незмінного струму, який, проходячи двома паралельним прямолінійним провідникам нескінченної довжини і мізерно малої площі кругового перерізу, розташованим на відстані 1 м один від одного у вакуумі, викликав би силу взаємодії, рівну 210 -7 Н (ньютон) на кожній ділянці провідника довжиною 1 м-код.
Кельвін- одиниця термодинамічної температури, що дорівнює 1/273,16 частини термодинамічної температури потрійної точки води, тобто температури, при якій три фази води - пароподібна, рідка та тверда - знаходяться в динамічній рівновазі.
Міль- кількість речовини, що містить стільки структурних елементів, що міститься у вуглеці-12 масою 0,012 кг.
Кандела- сила світла в заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 54010 12 Гц (довжина хвилі близько 0,555 мкм), чия енергетична сила випромінювання в цьому напрямку становить 1/683 Вт/ср (ср - стерадіан).
Додаткові одиницісистеми СІ призначені тільки для утворення одиниць кутової швидкості та кутового прискорення. До додаткових фізичних величин системи СІ відносять плоский і тілесний кути.
Радіан (радий) - кут між двома радіусами кола, довжина дуги якої дорівнює цьому радіусу. У практичних випадках часто використовують такі одиниці виміру кутових величин:
градус - 1 _ = 2р/360 рад = 1,745310 -2 рад;
хвилина - 1" = 1 _ /60 = 2,9088 10 -4 рад;
секунда - 1 "= 1"/60 = 1 _ /3600 = 4,848110 -6 рад;
радіан - 1 рад = 57 _ 17 "45" = 57,2961 _ = (3,4378 10 3)" = (2,062710 5)".
Стерадіан (ср) - тілесний кут з вершиною в центрі сфери, що вирізує на її поверхні площу, рівну площіквадрата зі стороною, що дорівнює радіусу сфери.
Вимірюють тілесні кути за допомогою плоских кутів та розрахунку
де б- тілесний кут; ц- Плоский кут при вершині конуса, утвореного всередині сфери даним тілесним кутом.
Похідні одиниці системи СІ утворюють з основних та додаткових одиниць.
В області вимірювань електричних та магнітних величин є одна основна одиниця – ампер (А). Через ампер і одиницю потужності - ват (Вт), єдину для електричних, магнітних, механічних та теплових величин, можна визначити всі інші електричні та магнітні одиниці. Однак на сьогоднішній день немає достатньо точних засобів відтворення ВАТ абсолютними методами. Тому електричні та магнітні одиниці ґрунтуються на одиницях сили струму та похідної від ампера одиниці ємності - фараду.
До похідних від ампера фізичних величин також належать:
§ одиниця електрорушійної сили (ЕРС) та електричної напруги - вольт (В);
§ одиниця частоти – герц (Гц);
§ одиниця електричного опору – ом (Ом);
§ одиниця індуктивності та взаємної індуктивності двох котушок - генрі (Гн).
У табл. 2 і 3 наведені похідні одиниці, що найбільш вживаються в телекомунікаційних системах та радіотехніці.
Таблиця 2. Похідні одиниці СІ
|
Величина |
||||
|
Найменування |
Розмірність |
Найменування |
Позначення |
|
|
міжнародне |
||||
|
Енергія, робота, кількість теплоти |
||||
|
Сила, вага |
||||
|
Потужність, потік енергії |
||||
|
Кількість електрики |
||||
|
Електрична напруга, електрорушійна сила (ЕРС), потенціал |
||||
|
Електрична ємність |
L -2 M -1 T 4 I 2 |
|||
|
Електрична провідність |
L -2 M -1 T 3 I 2 |
|||
|
Магнітна індукція |
||||
|
Потік магнітної індукції |
||||
|
Індуктивність, взаємна індуктивність |
Таблиця 3. Одиниці СІ, що застосовуються на практиці вимірювань
|
Величина |
||||
|
Найменування |
Розмірність |
Одиниця виміру |
Позначення |
|
|
міжнародне |
||||
|
Щільність електричного струму |
ампер на кв. |
|||
|
Напруженість електричного поля |
вольт на метр |
|||
|
Абсолютна діелектрична проникність |
L 3 M -1 T 4 I 2 |
фарад на метр |
||
|
Питомий електричний опір |
ом на метр |
|||
|
Повна потужність електричного ланцюга |
вольт-ампер |
|||
|
Реактивна потужність електричного ланцюга |
||||
|
Напруженість магнітного поля |
ампер на метр |
Скорочені позначення одиниць як міжнародних, і російських, названих на честь великих учених, пишуться з великих літер, наприклад ампер - А; ом - Ом; вольт – В; фарад – Ф. Для порівняння: метр – м, секунда – с, кілограм – кг.
На практиці застосування цілих одиниць не завжди зручне, тому що в результаті вимірювань набувають дуже великі або дуже малі їх значення. Тому в системі СІ встановлено її десяткові кратні та подільні одиниці, які утворюються за допомогою множників. Кратні та подільні одиниці величин пишуться разом з найменуванням основної або похідної одиниці: кілометр (км), мілівольт (мВ); мегаом (МОм).
Кратна одиниця фізичної величини- одиниця, велика в ціле число разів системної, наприклад, кілогерц (10 3 Гц). Частка одиниця фізичної величини- одиниця, менша в ціле число разів системної, наприклад, мікрогенрі (10 -6 Гн).
Найменування кратних та дольних одиниць системи СІ містять ряд приставок, що відповідають множникам (табл. 4).
Таблиця 4. Множники та приставки для утворення десяткових кратних та дольних одиниць СІ
|
Множник |
Приставка |
Позначення приставки |
|
|
міжнародне |
|||
Поняття фізичної величини - загальне у фізиці та метрології та застосовується для опису матеріальних систем об'єктів.
Фізична величинаяк зазначалося вище, - це характеристика, загальна якісно для безлічі об'єктів, процесів, явищ, а кількісному - індивідуальна кожному за них. Наприклад, всі тіла мають власну масу і температуру, але числові значення цих параметрів для різних тіл різні. Кількісний зміст цієї властивості в об'єкті є розміром фізичної величини, числову оцінку її розмірів називають значенням фізичної величини.
Фізична величина, що виражає те саме в якісному відношенні властивість, називається однорідної (одноіменної ).
Основне завдання вимірювань - отримання інформації про значення фізичної величини у вигляді деякої кількості прийнятих для неї одиниць.
Значення фізичних величин поділяються на справжні та дійсні.
Справжнє значення - це значення, що ідеально відображає якісно і кількісно відповідні властивості об'єкта.
Справжнє значення - Це значення, знайдене експериментально і настільки наближене до істинного, що може бути прийнято замість нього.
Фізичні величини класифікують за низкою ознак. Розрізняють такі класифікації:
1) стосовно сигналів вимірювальної інформації фізичні величини бувають: активні - величини, які без використання допоміжних джерел енергії можуть бути перетворені на сигнал вимірювальної інформації; пасив ні - величини, що потребують використання допоміжних джерел енергії, за допомогою яких створюється сигнал вимірювальної інформації;
2) за ознакою адитивності фізичні величини поділяються на: адитивні , або екстенсивні, які можна вимірювати частинами, а також точно відтворювати за допомогою багатозначного заходу, заснованого на підсумовуванні розмірів окремих заходів; не адитивні, або інтенсивні, які безпосередньо не вимірюються, а перетворюються на вимір величини або вимір шляхом непрямих вимірів. (Адитивність (лат. additivus - додається) - властивість величин, що полягає в тому, що значення величини, що відповідає цілому об'єкту, дорівнює сумі значень величин, що відповідають його частинам).
Еволюція розвиткусистем фізичних одиниць.
Метрична система заходів- перша система одиниць фізичних величин
була прийнята в 1791 Національними зборами Франції. Вона включала в себе одиниці довжини, площі, обсягу, місткості та ваги , в основу яких було покладено дві одиниці - метр та кілограм . Вона відрізнялася від системи одиниць, яка використовується зараз, і ще не була системою одиниць у сучасному розумінні.
Абсолютна системаодиниць фізичних величин.
Методику побудови системи одиниць як сукупності основних та похідних одиниць розробив та запропонував у 1832 р. німецький математик К. Гаусс, назвавши її абсолютною системою. За основу він взяв три незалежні один від одного величини - масу, довжину, час .
За основні одиниці виміру цих величин він прийняв міліграм, міліметр, секунду , припускаючи, що інші одиниці можна визначити з допомогою.
Пізніше з'явився ряд систем одиниць фізичних величин, побудованих за принципом, запропонованим Гаусом, і базуються на метричній системізаходів, але які різняться основними одиницями.
Відповідно до запропонованого принципу Гауса основними системами одиниць фізичних величин є:
Система СГС, В якій основними одиницями є сантиметр як одиниця довжини, грам як одиниця маси та секунда як одиниця часу; було встановлено 1881 р.;
Система МКГСС. Застосування кілограма як одиниці ваги, а пізніше як одиниці сили взагалі призвело наприкінці ХІХ ст. до формування системи одиниць фізичних величин з трьома основними одиницями: метр – одиниця довжини, кілограм – сила – одиниця сили, секунда – одиниця часу;
5. Система МКСА- Основними одиницями є метр, кілограм, секунда та ампер. Основи цієї системи запропонував у 1901 р. італійський вчений Дж. Джорджі.
Міжнародні відносини у сфері науки і економіки вимагали уніфікації одиниць виміру, створення єдиної системи одиниць фізичних величин, що охоплює різні галузі вимірів і що зберігає принцип когерентності, тобто. рівність одиниці коефіцієнта пропорційності у рівняннях зв'язку між фізичними величинами.
СистемаСІ. У 1954 р. комісія з розробки єдиної міжнародної
системи одиниць запропонувала проект системи одиниць, який був затверджений у 1960 р. XI Генеральною конференцією з мір і ваг. Міжнародна система одиниць (скорочено СІ) свою назву взяла від початкових букв французького найменування Система Інтернешнл.
Міжнародна система одиниць (СІ) включає сім основних (табл. 1), дві додаткові і ряд позасистемних одиниць вимірювання.
Таблиця 1 – Міжнародна система одиниць
|
Фізичні величини, які мають офіційно затверджений стандарт |
Одиниця виміру |
Скорочене позначення одиниці фізичної величини |
|
|
міжнародне |
|||
|
кілограм | |||
|
Сила електричного струму | |||
|
Температура | |||
|
Одиниця освітленості | |||
|
Кількість речовини | |||
Джерело: Тюрін Н.І.Введення у метрологію. М: Видавництво стандартів, 1985.
Основні одиниці вимірюванняфізичних величин відповідно до рішень Генеральної конференції щодо заходів та ваг визначаються таким чином:
метр - довжина шляху, який проходить світло у вакуумі за 1/299792458 частку секунди;
кілограм дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма;
секунда дорівнює 9192631770 періодів випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома Сs 133 ;
ампер дорівнює силі незмінного струму, який при проходженні двома паралельним прямолінійним провідникам нескінченної довжини і мізерно малої площі кругового перерізу, розташованим на відстані 1 м один від одного у вакуумі, викликає на кожній ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії;
кандела дорівнює силі світла в заданому напрямку джерела, що випромінює іонохоронні випромінювання, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/ср;
кельвін дорівнює 1/273,16 частини термодинамічної температури потрійної точки води;
моль дорівнює кількості речовини системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки міститься атомів С 12 масою 0,012 кг 2 .
Додаткові одиниці Міжнародної системи одиниць для вимірювання плоского та тілесного кутів:
радіан (рад) - плоский кут між двома радіусами кола, дуга між якими по довжині дорівнює радіусу. У градусному обчисленні радіан дорівнює 57 ° 17 "48" 3;
стерадіан (СР) - тілесний кут, вершина якого розташована в центрі сфери і який вирізує на поверхні сфери площу, рівну площі квадрата зі стороною, по довжині рівної радіусу сфери.
Додаткові одиниці СІ застосовуються для утворення одиниць кутової швидкості, кутового прискорення та деяких інших величин. Радіан і стерадіан використовуються для теоретичних побудов та розрахунків, оскільки більшість важливих для практики значень кутів у радіанах виражаються трансцендентними числами.
Позасистемні одиниці:
За логарифмічну одиницю прийнято десяту частку біла - децибел (дБ);
Діоптрія – сила світла для оптичних приладів;
Реактивна потужність-вар (ВА);
Астрономічна одиниця (а.е.) – 149,6 млн км;
Світловий рік – відстань, яка проходить промінь світла за 1 рік;
Місткість – літр (л);
Площа – гектар (га).
Логарифмічні одиниці поділяються на абсолютні,які являють собою десятковий логарифм відношення фізичної величини до нормованого значення, та відносні,відносини будь-яких двох однорідних (одноіменних) величин, що утворюються як десятковий логарифм.
До одиниць, які не входять до СІ, відносяться градус і хвилина. Інші одиниці є похідними.
Похідні одиниці СІутворюються за допомогою найпростіших рівнянь, що пов'язують величини і в яких числові коефіцієнти дорівнюють одиниці. При цьому похідна одиниця називається когерентної.
Розмірність є якісним відображенням вимірюваних величин. Значення величини набувають в результаті її вимірювання або обчислення відповідно до основним рівнянням звимірювання:Q = q * [ Q]
де Q - значення величини; q- числове значення вимірюваної величини умовних одиницях; [Q] - обрана для виміру одиниця.
Якщо в визначальне рівняння входить числовий коефіцієнт, то для утворення похідної одиниці в праву частину рівняння слід підставляти такі числові значення вихідних величин, щоб числове значення похідної одиниці, що визначається, дорівнювало одиниці.
(Наприклад, за одиницю вимірювання маси рідини прийнятий 1мл.,тому на упаковці позначається: 250мл., 750 і т.д., але якщо за од. вимірювання прийняти 1л., тоді та кількість рідини буде позначено 0,25л. , 075л.
Як один із способів утворення кратних та дольних одиниць використовується десяткова кратність між великими та меншими одиницями, прийнята в метричній системі заходів. У табл. 1.2 наводяться множники та приставки для утворення десяткових кратних та дольних одиниць та їх найменування.
Таблиця 2 - Множники та приставки для утворення десяткових кратних та дольних одиниць та їх найменування
|
Множник |
Приставка |
Позначення приставки |
|
|
міжнародне |
|||
(Ексабайт - одиниця вимірювання кількості інформації, що дорівнює 1018 або 260 байтам. 1 ЕеВ (ексаелектронвольт) = 1018 електронвольт = 0.1602 джоуля)
Слід враховувати, що при утворенні кратних та дольних одиниць площі та об'єму за допомогою приставок може виникнути подвійність прочитання залежно від того, куди додається приставка. Наприклад, 1 м 2 можна використовувати як 1 квадратний метр і як 100 квадратних сантиметрів, що далеко не одне й те саме, тому що 1 квадратний метрце 10000 квадратних сантиметрів.
Згідно з міжнародними правилами, кратні та подільні одиниці площі та обсягу слід утворювати, приєднуючи приставки до вихідних одиниць. Ступені відносяться до тих одиниць, що отримані в результаті приєднання приставок. Наприклад, 1 км 2 = 1 (км) 2 = (10 3 м) 2 = 10 6 м 2 .
Для забезпечення єдності вимірів необхідна тотожність одиниць, у яких проградуйовані всі засоби вимірів однієї й тієї ж фізичної величини. Єдність вимірів досягається зберіганням, точним відтворенням встановлених одиниць фізичних величин та передачею їх розмірів всім робочим засобам вимірів за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірів.
Еталон - засіб виміру, що забезпечує зберігання та відтворення узаконеної одиниці фізичної величини, а також передачу її розміру іншим засобам виміру.
Створення, зберігання та застосування еталонів, контроль їхнього стану підпорядковуються єдиним правилам, встановленим ГОСТ «ГСИ. Еталони одиниць фізичних величин. Порядок розробки, затвердження, реєстрації, зберігання та застосування».
За підпорядкованістю зразки поділяютьсяна первинні та вторинні та мають наступну класифікацію.
Первинний стандарт забезпечує зберігання, відтворення одиниці та передачу розмірів з найвищою в країні точністю, яка досягається в даній галузі вимірювань:
- спеціальні первинні зразки- призначені для відтворення одиниці в умовах, в яких пряма передача розміру одиниці від первинного еталона з необхідною точністю технічно неможлива, наприклад для малих і великих напруг, НВЧ та ВЧ. Їх стверджують як державні стандарти. Зважаючи на особливу важливість державних еталонів і надання їм сили закону за кожен державний еталон затверджується ГОСТ. Створює, затверджує, зберігає та застосовує державні зразки Державного комітету зі стандартів.
Вторинний стандарт відтворює одиницю в особливих умовахта замінює за цих умов первинний еталон. Він створюється і затверджується задля забезпечення найменшого зносу національного стандарту. Вторинні зразки своєю чергою діляться за призначенням:
Еталони-копії - призначені передачі розмірів одиниць робочим стандартам;
Еталони порівняння - призначені для перевірки безпеки національного зразка і заміни його у разі псування чи втрати;
Еталони-свідки - застосовуються для звірення еталонів, які з тих чи інших причин не можуть бути безпосередньо звіряються один з одним;
Робочі зразки - відтворюють одиницю від вторинних стандартів і є передачі обсягу стандарту нижчого розряду. Вторинні зразки створюють, стверджують, зберігають та застосовують міністерства та відомства.
Еталон одиниці - один засіб або комплекс засобів вимірювань, що забезпечують зберігання та відтворення одиниці з метою передачі її розміру засобам вимірювань, що стоять за перевірочною схемою, виконаних за особливою специфікацією та офіційно затверджених в установленому порядку як зразок.
Відтворення одиниць залежно від техніко-економічних вимог здійснюється двома способами:
- централізованим- за допомогою єдиного для всієї країни чи групи держав національного зразка. Централізовано відтворюються всі основні одиниці та більшість похідних;
- децентралізованим- застосуємо до похідних одиниць, розмір яких може передаватися прямим порівнянням з зразком і забезпечувати необхідну точність.
Стандартом встановлено багатоступінчастий порядок передачі розмірів одиниці фізичної величини від державного еталона всім робочим засобам виміру даної фізичної величини за допомогою вторинних еталонів та зразкових засобів вимірювання різних розрядів від найвищого першого до нижчих та від зразкових засобів до робітників.
Передача розміру здійснюється різними методами перевірки, переважно відомими методами вимірів. Передача розміру ступінчастим способом супроводжується втратою точності, проте багатоступінчастість дозволяє зберігати зразки та передавати розмір одиниці всім робочим засобам виміру.
Що означає виміряти фізичну величину? Що називають одиницею фізичної величини? Тут ви знайдете відповіді на ці важливі питання.
1. Дізнаємося, що називається фізичною величиною
З давніх-давен люди для більш точного опису яких-небудь подій, явищ, властивостей тіл і речовин використовують їх характеристики. Наприклад, порівнюючи тіла, які нас оточують, ми говоримо, що книга менша, ніж книжкова шафа, а кінь більший за кішку. Це означає, що об'єм коня більший за об'єм кішки, а об'єм книги менший за об'єм шафи.
Обсяг - приклад фізичної величини, яка характеризує загальну властивість тіл займати ту чи іншу частину простору (рис. 1.15 а). У цьому числове значення обсягу кожного з тіл індивідуально.
Мал. 1.15 Для характеристики властивості тіл займати ту чи іншу частину простору ми використовуємо фізичну величину об'єм (о, б), для характеристики руху – швидкість (б, в)
Загальна характеристика багатьох матеріальних об'єктів чи явищ, яка може набувати індивідуального значення для кожного з них, називається фізичною величиною.
Ще одним прикладом фізичної величини може бути відоме вам поняття «швидкість». Всі тіла, що рухаються, змінюють своє положення в просторі з плином часу, проте швидкість цієї зміни для кожного тіла різна (рис. 1.15, б, в). Так, літак за І з польоту встигає змінити своє становище у просторі на 250 м, автомобіль – на 25 м, людина – на I м, а черепаха – всього на кілька сантиметрів. Тому фізики і кажуть, що швидкість – це фізична величина, яка характеризує швидкість руху.
Неважко здогадатися, що обсяг і швидкість - це далеко не всі фізичні величини, якими оперує фізика. Маса, густина, сила, температура, тиск, напруга, освітленість - це лише мала частина тих фізичних величин, з якими ви познайомитеся, вивчаючи фізику.
2. З'ясовуємо, що означає виміряти фізичну величину
Щоб кількісно описати властивості будь-якого матеріального об'єкта чи фізичного явища, необхідно встановити значення фізичної величини, яка характеризує даний об'єкт чи явище.
Значення фізичних величин набувають шляхом вимірювань (рис. 1.16-1.19) або обчислень.
Мал. 1.16. "До відправлення поїзда залишилося 5 хвилин", - з хвилюванням вимірюєте ви час
Мал. 1.17 "Я купила кілограм яблук", - розповідає мама про свої виміри маси
Мал. 1.18. «Одягайся тепліше, сьогодні на вулиці прохолодніше»,- дбає про вас бабуся після вимірювання температури повітря на вулиці
Мал. 1.19. "У мене знову піднявся тиск", - скаржиться жінка після вимірювання кров'яного тиску
Виміряти фізичну величину означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю. 
Мал. 1.20 Якщо бабуся та онук вимірюватимуть відстань за кроки, то вони завжди отримуватимуть різні результати
Наведемо приклад з художньої літератури: «Пройшовши кроків триста берегом річки, маленький загін вступив під склепіння дрімучого лісу, звивистими стежками якого треба було мандрувати протягом десяти днів». (Ж. Верн «П'ятнадцятирічний капітан»)
Мал. 1.21.
Герої роману Ж. Верна вимірювали пройдений шлях, порівнюючи його з кроком, тобто одиницею виміру служив крок. Таких кроків виявилося триста. В результаті виміру було отримано числове значення (триста) фізичної величини (шляху) в обраних одиницях (кроках).
Очевидно, що вибір такої одиниці не дозволяє порівнювати результати вимірів, отримані різними людьми, оскільки довжина кроку в усіх різна (рис. 1.20). Тому заради зручності та точності люди давним-давно почали домовлятися про те, щоб вимірювати ту саму фізичну величину однаковими одиницями. Нині у більшості країн світу діє прийнята у 1960 році Міжнародна система одиниць виміру, яка зветься «Система Інтернаціональна» (СІ) (рис. 1.21).
У цій системі одиницею довжини є метр (м), часу – секунда (с); об'єм вимірюється в метрах кубічних (м3), а швидкість - в метрах за секунду (м/с). Про решту одиниць СІ ви дізнаєтеся пізніше.
3. Згадуємо кратні та подовжні одиниці
З курсу математики ви знаєте, що з скорочення записи великих і малих значень різних величин користуються кратними і дольными одиницями.
Кратні одиниці - це одиниці, які більші за основні одиниці в 10, 100, 1000 і більше разів. Дольні одиниці - це одиниці, які менші за основні в 10, 100, 1000 і більше разів.
Для запису кратних та дольних одиниць використовують приставки. Наприклад, одиниці довжини, кратні одному метру, це кілометр (1000 м), декаметр (10 м).
Одиниці довжини, дольные одному метру,- це дециметр (0,1 м), сантиметр (0,01 м), мікрометр (0,000001 м) тощо.
У таблиці наведені найчастіше вживані приставки.
4. Знайомимося із вимірювальними приладами
Вимір фізичних величин вчені проводять за допомогою вимірювальних приладів. Найпростіші з них – лінійка, рулетка – служать для вимірювання відстані та лінійних розмірів тіла. Вам також добре відомі такі вимірювальні прилади, як годинник - прилад для вимірювання часу, транспортир - прилад для вимірювання кутів на площині, термометр - прилад для вимірювання температури та деякі інші (рис. 1.22, с. 20). З багатьма вимірювальними приладами вам ще доведеться познайомитися.
Більшість вимірювальних приладів мають шкалу, що забезпечує можливість виміру. Крім шкали, на приладі вказують одиниці, у яких виражається виміряна цим приладом величина*.
За шкалою можна встановити дві найважливіші характеристики приладу: межі виміру та ціну поділу.
Межі виміру- це найбільше і найменше значенняфізичної величини, які можна виміряти цим приладом.
В наші дні широко використовуються електронні вимірювальні прилади, у яких значення виміряних величин висвічується на екрані у вигляді цифр. Межі виміру та одиниці визначаються за паспортом приладу або встановлюються спеціальним перемикачем на панелі приладу.
Мал. 1.22. Вимірювальні прилади
Ціна розподілу- Це значення найменшого розподілу шкали вимірювального приладу.
Наприклад, верхня межа вимірювань медичного термометра (рис. 1.23) дорівнює 42 °С, нижня - 34 °С, а ціна поділу шкали цього термометра становить 0,1 °С.
Нагадуємо: щоб визначити ціну поділу шкали будь-якого приладу, необхідно різницю двох будь-яких значень величин, вказаних на шкалі, розділити на кількість поділів між ними.
Мал. 1.23. Медичний термометр
- Підбиваємо підсумки
Загальна характеристика матеріальних об'єктів або явищ, яка може набувати індивідуального значення для кожного з них, називається фізичною величиною.
Виміряти фізичну величину означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю.
В результаті вимірів ми отримуємо значення фізичних величин.
Говорячи про значення фізичної величини, слід зазначити її числове значення та одиницю.
Для виміру фізичних величин користуються вимірювальними приладами.
Для скорочення запису числових значень великих та малих фізичних величин використовують кратні та подільні одиниці. Вони утворюються за допомогою приставок.
- Контрольні питання
1. Дайте визначення фізичної величини. Як ви його знаєте?
2. Що означає виміряти фізичну величину?
3. Що розуміють під значенням фізичної величини?
4. Назвіть усі фізичні величини, згадані уривку з роману Ж. Верна, наведеному у тексті параграфа. Яке їх числове значення? одиниці виміру?
5. За допомогою яких приставок утворюються часткові одиниці? кратні одиниці?
6. Які характеристики пристрою можна встановити за допомогою шкали?
7. Що називають ціною розподілу?
- Вправи
1. Назвіть відомі вам фізичні величини. Вкажіть одиниці цих величин. Якими приладами їх вимірюють?
2. На рис. 1.22 зображено деякі вимірювальні прилади. Чи можна, використовуючи лише малюнок, визначити ціну розподілу шкал цих приладів. Відповідь обґрунтуйте.
3. Виразіть у метрах такі значення фізичної величини: 145 мм; 1,5 км; 2 км. 32 м.
4. Запишіть за допомогою кратних або дольних одиниць такі значення фізичних величин: 0,0000075 м - діаметр червоних кров'яних тілець; 5900000000000 м - радіус орбіти планети Плутон; 6400000 м - радіус планети Земля.
5 Визначте межі вимірювання та ціну поділу шкал приладів, які є у вас вдома.
6. Згадайте визначення фізичної величини та доведіть, що довжина – це фізична величина.
- Фізика та техніка в Україні
Один із видатних фізиків сучасності - Лев Давидович Ландау (1908-1968) - продемонстрував свої здібності, ще навчаючись у середній школі. Після закінчення університету він стажувався у одного із творців квантової фізики Нільса Бора. Вже у 25-річному віці він очолив теоретичний відділ Українського фізико-технічного інституту та кафедру теоретичної фізики Харківського університету. Як і більшість видатних фізиків-теоретиків, Ландау мав надзвичайну широту наукових інтересів. Ядерна фізика, фізика плазми, теорія надплинності рідкого гелію, теорія надпровідності - у всі ці розділи фізики Ландау зробив значний внесок. За роботи з фізики низьких температурвін був удостоєний Нобелівської премії.
фізика. 7 клас: Підручник/Ф. Я. Божинова, Н. М. Кірюхін, Є. А. Кирюхіна. – X.: Видавництво «Ранок», 2007. – 192 с.: іл.
Зміст уроку конспект уроку та опорний каркас презентація уроку інтерактивні технології акселеративні методи навчання Практика тести, тестування онлайн завдання та вправи домашні завдання практикуми та тренінги питання для дискусій у класі Ілюстрації відео- та аудіоматеріали фотографії, картинки графіки, таблиці, схеми комікси, притчі, приказки, кросворди, анекдоти, приколи, цитати Додатки шпаргалки фішки для допитливих статті (МАН) література основна та додаткова словник термінів Удосконалення підручників та уроків виправлення помилок у підручнику заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів календарні плани навчальні програми методичні рекомендаціїВимірювання ґрунтуються на порівнянні однакових властивостей матеріальних об'єктів. Для властивостей, при кількісному порівнянні яких застосовуються фізичні методи, у метрології встановлено єдине узагальнене поняття – фізична величина. Фізична величина-властивість, загальна в якісному відношенні багатьом фізичним об'єктам, але в кількісному відношенні індивідуальна для кожного об'єкта, наприклад, довжина, маса, електропровідність і теплоємність тіл, тиск газу в посудині і т. п. Але запах не є фізичною величиною, оскільки він встановлюється за допомогою суб'єктивних відчуттів.
Мірою для кількісного порівняння однакових властивостей об'єктів служить одиниця фізичної величини -фізична величина, якій за згодою присвоєно числове значення, що дорівнює 1. Одиницям фізичних величин надається повне та скорочене символьне позначення - розмірність. Наприклад, маса – кілограм (кг), час – секунда (с), довжина – метр (м), сила – Ньютон (Н).
Значення фізичної величини -оцінка фізичної величини як деякого числа прийнятих нею одиниць - характеризує кількісну індивідуальність об'єктів. Наприклад, діаметр отвору – 0,5 мм, радіус земної кулі – 6378 км, швидкість бігуна – 8 м/с, швидкість світла – 3 10 5 м/с.
Вимірюваннямназивається знаходження значення фізичної величини за допомогою спеціальних технічних засобів. Наприклад, вимірювання діаметра валу штангенциркулем або мікрометром, температури рідини – термометром, тиску газу – манометром або вакуумметром. Значення фізичної величини х^,отримане при вимірі, визначають за формулою х^ = аі,де а-числове значення (розмір) фізичної величини; та - одиниця фізичної величини.
Оскільки значення фізичних величин знаходять дослідним шляхом, вони містять похибку вимірів. У зв'язку з цим розрізняють справжнє та дійсне значення фізичних величин. Справжнє значення -значення фізичної величини, яке ідеальним чином відображає в якісному та кількісному відношеннях відповідну властивість об'єкта. Воно є межею, до якої наближається значення фізичної величини із підвищенням точності вимірів.
Справжнє значення -значення фізичної величини, знайдене експериментальним шляхом і настільки наближається до справжнього значення, що для певної мети може бути використане замість нього. Це значення змінюється залежно від необхідної точності вимірів. При технічних вимірах значення фізичної величини, знайдене з припустимою похибкою, приймається дійсне значення.
Похибка вимірує відхилення результату вимірів від істинного значення вимірюваної величини. Абсолютною похибкоюназивають похибку вимірювання, виражену в одиницях вимірюваної величини: Ах = х^-х,де х-справжнє значення вимірюваної величини. Відносна похибка -відношення абсолютної похибки виміру до справжнього значення фізичної величини: 6 = Ах / х.Відносна похибка може бути виражена також у відсотках.
Оскільки справжнє значення виміру залишається невідомим, практично можна знайти лише наближену оцінку похибки виміру. При цьому замість істинного значення набувають дійсного значення фізичної величини, отримане при вимірах тієї ж величини з більш високою точністю. Наприклад, похибка вимірювання лінійних розмірів штангенциркулем становить ±0,1 мм,а мікрометром – ±0,004 мм.
Точність вимірів може бути виражена кількісно як обернена величина модуля відносної похибки. Наприклад, якщо похибка виміру ±0,01, то точність виміру дорівнює 100.
У науці та техніці використовуються одиниці виміру фізичних величин, що утворюють певні системи. В основу сукупності одиниць, яка встановлюється стандартом для обов'язкового застосування, покладено одиниці Міжнародної системи (СІ). У теоретичних розділах фізики широко використовуються одиниці систем СГС: СГСЕ, СГСМ та симетричної Гаусової системи СГС. Певне застосування знаходять також одиниці технічної системиМКГСС та деякі позасистемні одиниці.
Міжнародна система (СІ) побудована на 6 основних одиницях (метр, кілограм, секунда, кельвін, ампер, кандела) та 2 додаткових (радіан, стерадіан). В остаточній редакції проекту стандарту "Одиниці фізичних величин" наведено: одиниці системи СІ; одиниці, що допускаються до застосування нарівні з одиницями СІ, наприклад: тонна, хвилина, година, градус Цельсія, градус, хвилина, секунда, літр, кіловат-година, оборот за секунду, оборот за хвилину; одиниці системи СГС та інші одиниці, що застосовуються у теоретичних розділах фізики та астрономії: світловий рік, парсек, барн, електронвольт; одиниці, які тимчасово допускаються до застосування такі, як: ангстрем, кілограм-сила, кілограм-сила-метр, кілограм-сила на квадратний сантиметр, міліметр ртутного стовпа, кінська сила, калорія, кілокалорія, рентген, кюрі. Найважливіші з цих одиниць та співвідношення між ними наведено у табл.П1.
Скорочені позначення одиниць, наведені у таблицях, застосовуються лише після числового значення величини або у заголовках граф таблиць. Не можна застосовувати скорочені позначення замість повних найменувань одиниць у тексті без числового значення величин. При використанні як росіян, так і міжнародних позначеньодиниць використовується прямий шрифт; позначення (скорочені) одиниць, назви яких дано за іменами вчених (ньютон, паскаль, ват тощо) слід писати з великої літери(Н, Па, Вт); у позначеннях одиниць точку як знак скорочення не застосовують. Позначення одиниць, що входять до твору, поділяються точками як знаками множення; як знак розподілу застосовують зазвичай косу межу; якщо знаменник входить добуток одиниць, воно полягає у дужки.
Для утворення кратних та дольних одиниць використовуються десяткові приставки (див. табл. П2). Особливо рекомендується застосування приставок, що є ступенем числа 10 з показником, кратним трьом. Доцільно використовувати долеві та кратні одиниці, утворені від одиниць СІ та які призводять до числових значень, що лежать між 0,1 та 1000 (наприклад: 17 000 Па слід записати як 17 кПа).
Не допускається приєднання двох або більше приставок до однієї одиниці (наприклад: 10 –9 м слід записати як 1 нм). Для утворення одиниць маси приставку приєднують до основного найменування "грам" (наприклад: 10 -6 кг = = 10 -3 г = 1 мг). Якщо складне найменування вихідної одиниці є твір або дріб, то приставку приєднують до найменування першої одиниці (наприклад кН∙м). У необхідних випадках допускається в знаменнику застосовувати долеві одиниці довжини, площі та обсягу (наприклад, В/см).
У табл.П3 наведено основні фізичні та астрономічні постійні.
Таблиця П1
ОДИНИЦІ ВИМІРЮВАННЯ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН У СИСТЕМІ СІ
ТА ЇХ СПІВДІЛЕННЯ З ІНШИМИ ОДИНИЦЯМИ
| Найменування величин | Одиниці виміру | Скорочене позначення | Розмір | Коефіцієнт для приведення до одиниць СІ | ||
| СГС | МКГСС та позасистемні одиниці | |||||
| Основні одиниці | ||||||
| Довжина | метр | м | 1 см = 10 -2 м | 1 Å=10 –10 м 1 св.год=9,46×10 15 м | ||
| Маса | кілогам | кг | 1г = 10 -3 кг | |||
| Час | секунда | з | 1 год = 3600 з 1 хв = 60 с | |||
| Температура | кельвін | До | 1 0 С=1 К | |||
| Сила струму | ампер | А | 1 СГСЕ I = =1/3×10 -9 А 1 СГСМ I =10 А | |||
| Сила світла | кандела | кд | ||||
| Додаткові одиниці | ||||||
| Плоский кут | радіан | радий | 1 0 =p/180 рад 1¢=p/108×10 –2 рад 1²=p/648×10 –3 рад | |||
| Тілесний кут | стерадіан | ср | Повний тілесний кут = 4p порівн. | |||
| Похідні одиниці | ||||||
| Частота | герц | Гц | з -1 | |||
Продовження табл.
| Кутова швидкість | радіан за секунду | радий/с | з -1 | 1 об/с=2p рад/с 1об/хв==0,105 рад/с | |
| Об'єм | кубічний метр | м 3 | м 3 | 1см 2 = 10 -6 м 3 | 1 л = 10 -3 м 3 |
| Швидкість | метр за секунду | м/с | м×с –1 | 1см/с=10 -2 м/с | 1км/год=0,278 м/с |
| Щільність | кілограм на кубічний метр | кг/м 3 | кг×м -3 | 1г/см 3 = =10 3 кг/м 3 | |
| Сила | Ньютон | Н | кг×м×с –2 | 1 дин = 10 -5 Н | 1 кг = 9,81Н |
| Робота, енергія, кількість тепла | джоуль | Дж (Н×м) | кг×м 2 ×с –2 | 1 ерг=10 -7 Дж | 1 кгс×м=9,81 Дж 1 еВ=1,6×10 –19 Дж 1 кВт×год=3,6×10 6 Дж 1 кал=4,19 Дж 1 ккал=4,19×10 3 Дж |
| Потужність | ват | Вт (Дж/с) | кг×м 2 ×с –3 | 1ерг/с = 10 -7 Вт | 1л.с. = 735Вт |
| Тиск | паскаль | Па (Н/м 2) | кг∙м –1 ∙с –2 | 1дин/см 2 =0,1Па | 1 ат=1 кгс/см 2 = =0,981∙10 5 Па 1мм.рт.ст.=133 Па 1атм= =760 мм.рт.ст.= =1,013∙10 5 Па |
| Момент сили | ньютон-метр | Н∙м | кгм 2 ×с -2 | 1 дин×см= =10 -7 Н×м | 1 кгс×м=9,81 Н×м |
| Момент інерції | кілограм-метр у квадраті | кг×м 2 | кг×м 2 | 1 г×см 2 = =10 -7 кг×м 2 | |
| Динамічна в'язкість | паскаль-секунда | Па×с | кг×м –1 ×с –1 | 1П/пуаз/= =0,1Па×с |
Продовження табл.
| Кінематична в'язкість | квадратний метр на секунду | м 2 /с | м 2 ×с -1 | 1Ст/стокс/= =10 -4 м 2 /с | |
| Теплоємність системи | джоуль на кельвін | Дж/К | кг×м 2 х с –2 ×К –1 | 1 кал/0 С=4,19 Дж/К | |
| Питома теплоємність | джоуль на кілограм-кельвін | Дж/(кг×К) | м 2 ×с –2 ×К –1 | 1 ккал/(кг× 0 С)= =4,19×10 3 Дж/(кг×К) | |
| Електричний заряд | кулон | Кл | А×с | 1СГСЕ q = =1/3×10 -9 Кл 1СГСМ q = =10 Кл | |
| Потенціал, електрична напруга | вольт | В (Вт/А) | кг×м 2 х с –3 ×А –1 | 1СГСЕ u = =300 В 1СГСМ u = =10 -8 В | |
| Напруженість електричного поля | вольт на метр | В/м | кг×м х х з –3 ×А –1 | 1 СГСЕ Е = =3×10 4 В/м | |
| Електричне зміщення (електрична індукція) | кулон на квадратний метр | Кл/м2 | м -2 × с × А | 1СГСЕ D = =1/12p х х 10 -5 Кл/м 2 | |
| Електричний опір | ом | Ом (В/А) | кг×м 2 ×с -3 х х А -2 | 1СГСЕ R = 9×10 11 Ом 1СГСМ R = 10 -9 Ом | |
| Електрична ємність | фарад | Ф (Кл/В) | кг -1 × м -2 х з 4 × А 2 | 1СГСЕ С = 1 см = = 1/9 × 10 -11 Ф |
Закінчення табл.
| Магнітний потік | вебер | Вб (В×с) | кг×м 2 ×с -2 х х А -1 | 1СГСМ ф = =1 Мкс (максвел) = =10 -8 Вб | |
| Магнітна індукція | тесла | Тл (Вб/м2) | кг×с –2 ×А –1 | 1СГСМ В = =1 Гс(гаус)= =10 -4 Тл | |
| Напруженість магнітного поля | ампер на метр | А/м | м -1 ×А | 1СГСМ Н = =1Е(ерстед)= =1/4p×10 3 А/м | |
| Магніторушійна сила | ампер | А | А | 1СГСМ Fm | |
| Індуктивність | генрі | Гн (Вб/А) | кг×м 2 х с –2 ×А –2 | 1СГСМ L = 1 см = = 10 -9 Гн | |
| Світловий потік | люмен | лм | кд | ||
| Яскравість | кандела на квадратний метр | кд/м 2 | м -2 ×кд | ||
| Освітленість | люкс | лк | м -2 ×кд |