Физика

Урок 2: Физические измерения

Физические измерения

С давних пор человеку приходилось что-нибудь измерять и вычислять. Сначала люди ограничивались тем, что определяли: больше или меньше одно тело другого или они примерно равны. А как рассказать о размерах тела, если его нет перед глазами? Обложка урока взята с источника
slide9

Занятия с репетитором    ОНЛАЙН от 200 руб / час

Перейти

Бесплатный подбор репетитора на нашем сайте

Перейти slide8

План урока:

Измерить – значит сравнить

Числа «карлики» и числа «великаны»

Как измерить длину. Погрешности измерений

Площадь и ее измерение

Измерение объема. Мензурка

 

Измерить – значит, сравнить

На помощь человеку приходят числа, используя которые можно было сравнить предметы по величине. Так в одном известном мультфильме длину удава измеряли в «попугаях», сравнивая величину удава с длиной попугая.

1
Из мультфильма «38 попугаев». (Источник)

Длина удава 38 «попугаев». Понятно, что удав в 38 раз длиннее попугая. Но попугаи бывают разными. Если взять другого попугая, тот же удав будет, например, 45 «попугаев». Что делать?

Нужно найти тело, принимаемое за единицу измерения, с которой сравниваются другие тела.

В практической деятельности человеку приходится часто измерять длину, массу и время. В разных странах вводились разные единицы измерения этих величин. Существовали такие единицы, как «лошадиная сила», локоть, бочка. Но ведь и локоть, и бочка могут быть разными, поэтому о точности выполнения работы говорилось приблизительно.

2(Источник)

Сравнивать нужно только однородные физические величины. Длину тела нужно сравнивать с длиной другого тела, а массу тела – только с массой другого тела, принятого за единицу измерения. Так массу удава из мультфильма можно было сравнить с массой обезьянки. Удав имеет массу 195 «обезьянок». Что бы это значило?

Выход был найден, когда ввели систему единиц СИ. Чтобы измерить любую величину, нужно сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу. Как же выбирают эти единицы?

Наиболее распространено измерение длины, размеров пройденного пути, расстояния. Все эти величины измеряются в метрах. Один метр получили следующим образом. Взяли одну сорока миллионную часть меридиана, который проходит через столицу Франции – Париж. Длину этой части и приняли за 1 метр. На стержне, изготовленном из иридия и платины, нанесли два деления, расстояние между которыми равно одному метру. Такой сплав меньше всего подвержен температурному влиянию, которое может изменить длину тела. Это стержень и есть эталон длины, с которым сравнивают единицу длины во многих странах мира. Метровые линейки – это многочисленные копии эталона, которыми как раз и можно пользоваться.

 

Эталон длины

etalon
(Источник)

Первый эталон метра был изготовлен из латуни в 1795 г. С 1960 г. используется изготовленный с помощью электронных технологий эталон из сплава иридия и платины.  

Существует и эталон массы, равный одному килограмму. Он также изготовлен из сплава иридия и платины.

massa
(Источник)

Эталоны длины и массы хранятся в г. Севр, вблизи Парижа, где располагается Международная палата мер и весов. В 1960 году метр начали сравнивать с величинами, относящимися к разделу «Световые явления». Подробности о свете изучаются в старших классах.

Со светом связана и единица времени – 1 секунда. А до 1960 года (год введения СИ) за основу подсчета времени брали время оборота Земли вокруг Солнца – 1 год, который по календарю состоит из 12 месяцев. Месяцы делятся на сутки – время полного оборота Земли вокруг своей оси, сутки - 24 часа, в каждом из которых 60 минут. А одна шестидесятая часть минуты и есть одна секунда.

3(Источник)

Время «хранят» при помощи очень точных часов – устройств, предназначенных для измерения времени. Действие любых часов основано на повторяющихся процессах – колебаниях. Чем меньше период (время одного полного колебания), тем часы более точные.

     При изучении быстро протекающих процессов требуется измерять миллиардные и еще более мелкие доли секунды. Для этого служат атомные часы.

4(Источник)

Ученик седьмого класса, конечно же, умеет измерять длину и время, массу продуктов определяют продавцы с помощью весов.

По мере изучения физики будет идти знакомство с различными физическими величинами, способами и приборами их измерения. А сейчас надо знать:

  • чтобы измерить физическую величину, ее надо сравнить с однородной величиной, принятой за единицу;
  • за основу физических величин берутся эталонные значения, то есть образец сравнения.
  • для всех величин существуют свои способы, устройства и единицы измерения.

 

Числа «карлики» и числа «великаны»

123
Солнечная система. (Источник)                       Лапка мухи под микроскопом. (Источник)

Чтобы достать до Альфа Центавры, звезды, ближайшей к Солнечной системе, надо со скоростью света (300 000 км/с) лететь четыре года. Расстояния до небесных тел огромны.

7
К звездам. (Источник)

Если определить расстояние от Земли до Солнца, то оно выразится числом 150 000 000 000 м. А бывают числа с еще большим количеством нулей. Масса Земли в килограммах выражается числом с 24 нулями. Такие числа называют «гигантами». Их записывать и использовать очень неудобно.

Существует способ краткой записи больших чисел в виде степени. Например, 1 000 000 = 106. 10 – основание, а 6 – показатель степени.

Используя этот способ, расстояние от нашей планеты до Солнца запишется так:

150 000 000 000 = 15 ∙ 1010 м – это промежуток называется астрономической единицей (1 а.е.) и служит единицей сравнения в Солнечной системе.

До Альфа-Центавры расстояние в 270 000 а.е., или 4 световых года. Световой год – это тоже астрономическая единица измерения расстояния. Астрономия – наука о космосе и космических телах. (1 св. год = 9,46 ∙ 1015 м = 68 000а.е.).

8
Фото двойной звезды Альфа созвездия Центавра. (Источник)

Большие числа записываются при помощи кратных приставок. Например, километр – это тысяча метров, килограмм – тысяча граммов. Приставка «кило» обозначает «тысяча». Есть и другие приставки, которые обозначают умножение величины на число, кратное десяти. Примеры и форма записи даны в таблице кратных приставок.

table

Используя эти приставки можно записывать очень большие числа.

1 а.е. = 150 000 000 000 м = 150 ∙ 109 м = 150Гм;

1 св. год = 9 460 000 000 000 м = 9,46 ∙ 1012 м = 9,46 Тм;

А теперь о числах – «карликах». Если сделать попытку измерить толщину одного листа книги, то сразу это не получится. Надо действовать по простому плану:

  • отобрать в книге некоторое число страниц N (N = 100, например);
  • измерить толщину L этих страниц (пусть L = 11 мм);
  • найти толщину одной страницы d по формуле d = L/N.

Получится d = 0,11 мм = 0, 00011 м. Это число очень маленькое.

Такой способ измерения малых величин называется методом рядов. Он достаточно прост.

124
Размеры пшена. (Источник)                                     Толщина проволоки. (Источник)

Но существуют и гораздо меньшие величины. Маленькие числа, так называемые «карлики», также записывают при помощи степеней или дольных приставок. (С приставками деци, санти, милли знакомятся еще в начальной школе).

Число меньше единицы, поэтому показатель степени – отрицательное число. Оно показывает количество цифр после запятой. Например, 0, 00011 м = 11 ∙ 10-5 м.

Число 0,00000625 можно записать по-разному, применяя степень:

625 ∙ 10-8, 62,5 ∙ 10-7, 6,25 ∙ 10-6 и т. д.

Очень маленькие числа по-другому можно записывать, используя таблицу дольных приставок.

tab2

Например, при изготовлении сверхточных приборов (телескопов, микроскопов и др.), детали ошлифовываются до очень гладкой поверхности. Неровности должны быть меньше 2,5 ∙ 10-6 м или 2,5 мкм.

Большие и маленькие числа помогают человеку в различных отраслях деятельности: в науке, промышленности, медицине и т.д.

 

Как измерить длину. Погрешности измерений

На практике измерить длину отрезка достаточно просто:

line

  • Приложить линейку к отрезку.
  • Совместить ноль с началом отрезка.
  • Определить число, соответствующее концу отрезка.
  • Записать результат измерения.    

В приведенном примере длина отрезка 9,9 см. Как точен этот результат? Он точен до 1 мм, так как на линейке нет меньших делений. Не надо путать значения слов «штрих» и «деление».

10(Источник)

Численное значение самого маленького деления шкалы прибора называется ценой деления.

Чтобы определить цену деления прибора (например, линейки), нужно взять любые два рядом стоящие числа и их разность поделить на число делений между ними (т.е. промежутков между штрихами).

Цена деления линейки = (7 см – 6 см)/10 = 0,1 см = 1 мм.

delen
(Источник)

И чтобы начать измерение, прежде всего надо найти цену деления прибора, который используется в данном случае. Любое измерение дает некоторую погрешность, зависящую от качества прибора. Поэтому ее называют погрешностью прибора.

11
Шкалы различных приборов. (Источник)

Известно, что измерить какую-то величину – это значит сравнить ее с эталоном. На практике пользуются не эталонами, а специальными приборами (линейка, часы и др.), которые являются копиями с эталонов, изготовленными с определенной точностью. Абсолютно точных измерений не бывает. При использовании линейки допускается погрешность отсчета, которая равна половине цены деления прибора (0,5 мм). Сумма погрешностей прибора и отсчета называется абсолютной погрешностью. Она равна цене деления прибора.

Абсолютная погрешность обозначается значком Δ (дельта). Для школьной линейки Δ = 1 мм. Δ показывает, на сколько совершается ошибка при использовании того или иного прибора. Для более точных измерений используется штангенциркуль. В устройстве штангенциркуля заложено две шкалы, неподвижная (Δ = 1 мм) и подвижная (Δ = 0,1 мм).

                               125
Штангенциркуль. (Источник)                                        Микрометр. (Источник)

А вот при помощи микрометра, где используется не перемещение шкалы, а ее вращение измерить длину можно с точностью до 0,01 мм. Но это еще не предел. В очень точных технологиях определяются размеры с точностью до 10-7м, в научных разработках точность возрастает во много раз. Но для этого нужны сверхточные приборы.

На практике, используя приборы, необходимо учитывать качество измерения. Величина, которая помогает это учесть, называется относительной погрешностью σ (сигма) и выражается в процентах.

σ = Δ / L ( L – измеренная величина)

     Пример: Требуется замерить длину L отрезка различными приборами: 1) линейкой, 2) штангенциркулем и 3) микрометром. Длина отрезка получилась 55 мм. Какова относительная погрешность этих трех измерений?

 1) Δ1 = 1 мм, L = 55 ± 1 мм, σ1 = 1 мм / 55 мм ≈ 0,018 (1,8%);

   2) Δ2 = 0,1 мм, L = 55 ± 0,1 мм, σ2 = 0,1 мм / 55мм ≈ 0,0018 (0,18);

   3) Δ3 = 0,01 мм, L = 55 ± 0,01 мм, σ3 = 0,01 мм / 55мм ≈ 0,00018 (0,018%).

Как видно, более точный прибор (микрометр) дает меньший процент ошибки.

Для каждого конкретного измерения в технике, практической деятельности человека и в науке существует своя точность измерения, в соответствии с которой применяются измерительные приборы.

 

Площадь и ее измерение

С измерением длин очень тесно связано измерение площадей. Из математики известны формулы площадей квадрата и прямоугольника. У квадрата все стороны равны, поэтому достаточно измерить одну сторону, а у прямоугольника противоположные стороны равны, поэтому надо знать длину и ширину. Площадь обозначается буквой S, и формулы для расчета площадей следующие:

Sкв = a2, Sпр = а ∙ в. Единицей измерения площади является квадратный метр (м2).

Для измерения малых площадей применяются см2 и мм2, а большие площади – в км2. В сельском хозяйстве для измерения земельных участков используют внесистемные единицы: гектар (га) – для больших, ар (а) или «сотка» - для небольших (приусадебных или дачных) участков земли. 1га = 10 000 м2, 1 а = 100 м2.

Очень часто на практике имеют дело с различными кругами. Это может быть цирковая арена, крышка стола, разрез ствола дерева. Формула нахождения площади круга: S = πR2. (π (пи) – это бесконечная дробь ≈ 3,14 подробно изучается в курсе алгебры).

126
Арена цирка. (Источник)                 Круглый стол. (Источник)         Спил дерева. (Источник)

    

А как определить площадь, ограниченную произвольной кривой линией? Такая площадь может быть у озера, полянки в лесу, листочка с дерева.

list
(Источник)

Существует правило нахождения площади тел произвольной формы:

  • Разбить всю поверхность на равные квадраты с известной площадью.
  • Подсчитать количество целых квадратов.
  • Подсчитать число нецелых квадратов и поделить это число на два. (Это будет примерное количество целых квадратов).
  • Сложить результаты пунктов 2 и 3.
  • Умножить площадь одного квадрата на общее число целых квадратов.

Площадь больших территорий изображают в условном масштабе или фотографируют, применяют прием разбиения на квадраты и находят площадь фотографии. Используя масштаб вычисляют реальную площадь поверхности.

13(Источник)

Довольно часто площадь приходится находить в географии. Каждое государство, область, город имеют свои площади. В строительстве – любое здание имеет площадь, которую необходимо знать строителям. В сельском хозяйстве ведется постоянный учет площадей для посевных культур.

 

Измерение объема. Мензурка

При измерении пространства нужно перейти к трем измерениям, так как представление о пространстве дает объем. Известны формулы объемов параллелепипеда, куба, шара, цилиндра.

14(Источник)

Объем любого тела измеряется в кубических метрах (есть кратные и дольные единицы). Из математики известны формулы объемов:

Vпар = а ∙ в ∙ с (произведение длины, ширины и высоты),

Vк = а3 (а - ребро куба),

Vцил = π ∙ r2 ∙ h (r - радиус основания, h – высота цилиндра),

Vш = 4/3 π ∙ R3 (R – радиус шара).

О вычислении объемов более сложной, но правильной, формы рассказывается в старших классах. А как определить объем, например, камня, форма которого может быть самой различной? Для измерения объемов таких тел используется специальный и очень простой прибор, который называется мензурка (или измерительный цилиндр). Это стеклянный сосуд с делениями. При помощи этого цилиндра легко найти объемы сыпучих тел и жидкостей. Для этого достаточно их засыпать вещество или налить в мензурку жидкость и, зная цену деления, определить объем.

15(Источник)

На мензурке обычно ставится единица измерения в миллилитрах. Литр – это широко применяемая единица объема, равная одной тысячной кубического метра. 1 мл = 1 см3 = 10-6 м3.

Определить объем камня или любого другого тела неправильной формы с помощью мензурки можно при условии, что тело имеет размеры, позволяющие опустить его в мензурку.

16(Источник)

Налить в мензурку воду и зафиксировать ее объем. Прикрепить тело неправильной формы к нити. Осторожно опустить полностью в воду. Уровень воды поднимется ровно на столько, чему равен объем тела.

Пользуясь измерительным цилиндром, нельзя забывать, что это прибор, имеющий шкалу, а значит, результат получится с погрешностью.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Незнайка, герой произведения Носова Н. Н., путешествуя на Луну преодолел расстояние 384 000 км. Запишите это число в метрах, применяя краткую форму записи
1384 м.
2384 000 000 м.
3384 * 103 м.
43,84 * 108 м.
Ответить
4
Вопрос: 2
Какой прибор более точный?
1Микрометр
2Линейка
3Штангенциркуль
Ответить
1
Вопрос: 3
Под зерновыми культурами в фермерском хозяйстве занято 5,2 га. Выразите эту площадь в арах
152 а.
2520 а.
30,052 а.
45200 а.
Ответить
2
Вопрос: 4
Определите цену деления мензурки, если два соседних числа 200 мл и 250 мл разделяют 5 делений
150 мл.
25 мл.
310 мл.
42 мл.
Ответить
3
Вопрос: 5
В какой стране находится эталон массы?
1В России
2В Италии
3Во Франции
4В Германии
Ответить
3
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Незнайка, герой произведения Носова Н. Н., путешествуя на Луну преодолел расстояние 384 000 км. Запишите это число в метрах, применяя краткую форму записи
1) 384 м. 2) 384 000 000 м. 3) 384 * 103 м. 4) 3,84 * 108 м.
2 вопрос:

Какой прибор более точный?
1) Микрометр 2) Линейка 3) Штангенциркуль
3 вопрос:

Под зерновыми культурами в фермерском хозяйстве занято 5,2 га. Выразите эту площадь в арах
1) 52 а. 2) 520 а. 3) 0,052 а. 4) 5200 а.
4 вопрос:

Определите цену деления мензурки, если два соседних числа 200 мл и 250 мл разделяют 5 делений
1) 50 мл. 2) 5 мл. 3) 10 мл. 4) 2 мл.
5 вопрос:

В какой стране находится эталон массы?
1) В России 2) В Италии 3) Во Франции 4) В Германии
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: 3,84 * 108 м.
2 вопрос: Микрометр
3 вопрос: 520 а.
4 вопрос: 10 мл.
5 вопрос: Во Франции
slide9

Мы рекомендуем только    лучших РЕПЕТИТОРОВ

Перейти

Выбери своего репетитора    для онлайн-занятий сейчас

Перейти slide8