Фізика. Повторне видання. 7 клас. Бар’яхтар

§ 4. Фізичні величини. Вимірювання фізичних величин

Як ви вважаєте, наскільки часто люди виконують вимірювання? Наскільки важливо вміти це робити правильно? Яких наслідків слід очікувати, якщо результати вимірювань будуть хибними? Щоб допомогти вам відповісти на ці запитання, нагадаємо кілька приладів, якими ви та ваша родина користуєтесь майже щоденно: годинник, ваги, термометр, спідометр, манометр... Сподіваємось, що ви переконалися в необхідності ретельно опрацювати цей параграф!

1. Визначаємо поняття «фізична величина»

Люди здавна для опису яких-небудь явищ або властивостей тіл використовують їхні характеристики. Наприклад, коли ми говоримо, що тенісна кулька менша за повітряну кулю, то маємо на увазі, що об’єм тенісної кульки менший від об’єму повітряної кулі. Об’єм — приклад фізичної величини. Ця величина характеризує загальну властивість тіл займати певну частину простору (рис. 4.1, а). Зрозуміло, що об’єми тіл можуть суттєво різнитися. Ще одним прикладом фізичної величини може слугувати вже відоме вам поняття швидкість руху, яке характеризує рух тіл (рис. 4.1, б).

Фізична величина — це кількісно виражена характеристика тіла або фізичного явища.

Зрозуміло, що об’єм і швидкість руху — це далеко не всі фізичні величини, якими оперує фізика. Навіть у повсякденному житті ми маємо справу з великою кількістю фізичних величин: довжина, площа, об’єм, маса, час, шлях, температура.

Яку фізичну величину вимірює людина в разі застуди?

Для зручності кожну фізичну величину позначають певним символом (буквою латинського або грецького алфавіту). Наприклад, об’єм позначають символом V, час — символом t, швидкість руху — символом v.

2. Дізнаємося про Міжнародну систему одиниць

У романі Жуля Верна «П’ятнадцятирічний капітан» є такий епізод: «Пройшовши кроків триста берегом річки, маленький загін ступив під склепіння дрімучого лісу, звивистими стежками якого їм треба було мандрувати...».

Проаналізуємо цей уривок і з’ясуємо, яку фізичну величину мав на увазі автор, чому дорівнює числове значення цієї величини та в яких одиницях була виміряна величина. Неважко встановити, що йдеться про фізичну величину шлях, числове значення якої становить триста, а одиницею шляху слугує один крок.

Рис. 4.1. Для характеристики властивості тіл займати ту чи іншу частину простору використовують фізичну величину об’єм (а); для характеристики руху тіл — швидкість руху (б)

Очевидно, що вибір кроку за одиницю шляху не може бути вдалим, адже довжина кроку в усіх є різною (рис. 4.2). Таким чином, зрозуміло, чому люди здавна почали домовлятися про те, щоб вимірювати одну й ту саму фізичну величину однаковими одиницями.

Зараз у більшості країн світу діє запроваджена в 1960 р. Міжнародна система одиниць, яку називають Система Інтернаціональна (CI) (рис. 4.3).

У CI одиницею довжини є метр (м), одиницею часу — секунда (с), об’єм вимірюється в метрах кубічних (м3), швидкість руху — у метрах за секунду (м/с). Про інші одиниці CI ви дізнаєтеся пізніше.

Записуючи значення фізичної величини, треба навести символ, яким вона позначається, числове значення фізичної величини та її одиницю. Наприклад, запис v = 5 м/с означає, що швидкість руху якогось тіла становить 5 метрів за секунду.

3. З’ясовуємо, чим кратні одиниці відрізняються від частинних

Для зручного запису великих і малих значень фізичних величин використовують кратні та частинні одиниці.

Кратні одиниці — це одиниці, які більші за основні одиниці в 10, 100, 1000 і більше разів.

Частинні одиниці — це одиниці, які менші від основних одиниць у 10, 100, 1000 і більше разів.

Назви кратних і частинних одиниць містять спеціальні префікси. Наприклад, кілометр (1000 м) — кратна одиниця довжини; сантиметр (0,01 м) — частинна одиниця довжини.

У таблиці, поданій на с. 27, наведено найуживаніші префікси.

Рис. 4.2. Якщо бабуся й онук вимірюватимуть відстань у кроках, то, зрозуміло, вони отримають різні результати

Рис. 4.3. Основні одиниці Міжнародної системи одиниць (CI)

Префікси для утворення назв кратних і частинних одиниць

Префікс

Значення в перекладі з грецької або латинської мови

Символ

Множник

тера...

чудовисько

Т

1 000 000 000 000

1012

гіга...

гігантський

Г

1 000 000 000

109

мега...

великий

М

1 000 000

106

кіло...

тисяча

к

1000

103

гекто...

сто

г

100

102

деци...

десять

д

0,1

10-1

санти...

сто

с

0,01

10-2

мілі...

тисяча

м

0,001

10-3

мікро...

малий

мк

0,000 001

10-6

нано...

карлик

н

0,000 000 001

10-9

4. Визначаємо, чим відрізняються прямі і непрямі вимірювання

Значення фізичних величин одержують шляхом вимірювань.

Згадайте приклад вимірювання, наведений у п. 2 цього параграфа. Автор, описуючи подорож загону берегом річки, за одиницю шляху обрав крок. Щоб подати числове значення (триста) шляху в кроках, йому необхідно було порівняти пройдену відстань із довжиною кроку.

Виміряти фізичну величину означає порівняти її з однорідною величиною, взятою за одиницю.

Існують два види вимірювань: прямі і непрямі вимірювання.

У разі прямого вимірювання шукане значення фізичної величини отримують відразу, за показом вимірювального приладу (рис. 4.4, 4.5).

Рис. 4.4. «У мене знову підвищився тиск»,— скаржиться жінка після вимірювання кров’яного тиску

Рис. 4.5. До відправлення потяга залишилося 2 хвилини — цей інтервал часу ви з хвилюванням визначаєте за допомогою годинника

У разі непрямого вимірювання шукане значення фізичної величини визначають за певною формулою, підставивши в цю формулу значення інших фізичних величин, отриманих у ході прямих вимірювань. Так, щоб визначити площу S прямокутника, спочатку за допомогою лінійки вимірюють довжину l і ширину d прямокутника (прямі вимірювання), а потім обчислюють його площу за формулою S = l • d.

Непрямі вимірювання яких величин ви виконували на уроках математики?

5. Знайомимося з вимірювальними приладами

Для встановлення значень фізичних величин у ході прямих вимірювань використовують вимірювальні прилади (рис. 4.6).

Зараз у науці, техніці та повсякденному житті застосовують як електронні цифрові вимірювальні прилади, в яких значення вимірюваної величини висвітлюється на екрані, так і вимірювальні прилади, під час користування якими значення вимірюваної величини користувач визначає за шкалою. Вимірювальний прилад зазвичай містить інформацію щодо одиниць, у яких подається значення вимірюваної цим приладом величини.

За шкалою можна встановити дві найважливіші характеристики вимірювального приладу: ціну поділки шкали приладу та межі вимірювання*.

Ціна поділки шкали вимірювального приладу — це значення найменшої поділки шкали цього приладу.

Щоб визначити ціну поділки шкали вимірювального приладу, необхідно різницю двох будь-яких найближчих значень величини, наведених на шкалі, поділити на кількість поділок між ними.

Рис. 4.6. Вимірювальні прилади: а — зі шкалою; б — електронні цифрові

* Межі вимірювання в електронних цифрових приладах визначають за паспортом приладу або встановлюють спеціальним перемикачем на панелі приладу.

Рис. 4.7. Медичний термометр

Визначимо ціну поділки шкали медичного термометра (рис. 4.7):

  • 1) оберемо два значення температури, які наведені на шкалі, наприклад 40 °С і 39 °С, і знайдемо їхню різницю: 40 °C - 39 °C = 1 °С;
  • 2) визначимо кількість поділок між рисками, поряд з якими вказані ці значення, — 10 поділок;
  • 3) отриману різницю поділимо на кількість поділок:

Отже, ціна поділки шкали цього термометра становить 0,1°C:

Межі вимірювання приладу — це найбільше та найменше значення фізичної величини, які можна виміряти цим приладом.

Так, верхня межа вимірювань медичного термометра на рис. 4.7 дорівнює 42 °С, нижня становить 34,1 °С.

Підбиваємо підсумки

Фізична величина — це кількісно виражена характеристика тіла або фізичного явища. Виміряти фізичну величину — це означає порівняти її з однорідною величиною, взятою за одиницю.

У результаті прямих вимірювань за допомогою вимірювальних приладів одержують значення фізичних величин. Записуючи значення фізичної величини, треба навести символ, яким вона позначається, числове значення фізичної величини та її одиницю. Для зручності записування великих і малих значень фізичних величин застосовують кратні та частинні одиниці, назви яких містять спеціальні префікси.

Ціна поділки шкали вимірювального приладу — це значення найменшої поділки шкали цього приладу. Межі вимірювання приладу — це найбільше та найменше значення фізичної величини, які можна виміряти цим приладом.

Контрольні запитання

1. Дайте означення фізичної величини. 2. Наведіть приклади фізичних величин. Які властивості тіл або які ознаки фізичних явищ вони характеризують? 3. Якими символами позначають: об’єм; швидкість руху; час руху тіла? 4. Що означає виміряти фізичну величину? 5. Наведіть приклади префіксів, які використовують у назвах частинних одиниць; кратних одиниць. 6. Наведіть приклади вимірювальних приладів. 7. Які характеристики приладу можна визначити за допомогою його шкали? 8. Що таке ціна поділки шкали приладу?

Вправа № 4

1. Подайте в метрах такі значення фізичних величин: 145 мм; 1,5 км; 2 км 32 м.

2. Назвіть фізичні величини, прилади для вимірювання яких зображено на рис. 1-3. Наведіть символи для позначення цих величин; їх одиниці в CI.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

3. Знайдіть межі вимірювання приладу, зображеного на рис. 4, визначте ціну поділки шкали цього приладу.

Рис. 4

4. Запишіть, використовуючи кратні або частинні одиниці: 0,0000075 м — діаметр червоних кров’яних тілець; 5 900 000 000 000 м — радіус орбіти карликової планети Плутон; 6 400 000 м — радіус планети Земля.

5. Баскетбольний майданчик, на якому проводять офіційні змагання, повинен мати довжину 28 м і ширину 15 м. Визначте площу баскетбольного майданчика. Відповідь подайте також у дм2 і см2.

6. Згадайте означення фізичної величини та доведіть, що довжина — це фізична величина.

7. Скористайтесь додатковими джерелами інформації та підготуйте повідомлення про вимірювальні прилади, з якими ви маєте справу в повсякденному житті.

Експериментальні завдання

1. Знайдіть у себе вдома 2-3 вимірювальні прилади, що мають шкалу. Визначте межі вимірювання та ціну поділки шкали кожного приладу.

2. Скориставшись наведеною нижче інформацією, визначте площу вашої долоні.

Площу фігури, яка має неправильну геометричну форму, можна визначити за контуром цієї фігури, намальованим на папері в клітинку, або за допомогою палетки (прозорої пластинки з нанесеною на ній сіткою квадратів певної площі). У таких випадках площу S фігури обчислюють за формулою:

де n — кількість цілих квадратів, k — кількість нецілих квадратів, S0 — площа одного квадрата. Наприклад, площа фігури на рисунку дорівнює:

3. Свого часу давньогрецький математик, фізик і механік Архімед запропонував спосіб вимірювання площі фігури, яка має неправильну геометричну форму, за допомогою точних терезів. Спробуйте відновити цей спосіб і пояснити його.

Фізика і техніка в Україні

Національна академія наук України (НАНУ) — найвища державна наукова установа України. Академію заснував у 1918 р. уряд гетьмана П. П. Скоропадського. Першим президентом Української академії наук (тогочасна назва НАНУ) був видатний український учений Володимир Іванович Вернадський.

НАНУ займається дослідженнями в галузях природничих, гуманітарних, суспільних і технічних наук. Найбільші досягнення Академії: здійснення штучної ядерної реакції; створення прискорювача заряджених частинок; нового типу радіолокатора; впровадження технології автоматичного зварювання; створення нових лікарських препаратів і методів лікування; розробка першої в континентальній Європі електронної обчислювальної машини (ЕОМ).

У різний час в НАНУ працювали багато видатних учених, сформувалося чимало наукових шкіл. Так, в усьому світі відомі українські школи електрозварювання Є. О. Патона та Б. Є. Патона, кібернетики С. О. Лебедева та В. М. Глушкова, теоретичної фізики Л. Д. Ландау, нелінійної механіки та статистичної фізики М. М. Боголюбова тощо.

ГДЗ до підручника можна знайти тут.