Фізика. 7 клас. Пшенічка

§ 4. Фізичні величини. Засоби вимірювання. Міжнародна система одиниць СІ

ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ

Мал. 4.1. Явище руху

Явища природи та властивості тіл у фізиці описують за допомогою термінів, наприклад: рух, траєкторія, стан спокою. Описуючи рух (мал. 4.1), можна вказати, куди рухається тіло (вперед, назад чи вгору), велике воно чи маленьке; рухається по прямій чи повертає (вліво чи вправо), а може, взагалі не рухається. Така характеристика руху є якісною.

Нас цікавлять і кількісні характеристики: з якою швидкістю рухався автомобіль, яку відстань він проїхав. Кількісною характеристикою тіла чи явища є фізична величина. Фізична величина описує певну властивість тіла або явища. Вона характеризується числовим значенням і одиницею вимірювання. Наприклад: автомобіль проїхав шлях 30 кілометрів. Скорочено можна записати так: S = 30 км.

Кожна фізична величина має свою назву та символ, яким вона позначається.

Щоб описати явище падіння тіла, можна застосувати такі фізичні величини, як маса тіла, висота, час падіння. Фізичні величини зазвичай позначають латинськими чи грецькими літерами. Масу тіла - літерою «m», висоту - літерою «h», час - літерою «t». Наприклад, якщо тіло масою 2 кілограми впало з висоти 5 метрів за одну секунду, то пишуть: m = 2 кг, h = 5 м, t = 1 с, вживаючи загальноприйняті скорочення: кг - кілограм, м - метр, с - секунда.

Якщо нас цікавить одиниця вимірювання фізичної величини, а не її числове значення, то цю величину пишуть у квадратних дужках. Наприклад, діаметр труби становить d = 3,2 см, а назва одиниці вимірювання (розмірність) записують так: [d] = см.

ДОСЛІД 4.1

Чому потрібно вимірювати

Накресліть на аркуші паперу горизонтальний відрізок. Потім проведіть ізсередини цього відрізка перпендикулярний до нього відрізок такої самої довжини «на око». Виміряйте довжину відрізків лінійкою, і ви пересвідчитеся, що вертикальний відрізок коротший. Ось чому потрібно проводити вимірювання.

ЗАСОБИ ВИМІРЮВАННЯ

Прямі вимірювання фізичних величин здійснюють за допомогою приладів. Довжину вимірюють лінійкою, час - годинником, масу - на терезах. Для визначення розмірів дуже малих тіл або великих відстаней використовують більш складні прилади. Виміряти фізичну величину означає порівняти її з певною мірою, яка є копією загальноприйнятого зразка-еталону. Еталонів небагато, і зберігаються вони в спеціальних метрологічних лабораторіях.

З ІСТОРІЇ НАУКИ

Для вимірювання часу використовували витікання або капання води в посудину з поділками чи пересипання піску - водяний або пісковий годинник (мал. 4.2). Рух Сонця на небі давав змогу вимірювати час за допомогою сонячного годинника (мал. 4.3). Такими годинниками люди користувалися кілька тисячоліть, проте вони мали суттєвий недолік - були досить неточними.

Нині з'явилися дуже точні кварцові годинники, які відраховують час у наручних годинниках, мобільному телефоні чи комп'ютері. Для потреб навігації й науки використовують атомні годинники, які «ходять» настільки точно, що помилка в одну секунду «набігає» за 500 000 років!

Мал. 4.2. Пісковий годинник

Мал. 4.3. Сонячний годинник

Для вимірювання довжини треба мати зразок, довжина якого відповідає загальноприйнятим одиницям вимірювання. Зараз це 1 м. Еталон (зразок) метра зберігається в метрологічних лабораторіях, головна з яких знаходиться у м. Севр (Франція).

Визначати довжину можна ще й іншими одиницями вимірювання - наприклад, канцелярськими скріпками або сірниками, - і сказати: мій зріст становить 80 скріпок чи 36 сірникових коробок. Проте в інших людей скріпки чи сірники можуть виявитись іншого розміру, що ускладнить обмін інформацією.

У давні часи так і було: користувалися футами (довжина ступні, 30 см), дюймами (довжина останньої фаланги великого пальця, приблизно 2,5 см), ярдами, п'ядями, сажнями, ліктями.

Ініціаторами переходу на метричну систему одиниць були французи. Згідно з домовленістю, один метр визначили як одну сорокамільйонну частину довжини меридіана, який проходить через Париж. Для визначення довжини меридіана достатньо було виміряти його частину, що пролягає від півдня Іспанії до півночі Норвегії. Розпочався цей процес у часи Великої французької революції. Днем народження метричної системи мір вважають 10 грудня 1799 р.

На території нашої країни метричну систему мір запроваджено спеціальним декретом 14 вересня 1918 р. Перехід на нові стандарти вимірювань пов'язаний зі зміною звичок, необхідністю перевидання довідників, переобладнанням метричних лабораторій, з перепідготовкою персоналу тощо. Усе це коштує досить дорого. Для США, наприклад, перехід на нові стандарти обійшовся в 11 млрд доларів.

МІЖНАРОДНА СИСТЕМА ОДИНИЦЬ ВИМІРЮВАННЯ - СІ

З потреб міжнародного співробітництва у 1960 році більшістю країн світу було підписано угоду про єдину для усіх Міжнародну систему одиниць вимірювання SI - Systeme International (українською мовою - СІ).

Мал. 4.4. Еталон метра зберігається в Міжнародному бюро мір і ваги в Парижі

Мал. 4.5. Еталон кілограма

У СІ є 7 основних одиниць вимірювання, які забезпечені відповідними еталонами. Решта одиниць вимірювання можуть бути виражені через основні одиниці. Для початку нам знадобляться три основні одиниці: метр, кілограм і секунда.

Еталон метра зображено на мал. 4.4. Це рейка певного профілю, довжина якої становить одну сорокамільйонну частину меридіану, що проходить через Париж. Перший еталон метра був виготовлений у Франції в 1795 році.

У 1983 році еталон довжини було змінено: тепер метр визначено як відстань, яку проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 долю секунди.

Еталон кілограма - циліндр з платино-іридієвого сплаву, висота якого дорівнює його діаметрові та становить 39 мм (мал. 4.5).

З еталоном секунди ви ознайомитеся в 11 класі.

Таблиця 4.1

Величина	Символ	Розмірність
		укр.	міжнар.
Довжина	l	м	m
Маса	m	кг	kg
Час	t	c	s
Площа	S	м2	m2
Об'єм	V	м3	m3
Швидкість	v	м/с	m/s

Площу в СІ вимірюють у м² (квадратні метри), об'єм - у м³ (кубічні метри).

У таблиці 4.1 одиниці площі, об'єму і швидкості є похідними, їх розмірності виводять від основних одиниць вимірювання.

У розрахунках використовують також кратні та частинні одиниці.

Кратні одиниці - це одиниці, більші від основних у 10, 100, 1000 і більше разів. Наприклад: 1 дм = 10 см = 10¹ см, 1 м = 100 см = 10² см, 1 км = 1000 м = 10³ м, 1 кг = 1000 г = 10³ г.

Частинні одиниці - це одиниці, менші від основних у 10, 100, 1000 і більше разів: 1 см = 0,01 м = 10^-2 м, 1 мм = 0,1 см = 10^-1 см.

З одиницями часу трохи інакше: 1 хв = 60 с, 1 год = 3600 с. Частинними є лише 1 мс (мілісекунда) = 0,001 с = 10^-3 с і 1 мкс (мікросекунда) = 0,000 001 с = 10^-6 с.

Для позначення кратних і частинних одиниць використовують префікси (табл. 4.2).

Таблиця 4.2

Префікси для позначень кратних і частинних одиниць

Кратність	Префікс		Позначення		Приклад
	українське	міжнародне	українське	міжнародне
102	гекто	hecto	г	h	5 гПа (гектопаскаль) = 500 Па
103	кіло	kilo	к	k	6 кг (кілограм.) = 6000 г
106	мега	mega	М	M	2 МДж (мегаджоуль) = 2 000 000 Дж
109	гіга	giga	Г	G	1 ГГц (гігагерц) = 1 000 000 000 Гц
Частка
10-1	деци	deci	д	d	дм - дециметр
10-2	санти	centi	с	с	см - сантиметр
10-3	мілі	milli	м	m	мл - мілілітр
10-6	мікро	micro	мк	μ	мкм - мікрометр, мікрон
10-9	нано	nano	н	n	нм - нанометр

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

• Фізичні величини кількісно описують певні властивості тіл і явищ.
• Фізичні величини мають назву, символ, числове значення й одиницю вимірювання.
• У міжнародній системі одиниць вимірювання (СІ) основні механічні одиниці вимірювання фізичних величин - це метр, кілограм і секунда.
• Виміряти певну фізичну величину означає порівняти її з мірою-еталоном.

ТВОРЧІ ЗАВДАННЯ

• 4.1. Які космічні явища чи об'єкти можна використовувати як дуже точний годинник? Підготуйте невеличке повідомлення на цю тему.
• 4.2. У якій послідовності відбуваються будь-які події? Напишіть невелике повідомлення на тему «Що таке час?»

ВПРАВА 4

• 1. Рух, відстань, час, траєкторія. Які з цих термінів є фізичними величинами, а які - поняттями?
• 2. Як характеризують фізичні величини?
• 3. З якою метою була створена Міжнародна система одиниць вимірювання СІ?
• 4. Навіщо потрібні еталони?
• 5. Назвіть відомі вам типи годинників. Який із них найточніше вимірює час?
• 6. В яких установах зберігаються еталони?
• 7. Чому потрібно проводити вимірювання?
• 8. Які одиниці вимірювання називають похідними?
• 9. Виразіть діаметр дводюймової труби в сантиметрах.
• 10. Виразіть 1/6 години в хвилинах.
• 11. Подайте в основних одиницях 245 мм, 3,5 км, 4 год, 8 хв.
• 12. Запишіть за допомогою кратних чи частинних одиниць такі значення фізичних величин: 6 400 000 м (радіус планети Земля); 3 844 000 000 м (середня відстань від Землі до Місяця); 0,0000003 (діаметр найменшої відомої бактерії мікоплазми).