§ 3. Физические величины. Измерение величин.

Мы уже знаем, что задача физики – изучать явления природы, описывать и устанавливать закономерности их протекания. Физические явления можно описывать как качественно, так и количественно.

Качественное описание явления предполагает словесное описание характера протекания явлений. Изучение физических явлений количественно означает описание их с помощью математических формул, графиков и таблиц.

Чтобы описать явления с помощью формул, необходимо ввести физические величины.

Физической величиной называется величина, характеризующая определенные свойства материи или физическое явление.

Для удобства каждая физическая величина стала обозначаться определенным символом, например, длина – l, масса – m, время -  или t.

Для того, чтобы дать полную характеристику физической величине, необходимо:

1. Указать физический смысл этой величины;

2. Ввести ее буквенное обозначение;

3. Показать, по какой формуле можно рассчитать эту величину;

4. Ввести единицы измерения этой величины;

5. Назвать прибор, с помощью которого эта величина измеряется.

Измерить физическую величину означает сравнить ее с эталоном этой величины.

Эталоны величин выбирались произвольно. У разных народов эти эталоны для разных величин были различными. Например, мерой длины у казахов были карыс (расстояние между раздвинутыми большим и средним пальцами, по-русски пядь), елi (ширина одного пальца), кулаш (расстояние между вытянутыми в сторону руками, по-русски сажень), русские пользовались такими мерами длины как пядь, локоть, аршин, сажень, верста, англичане использовали другие меры длины дюйм, фут, ярд, миля. Так же было и с другими физическими величинами, такими как масса, время, объем, площадь.

Самой древней известной мерой веса является бека египетской цивилизации (около 3800 г. до н.э.), найденная в городе Накад (Египет). Гири были цилиндрической формы с закругленными краями. Их масса составляла от 188,7 г. до 211,2 г.

Строители гробницы на северо-западе Европы (около 3500 г. до н.э.) пользовались особой мерой длины, равной 82,9 см.

С развитием торговли между государствами стали проявляться недостатки, связанные с тем, что в разных странах одни и те же величины измерялись по-разному. Было трудно перевести дюймы в пяди или в карысы. Возникшие неудобства было решено устранить введением всеобщих единиц измерения. В 1889 году по решению Международной конференции мер и весов в Париже в качестве основных единиц измерения были введены единица длины, единица массы и единица времени. Эти единицы были названы 1 метр (1 м), 1 килограмм (1 кг), 1 секунда (1с) соответственно. Для каждой из этих величин был установлен свой эталон.

В то время в качестве эталона длины (1м) была принята доля меридиана, проходящего через Париж. Затем был изготовлен образец метра - «архивный метр», который и является эталоном метра.

В качестве эталона массы (1 кг) взяли массу 1 литра химически чистой воды, взятой при 4^оС. Затем был изготовлен прототип эталона килограмма из сплава платины и иридия, имеющего форму цилиндра, диаметр и высота которого одинаковы и равны 32 мм.

За эталон времени (1 с) был принят промежуток времени, равный средних солнечных суток.

Для того, чтобы представить время существования жизни на Земле, воспользуемся таким сравнением. Если возраст системы Земля – Луна (4,45 миллиардов лет) приравнять к одному земному году, то первые люди появились примерно в 4 часа 15 мин 31 декабря, в Британию первые жители прибыли примерно в 23 часа 10 мин, а христианская вера возникла за 14 секунд до полуночи, а жизнь 120 –летнего человека уложилась бы в ¾ секунды.

При записи физических величин необходимо указывать единицы их измерения. Например, вода в чайнике закипела через 10 минут. Это записывается так:  = 10 мин. Если же записать в виде:  = 10, то запись теряет физический смысл, так как мы не узнаем, закипела вода через 10 часов, или 10 минут, или 10 секунд.

Если при измерении ширины стола ученик записал: l = 50, то никто из нас никогда не узнает, какова ширина стола на самом деле, так как мы не знаем в каких единицах были произведены измерения (в метрах, сантиметрах или миллиметрах).

Для удобства измерений и записи были введены дополнительные приставки к основной единице, как большие, так и меньшие основной единицы в десятичной системе.

Название приставки	Отношение к основной единице	Сокращенное обозначение
тера	1000000000000	Т
гига	1000000000	Г
мега	1000000	М
кило	1000	к
1
деци	0,1	д
санти	0,01	с
милли	0,001	м
микро	0,000001	мк
нано	0,000000001	н
пико	0,000000000001	п

Например, 1 м = 10 дм = 100 см = 1000 мм, в то же время 1 см = 0,01 м, а 1 мм = 0,001 м, а 1 км = 1000 м.

Первые приставки были введены в 1793-1795 годах во Франции. Было принято для кратных единиц наименования приставок брать из греческого языка, а для дольных – из латинского, например: кило…(от греч. сhilioi –тысяча), деци…(от лат.decem – десять), санти…(от лат. сentum – сто), милли…(от лат. mille – тысяча), мега…(от греч. megas – большой), гига…( от греч. gigas – великан), тера…(от греч. teras – огромный), микро…(от греч. micros – малый), нано…(от греч.nanos – карлик), пико…(от итал. piccolo – небольшой, мелкий), фемто…(от дат. femten – пятнадцать), атто…(от дат. atten – восемнадцать).

На современном этапе создана единая международная система единиц СИ (система интернациональная), в которой каждая физическая величина обозначена определенным символом и имеет конкретную единицу измерения. В системе СИ было введено 7 основных единиц измерения физических величин, которые были установлены Международным соглашением. С тремя из них вы уже знакомы, а с остальными познакомитесь в ходе изучения предмета физики. Остальные величины являются производными от них, так как выводятся по формулам.

Мы уже знаем, что измерить физическую величину – значит сравнить ее с эталоном. Измерение физических величин производят с помощью приборов. У каждого измерительного прибора есть шкала, на которой нанесены деления и цифры. Устройство каждого измерительного прибора индивидуально, так же как и его шкала, и цена деления шкалы.

Шкала – это метки с цифрами на приборе, вдоль которых перемещается указатель (стрелка, уровень жидкости, «световой зайчик» и т.д.). Вся шкала расчерчена штрихами и делениями. Деление – это не штрих, а промежуток между штрихами.

Ценой деления называется число указанных на приборе единиц измерения физической величины, приходящихся на одно деление шкалы.

Для того, чтобы определить цену деления необходимо найти разность между двумя соседними цифрами на шкале прибора и разделить ее на число делений между ними.

Рис.1.9

Рассмотрим в качестве примера измерительную ленту и школьную линейку (рис.1.9). Они являются простейшими приборами для измерения длины. На линейке и ленте нанесены деления, расположенные на строго определенном расстоянии друг от друга.

Найдем цену деления линейки и измерительной ленты. На линейке нанесены цифры 1, 2, 3 и т.д. Расстояние между соседними цифрами равно 1 см. Между цифрами 1 и 2, а так же между цифрами 2 и 3 нанесено по 10 делений. Тогда, цена одного деления шкалы линейки будет равна:

.

На измерительной ленте (рис.1.7) цифры те же: 1, 2, 3 и т.д., но между соседними цифрами только два деления. Следовательно, цена деления измерительной ленты равна:

.

Предлагаем вам самостоятельно определить цену деления ваших ручных часов и других измерительных приборов, имеющихся у вас дома.

Приведем пример использования школьной линейки для определения объема прямоугольного бруска (рис.1.10).

Из рисунка 1.10 видно, что штрих линейки при измерении длины бруска оказался между отметками шкалы 10,2 см и 10,3 см. Если измеряемая величина находится между метками шкалы, то нужно взять то значение шкалы, к которому измеряемая величина ближе.

Рис.1.10

На наш взгляд край бруска ближе к отметке 10,2 см. Его и принимаем за измеренную длину бруска. Таким же образом измеряем ширину и высоту бруска. Из курса математики вам известно, что объем бруска (параллелепипеда) вычисляют по формуле . Следовательно, для того чтобы рассчитать объем бруска, необходимо измерить его длину, ширину и высоту и перемножить эти числа. В нашем случае получим:

Вопросы для самоконтроля:

1. Что называется физической величиной?

2. Что значит измерить физическую величину?

3. Что вы понимаете под эталоном физической величины?

4. Опишите назначение и устройство измерительного прибора.

5. Что такое цена деления шкалы и как ее найти?