Физика
Пространство и его измерение.
•Понятия пространства и протяженности являются наиболее общими понятиями физики. Они непосредственно связаны с природой и строением окружающего нас мира. Понятие протяженности связано с последовательностью расположения тел в нашем мире, с интуитивным ощущением близкого и далекого.
•В системе СИ, как отмечалось выше, за основную единицу длины принят метр (от греческого слова metron — измерять). Первоначально метр был определен как одна десятимиллионная часть расстояния от экватора до Северного полюса вдоль меридиана, проходящего через Париж, и был изготовлен эталон — платиновая концевая мера длины. В ходе развития измерительной техники эталон метра оказался недостаточно точным. В настоящее время эталонный метр устанавливают по длине волны излучения атомов, так как эти измерения всегда воспроизводимы. Было решено, что 1650763,73 длины волны оранжевого цвета, испускаемого криптоном, составляет в точности 1 метр.
•Для измерения больших расстояний пользуются другими единицами. Расстояния на Земном шаре измеряются всем известными километрами (км): 1 км = 103м. Расстояния в Солнечной системе удобно измерять
астрономической единицей (а.е.).
Физика
Пространство и его измерение.
•Астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, которое составляет приблизительно 150 млн км. Когда же мы переходим от расстояний в Солнечной системе к расстояниям между звездами, то такие единицы, как километр и астрономическая единица, становятся очень неудобными.
•Астрономы ввели единицу, называемую световым годом (св. год). Световой год — это расстояние, которое проходит свет за один год - примерно 9450 млрд км.
•Но расстояние до ближайших звезд измеряются таким способом (по изменению видимого положения звезды при годовом движении Земли), что иногда более удобно использовать другую единицу, парсек, которая равна 3,26 светового года. Расстояния в космосе поистине огромны. Попытаемся наглядно представить расстояние от Солнечной системы до ближайшей звезды Проксима Центавра. Эта звезда находится от нас на расстоянии 1,3 парсека. Если принять расстояние между Землей и Солнцем за 1 см, то расстояние между Солнцем и Проксимой Центавра составит около 3 км.
Физика
Время и его измерение.
•Понятие времени связано с последовательностью событий, оно соотносится с нашим интуитивным представлением о долгом и быстром. Интервал времени может быть определен, исходя из какого-либо регулярно повторяющегося процесса. Прибор, с помощью которого измеряют время, называют часами.
•Однако различные периодические процессы отличаются различной степенью повторяемости. Суточное вращение Земли долгое время служило для определения эталона времени. Однако успехи в развитии современной техники измерения времени позволили обнаружить, что часы, данные нам природой в виде Земли, уже не удовлетворяют требованиям точной службы времени из-за отклонения от постоянства периода вращения Земли. Поэтому сейчас в качестве эталона времени используются периодические процессы в атомах и молекулах.
•Основная единица времени — секунда. Эталоном времени является период колебания в атоме цезия (точнее, изотопа цезия- 133).
• 1 сек. = 9192631770 периодов колебаний изотопа цезия-133.
Физика
Масса и ее измерение.
•Масса является физическим понятием, первоначально связанным с количеством вещества. Как и любая физическая величина, масса может быть измерена. В качестве массы в 1 грамм (г) была принята масса 1 см3 воды при нормальном давлении и комнатной температуре.
•Соответственно 1 килограмм (кг) — это масса одного литра воды. Естественный атомный эталон массы пока не установлен. В настоящее время принят металлический эталон, который хранится в Международном Бюро Мер и Весов. Это платино-иридиевый цилиндр диаметром 39 мм, высотой 39 мм.
•Как измерить массу? Естественно, путем сравнения с эталоном. Вспомним, что в любом месте Земля притягивает две равные массы одинаково. Следовательно, если на одну чашку весов с коромыслом положить предмет неизвестной массы, а на другую чашку — эталонные разновесы и уравновесить весы с их помощью, то, подсчитав массу эталонных разновесов, можно определить неизвестную массу. К сожалению, определение массы при помощи весов с коромыслом называют взвешиванием, что дает повод к неправильному мнению, будто в этом случае определяется вес. Напомним, что вес тела — это
сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на подвес или опору. Мы же сравнением определяем массу тела.
Физика
3. Измерение физических величин
где х — арифметическая середина интервала, а Δх
= (х2-х1)/2
Величину Δх будем называть погрешностью измерения величины х.
В физике считается, что эксперимент не выполнен, если
неизвестна его погрешность!!!
Физика
4. Виды погрешностей.
Приборная погрешность.
Измерительный прибор всегда имеет ограниченную точность измерений. Эту погрешность измерительного прибора называют приборной.
Обычно в качестве такой погрешности берется половина цены наименьшего деления прибора. Например, для линейки с миллиметровыми делениями (цена деления - 1 мм) погрешность каждого измерения составит 0,5 мм.
Если же на линейке нет миллиметровых делений, а есть, например, только сантиметровые (такими линейками отмеряют ткань в магазинах), то получить результат точнее 0,5 см нельзя! (В самом деле, деревянная линейка, например, достаточно чувствительна к уровню влажности воздуха. При изготовлении такой линейки никто не предполагает, что ей будут пытаться проводить «сверхточные» измерения, и деления на ней нанесены уже достаточно «неточно».) Далее, если имеется цифровой прибор, например, секундомер, который показывает, предположим, значение 1,23, то это означает, что 1,23с уже прошло, а 1,24с – еще нет, и результат измерения
Физика
4. Виды погрешностей.
Приборная погрешность.
Измерительный прибор всегда имеет ограниченную точность измерений. Эту погрешность измерительного прибора называют приборной.
Обычно в качестве такой погрешности берется половина цены наименьшего деления прибора. Например, для линейки с миллиметровыми делениями (цена деления - 1 мм) погрешность каждого измерения составит 0,5 мм.
Если же на линейке нет миллиметровых делений, а есть, например, только сантиметровые (такими линейками отмеряют ткань в магазинах), то получить результат точнее 0,5 см нельзя! (В самом деле, деревянная линейка, например, достаточно чувствительна к уровню влажности воздуха. При изготовлении такой линейки никто не предполагает, что ей будут пытаться проводить «сверхточные» измерения, и деления на ней нанесены уже достаточно «неточно».) Далее, если имеется цифровой прибор, например, секундомер, который показывает, предположим, значение 1,23, то это означает, что 1,23с уже прошло, а 1,24с – еще нет, и результат измерения необходимо записать так: (1, 235±0, 005) с.
При указании значений различных физических величин не всегда явно указывают погрешность. Как быть в этом случае? Если
погрешность не приводится, то она равна половине единицы на
Физика
4. Виды погрешностей.
Случайная погрешность.
Если при многократных измерениях результаты отличаются друг от друга, то имеет место случайная погрешность. Источниками такой погрешности может служить как природа самой величины, так и многочисленные случайные факторы (изменения влажности, температуры, напряжения в сети и т.д.), которые влияют на результат измерения. Формулы для расчета измеряемой величины с учетом случайной погрешности будут приведены ниже. Уменьшают такую погрешность проведением многократных измерений. До какой степени можно уменьшить случайную погрешность? Очевидно, что случайную погрешность не имеет смысла пытаться сделать
Физика
4. Виды погрешностей.
Другой вид погрешностей — грубый промах.
Если при проведении многократных измерений малое количество результатов очень сильно отличаются от остальных, то такие результаты в большинстве случаев можно считать грубыми промахами и не учитывать при дальнейших расчетах. Следует отметить, что при проведении эксперимента записываются все результаты! Грубые промахи отмечаются потом. Причины грубых промахов — невнимательность экспериментатора (неправильно считаны показания приборов из-за того, что его отвлекли), резкие скачки напряжения в сети, сотрясение установки и т.д.
Физика
4. Виды погрешностей.
"Самая страшная" погрешность при проведении эксперимента — это систематическая погрешность.
Систематической называется погрешность, которая остается постоянной по знаку на протяжении серии измерений.
Причиной систематической погрешности может быть как неисправный прибор, так и неправильная теоретическая модель явления - например, экспериментатор может необоснованно считать, что трение "мало" влияет на результаты.
Учесть систематическую ошибку можно проведением дополнительных измерений (например, величины силы трения), заменой приборов, а лучше провести еще и совершенно