Как физики проводят измерения?

Начать наш урок хочется со слов великого русского учёного Дмитрия Ивановича Менделеева: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять…».

Из этих слов ясна роль измерений в любой науке, особенно в физике. Но, кроме того, измерения важны в практической жизни. Можете ли вы представить свою жизнь без измерений времени, массы, длины, скорости движения и так далее?

— Но как измерить физическую величину?

Для этой цели используются различные измерительные приборы. Некоторые из них вам уже известны. Это разного вида линейки, часы, термометры, весы и так далее.

Измерительные приборы бывают цифровые и шкальные. В цифровых приборах результат измерений определяется цифрами. Это разного рода электронные приборы — часы, термометр, счётчик электроэнергии.

А вот линейка, стрелочные часы, транспортир — это шкальные приборы. Они имеют шкалу, по которой определяется результат измерений. Вся шкала расчерчена штрихами на деления. Но одно деление — это не один штрих, как иногда ошибочно считают некоторые, а промежуток между двумя ближайшими штрихами.

Производя измерения, мы всякий раз сравниваем измеряемую величину с разными мерами, которые называются единицами измерения. Например, в мультфильме «38 попугаев» при измерении длины Удава такими единицами измерения были то длина Мартышки, то длина Попугая, то длина Слонёнка.

Измерить физическую величину — значит сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу. Например, чтобы измерить длину бруска, нужно приложить к его самой длинной стороне линейку и по её шкале определить, сколько миллиметров укладывается между крайними точками. Однородной величиной, с которой проводилось сравнение длины бруска, в данном случае была длина, равная одному миллиметру.

Запомните, что если физическая величина измеряется непосредственно путём снятия данных со шкалы прибора, то такое измерение называют прямым. Значит, когда мы измеряли длину бруска, мы с вами проводили прямое измерение. Точно также прямыми измерениями мы с вами можем найти ширину и высоту бруска.

А теперь перемножим длину, ширину и высоту бруска. Что мы с вами нашли?.. Правильно, объём бруска. В этом случае мы говорим, что объём бруска определили по формуле, то есть косвенно. И измерение объёма называется косвенным измерением.

В физике для описания физических явлений и свойств используется множество физических величин: длина, сила, объём и другие. При этом каждая физическая величина имеет символическое обозначение, числовое значение и единицу измерения. Символами физических величин обычно являются буквы латинского и греческого алфавитов.

Исторически сложилось так, что у разных народов и государств единицы измерения одних и тех же физических величин различались. Часто это были единицы, соответствующие размерам частей тела человека, массе семени бобов и так далее.

Так, например, древние египтяне в качестве единицы измерения длины использовали локоть, ладонь и палец.

В Древнем Риме для измерения расстояний использовали длину ступни — пес. (Позднее эту меру длины начали использовать англичане, назвав её футом). Для измерения маленьких размеров римляне делили ступню на 12 частей. Большие расстояния они измеряли в пасах (один пас — это два шага).

На Руси для измерения длин использовали шаг, аршин, локоть, маховую и косую сажень, пядь и вершок.

Известно, что любая единица измерения существует до тех пор, пока все люди ею пользуются. К примеру, в странах Европы в конце XVIII века существовало около ста разных «футов», несколько десятков различных «миль» и более сотни «фунтов». Это сильно мешало торговле между народами. Представьте, что если бы мы продолжали использовать, например, в качестве меры длины различные части тела, то нам бы пришлось мириться с индивидуальными особенностями разных людей.

Поэтому в 1789 году по поручению правительства Франции была создана специальная комиссия, состоящая из математиков, астрономов и физиков во главе с инженером и математиком Жаном-Шарлем де Борда. Главной задачей этой комиссии стало установление одинаковых для страны единиц измерения.

Первая в мире единица измерения длины, не связанная с пропорциями человеческого тела, была названа метром. А систему мер, основанную на метре, стали называть метрической системой.

Для определения так сказать «длины» метра учёные решили разделить длину меридиана, на котором расположена столица Франции, на 40 миллионов кусочков. А для измерения этой самой длины меридиана была организована целая экспедиция, которая работала около 6 лет.

Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году. Спустя четыре года из платины был изготовлен и эталон метра.

А в 1889 году был изготовлен более точный международный эталон метра из сплава платины и иридия. Его копии были переданы на хранение во все страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины. Применялся эталон вплоть до 1960 года.

В настоящее время метр определяется длиной пути, который проходит свет в вакууме почти за одну трёхсотмиллионную долю секунды:

1 м = 1⁄299 792 458 с.

Вслед за метром появились и другие единые единицы измерения некоторых величин: времени, массы, температуры, объёма и так далее.

На основе метрической системы была разработана и принята в 1960 году Генеральной конференцией по мерам и весам Международная система единиц (сокращённо СИ — Система Интернациональная).

Но всегда ли удобно измерять время в секундах, массу в килограммах, а длину в метрах? Для примера давайте вместе измерим длину вот этого стола. А в качестве меры длины используем один метр. Для изготовления меры возьмём ровную палочку, длина которой равна одному метру, то есть точно совпадает с длиной эталона.

Прикладывая палочку вдоль кромки стола, мы обнаруживаем, что полностью наша мера уложилась только один раз. При этом часть длины стола при помощи выбранной меры мы измерить не смогли.

То есть для измерения маленьких расстояний нужны маленькие меры длины. Например, если разделить изготовленный нами метр на 10 равных частей, то получится новая мера длины, которая называется как? Правильно дециметром.

Воспользовавшись новой мерой (дециметром), снова измерим длину стола. 12 раз короткая палочка (1 дм) полностью уложилась вдоль кромки стола. Но всё равно осталось чуть-чуть стола, на котором новая мера также не поместилась. Это говорит о том, что мы снова измерили длину стола приблизительно.

Значит, чтобы повысить точность измерения длины стола, мы с вами должны выбрать ещё меньшую меру, например, сантиметр или миллиметр, разделив нашу метровую палочку соответственно на сто и тысячу равных частей.

Может показаться, что если использовать самую маленькую меру длины, то можно получить абсолютно точный результат. Но это не так. Каждый раз у нас с вами будет оставаться кусочек стола, который этой мерой измерить нельзя. Иными словами, прямыми измерения невозможно достичь абсолютной точности.

Итак, вы уже поняли, что для удобства измерения физической величины используются приборы. Измерительные приборы — это технические устройства, при помощи которых осуществляют сравнение измеряемой величины с выбранной мерой.

Любой прибор имеет пределы измерений: минимальный (нижний предел) и максимальный (верхний предел) значения шкалы прибора. Чаще всего предел измерения один, но может быть и два. Например, линейка имеет один предел — верхний. В нашем случае он равен 15 сантиметрам. А вот этот термометр имеет два предела: верхний предел измерения температуры равен +60 °C, а нижний — –20 °C.

А теперь давайте посмотрим вот на эти три линейки. Как видим, у них одинаковые верхние пределы измерения. Но у них разное количество делений между цифрами. Говорят, что у них разная цена деления шкалы.

Цена деления — это значение наименьшего деления шкалы прибора.

Давайте определим цену деления наших линеек. Для этого нам необходимо:

· на шкале линейки выбрать любые два соседних значения, например 5 см и 4 см сантиметра;

· подсчитать число делений (не штрихов!) между этими значениями. Так у верхней линейки число делений между выбранными нами значениями равно 10, у средней — 5, а у нижней — всего 2 деления.

· вычесть из большего значения меньшее, а полученный результат разделить на число делений.

Полученное значение и будет ценой деления шкалы прибора. Обозначим её латинской буквой С.

Точно также можно определить цену деления и любых других шкальных приборов.

Ещё раз отметим, что при измерении физических величин невозможно получить абсолютно точный результат. Говорят, что он всегда будет с погрешностью. Как следует из теории, погрешность при измерении равна половине цены деления шкалы измерительного прибора.

Для примера, давайте с вами измерим один и тот же объём воды двумя разными мензурками. По показаниям шкал видим, что в левой мензурке объём воды примерно равен 35 мл; а во второй мензурке — 37 мл. Очевидно, что точнее (то есть с меньшей погрешностью) измерен объём воды правой мензуркой, так как цена деления её шкалы меньше.

Отсюда следует простой вывод: чем меньше цена деления шкалы, тем с меньшей погрешностью можно измерять данным прибором.

Применимо к нашему случаю, говорят, что левой мензуркой мы измерили объём с погрешностью до 2,5 мл, а второй мензуркой — с погрешностью до 0,5 мл. А результаты измерений записывают так, как это показано на экране.

Итак, любым прибором, имеющим шкалу, измерить физическую величину можно с погрешностью, равной половине цены деления шкалы. Но, кроме этого, на точность полученного результата будет влиять и качество изготовленного прибора, и аккуратность экспериментатора, и его умелые действия.

В истории науки есть немало случаев, когда уменьшение погрешности измерений давало толчок к новым открытиям. Например, более точные измерения плотности азота, выделенного из воздуха, позволили в конце XIX века открыть новый инертный газ — аргон. А уменьшение погрешности измерений плотности воды привело к открытию одной из разновидностей тяжёлых атомов водорода — дейтерия, который позже вошёл в состав ядерного горючего.

В качестве домашнего задания предлагаем вам самостоятельно изготовить «часы Галилея». Для этого возьмите пластиковую бутылку и в её дне сделайте гвоздём отверстие. Вертикально на всю высоту бутылки наклейте узкую полоску лейкопластыря или бумаги. Затем наполните бутылку водой примерно на 2/3 её высоты. Штрихами отметьте на лейкопластыре начальный уровень воды, а затем уровни воды в открытой бутылке через каждые 10 секунд. Полученные расстояния между штрихами разделите на 10 равных частей. Пользуясь этими «часами», измерьте время показа одного рекламного ролика по телевизору.