Фізичні величина та їх вимірювання

Тема 1: Вступ. Виникнення системи уявлень про оточуючий світ. Предмет, основні поняття та величини фізики

План

Предмет фізики

Основні фізичні поняття

Фізичні величина та їх вимірювання

1. Багато студентів помилково вважають, що фізика – це проста сукупність чи набір дослідних фактів, і недостатньо уявляють, що покладено в її основу як висновок з дослідних фактів, а що визначено шляхом індукції чи дедукції, теоретично. Та й переважна більшість сучасних шкільних підручників цікаві лише для людей з вищою освітою через наукову перевантаженість їх змісту.

Важливо ж розуміти, наприклад, що правило додавання сил, які діють по одній прямій, випливає безпосередньо з експерименту. Те, що сила є вектор, – також дослідний факт. Тому й у першому, і в другому випадку свою відповідь треба будувати так, щоб дослід слугував не просто ілюстрацією правила додавання сил, а щоб це правило саме випливало безпосередньо з досліду. Так само потрібно будувати свою відповідь і трактуючи закони Ньютона, що є узагальненням численних дослідних фактів.

Слово „фізика” в перекладі з грецької мови означає природа. У давні часи фізика була єдиною наукою про природу. Тепер навколишній світ вивчають такі природничі науки, як фізика, хімія, астрономія, геологія, біологія.

Фізика – це наука, що вивчає властивості й структуру речовини і полів, їх взаємодію та властиві їм форми руху: механічну, теплову, електромагнітну, внутріатомну і внутріядерну. У фізиці відомі гравітаційне, електромагнітне і ядерне фізичні поля. Речовина і поле – два взаємопов’язані види матерії.

Речовина і фізичні поля (фізичні об’єкти) існують об’єктивно, тобто незалежно від того, сприймаємо ми їх чи ні. Вони перебувають у безперервному русі, тобто змінюються. Будь-яку зміну, що відбувається з фізичними об’єктами, називають явищем. Фізичні об’єкти займають певне положення, мають певну протяжність, тобто існують у просторі. Усі фізичні явища відбуваються в певній послідовності, мають певну тривалість, тобто вони відбуваються в часі. Фізичні об’єкти та їх рух ніким і ніколи не були створені і не можуть бути знищені. У природі спостерігаються взаємні перетворення фізичних об’єктів і фізичних форм руху відповідно до законів збереження енергії, заряду, імпульсу, моменту імпульсу та ін.

Процес пізнання навколишнього світу тривалий і складний. Етапи пізнання фізичних об’єктів такі: вихідні експериментальні факти → модель → гіпотеза → теорія → логічні висновки → експериментальна перевірка висновків. На основі спостереження явища в природних умовах та його експериментального вивчення дістають певні факти. Під час експерименту штучно відтворюють явище, створюють умови для його вивчення, вимірюють величини, що характеризують це явище. Якісний і кількісний аналіз одержаних фактів дає змогу встановити фізичні закони і закономірності.

Фізичні явища досить складні, через те виникає потреба створити модель явища, в якій враховуються лише основні факти, що характеризують це явище. Тому фізичні закони наближено описують явища і завжди мають певні межі застосування. У результаті систематизації й узагальнення знань про групу явищ створюється фізична теорія, яка пояснює їх і може вказати на існування інших, ще не відомих, явищ. Критерієм правильності теорії є експериментальне підтвердження висновків, які з неї випливають.

Фізика із самого початку свого виникнення була, є і залишиться науковою основою техніки. Фізичні явища, закони, закономірності використовують у технологічних процесах сучасного виробництва. У свою чергу, успіхи фізики значною мірою залежать від техніки, матеріалів, приладів та установок.

Фізика пов’язана з математикою, знання якої використовуються в теоретичних дослідженнях фізичних об’єктів, а фізичні методи дослідження застосовуються в хімії, астрономії, геології, біології тощо. На стиках цих наук виникли нові розділи науки: фізична хімія, астрофізика, біофізика, геофізика та ін.

2. У процесі розвитку фізика виробила цілу систему понять, сукупність яких становить своєрідну мову фізики. З основними такими поняттями потрібно ознайомитися, оскільки їх використання полегшить формулювання усіх фізичних міркувань, законів тощо.

Фізичним тілом або просто тілом, називається будь-який матеріальний предмет. Характерними ознаками поняття тіла є його матеріальність і обмеженість у просторі. Або інакше, фізичне тіло– це деяка визначена кількість матерії, що займає певний кінцевий об’єм.

Фізичною системою, чи системою тіл, називається сукупність тіл, що у деякому фізичному явищі розглядається як щось єдине ціле. Тіла, що входять до складу фізичної системи, називають внутрішніми тілами системи, а тіла, які не входять до складу системи, – зовнішніми тілами відносно системи.

Фізичним середовищем називається матеріальне середовище, у якому відбувається певне фізичне явище. Однорідним середовищем називають середовище, склад речовини якого всюди однаковий. Однорідне середовище має однакові фізичні властивості у всіх своїх частинах. Якщо середовище неоднорідне настільки, що окремі його зони мають різко відмінні фізичні властивості, то воно фактично являє собою сукупність різних середовищ, відділених одне від одного межами розділу середовищ. Межами розділу середовищ є поверхні, що обмежують об’єми середовищ з різними фізичними властивостями.

Будь-яку властивість тіла, що підлягає кількісному визначенню, називають фізичною величиною. Фізичні величини розрізняють за характером залежності від способу їх кількісного визначення. Фізичні величини бувають скалярні й векторні. Скалярними називають величини, які характеризуються лише числовим значенням (маса, енергія, робота, кількість теплоти, температура, заряд, сила струму тощо). Будь-яка алгебраїчна операція над скалярними величинами приводить до одержання скалярної величини. Векторними називають величини, які характеризуються числовим значенням (модулем) і напрямом у просторі. Векторну величину зображають напрямленим відрізком, довжина якого в певному масштабі дорівнює модулю векторної величини. Векторну величину позначають буквою зі стрілкою над нею (наприклад, переміщення , швидкість , сила ), а її модуль – літерою зі стрілкою, обмеженою двома вертикальними рисками ( , , ), або літерою без стрілки (S, v, F).

Сума або різниця векторних величин також є векторною величиною, яку знаходять за правилом паралелограма.

Розкласти векторну величину на складові означає замінити цю величину кількома величинами, геометрична сума яких дорівнює цій величині. Розкладають величину на складові також за правилом паралелограма.

Сукупність значень усіх величин, що характеризують поводження тіла в певному фізичному явищі, описує стан тіла. Однак не всі величини рівнозначні, оскільки під час явища одні величини змінюються залежно від зміни інших. Отже, якщо значення незалежних величин відомі, то значення залежних величин можна теж визначити через наявні закономірні зв’язки між величинами. Тому стан тіла можна однозначно визначити, якщо задано значення всіх незалежних величин, що характеризують його поводження в розглядуваному явищі.

Із величин, що описують поводження тіла в досліджуваному фізичному явищі, виокремлюють клас величин – фізичні сталі або фізичні константи. Деякі з цих сталих залежать від внутрішньої будови тіла, наприклад, питомий опір речовини r, діелектрична проникність e, питома теплоємність с, коефіцієнт заломлення n та ін. Усі ці сталі визначаються внутрішньою структурою речовини, особливостями її внутрішньої будови. Оскільки особливості внутрішньої будови речовини значно залежать від стану речовини (наприклад, від температури тіла, від тиску, від напруженості зовнішнього магнітного й електричного полів), то і значення констант речовини здебільшого залежать від її стану.

3.Фізичні явища спостерігають і вивчають на досліді. У процесі дослідження значення фізичних величин, що характеризують поводження фізичної системи в досліджуваному явищі, визначають за допомогою вимірювання. Для вимірювання значень фізичних величин застосовують фізичні вимірювальні прилади.

Фізична величина – це властивість, спільна в якісному розумінні для багатьох фізичних об’єктів, але індивідуальна в кількісному для кожного об’єкта. Цю властивість можна оцінити кількісно, тобто виміряти.

Виміряти фізичну величину означає порівняти її з однорідною величиною, яку взято за одиницю цієї величини. Вимірювання – це знаходження значення фізичної величини за допомогою спеціальних технічних засобів. Засоби вимірювання поділяють на міри, вимірювальні прилади та вимірювальні установки. Міра – це засіб вимірювання, призначений для відтворення значення величини заданого розміру (гиря – міра маси, лінійка – міра довжини). Вимірювальними приладами, наприклад, є мікрометр і штангенциркуль, амперметр і вольтметр. Вимірювальною установкою може бути гігрометр. Одиниця вимірювання – значення фізичної величини, взяте за основу порівняння кількісного оцінювання однорідних величин.

Еталон – засіб вимірювання (або комплекс засобів вимірювання), який забезпечує відтворення і збереження одиниці фізичної величини з метою передачі одиниці зразковим, а від них – робочим засобам вимірювання. Еталон відтворює одиницю фізичної величини з найбільшою точністю.

Під принципом вимірюваннярозуміють сукупність фізичних явищ, на яких ґрунтується вимірювання. Сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювання називають методом вимірювання. Часто використовують метод безпосереднього оцінювання (наприклад, вимірювання сили струму амперметром), методи порівняння з мірою, нульовий метод (зважування на терезах з покажчиком нуля), метод збіжності (використовують в ноніусі штангенциркуля) та ін.

Значення фізичної величини, знайдене вимірюванням, називають результатом вимірювання.

Сукупність одиниць вимірювання, що охоплює всі або деякі види вимірювання (механічні, електричні, теплові, світлові тощо), називають системою одиниць. У жовтні 1960 року XI Генеральна конференція з питань мір і ваг затвердила єдину Міжнародну систему одиниць, яку скорочено позначають СІ (система інтернаціональна). Ця універсальна система одиниць охоплює всі галузі науки і техніки. Система одиниць містить основні одиниці, які встановлюють довільно, і похідні, які виводять через основні одиниці.

У СІ сім основних і дві додаткові одиниці вимірювання. Основні одиниці: метр (м) – одиниця довжини, кілограм (кг) – одиниця маси, секунда (с) – одиниця часу, ампер (А) – одиниця сили електричного струму, кельвін (К) – одиниця термодинамічної температури, моль – одиниця кількості речовини, кандела (в перекладі з англійської – свічка) (кд) – одиниця сили світла. Додаткові одиниці: радіан (рад) – одиниця плоского кута, стерадіан (ср) – одиниця тілесного (просторового) кута.

Похідні одиниці встановлюють за основними одиницями і формулами, які визначають величини або фізичні закони і в яких усі величини мають значення, що дорівнюють одиниці вимірювання. Наприклад, у СІ одиниця сили ньютон (Н) похідна і визначається з другого закону Ньютона: 1 Н = 1 кг·1 м/с².

Позначення літерами залежності похідних одиниць від основних називають розмірністю. Формулу розмірності записують символами, прийнятими для позначення основних величин або їх одиниць. Наприклад, запис розмірності роботи символами одиниць основних величин: [Дж] = [м²·кг·с^-2].

Запитання для самоперевірки

1. Що є предметом вивчення фізики?

2. Які види полів відомі у фізиці?

3. Що називають явищем у фізиці?

4. Назвіть етапи пізнання фізичних об’єктів.

5. Що називається фізичним тілом?

6. Що називається фізичною системою?

7. Дайте визначення фізичного середовища.

8. Дайте визначення фізичної величини.

9. Які величини називаються векторними, які – скалярними?

10. Що таке стан тіла? Чим він описується?

11. Що означає виміряти фізичну величину?

12. Як поділяються засоби вимірювання? Опишіть кожний з них.

13. Що називається одиницею вимірювання?

14. Що таке еталон?

15. Система одиниць. Назвіть основні одиниці системи СІ.

16. Що називають розмірністю?

Теми рефератів

1) Історія розвитку фізики

2) Зв’язок фізики з іншими науками

3) Основні одиниці системи СІ