Главная » Центральное отопление » Первое измерение: Существование. Измерение (физика)

Первое измерение: Существование. Измерение (физика)

Физика – наука, основанная на постоянных экспериментальных действиях. Физические законы доказаны на основании проведенных опытов и исследований. Однако, для того чтобы иметь полное представление о всех явлениях, изучаемых физикой одних экспериментов и опытных исследований недостаточно.

Физика использует большой набор теоретических сведений и методов для проведения физических исследований, предусматривающих анализирование, полученных экспериментальных результатов и природных законов. На основе выведенных законов физики-исследователи объясняют конкретно произошедшие явления, и могут предвидеть и обосновать теоретически новые не описанные явления. В анализе широко используются математические методы.

Важно понимать своеобразность теоретических исследований, которые проводятся без использования реального физического тела или явления, а берется его идеализированный аналог – некая физическая модель по своим основным параметрам и свойствам соответствующая реальному исследуемому образцу. В качестве примера можно привести материальную точку, которую физика использует, как модель для изучения разнообразных механических движений. Подобные модели используются, если при исследовании не важны размеры и форма тела.

Измерение физических величин

Физическая величина - это параметр, являющийся общим для большого числа разнообразных объектов, явлений, выраженный в качественном виде, но при определенных обстоятельствах, приобретающий для любого из них индивидуальное значение.

Для анализа проводят ряд последовательных опытно-экспериментальных операций, позволяющих найти искомую величину. Сделать измерение – значит провести сравнение измеряемой величины с существующим зафиксированным эталоном.

После проведения ряда однотипных экспериментальных исследований измерение завершается. Полученные значения приближаются к истинному (единому) или истинному среднему (усредненному). Усредненное значение характеризует величину, которая имеет статистический или общий для многих явлений, объектов характер. Примерами могут служить: средний возраст или рост человека и другие подобные величины. В тоже время параметры, типа массы тела или объем тела, характеризуются единым значением. Используя пример с массой тела можно говорить о некой степени приближения полученного среднего значения к единому (истинному) значению.

Измерения бывают косвенными и прямыми. Отличия их в том, что при прямых - исследуемую величину определяют по проведенным опытным данным, в то время, как при косвенных – величину определяют, изучая определенные зависимости между физическими величинами.

Наиболее интересными для практического использования являются экспериментальные исследования, проведенные прямыми измерениями.

Самые яркие примеры прямых измерений:

Давление и напряжение;
Скорость и температура;
Плотность и сила;
Путь и освещенность;
Время и масса.

Чтобы измерить любую из этих величин - нужно сравнить ее значение с эталонной, т.е. с однородной величиной, считаемой за единицу.

При прямых измерениях исследуемую величину, например секунду, килограмм, метр, сравнивают с ее эталонной единицей, используя для этого измерительный прибор с соответствующими проградуированными единицами.

Наиболее часто в реальной жизни измеряемые величины - это:

масса, измеряемая весами разного вида и назначения;
расстояние, измеряемое рулеткой или другими более сложными приборами;
время, отсчитываемое часовыми механизмами.

Для более сложных величин приборы определения имеют более сложную конструкцию: для скорости – спидометр и многие другие.

Типы погрешностей при проведении измерений

Приборы, с помощью которых проводятся измерения, не всегда точно показывают результат измерения, человеческие органы чувств тоже не идеальны. Зачастую сама измеряемая величина имеет тенденцию к показанию неточных результатов при любом виде, качестве и количестве измерений. Таким образом, экспериментальное измерение не показывает истинное значение, а только максимально близкое к нему.

В таких случаях точность проведенного измерения считается по близости данного результата к истинной величине или усредненной. При этом мера точности, выраженная в количественном виде, считается погрешностью. Обычно принято учитывать абсолютную погрешность проведенного измерения.

Погрешности могут быть нескольких типов и включать в себя:

Грубые погрешности (промахи), возникающие при проведении небрежного, плохо подготовленного эксперимента или невнимательности эксперта. К таким промахам можно отнести неверно проведенный эксперимент по измерению расстояния, который проведен без соответствующих инструментов (приборов), или не увидели цифру на шкале. Обычно такие погрешности избегаются.
Случайные погрешности (ошибки) отличаются при проведении разных экспериментов и могут возникать по различным причинам. Часто предугадать эти причины заранее не возможно. Подобные погрешности просчитываются на основании математического статанализа и считаются подчиненными закономерностям.
Систематические ошибки наиболее часто возникают при использовании для проведения анализа неправильного измерительного метода или неисправного прибора для измерения. Так, систематическая погрешность прибора определяет точность проведения измерения этими приборами. Считывая результат, происходит его неизбежное округление до заданной величины с учетом цены деления, что определяет – точность измеряющего прибора. Такие ошибки тяжело просчитать и учесть, поэтому они принимаются вместе со случайными погрешностями.

Площадь, скорость и иные производные в системе СИ

Скорость, объем и площадь считаются производными единицами, поэтому их размерность считается от основных измерительных единиц. В подсчетах и анализах используются не только реально высчитанные единицы, но и кратные им – увеличенные или уменьшенные в n-ное количество раз. Примерами таких кратных единиц могут служить единицы, измеряющие расстояние: 1000м = 1км. 1 м = 100 см или 1000 мм. Или иной вариант – единицы в целой степени меньше эталонной, зафиксированной: 1 см = 0, 01 м. Несколько иная ситуация с временными единицами: 1 час = 60 мин или 1 мс = 0,001 с.

Измерительные приборы для измерения

Измерительные приборы – это механизмы или оборудование для измерения физических величин. Это могут быть:

Скалярные величины, задающиеся только в числовом значении.
Векторные величины, определяющиеся направлением и его числовым значением. У значения есть особое название – модуль.
Длина, рассчитываемая, как расстояние от одной зафиксированной точки к другой.
Площадь, определяемая общим размером исследуемой поверхности.
Объем, определяемая вместимость тела, или часть пространства с границами.
Перемещение, определяется, как отрезок пространства, где объект переведен из первоначального положения в конечное.
Масса, определяется, как характеристика тела.
Сила притяжения, рассчитывается, как сила планеты. притягивающая объекты, предметы.

Измерение – нахождение истинного значения физической величины опытным путём с использованием специальных технологических устройств, имеющих нормированные характеристики.

Существует 4 основных вида измерений:

1)Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных или с помощью технического средства измерения непосредственно отсчитывающего значение измеряемой величины по шкале. В этом случае уравнение измерения имеет вид: Q=qU .

2)Косвенное измерение – измерение, при котором значение физической величины находят на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, подлежащими прямым измерениям. В этом случае уравнение измерения имеет вид: Q=f(x1,x2,…,xn) , где x1 - xn – физические величины, полученные путём прямых измерений.

3)Совокупные измерения – производятся одновременно измерение нескольких одноименных величин, при котором искомое значение находят путём решения системы уравнений, полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

4)Совместные измерения – производимые одновременно двух или нескольких неодноимённых физических величин для нахождения функциональной зависимости между ними. Как правило, эти измерения проводятся путём клонирования эксперимента и составления таблицы матрицы рангов.

Кроме того измерения классифицируется по: условиям проведения, характеристике точности, числу выполняемых измерений, характеру измерений во времени, выражению результата измерений.

9. Метод измерений. Классификация методов измерения.

Метод измерений – совокупность приёмов использования принципов и средств измерения. Все существующие методы измерений условно делятся на 2 основных вида:Метод непосредственной оценки – значения определяемой величины определяется непосредственно по отчетному устройству прибора или измерительного устройства прямого действия.Метод сравнения с мерой – измеряется величина, сравнивающаяся с величиной заданной мерой. При этом сравнение может быть переходное, равновремённое, разновремённое и другие. Метод сравнения с мерой делится на следующие два метода:- Нулевой метод - предусматривает одновременное сравнение измеряемой величины и меры, а результирующий эффект воздействия доводится с помощью прибора сравнения до нуля.- Дифференциальный - на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой, пример – схема неуравновешенного моста.

Оба эти метода делятся на следующие:

1) Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которого устанавливаются соотношения между этими величинами. (во сколько раз?)

2) Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Широко применяется при измерении неэлектрических величин, при этом методе одновременно или периодически сравнивается измеряемая величина с мерной величиной, а далее измеряют разницу между ними, используя совпадение отметок шкалы или совпадение периодических сигналов по времени.

3) Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Из всех методов измерения метод сравнения с мерой является более точным по сравнению с методом непосредственной оценки, причём дифференциальный метод измерения является более точным, чем нулевой метод измерения.

Недостатком нулевого метода измерения является необходимость иметь большой число мер, различных сочетаний для воспроизведения мерных величин кратных измеряемым. Разновидностью нулевого метода является компенсационный метод измерения, при котором происходит измерения физической величины без нарушения процесса в котором она участвует.

Существует 4 основных вида измерений:

9. Метод измерений. Классификация методов измерения.

Оба эти метода делятся на следующие:

Физика является экспериментальной наукой. Ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Однако, только экспериментальных методов физических исследований недостаточно, чтобы получить полное представление об изучаемых физикой явлениях.

Современная физика широко использует теоретические методы физических исследований, которые предусматривают анализ данных, полученных в результате экспериментов, формулировку законов природы, объяснение конкретных явлений на основе этих законов, а главное - предсказания и теоретическое обоснование (с широким использованием математических методов) новых явлений.

Теоретические исследования проводятся не с конкретным физическим телом, а с его идеализированным аналогом - физической моделью, которая имеет небольшое количество основных свойств исследуемого тела. Например, в ходе изучения некоторых видов механического движения используют модель физического тела - материальную точку.

Эта модель применяется, если размеры тела не являются существенными для теоретического описания его движения, то есть в модели «материальная точка» учитывают только массу тела, а форму тела и его размеры во внимание не берут.

Как измерить физическую величину

Определение 1

Физическая величина - это характеристика, которая является общей для многих материальных объектов или явлений в качественном отношении, но может приобретать индивидуальное значение для каждого из них.

Измерение физических величин называют последовательность экспериментальных операций для нахождения физической величины, характеризующей объект или явление. Измерить - значит сравнить измеряемую величину с другой, однородной с ней величиной, принятой за эталон.

Завершается измерения определением степени приближения найденного значение к истинному или к истинно среднему. Истинным средним характеризуются величины, которые носят статистический характер, например, средний рост человека, средняя энергия молекул газа и тому подобное. Такие параметры, как масса тела или его объем, характеризуются истинным значением. В этом случае можно говорить о степени приближения найденного среднего значения физической величины к ее истинному значению.

Измерения могут быть как прямыми, когда искомую величину находят непосредственно по опытным данным, так и косвенным, когда окончательный ответ на вопрос находят через известные зависимости между физической величиной. Нас интересует и величины, которые можно получить экспериментально с помощью прямых измерений.

Путь, масса, время, сила, напряжение, плотность, давление, температура, освещенность - это далеко не все примеры физических величин, с которыми многие познакомились в ходе изучения физики. Измерить физическую величину - это значит сравнить ее с однородной величиной, взятой за единицу.

Измерение бывают прямые и косвенные. В случае прямых измерений величину сравнивают с ее единицей (метр, секунда, килограмм, ампер и т.д.) с помощью измерительного прибора, проградуированный в соответствующих единицах.

Основными экспериментально измеряемыми величинами являются расстояние, время и масса. Их измеряют, например, с помощью рулетки, часов и весов (или весов) соответственно. Существуют также приборы для измерения сложных величин: для измерения скорости движения тел используют спидометры, для определение силы электрического тока - амперметры и т. д.

Основные типы погрешностей измерений

Несовершенство измерительных приборов и органов чувств человека, а часто - и природа самой измеряемой величины приводят к тому, что результат при любом измерении получают с определенной точностью, то есть эксперимент дает не истинное значение измеряемой величины, а довольно близкое.

Точность измерения определяется близостью этого результата к истинному значение измеряемой величины или к истинному среднего, количественной мерой точности измерения является погрешность. В общем указывают абсолютную погрешность измерения.

Основные типы погрешностей измерений включают в себя:

Грубые ошибки (промахи), которые возникают в результате небрежности или невнимательности экспериментатора. Например, отсчет измеряемой величины случайно проведенный без необходимых приборов, неверно прочитана цифра на шкале и тому подобное. Этих погрешностей легко избежать.
Случайные ошибки возникают по разным причинам, действие которых различны в каждом из опытов, они не могут быть предусмотрены заранее. Эти погрешности подчиняются статистическим закономерностям и высчитываются с помощью методов математической статистики.
Систематические ошибки возникают в результате неправильного метода измерения, неисправности приборов и т.д. Один из видов систематических погрешностей – погрешности приборов, определяющих точность измерения приборов. При считывании результат измерений неизбежно округляется, учитывая цену деления и, соответственно, точность прибора. Этих видов ошибок невозможно избежать и они должны быть учтены наряду со случайными ошибками.

В предложенных методических указаниях приведены конечные формулы теории погрешностей, необходимые для математической обработки результатов измерений.

Площадь в системе СИ

Площадь, объем и скорость являются производными единицами, их размерности происходят от основных единиц измерения.

В расчетах используют также кратные единицы, в целую степень десятки превышают основную единицу измерения. К примеру: 1 км = 1000 м, 1 дм = 10 см (сантиметров), 1 м = 100 см, 1 кг = 1000 г. Или частные единицы, в целый степень десятки меньше установленной единицы измерения: 1 см = 0,01 м, 1 мм = 0,1 см.

С единицами времени несколько иначе: 1 мин. = 60 с, 1 ч. = 3600 с. Частных является лишь 1 мс (миллисекунда) = 0,001 с и 1 мкс (микросекунда) = 10-6с.

Рисунок 1. Список физических величин. Автор24 - интернет-биржа студенческих работ

Измерения и измерительные приборы

Измерения и измерительные приборы включает в себя:

Измерительные приборы - устройства, с помощью которых измеряют физические величины.
Скалярные физические величины - физические величины, которые задают только числовыми значениями.
Физическая величина - физическое свойство материального объекта, физического явления, процесса, который может быть охарактеризовано количественно.
Векторные физические величины - физические величины, характеризующие числовым значением и направлением. Значение векторной величины называют ее модулем.
Длина - расстояние от точки до точки.
Площадь - величина, определяющая размер поверхности, одна из основных свойств геометрических фигур.
Объем - вместимость геометрического тела, или части пространства, ограниченной замкнутыми поверхностями.
Перемещение тела - направленный отрезок, проведенный из начального положения тела в его конечное положение.
Масса - физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик тела, обычно обозначается латинской буквой m.
Сила притяжения - сила, с которой Земля притягивает предметы.

Задачей физического эксперимента является установление и изучение связей между различными физическими величинами. При этом в процессе эксперимента часто бывает необходимо измерять эти физические величины. Измерить физическую величину – это значит сравнить её с идентичной физической величиной, принятой за эталон.

Измерением называют экспериментальное определение значения физической величины с помощью средств измерений. К средствам измерения относятся: 1) меры (гири, линейки, мерные стаканы и т.п.); 2) измерительные приборы, имеющие шкалу или цифровое табло (секундомеры, амперметры, вольтметры и т.п.); 3) измерительно-вычислительные комплексы, включающие измерительные приборы и вычислительную технику.

Чтобы измерить физическую величину, необходимо: 1) установить единицу измерения этой величины (выбрать эталон); 2) иметь проградуированные в требуемых единицах с необходимой точностью средства измерения; 3) выбрать наиболее целесообразную методику измерений; 4) провести с помощью имеющихся средств измерения экспериментальное сравнение измеряемой величины с выбранным эталоном; 5) дать оценку допущенной при измерениях погрешности.

В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные . Прямые измерения осуществляются с помощью средств измерений, которыми непосредственно определяется исследуемая величина (например, измерение длины с помощью линейки, веса тела с помощью весов, времени с помощью секундомера). Однако не всегда прямые измерения осуществимы, удобны или имеют необходимую точность и надёжность. В этих случаях используют косвенные измерения, при которых искомое значение величины находится по известной зависимости между этой величиной и величинами, значения которых могут быть найдены в прямых измерениях. Например, объём можно высчитать по измеренным линейным размерам объекта, массу тела – по известной плотности и объёму и т.д. Таким образом, значение какой-либо величины может быть получено как при прямых измерениях, так и с помощью косвенных измерений. Так, скажем, величину сопротивления провода можно определить впрямую прибором – омметром, а можно и высчитать по измеренным величине тока, протекающего через проводник, и величине падения напряжения на нём. Выбор способа измерений физической величины для каждого конкретного случая решается отдельно с учётом удобства, быстроты получения результата, необходимой точности и надёжности.

Каждый физический эксперимент состоит из подготовки исследуемого объекта и средств измерений, наблюдения за ходом эксперимента и показаниями приборов, записи отсчётов и результатов измерений.

Последовательность размещения приборов и их связь друг с другом должна быть такой, чтобы обеспечить максимальную точность и удобство проведения эксперимента. При этом правильная градуировка приборов, установка их нулевых значений на шкале или цифровом табло прибора имеет первостепенное значение для получения точного результата измерений. Работа на неисправных приборах не допускается! О неисправности приборов следует немедленно сообщить преподавателю или лаборанту! Перед включением приборов необходимо удостовериться в правильности их соединения и получить разрешение на их включение у преподавателя.

Наблюдения за показаниями приборов следует проводить так, чтобы шкала или табло прибора были хорошо видны экспериментатору под нужным углом (часто для ликвидации таких ошибок измерений в приборах вводится зеркальная шкала: стрелка прибора и её отражение при измерении должны быть совмещены).

Форма записи экспериментальных результатов должна быть чёткой и компактной. Для этого специально разрабатываются таблицы, приведённые в методических указаниях к каждой лабораторной работе и именно в эти таблицы, скопированные студентами на бланк работы, и следует производить запись результатов с учётом единиц измерений и цены деления прибора. При этом, если заранее не задаётся необходимая точность результата, то надо стараться записать результат измерения с наибольшей возможной точностью, которую даёт прибор (т.е. записывать максимально возможное число значащих цифр). Для сокращения числа нулей в полученных значениях измеряемой величины (тех нулей, которые не являются значащими цифрами), удобно для всей строки или столбца таблицы указывать десятичный множитель 10 n (например, для того чтобы не писать лишние нули в значениях плотности тел, измеренных в кг/м 3 с точностью до двух значащих цифр, для всей строки таблицы, в которую заносятся плотности тел, перед единицей измерения ставится множитель 10 3: так для плотности воды в соответствующей клеточке таблицы вместо 1000 будет стоять 1,0). Отметим, однако, что не следует при измерениях, во что бы то ни стало, добиваться большей точности, чем это необходимо в поставленной задаче. Например, если требуется знать длину досок, приготовленных для производства тары, то не требуется проводить измерения с точностью, скажем, до микрона. Или, если при проведении косвенных измерений, значение какой-либо из измеряемых величин ограничено некоторой точностью (выраженной в определённом количестве значащих цифр), то не имеет смысла стараться измерять другие величины с много большей точностью, чем эта. Так, если плотность воды известна с точностью до двух значащих цифр, то, если потом потребуется находить массу воды в стакане, следует измерять ёмкость стакана (а это приблизительно 200 см 3) только с точностью до двух-трёх значащих цифр, то есть не большей, чем 1 см 3 .

Графики функций строят на миллиметровой бумаге, причём разметка осей координат выбирается удобной по масштабу и состоит из равноотстоящих и не слишком частых отметок. Не обязательно, чтобы на осях был отмечен ноль как начало координат: следует использовать именно интервал полученных экспериментальных значений. Масштаб по осям должен соответствовать погрешностям измерений. При этом желательно добиваться того, чтобы экспериментальная кривая располагалась в центральной части графика. На осях указываются обозначения физических величин и их единицы измерений. Для больших или малых значений величин N следует откладывать их по осям без множителя 10 n , а у соответствующей оси сделать обозначение N10 - n . На графике обязательно должны быть отмечены экспериментальные точки (если кривых несколько – можно для экспериментальных точек использовать разные обозначения: крестики, кружочки, треугольники и т.д., а кривые проводить разными по цвету или виду линиями: штриховыми, штрихпунктирными и т.д.). График подписывают, определяя содержание графика и объясняя, при каких условиях получены соответствующие зависимости.