Во времени живя, мы времени не знаем
Тем самым мы себя не понимаем
В такое время мы, однако, родились?
Какое время нам прикажет: «Удались»!
И как нам распознать, что наше время значит?
И что за будущее наше время прячет?
Но время – это мы! Никто иной!
Мы с вами!

П.Флеминг

Среди многочисленных физических величин существуют основные базовые, через которые выражаются все остальные с помощью определенных количественных соотношений. Это – длина, время и масса. Рассмотрим подробнее эти величины и их единицы измерения.

1. ДЛИНА. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

Длина – мера для измерения расстояния . Она характеризует протяженность в пространстве. Попытки субъективных измерений длины отмечались более 4000 лет назад: в III веке в Китае изобрели прибор для измерения расстояний: легкая тележка имела систему зубчатых передач, соединенную с колесом и барабаном. Каждое ли (576 м) отмечалось ударом барабана. С помощью этого изобретения министр Пей Сю создал «Региональный атлас» на 18 листах и большую карту Китая на шелке, которая была так велика, что одному человеку было трудно ее развернуть.
Существуют интересные факты измерения длины. Так, например, моряки измеряли свой путь трубками , т. е. расстоянием, которое проходит судно за время, за которое моряк выкуривает трубку. В Испании похожей единицей была сигара , а в Японии – лошадиный башмак (соломенная подошва, заменявшая подкову). Были и шаги (у древних римлян), и аршины (?71 см), и пяди (?18 см). Поэтому неоднозначность результатов измерений показала необходимость введения согласованной единицы. Действительно, дюйм (2,54 см, введенный как длина большого пальца, от глагола «дюйм») и фут (30 см, как длина ступни от английского «фут» – ступня) было трудно сравнивать.

Рис.1. Метр как эталон длины с 1889 по 1960г

С 1889 по 1960 г в качестве единицы длины использовалась одна десятимиллионная часть расстояния, измеренного вдоль Парижского меридиана от Северного полюса до экватора, – метр (от греч. metron – мера) (рис.1).
В качестве эталона длины использовался стержень из платиново-ириадиевого сплава, хранился он в Севре, около Парижа. До 1983 г метр считался равным 1650763,73 длины волны оранжевой спектральной линии, излучаемой криптоновой лампой.
Открытие лазера (в 1960 году в США) позволило измерить скорость света с большей степенью точности (?с=299 792 458 м/с) по сравнению с криптоновой лампой.
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит свет в вакууме за время? 99 792 458 с.

Диапазон измерения размера объектов в природе приведен на рисунке 2.

Рис.2. Диапазон измерения размера объектов в природе

Методы измерения расстояний. Для измерения сравнительно небольших расстояний и размеров тел применяют рулетку, линейку, метр. Если измеряемые объемы малы и требуется большая точность, то измерения проводят микрометром, штангельциркулем. При измерении больших расстояний используют разные методы: триангуляцию, радиолокацию. Например, расстояние до любой звезды или Луны измеряют методом триангуляции (рис.3).

Рис.3. Метод триангуляции

Зная базу – расстояние l между двумя телескопами, расположенными в точках А и В на Земле, и углы а1 и а2 , под которыми они направлены на Луну, – можно найти расстояния АС и ВС:

При определении расстояния до звезды в качестве базы можно использовать диаметр орбиты Земли, вращающейся вокруг Солнца (рис. 4).

Рис.4. Определение расстояния до звезды

В настоящее время расстояние ближайших к Земле планет измеряется методом лазерной локации . Луч лазера, посланный, например, в сторону Луны, отражается и, возвращаясь на Землю, принимается фотоэлементом (Рис. 5).

Рис. 5. Измерение расстояний методом лазерной локации

Измеряя промежуток времени t0, через который возвращается отраженный луч, и зная скорость света «с», можно найти расстояние до планеты: .

Для измерения малых расстояний с помощью обычного микроскопа можно разделить метр на миллион частей и получить микрометр , или микрон . Однако продолжать таким образом деление невозможно, так как предметы, размеры которых меньше 0,5 микрона, нельзя увидеть в обычный микроскоп.

Рис.6. Фотография атомов углерода в графите, сделанная с помощью ионного микроскопа

Ионный микроскоп (рис. 6) позволяет проводить измерения диаметра атомов и молекул порядка 10~10м. Расстояние между атомами - 1,5?10~10м. Внутриатомное пространство практически пустое, с крошечным ядром в центре атома. Наблюдение рассеяния частиц высокой энергии при прохождении сквозь слой вещества позволяет зондировать вещество вплоть до размера атомных ядер (10–15м).

2. ВРЕМЯ. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ

Время – мера измерение разных промежутков времени . Это мера скорости, с которой происходят какие-либо изменения, т.е. мера скорости развития событий. В основу измерения временем положены периодические, повторяющиеся циклические процессы.
Считают, что первыми часами был гномон , изобретенный в Китае в конце XVI века. Время измеряли по длине и направлению тени от вертикального шеста (гномона), освещенного солнцем. Этот указатель тени и служил первыми часами.
Давно замечено было: максимальной устойчивостью и повторяемостью обладают астрономические явления; день сменяется ночью регулярно чередуются времена года. Эти все явления связаны с движением Солнца на небесной сфере. На их основе и создан календарь.
Измерения небольших промежутков времени (порядка 1 час) долго оставалось трудной задачей, с которой блестяще справился голландский ученый Христиан Гюйгенс (рис.7).

Рис.7. Христиан Гюйгенс

Он в 1656 г сконструировал маятниковые часы, колебания в которых поддерживала гиря и погрешность которых составляла 10 с в сутки. Но, несмотря на постоянное совершенствование часов и увеличение точности измерения времени, секунду (определенную как 1/86400 суток) нельзя было использовать в качестве постоянного эталона времени. Это объясняется незначительным замедлением скорости вращения Земли вокруг своей оси и соответственно увеличением периода обращения, т.е. длительности суток.
Получение стабильного эталона времени оказалось возможным в результате исследований спектров излучения разных атомов и молекул, что позволило измерить время с уникальной точностью. Период электромагнитных колебаний, излучаемых атомами, измеряется с относительной погрешностью порядка 10–10 с (рис.8).

Рис.8. Диапазон измерения времени объектов Вселенной

В 1967 г был введен новый эталон секунды. Секунда – эта единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения изотопа атома цезия – 133.

Излучение цезия – 133 легко воспроизводится и измеряется в лабораторных условиях. Погрешность таких «атомных часов» за год составляет 3*10-7 с.
Для измерения большего промежутка времени используется периодичность иного рода. Многочисленные исследования радиоактивных (распадающихся со временем) изотопов показали, что время, за которое их число уменьшается в 2 раза (период полураспада), является постоянной величиной. Это означает, что период полураспада позволяет выбирать масштаб времени.
Выбор изотопа для измерения времени зависит от того, какой ориентировочно интервал времени измеряется. Период полураспада должен быть соизмерим с предполагаемым интервалом времени (табл. 1).

Таблица 1

Период полураспада некоторых изотопов

При археологических исследованиях наиболее часто измеряют содержание изотопа углерода 14С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Возраст древней рукописи оценивается в 5730 лет, если содержание 14С в ней в 2 раза меньше первоначального (которое известно). При уменьшении содержания 14С в 4 раза по сравнению с первоначальным, возраст объекта кратен двум периодам полураспада, т. е. равен 11 460 годам. Для измерения еще большего интервала времени используются другие радиоактивные изотопы, имеющие больший период полураспада. Изотоп урана 238U (период полураспада 4,5 млрд. лет) в результате распада превращается в свинец. Сравнение содержания урана и свинца в горных породах и воде океанов позволило установить примерный возраст Земли, который составляет около 5,5 млрд. лет.

3. МАССА

Если длина и время – фундаментальные характеристики времени и пространства, то масса является фундаментальной характеристикой вещества. Массой обладают все тела: твердые, жидкие, газообразные; разные по размерам (от 10–30 до 1050 кг), указанные на рис 9.

Рис.9. Диапазон измерения массы объектов Вселенной

Масса характеризует равные свойства материи.

О массе тел человек вспоминает в самых разных ситуациях: при покупке продуктов, в спортивных играх, строительстве… – во всех видах деятельности найдется повод поинтересоваться массой того или иного тела. Масса не менее загадочная величина, чем время. Эталоном массы 1 кг, начиная с 1884 г., является платиново-иридиевый цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и весов близ Парижа. Национальные палаты мер и весов имеют копии такого эталона.
Килограмм – единица массы, равная массе международного эталона килограмма.
Килограмм (от французских слов kilo – тысяча и gramme – мелкая мера). Килограмм приблизительно равен массе 1 л чистой воды при 15 0 С.
Работа с реальным эталоном массы требует особой тщательности, так как прикосновение щипцов и даже воздействие атмосферного воздуха может привести к изменению массы эталона. Определение массы объектов, имеющих объем, соизмеримый с объемом эталона массы, можно проводить с относительной погрешностью порядка 10–9кг.

4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Для проведения разного рода исследований и экспериментов применяют физические приборы. По мере развития физики они совершенствовались и усложнялись (см. Приложение ).
Некоторые физические приборы очень просты, например линейка (рис.10), отвес (груз, подвешенный на нити), позволяющий проверять вертикальность конструкций, уровень, термометр, секундомер, источник тока; электрический двигатель, реле и др.

Рис.10. Линейка

В научных экспериментах часто используют сложные приборы и установки, которые совершенствовались и усложнялись по мере развития науки и техники. Так, для изучения свойств элементарных частиц, входящих в состав какого-либо вещества, используют ускорители - огромные, сложнейшие установки, снабженные множеством различных измерительных и регистрирующих приборов. В ускорителях частицы разгоняются до огромных скоростей, близких к скорости света, и становятся «снарядами», бомбардирующими вещество, помещенное в специальных камерах. Происходящие при этом явления позволяют сделать выводы о строении атомных ядер и элементарных частиц. Созданный в 1957 г. большой ускоритель в г. Дубне под Москвой имеет диаметр 72 м, а ускоритель в г. Серпухове имеет диаметр 6 км (рис 11).

Рис.11. Ускоритель

При выполнении астрономически наблюдений используют различные приборы. Основным астрономическим прибором является телескоп. Он позволяет получить изображение солнца, Луны, планет.

5. МЕТРИЧЕСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ «СИ»

Измеряют все: медики определяют температуру тела, объем легких, рост, пульс пациентов; продавцы взвешивают продукты, отмеряют метры тканей; портные снимают мерку с модниц; музыканты строго выдерживают ритм и темп, считая такты; фармацевты взвешивают порошки и отмеряют в склянки необходимое количество микстуры; учителя физкультуры не расстаются с рулеткой и секундомером, определяя выдающиеся спортивные достижения школьников... Все жители планеты измеряют, прикидывают, оценивают, сверяют, отсчитывают, различают, отмеряют, измеряют и считают, считают, считают...
Каждый из нас, без сомнения, знает, что, прежде чем измерять, нужно установить «единицу, с которой вы будете сравнивать измеряемый отрезок пути или промежуток времени, или массу».
Ясно и другое: о единицах нужно договариваться всем миром, иначе возникнет невообразимая путаница. В играх и то возможны недоразумения: у одного шаг намного короче, у другого – длиннее (Пример: «Будем бить пенальти с семи шагов»). Ученые всего мира предпочитают работать с согласованной и логически последовательной системой единиц измерения. На Генеральной конференции мер и весов в 1960 г. было достигнуто соглашение о международной системе единиц –.Systems International d"Unite"s (сокращенно – «единицы измерения СИ»). Эта система включает семь основных единиц измерения, а все остальные единицы измерения производные выводятся из основных умножением или делением одной единицы на другую без числовых пересчетов (Табл. 2).

Таблица 2

Основные единицы измерения «Си»

Международная система единиц является метрической . Это значит, что кратные и дольные единицы образуются из основных всегда одним и тем же способом: умножением или делением на 10. Это удобно, в особенности при записи очень больших и очень малых чисел. Например, расстояние от Земли до Солнца, приблизительно равное 150.000.000 км, можно записать так: 1,5 *100.000.000 км. Теперь заменим число 100.000.000 на 108. Таким образом, расстояние до Солнца записывается в виде:

1,5 * 10 8 км = l,5 * 10 8 * 10 3 M = l,5 * 10 8 + 3 м = l,5 * 10 11 м.

Другой пример.
Диаметр молекулы водорода равен 0,00000002 см.
Число 0,00000002 = 2/100.000.000 = 2/10 8 . Для кратности число 1/10 8 пишут в виде 10 –8 . Итак, диаметр молекулы водорода равен 2*10 –8 см.
Но в зависимости от диапазона измерений, удобно использовать единицы, большие или меньше по величине. Эти кратные и дольные единицы отличаются от основных на порядки величин. Название основной величины является корнем слова, а приставка характеризует соответствующее отличие в порядке.

Например, приставка «кило-» означает введение единицы в тысячу раз (на 3 порядка) большей, чем основная: 1 км = 10 3 м.

В таблице 3 приведены приставки для образования кратных и дольных единиц.

Таблица 3

Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Степень	Приставка	Символ	Примеры	Степень	Приставка	Символ	Примеры
			эксаджоуль, ЭДж				децибел, дБ
			петасекунда, Пс				сантиметр, см
			терагерц, ТГц				миллиметр, мм
			гигавольт, ГВ				микрограмм, мкг
			мегаватт, МВт				нанометр, нм
			килограмм, кг	10 –12			пикофарад, пФ
			гектопаскаль, гПа	10 –15			фемтометр, фм
			декатесла, даТл	10 –18			аттокулон, аКл

Введенные таким образом кратные и дольные единицы часто по порядку величины характеризуют физические объекты.
Многие физические величины являются постоянными - константами (от латинского слова constans - постоянный, неизменный) (табл.4). Например, постоянны в данных условиях температура таяния льда и температура кипения воды, скорость распространения света, плотности различных веществ. Константы тщательно измеряют в научных лабораториях и заносят в таблицы справочников и энциклопедий. Справочными таблицами пользуются ученые и инженеры.

Таблица 4

Фундаментальные константы

Константа	Обозначение	Значение
Скорость света в вакууме		2,998 * 10 8 м/с
Постоянная Планка		6,626 * 10 –34 Дж*с
Заряд электрона		1,602 * 10 –19 Кл
Электрическая постоянная		8,854 * 10 –12 Кл 2 /(Н * м2)
Постоянная Фарадея		9,648 * 10 4 Кл/моль
Магнитная проницаемость вакуума		4 * 10 –7 Вб/(А*м)
Атомная единица массы		1,661 * 10 –27 кг
Постоянная Больцмана		1,38 * 10 –23 Дж/К
Постоянная Авогадро		6,02 * 10 23 моль–1
Молярная газовая постоянная		8,314 Дж/(моль*К)
Гравитационная постоянная		6,672 * 10 –11 Н * м2/кг2
Масса электрона		9,109 * 10 –31 кг
Масса протона		1,673 * 10 –27 кг
Масса нейтрона		1,675 * 10 –27 кг

6. НЕМЕТРИЧЕСКИЕ РУССКИЕ ЕДИНИЦЫ

Они приведены в таблице 5.

Таблица 5

Неметрические русские единицы

Величины	Единицы	Значение в единицах СИ, кратных и дольных от них
	миля (7 верст)
	верста (500 саженей)
	сажень (3 аршина; 7 фунтов; 100 соток)
	сотка
	аршин (4 четверти; 16 вершков; 28 дюймов)
	четверть (4 вершка)
	вершок
	фут (12 дюймов)	304,8 мм (точно)
	дюйм (10 линий)	25,4 мм (точно)
	линия (10 точек)	2,54 мм (точно)
	точка	254 мкм (точно)
	квадратная верстка
	десятина
	квадратная сажень
	кубическая сажень
	кубический аршин
	кубический вершок
Вместимость	ведро
	четверть (для сыпучих тел)
	четверик (8 гарнцев; 1/8 четверти)
	гарнец
	берковец (10 пудов)
	пуд (40 фунтов)
	фунт (32 лота; 96 золотников)
	лот (3 золотника)
	золотник (96 долей)
	доля
Сила, вес	берковец (163,805 кгс)
	пуд (16,3805 кгс)
	фунт (0,409512 кгс)
	лот (12,7973 гс)
	золотник (4,26575 гс)
	доля (44,4349 мгс)

* Наименование русских единиц силы и веса совпадали с наименованиями русских единиц массы.

7. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Практически, любой опыт, любое наблюдение в физике сопровождается измерением физических величин. Физические величины измеряют с помощью специальных приборов. Многие из этих приборов вам уже известны. Например, линейкой (рис. 7). Можно измерить линейные размеры тел: длину, высоту и ширину; часами или секундомером – время; с помощью рычажных весов определяют массу тела, сравнивая ее с массой гири, принятой за единицу массы. Мензурка позволяет измерять объемы жидких или сыпучих тел (веществ).

Обычно прибор имеет шкалу со штрихами. Расстояния между двумя штрихами, около которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены на несколько делений, не обозначенных числами. Деления (промежутки между штрихами) и числа – это и есть шкала прибора. На шкале прибора, как правило, проставлена единица величины (наименование), в которой выражается измеряемая физическая величина. В случае, когда числа стоят не против каждого штриха, возникает вопрос: как узнать числовое значение измеряемой величины, если его нельзя прочитать по шкале? Для этого нужно знать цену деления шкалы прибора – значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.

Отбирая приборы для проведения измерений, важно учитывать пределы измерений. Чаще всего встречаются приборы только с одним – верхним пределом измерений. Иногда встречаются двухпредельные приборы. У таких приборов нулевое деление находится внутри шкалы.

Представим себе, что едем в автомобиле, и стрелка его спидометра остановилась против деления «70». Можно ли быть уверенными в том, что скорость автомобиля равна точно 70 км/ч? Нет, так как спидометр имеет погрешность. Можно, конечно, сказать, что скорость автомобиля равна приблизительно 70 км/ч, но этого бывает недостаточно. Напимер, тормозной путь автомобиля зависит от скорости, и ее «приблизительность» может привеси к аварии. Поэтому на заводе-изготовителе определяют наибольшую погрешность спидометра и указывает ее в паспорте этого прибора. Значение погрешности спидометра позволяет определить, в каких пределах находится истинное значение скорости автомобиля.

Пусть погрешность спидометра, указанная в паспорте, равна 5 км/ч. Найдем в нашем примере разность и сумму показания спидометра и его погрешности:

70 км/ч – 5 км/ч = 65км/ч.
70 км/ч + 5 км/ч = 75 км/ч.

Не зная истинного значения скорости, мы может быть уверены, что скорость автомобиля не меньше 65 км/ч и не более 75 км/ч. Этот результат можно записать с использованием знаков «< » (меньше или равно) и «> » (больше или равно): 65 км/ч < скорости автомобиля < 75 км/ч.

То, что при показании спидометра 70 км/ч истинная скорость может оказаться равной 75 км/ч, надо обязательно учитывать. Например, исследования показали, что если легковой автомобиль движется по мокрому асфальту со скоростью 70 км/ч, его тормозной путь не превосходит 46 м, а при скорости 75 км/ч тормозной путь возрастает до 53 м.
Приведенный пример позволяет сделать следующий вывод: все приборы имеют погрешность, в результате измерения нельзя получить истинное значение измеряемой величины. Можно лишь указать интервал в виде неравенства, которому принадлежит неизвестное значение физической величины.
Для прохождения границ этого неравенства необходимо знать погрешность прибора.

Х – пр < х < Х + пр.

Погрешность измерения х никогда не бывает меньше погрешности прибора пр.
Часто указатель прибора не совпадает со штрихом шкалы. Тогда определить расстояние от штриха до указателя очень трудно. Вот другая причина возникновения погрешности, называемой погрешностью отсчета . Эта погрешность отсчета, например, для спидометра, не превосходит половины цены деления.

Что означает измерить физическую величину? Что называют единицей физической величины? Здесь вы найдете ответы на эти очень важные вопросы.

1. Узнаем, что называется физической величиной

Издавна люди для более точного описания каких-нибудь событий, явлений, свойств тел и веществ используют их характеристики. Например, сравнивая тела, которые нас окружают, мы говорим, что книга меньше, чем книжный шкаф, а конь больше кошки. Это означает, что объем коня боль­ше объема кошки, а объем книги меньше объема шкафа.

Объем - пример физической величины, которая характеризует общее свойство тел занимать ту или иную часть пространства (рис. 1.15, а). При этом числовое значение объема каждого из тел индивидуально.

Рис. 1.15 Для характеристики свойства тел занимать ту или иную часть пространства мы используем физическую величину объем (о, б), для характеристики движения - скорость (б, в)

Общая характеристика многих материальных объектов или явлений, которая может приобретать индивидуальное значение для каждого из них, называется физической величиной .

Еще одним примером физической величины может служить известное вам понятие «скорость». Все движущиеся тела изменяют свое положение в про­странстве с течением времени, однако быстрота этого изменения для каждого тела различна (рис. 1.15, б, в). Так, самолет за I с полета успевает изменить свое положение в пространстве на 250 м, автомобиль - на 25 м, человек - на I м, а черепаха - всего на несколько сантиметров. Поэтому физики и говорят, что ско­рость - это физическая величина, которая характеризует быстроту движения.

Нетрудно догадаться, что объем и скорость,- это далеко не все физичес­кие величины, которыми оперирует физика. Масса, плотность, сила, темпе­ратура, давление, напряжение, освещенность - это лишь малая часть тех физических величин, с которыми вы познакомитесь, изучая физику .

2. Выясняем, что означает измерить физическую величину

Для того чтобы количественно описать свойства какого-либо матери­ального объекта или физического явления, необходимо установить значение физической величины, которая характеризует данный объект или явление.

Значение физических величин получают путем измерений (рис. 1.16- 1.19) или вычислений.

Рис. 1.16. «До отправления поезда осталось 5 минут»,- с волнением измеряете вы время

Рис. 1.17 «Я купила килограмм яблок»,- рассказывает мама о своих измерениях массы

Рис. 1.18. «Одевайся теплее, сегодня на улице прохладнее»,- заботится о вас бабушка после измерения температуры воздуха на улице

Рис. 1.19. «У меня снова поднялось давление»,- жалуется женщина после измерения кровяного давления

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, приня­той за единицу.

Рис. 1.20 Если бабушка и внук будут измерять расстояние в ша­гах, то они всегда будут получать разные результаты

Приведем пример из художественной лите­ратуры: «Пройдя шагов триста по берегу реки, маленький отряд вступил под своды дремучего леса, извилистыми тропами которого им надо было странствовать на протяжении десяти дней». (Ж. Верн «Пятнадцатилетний капитан»)

Рис. 1.21.

Герои романа Ж. Верна измеряли пройден­ный путь, сравнивая его с шагом, то есть еди­ницей измерения служил шаг. Таких шагов оказалось триста. В результате измерения было получено числовое значение (триста) физиче­ской величины (пути) в избранных единицах (шагах).

Очевидно, что выбор такой единицы не поз­воляет сравнивать результаты измерений, полу­ченные разными людьми, поскольку длина шага у всех разная (рис. 1.20). Поэтому ради удобства и точности люди давным-давно начали договари­ваться о том, чтобы измерять одну и ту же фи­зическую величину одинаковыми единицами. Ныне в большинстве стран мира действует при­нятая в 1960 году Международная система еди­ниц измерения, которая носит название «Систе­ма Интернациональная» (СИ) (рис. 1.21).

В этой системе единицей длины является метр (м), времени - секунда (с); объем изме­ряется в метрах кубических (м 3), а скорость - в метрах в секунду (м/с). Об остальных единицах СИ вы узнаете позже.

3. Вспоминаем кратные и дольные единицы

Из курса математики вы знаете, что для сокращения записи больших и малых значе­ний разных величин пользуются кратными и дольными единицами.

Кратные единицы - это единицы, кото­рые больше основных единиц в 10, 100, 1000 и более раз. Дольные единицы - это единицы, которые меньше основных в 10, 100, 1000 и более раз.

Для записи кратных и дольных единиц используют приставки. Например, единицы длины , кратные одному метру,- это километр (1000 м), декаметр (10 м).

Единицы длины, дольные одному метру,- это дециметр (0,1 м), сантиметр (0,01 м), микрометр (0,000001 м) и так далее.

В таблице приведены наиболее часто употребляемые приставки.

4. Знакомимся с измерительными приборами

Измерение физических величин ученые проводят с помощью измери­тельных приборов. Простейшие из них - линейка, рулетка - служат для измерения расстояния и линейных размеров тела. Вам также хорошо известны такие измерительные приборы, как часы - прибор для измерения време­ни, транспортир - прибор для измерения углов на плоскости , термометр - прибор для измерения температуры и некоторые другие (рис. 1.22, с. 20). Co многими измерительными приборами вам еще предстоит познакомиться.

Большинство измерительных приборов имеют шкалу, которая обеспечи­вает возможность измерения. Кроме шкалы, на приборе указывают едини­цы, в которых выражается измеренная данным прибором величина*.

По шкале можно установить две наиболее важные характеристики при­бора: пределы измерения и цену деления.

Пределы измерения - это наибольшее и наименьшее значения физической величины , которые можно измерить данным прибором.

В наши дни широко используются электронные измерительные приборы, в которых значение измеренных величин высвечивается на экране в виде цифр. Пределы измере­ния и единицы определяются по паспорту прибора или устанавливаются специальным переключателем на панели прибора.

Рис. 1.22. Измерительные приборы

Цена деления - это значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.

Например, верхний предел измерений ме­дицинского термометра (рис. 1.23) равен 42 °С, нижний - 34 °С, а цена деления шкалы этого термометра составляет 0,1 °С.

Напоминаем: чтобы определить цену де­ления шкалы любого прибора, необходимо разность двух любых значений величин, ука­занных на шкале , разделить на количество де­лений между ними.

Рис. 1.23. Медицинский термометр

• Подводим итоги

Общая характеристика материальных объектов или явлений, которая может приоб­ретать индивидуальное значение для каждого из них, называется физической величиной.

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.

В результате измерений мы получаем зна­чение физических величин.

Говоря о значении физической величины, следует указать ее числовое значение и единицу.

Для измерения физических величин поль­зуются измерительными приборами.

Для сокращения записи числовых значений больших и малых физиче­ских величин используют кратные и дольные единицы. Они образуются с помощью приставок.

• Контрольные вопросы

1. Дайте определение физической величины. Как вы его понимаете?
2. Что означает измерить физическую величину?

3. Что понимают под значением физической величины?

4. Назовите все физичес­кие величины, упомянутые в отрывке из романа Ж. Верна, приве­денном в тексте параграфа. Каково их числовое значение? единицы измерения?

5. С помощью каких приставок образуются дольные еди­ницы? кратные единицы?

6. Какие характеристики прибора можно установить с помощью шкалы?

7. Что называют ценой деления?

• Упражнения

1. Назовите известные вам физические величины. Укажите единицы этих величин. Какими приборами их измеряют?

2. На рис. 1.22 изображены некоторые измерительные приборы. Мож­но ли, используя только рисунок, определить цену деления шкал этих приборов. Ответ обоснуйте.

3. Выразите в метрах следующие значения физической величины: 145 мм; 1,5 км; 2 км 32 м.

4. Запишите с помощью кратных или дольных единиц следующие значения физических величин: 0,0000075 м - диаметр красных кровяных телец; 5 900 000 000 000 м - радиус орбиты планеты Плутон; 6 400 000 м - радиус планеты Земля.

5 Определите пределы измерения и цену деления шкал приборов, ко­торые есть у вас дома.

6. Вспомните определение физической величины и докажите, что длина - это физическая величина.

• Физика и техника в Украине
  

Один из выдающихся физиков современности - Лев Давидо­вич Ландау (1908- 1968) - продемонстрировал свои способности, еще учась в средней школе. После окончания университета он стажировался у одного из творцов квантовой физики Нильса Бора. Уже в 25-летнем возрасте он возглавил теоретический отдел Украинско­го физико-технического института и кафедру теоретической физики Харьковского университета. Как и большинство выдающихся физиков-теоретиков, Ландау обладал чрезвычайной широтой научных интересов. Ядерная физика, физика плазмы, теория сверхтекучести жидкого гелия, теория сверхпроводимости - во все эти разделы фи­зики Ландау внес значительный вклад. За работы по физике низких температур он был удостоен Нобелевской премии.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.

Содержание урока конспект урока и опорный каркас презентация урока интерактивные технологии акселеративные методы обучения Практика тесты, тестирование онлайн задачи и упражнения домашние задания практикумы и тренинги вопросы для дискуссий в классе Иллюстрации видео- и аудиоматериалы фотографии, картинки графики, таблицы, схемы комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты Дополнения рефераты шпаргалки фишки для любознательных статьи (МАН) литература основная и дополнительная словарь терминов Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике замена устаревших знаний новыми Только для учителей календарные планы учебные программы методические рекомендации

В науке и технике используются единицы измерения физических величин, образующие определенные системы. В основу совокупности единиц, устанавливаемой стандартом для обязательного применения, положены единицы Международной системы (СИ). В теоретических разделах физики широко используются единицы систем СГС: СГСЭ, СГСМ и симметричной Гауссовой системы СГС. Определенное применение находят также единицы технической системы МКГСС и некоторые внесистемные единицы.

Международная система (СИ) построена на 6 основных единицах (метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, кандела) и 2 дополнительных (радиан, стерадиан). В окончательной редакции проекта стандарта “Единицы физических величин” приведены: единицы системы СИ; единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: тонна, минута, час, градус Цельсия, градус, минута, секунда, литр, киловатт–час, оборот в секунду, оборот в минуту; единицы системы СГС и другие единицы, применяемые в теоретических разделах физики и астрономии: световой год, парсек, барн, электронвольт; единицы, временно допускаемые к применению такие, как: ангстрем, килограмм–сила, килограмм–сила–метр, килограмм–сила на квадратный сантиметр, миллиметр ртутного столба, лошадиная сила, калория, килокалория, рентген, кюри. Важнейшие из этих единиц и соотношения между ними приведены в табл.П1.

Сокращенные обозначения единиц, приведенные в таблицах, применяются только после числового значения величины или в заголовках граф таблиц. Нельзя применять сокращенные обозначения вместо полных наименований единиц в тексте без числового значения величин. При использовании как русских, так и международных обозначений единиц используется прямой шрифт; обозначения (сокращенные) единиц, названия которых даны по именам ученых (ньютон, паскаль, ватт и т.д.) следует писать с заглавной буквы (Н, Па, Вт); в обозначениях единиц точку как знак сокращения не применяют. Обозначения единиц, входящих в произведение, разделяются точками как знаками умножения; в качестве знака деления применяют обычно косую черту; если в знаменатель входит произведение единиц, то оно заключается в скобки.

Для образования кратных и дольных единиц используются десятичные приставки (см. табл. П2). Особенно рекомендуется применение приставок, представляющих собой степень числа 10 с показателем, кратным трем. Целесообразно использовать дольные и кратные единицы, образованные от единиц СИ и приводящие к числовым значениям, лежащим между 0,1 и 1000 (например: 17 000 Па следует записать как 17 кПа).

Не допускается присоединять две или более приставок к одной единице (например: 10 –9 м следует записать как 1 нм). Для образования единиц массы приставку присоединяют к основному наименованию “грамм” (например: 10 –6 кг= =10 –3 г=1 мг). Если сложное наименование исходной единицы представляет собой произведение или дробь, то приставку присоединяют к наименованию первой единицы (например кН∙м). В необходимых случаях допускается в знаменателе применять дольные единицы длины, площади и объема (например В/см).

В табл.П3 приведены основные физические и астрономические постоянные.

Таблица П1

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В СИСТЕМЕ СИ

И ИХ СООТНОШЕНИЕ С ДРУГИМИ ЕДИНИЦАМИ

Наименование величин	Единицы измерения	Сокращенное обозначение	Размер	Коэффициент для приведения к единицам СИ
СГС	МКГСС и внесистемные единицы
Основные единицы
Длина	метр	м		1 см=10 –2 м	1 Å=10 –10 м 1 св.год=9,46×10 15 м
Масса	килогамм	кг		1г=10 –3 кг
Время	секунда	с			1 ч=3600 с 1 мин=60 с
Температура	кельвин	К			1 0 С=1 К
Сила тока	ампер	А		1 СГСЭ I = =1/3×10 –9 А 1 СГСМ I =10 А
Сила света	кандела	кд
Дополнительные единицы
Плоский угол	радиан	рад			1 0 =p/180 рад 1¢=p/108×10 –2 рад 1²=p/648×10 –3 рад
Телесный угол	стерадиан	ср			Полный телесный угол=4p ср
Производные единицы
Частота	герц	Гц	с –1

Продолжение табл.П1

Угловая скорость	радиан в секунду	рад/с	с –1		1 об/с=2p рад/с 1об/мин= =0,105 рад/с
Объем	кубический метр	м 3	м 3	1см 2 =10 –6 м 3	1 л=10 –3 м 3
Скорость	метр в секунду	м/с	м×с –1	1см/с=10 –2 м/с	1км/ч=0,278 м/с
Плотность	килограмм на куби-ческий метр	кг/м 3	кг×м –3	1г/см 3 = =10 3 кг/м 3
Сила	ньютон	Н	кг×м×с –2	1 дин=10 –5 Н	1 кг=9,81Н
Работа, энергия, количество тепла	джоуль	Дж (Н×м)	кг×м 2 ×с –2	1 эрг=10 –7 Дж	1 кгс×м=9,81 Дж 1 эВ=1,6×10 –19 Дж 1 кВт×ч=3,6×10 6 Дж 1 кал=4,19 Дж 1 ккал=4,19×10 3 Дж
Мощность	ватт	Вт (Дж/с)	кг×м 2 ×с –3	1эрг/с=10 –7 Вт	1л.с.=735Вт
Давление	паскаль	Па (Н/м 2)	кг∙м –1 ∙с –2	1дин/см 2 =0,1Па	1 ат=1 кгс/см 2 = =0,981∙10 5 Па 1мм.рт.ст.=133 Па 1атм= =760 мм.рт.ст.= =1,013∙10 5 Па
Момент силы	ньютон–метр	Н∙м	кгм 2 ×с –2	1 дин×см= =10 –7 Н×м	1 кгс×м=9,81 Н×м
Момент инерции	килограмм–метр в квадрате	кг×м 2	кг×м 2	1 г×см 2 = =10 –7 кг×м 2
Динамическая вязкость	паскаль–секунда	Па×с	кг×м –1 ×с –1	1П/пуаз/= =0,1Па×с

Продолжение табл.П1

Кинематическая вязкость	квадратный метр на секунду	м 2 /с	м 2 ×с –1	1Ст/стокс/= =10 –4 м 2 /с
Теплоемкость системы	джоуль на кельвин	Дж/К	кг×м 2 х х с –2 ×К –1		1 кал/ 0 С=4,19 Дж/К
Удельная теплоемкость	джоуль на килограмм–кельвин	Дж/ (кг×К)	м 2 ×с –2 ×К –1		1 ккал/(кг× 0 С)= =4,19×10 3 Дж/(кг×К)
Электрический заряд	кулон	Кл	А×с	1СГСЭ q = =1/3×10 –9 Кл 1СГСМ q = =10 Кл
Потенциал, электрическое напряжение	вольт	В (Вт/А)	кг×м 2 х х с –3 ×А –1	1СГСЭ u = =300 В 1СГСМ u = =10 –8 В
Напряженность электрического поля	вольт на метр	В/м	кг×м х х с –3 ×А –1	1 СГСЭ Е = =3×10 4 В/м
Электрическое смещение (электрическая индукция)	кулон на квадратный метр	Кл/м 2	м –2 ×с×А	1СГСЭ D = =1/12p х х 10 –5 Кл/м 2
Электрическое сопротивление	ом	Ом (В/А)	кг×м 2 ×с –3 х х А –2	1СГСЭ R = 9×10 11 Ом 1СГСМ R = 10 –9 Ом
Электрическая емкость	фарад	Ф (Кл/В)	кг –1 ×м –2 х с 4 ×А 2	1СГСЭ С = 1 см= =1/9×10 –11 Ф

Окончание табл.П1

Магнитный поток	вебер	Вб (В×с)	кг×м 2 ×с –2 х х А –1	1СГСМ ф = =1 Мкс (максвел) = =10 –8 Вб
Магнитная индукция	тесла	Тл (Вб/ м 2)	кг×с –2 ×А –1	1СГСМ В = =1 Гс(гаусс)= =10 –4 Тл
Напряженность магнитного поля	ампер на метр	А/м	м –1 ×А	1СГСМ Н = =1Э(эрстед)= =1/4p×10 3 А/м
Магнитодвижущая сила	ампер	А	А	1СГСМ Fm
Индуктивность	генри	Гн (Вб/А)	кг×м 2 х х с –2 ×А –2	1СГСМ L = 1 см= =10 –9 Гн
Световой поток	люмен	лм	кд
Яркость	кандела на квадратный метр	кд/м 2	м –2 ×кд
Освещенность	люкс	лк	м –2 ×кд

В 1875 г. Метрической Конференцией было основано Международное Бюро Мер и Весов его целью стало создание единой системы измерений, которая нашла бы применение во всем мире. Было решено, за основу принять метрическую систему, которая появилась еще во времена Французской революции и основывалась на метре и килограмме. Позднее были утверждены эталоны метра и килограмма. С течением времени система единиц измерения развивалась, в настоящее время в ней принять семь основных единиц измерения. В 1960 г. эта система единиц получила современное название Международная система единиц (система СИ) (Systeme Internatinal d"Unites (SI)). Система СИ не обладает статичностью, она развивается в соответствии с требованиями, которые в настоящее время предъявляются к измерениям в науке и технике.

Основные единицы измерения Международной системы единиц

В основу определения всех вспомогательных единиц в системе СИ положены семь основных единиц измерения. Основными физическими величинами в Международной системе единиц (СИ) являются: длина ($l$); масса ($m$); время ($t$); сила электрического тока ($I$); температура по шкале Кельвина (термодинамическая температура) ($T$); количество вещества ($\nu $); сила света ($I_v$).

Основными единицами в системе СИ стали единицы выше названных величин:

\[\left=м;;\ \left=кг;;\ \left=с;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=моль;;\ \left=кд\ (кандела).\]

Эталоны основных единиц измерения в СИ

Приведем определения эталонов основных единиц измерения как это сделано в системе СИ.

Метром (м) называют длину пути, который проходит свет в вакууме за время равное $\frac{1}{299792458}$ с.

Эталоном массы для СИ является гиря, имеющая форму прямого цилиндра, высота и диаметр которого 39 мм, состоящего из сплава платины и иридия массой в 1 кг.

Одной секундой (с) называют интервал времени, который равен 9192631779 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия (133).

Один ампер (А) - это сила тока, проходящего в двух прямых бесконечно тонких и длинных проводниках, расположенных на расстоянии 1 метр, находящихся в вакууме порождающая силу Ампера (сила взаимодействия проводников) равную $2\cdot {10}^{-7}Н$ на каждый метр проводника.

Один кельвин (К) - это термодинамическая температура равная $\frac{1}{273,16}$ части от температуры тройной точки воды.

Один мол (моль) - это количество вещества, в котором имеется столько же атомов, сколько их содержится в 0,012 кг углерода (12).

Одна кандела (кд) равна силе света, который испускает монохроматический источник частотой $540\cdot {10}^{12}$Гц с энергетической силой в направлении излучения $\frac{1}{683}\frac{Вт}{ср}.$

Наука развивается, совершенствуется измерительная техника, определения единиц измерения пересматривают. Чем выше точность измерений, тем больше требований к определению единиц измерения.

Производные величины системы СИ

Все остальные величины рассматриваются в системе СИ как производные от основных. Единицы измерения производных величин определены как результат произведения (с учетом степени) основных. Приведем примеры производных величин и их единиц в системе СИ.

В системе СИ имеются и безразмерные величины, например, коэффициент отражения или относительная диэлектрическая проницаемость. Эти величины имеют размерность единицы.

Система СИ включает производные единицы, обладающие специальными названиями. Эти названия - компактные формы представления комбинации основных величин. Приведем примеры единиц системы СИ, имеющих собственные наименования (табл. 2).

Каждая величина в системе СИ имеет только одну единицу измерения, но одна и та же единица измерения может использоваться для разных величин. Джоуль - единица измерения количества теплоты и работы.

Система СИ, единицы измерения кратные и дольные

В Международной системе единиц имеется набор приставок к единицам измерения, которые применяют, если численные значения рассматриваемых величин существенно больше или меньше, чем единица системы, которая применяется без приставки. Эти приставки используются с любыми единицами измерения, в системе СИ они являются десятичными.

Приведем примеры таких приставок (табл.3).

При написании приставку и наименование единицы пишут слитно, так, что приставка и единица измерения образуют единый символ.

Отметим, что единица массы в системе СИ (килограмм) исторически уже имеет приставку. Десятичные кратные и дольные единицы килограмма получают соединением приставки к грамму.

Внесистемные единицы

Система СИ универсальна и является удобной в международном общении. Практически все единицы, единицы не входящие в систему СИ можно определить, используя термины системы СИ. Применение системы СИ является предпочтительным в научном образовании. Однако имеются некоторые величины, которые не входят в СИ, но широко используются. Так, единицы времени такие как минута, час, сутки являются частью культуры. Не которые единицы используют по исторически сложившимся причинам. При использовании единиц, которые не принадлежат системе СИ необходимо указывать способы их перевода в единицы СИ. Пример единиц указан в табл.4.

Физической величиной называется физическое свойство материального объекта, процесса, физического явления, охарактеризованное количественно.

Значение физической величины выражается одним или несколькими числами, характеризующими эту физическую величину, с указанием единицы измерения.

Размером физической величины являются значения чисел, фигурирующих в значении физической величины.

Единицы измерения физических величин.

Единицей измерения физической величины является величина фиксированного размера, которой присвоено числовое значение, равное единице. Применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин. Системой единиц физических величин называют совокупность основных и производных единиц, основанную на некоторой системе величин.

Широкое распространение получило всего лишь некоторое количество систем единиц. В большинстве случаев во многих странах пользуются метрической системой.

Основные единицы.

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с другой такой же физической величиной, принятой за единицу.

Длину предмета сравнивают с единицей длины, массу тела - с единицей веса и т.д. Но если один исследователь измерит длину в саженях, а другой в футах, им будет трудно сравнить эти две величины. Поэтому все физические величины во всем мире принято измерять в одних и тех же единицах. В 1963 году была принята Международная система единиц СИ (System international - SI).

Для каждой физической величины в системе единиц должна быть предусмотрена соответствующая единица измерения. Эталоном единицы измерения является ее физическая реализация.

Эталоном длины является метр - расстояние между двумя штрихами, нанесенными на стержне особой формы, изготовленном из сплава платины и иридия.

Эталоном времени служит продолжительность какого-либо правильно повторяющегося процесса, в качестве которого выбрано движение Земли вокруг Солнца: один оборот Земля совершает за год. Но за единицу времени принимают не год, а секунду .

За единицу скорости принимают скорость такого равномерного прямолинейного движения, при котором тело за 1 с совершает перемещение в 1 м.

Отдельная единица измерения используется для площади, объема, длины и т. д. Каждая единица определяется при выборе того или иного эталона. Но система единиц значительно удобнее, если в ней в качестве основных выбрано всего несколько единиц, а остальные определяются через основные. Например, если единицей длины является метр, то единицей площади будет квадратный метр, объема - кубический метр, скорости - метр в секунду и т. д.

Основными единицами физических величин в Международной системе единиц (СИ) являются: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), кандела (кд) и моль (моль).

Основные единицы СИ
Величина	Единица	Обозначение
	Наименование	русское	международное
Сила электрического тока
Термодинамическая температура
Сила света
Количество вещества

Существуют также производные единицы СИ, у которых есть собственные наименования:

Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования
	Единица		Выражение производной единицы
Величина	Наименование	Обозначение	Через другие единицы СИ	Через основные и дополнительные единицы СИ
Давление				м -1 ЧкгЧс -2
Энергия, работа, количество теплоты				м 2 ЧкгЧс -2
Мощность, поток энергии				м 2 ЧкгЧс -3
Количество электричества, электрическийзаряд
Электрическое напряжение, электрическийпотенциал				м 2 ЧкгЧс -3 ЧА -1
Электрическая емкость				м -2 Чкг -1 Чс 4 ЧА 2
Электрическое сопротивление				м 2 ЧкгЧс -3 ЧА -2
Электрическая проводимость				м -2 Чкг -1 Чс 3 ЧА 2
Поток магнитной индукции				м 2 ЧкгЧс -2 ЧА -1
Магнитная индукция				кгЧс -2 ЧА -1
Индуктивность				м 2 ЧкгЧс -2 ЧА -2
Световой поток
Освещенность				м 2 ЧкдЧср
Активность радиоактивного источника	беккерель
Поглощенная доза излучения

И змерения . Для получения точного, объективного и легко воспроизводимого описания физической величины используют измерения. Без измерений физическую величину нельзя охарактеризовать количественно. Такие определения, как «низкое» или «высокое» давление, «низкая» или «высокая» температура отражают лищь субъективные мнения и не содержат сравнения с эталонными величинами. При измерении физической величины ей приписывают некоторое численное значение.

Измерения осуществляются с помощью измерительных приборов. Существует довольно большое количество измерительных приборов и приспособлений, от самых простых до сложных. Например, длину измеряют линейкой или рулеткой, температуру - термометром, ширину - кронциркулем.

Измерительные приборы классифицируются: по способу представления информации (показывающие или регистрирующие), по методу измерений (прямого действия и сравнения), по форме представлений показаний (аналоговый и цифровой), и др.

Для измерительных приборов характерны следующие параметры:

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, на которой рассчитан прибор при его нормальном функционировании (с заданной точностью измерения).

Порог чувствительности - минимальное (пороговое) значение измеряемой величины, различаемое прибором.

Чувствительность - связывает значение измеряемого параметра и соответствующее ему изменение показаний прибора.

Точность - способность прибора указывать истинное значение измеряемого показателя.

Стабильность - способность прибора поддерживать заданную точность измерений в течение определенного времени после калибровки.