Підручник Фізика 7 клас – Бойко М.П. – 2015 рік

Для вимірювань під час проведення наукових досліджень, виготовлення деталей машин і механізмів потрібні спеціальні засоби, які можуть зберігати й відтворювати одну або кілька одиниць фізичної величини. їх називають засобами вимірювань. Найпростішими засобами вимірювання фізичних величин є міри.

Міра — це засіб вимірювання, який зберігає й відтворює одне чи кілька значень фізичної величини певного розміру.

Виміряти довжину і ширину аркуша паперу можна лінійкою. Для знаходження температури використовують термометри. Масу тіл визначають за допомогою гир і терезів. Швидкість автомобіля водій визначає за показами спідометра, а автоінспектор — за показами радара.

Лінійка, мірна стрічка, рулетка — це міри, призначені для вимірювання довжини (мал. 1.31, а—в). Вони зберігають і відтворюють потрібні нам значення довжини (1м, 1 дм, 1 см, 1 мм). Мірами є гирі, що відтворюють різні значення маси (100 г, 1 кг, 5 кг тощо). У лабораторних дослідженнях і в практичній діяльності використовують набори гир — різноваги (мал. 1.32).

Риски та написи, нанесені на мірах, вказують, які розміри і яких фізичних величин вони зберігають. Під час вимірювань вимірювану величину порівнюють із мірою. Наприклад, приклали лінійку до відрізка прямої лінії, накресленої у зошиті, і бачимо: його довжина 5 см. Мірами, що дають змогу визначати об’єми налитої у них рідини, є мензурки і мірні циліндри (мал. 1.33, 1.34). Риски на їхніх бічних поверхнях показують, якому об’єму відповідає внутрішній об’єм мензурки або циліндра від денця до цієї риски. Система рисок і написів біля них утворює шкалу. За допомогою шкали об’єм рідини, налитої у мензурку або циліндр, порівнюють із внутрішнім об’ємом цих мір.

Еталони. Щоб забезпечити єдиність (однаковість) вимірювань, учені різних країн за домовленістю створили зразкові міри одиниць фізичних величин. Найточнішими мірами є еталони.

За еталонами виготовляють зразкові засоби вимірювань, а з їх допомогою — робочі: лінійки, гирі та інші вимірювальні засоби, якими користуються в побуті та на виробництві.

Вимірювальні прилади. Спробуйте лінійкою виміряти товщину одного аркуша паперу з вашого зошита. Неможливо також виготовити лінійку, якою можна було б виміряти висоту польоту літака або глибину занурення підводного човна. Для цього використовують спеціальні вимірювальні прилади, що ґрунтуються на застосуванні різних фізичних явищ. Так, для визначення товщини аркуша паперу можна скористатися штангенциркулем(мал. 1.36, а) або мікрометром (мал. 1.36, б). Висоту польоту літака пілот визначає альтиметром, а диспетчери в аеропорту — за радіолокатором.

Тривалий час міжнародним еталоном метра вважалася відстань між двома рисками, нанесеними на платиново-іридієвий стрижень спеціального профілю (мал. 1.35). Цей стрижень зберігається у Міжнародному бюро мір і ваг, але вже як історичний експонат, оскільки нині використовують точніший еталон метра.

Прилади, на відміну від мір, показують значення вимірюваної величини у зручному для зчитування вигляді. Є прилади, на яких безпосередньо відображуються числові значення вимірюваної величини. Наприклад, цифри на табло електронного годинника — значення часу (мал. 1.37). Безконтактний термометр, спрямований на нагріте тіло, показує значення його температури на дисплеї (мал. 1.38). Такі прилади називають цифровими.

У більшості вимірювальних приладів є шкали та покажчики. Кожен штрих відповідає певному значенню фізичної величини, для вимірювання якої призначено прилад. Біля деяких штрихів наносять числові значення величин. Як покажчик використовують стрілки, поверхню стовпчика рідини, кінець стрижня, світловий промінь. Покажчики вказують на значення фізичної величини, яку вимірюють за допомогою приладу. Так, стрілка барометра вказує на шкалі значення атмосферного тиску (мал. 1.39), а кінець стовпчика підфарбованого спирту або ртуті в капілярі рідинного термометра — значення температури.

Кожний вимірювальний прилад характеризується певними межами вимірювання — найменшим і найбільшим значенням величини, для вимірювання якої він призначений. Межі вимірювання приладу можна визначити за його шкалою. Так, за допомогою термометра, зображеного на мал. 1.40, можна виміряти температуру від —10 °С (нижня межа) до 50 °С (верхня межа). У зображеної на мал. 1.41 лінійки межі вимірювання такі: 0 — нижня межа і 10 см — верхня межа.

Нанести на шкалу штрихи, які б відповідали всім значенням вимірюваної величини, неможливо. Тому зазвичай над штрихами зазначають лише кілька значень. Відстані між двома сусідніми штрихами, біля яких проставлено значення фізичних величин, часто додатково ділять, наносячи менші штрихи (подивись на свою лінійку). Біля них нічого не пишуть.

Інтервал між двома сусідніми штрихами шкали називають поділкою. Значення величини, що відповідає найменшій поділці, називають ціною поділки.

Щоб визначити ціну поділки, різницю значень величин для двох найближчих штрихів із числовими відмітками потрібно поділити на кількість поділок між ними. Так, для лінійки (мал. 1.41) ціна поділки становить 0,5 см.

Визначимо ціну поділки секундоміра (мал. 1.42). Проміжок між штрихами, що відповідають 10 с і 15 с, становить 5 с (15 с – 10 с = 5 с) і має 25 поділок. Тоді 5 с : 25 поділок = 0,2 с/под. Отже, ціна поділки цього секундоміра 0,2 с. Ціну поділки і межі вимірювань у деяких випадках зазначають на приладі. Так, на циферблаті секундоміра вказано ціну поділки — 0,2 s. Згідно з написами на корпусі мікрометра (мал. 1.43) ціна поділки його шкали становить 0,01 мм, а межі вимірювання — від 0 до 25 мм.

Виконайте таке дослідження. Сумістіть нульові штрихи своєї лінійки і лінійки товариша. Перевірте, чи точно суміщаються інші штрихи на їхніх шкалах. Результат одного з таких порівнянь лінійок зображено на мал. 1.44. Як бачимо, розбіжність на 15-сантиметровій поділці становить від 0,5 до 1 мм. Покази двох термометрів також часто розрізняються.

Жодна міра чи вимірювальний прилад не є абсолютно точними. Причин може бути кілька. Неточність виготовлення, зношування внаслідок тривалого використання, налипання бруду. Крім того, на точність приладів можуть впливати температура довкілля, вологість повітря та інші чинники. Тому вимірювальні прилади завжди вносять у результат вимірювання деяку неточність — похибку.

Щоб похибка, зумовлена вимірювальним приладом, була найменшою, його потрібно використовувати за відповідних умов вимірювання. Основні з цих умов зазначають на приладі. Наприклад, на мензурці написано «20 °С». Це означає, що за цієї температури позначки її шкали найточніше відповідають зазначеним на ній об’ємам.

Використовуючи вимірювальні прилади, ми своїми діями також вносимо у результат вимірювання деяку похибку. Спробуйте виміряти за допомогою лінійки довжину кулькової ручки або олівця. Якщо ручку покласти на шкалу лінійки, то її довжина, наприклад, становитиме 14 см 6 мм. Розмістивши ручку на столі впритул до лінійки, отримаємо значення 14 см 5 мм (мал. 1.45).

Ви, очевидно, зрозуміли, що найточнішим результат буде тоді, коли лінія зору проходитиме через кінчик ручки перпендикулярно до шкали лінійки. У визначенні цієї перпендикулярності можемо покладатися лише на свій зір, а він іноді нас підводить. Тому під час будь-яких вимірювань унаслідок неточності приладів і помилок під час зчитування їх показів отримане значення фізичної величини містить у собі похибку вимірювання — різницю між істинним значенням величини і знайденим.

Виміряне значення шуканої величини відрізняється від істинного (справжнього) її значення на похибку вимірювання.

Для зменшення похибок обирають і навіть спеціально виготовляють точніші прилади, а також вдаються до спеціальних заходів. Для вимірювання, наприклад, діаметра кулі можна використати додаткові кутники або прямокутні брусочки з перевіреними за допомогою кутників гранями (мал. 1.46). Близький до істинного результат можна отримати, знайшовши його середнє значення за кількома вимірюваннями.

Вимірюючи об’єм рідини за допомогою мензурки чи мірного циліндра, потрібно стежити, щоб поверхня, на якій вони знаходяться, була горизонтальною. Крім того, біля стінок цих приладів поверхня води може підніматися вгору, утворюючи так званий меніск. Меніск біля стінки має вигляд обідка завширшки приблизно 1 мм і навіть більше. Тому об’єм рідини визначають за нижнім рівнем меніска, якщо він загнутий угору. При цьому лінія зору має бути горизонтальною (мал. 1.47).

Точність вимірювання стає великою проблемою в науці й техніці. Розробленням теорії вимірювань займається спеціальна наука — метрологія. Врахувати всі похибки, які виникають під час вимірювання, досить складно. Можна вважати, що найбільша похибка тих засобів вимірювань, якими ви користуєтеся, не перевищує ціни поділки приладу. Тому результат вимірювання довжини ручки можна записати так: l = (146 ± 1) мм або l = (14,6 ± 0,1) см. Отже, істинне значення довжини ручки знаходиться в інтервалі від 14,5 до 14,7 см.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Наведіть приклади засобів вимірювань, які ви знаєте. Для вимірювання яких величин їх використовують?

2. Яка відмінність між мірами і вимірювальними приладами?

3. Яке призначення еталонів?

4. Які вимірювальні прилади є у вас вдома? Які фізичні величини можна виміряти за допомогою цих приладів?

5. У стародавні часи на Близькому Сході використовували таку одиницю довжини (відстані), як стадія — відстань, яку долала доросла людина упродовж часу, поки Сонце знаходилося над горизонтом.

Чи можна було вважати цю одиницю довжини точною? Відповідь обґрунтуйте.

6. Що таке межі вимірювання вимірювального приладу?

7. Як визначити ціну поділки вимірювального приладу?

8. Чому вимірювання не дає змоги отримати точне значення фізичної величини?

9. Що таке похибка вимірювання? Як можна приблизно оцінити похибку вимірювання?

10. Виміряйте лінійкою діаметри таких монет: 1, 2, 5 копійок. На скільки вони розрізняються? Яка похибка вимірювання? Як можна підвищити точність вимірювання?

11. Спробуйте, користуючись підручними засобами, визначити тривалість падіння однієї краплі з крана. Опишіть, як ви це зробили.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Ознайомлення з вимірювальними приладами. Визначення ціни поділки шкали приладу

Завдання: 1. Ознайомитись із такими засобами вимірювання: лінійка, мірна стрічка, мензурка, секундомір.

2. Виміряти лінійкою і мірною стрічкою ширину й висоту сторінки зошита по верхньому і нижньому обрізах та по лінії згину й краю сторінки.

Обладнання: лінійка; мірна стрічка; мензурка; секундомір.

Підготовка до проведення експерименту

Підготуйте таблиці для занасення результатів вимірювань. Таблиці можуть мати такий вигляд:

Яку фізичну величину вимірює

Як вимірювати відстані на карті

Карти корисні не лише для вказівок. Вони також можуть допомогти вам визначити відстань між двома (чи більше) місцями. Масштаби на карті можуть бути різних типів, починаючи від слів і пропорцій і закінчуючи графічними масштабами. Розшифровка масштабу є ключем до визначення вашої відстані.

Ось короткий посібник із вимірювання відстані на карті. Все, що вам знадобиться, це лінійка, папір і олівець.

Інструкції

1. За допомогою лінійки виміряйте відстань між двома місцями. Якщо лінія, яку ви намагаєтеся виміряти, досить вигнута, скористайтеся струною, щоб визначити відстань, а потім виміряйте струну.
2. Знайдіть масштаб карти , яку ви збираєтеся використовувати. Зазвичай вони розташовані в одному з кутів карти. Це може бути графічне — шкала лінійки або письмова шкала — словами чи цифрами.
3. Якщо шкала є усним твердженням (тобто «1 дюйм дорівнює 1 милі»), визначте відстань, просто вимірявши її лінійкою. Наприклад, якщо на шкалі зазначено 1 дюйм = 1 миля, то для кожного дюйма між двома точками на карті справжня відстань на землі дорівнює цьому числу в милях. Якщо ви виміряли на карті 3 5/8 дюйма, це буде 3,63 милі на землі.
4. Якщо масштаб є репрезентативним дріб (і виглядає як 1/100 000), помножте відстань до лінійки на знаменник (у цьому випадку 100 000), який позначає відстань в одиницях вимірювання лінійки. Одиниці вимірювання будуть вказані на карті, наприклад 1 дюйм або 1 сантиметр. Наприклад, якщо частка карти дорівнює 1/100 000, масштаб вказано в дюймах, а ваші точки розташовані на відстані 6 дюймів одна від одної, у реальному житті вони матимуть розмір 6×100 000, тобто 600 000 сантиметрів або 6 кілометрів одна від одної.
5. Якщо масштаб є співвідношенням (і виглядає як 1:100 000), ви помножите одиниці карти на число після двокрапки. Наприклад, якщо ви бачите 1:63 360, це означає, що 1 дюйм на карті відповідає 63 360 дюймам на землі, тобто 1 милі.
6. За допомогою графічної шкали вам потрібно буде виміряти графіку, наприклад, білі та чорні смуги, щоб визначити, скільки відстані лінійки дорівнює відстані в реальності. Ви можете виміряти лінійкою відстань між вашими двома точками та розмістити її на шкалі, щоб визначити справжню відстань, або ви можете використати скретч-папір і перейти від шкали до карти.
   Щоб використовувати папір, ви покладете край аркуша біля шкали та зробите позначки там, де вона показує відстані, таким чином перенісши шкалу на папір. Потім позначте позначки, що вони означають, на реальній відстані. Нарешті, ви покладете аркуш паперу на карту між вашими двома точками, щоб визначити реальну відстань між ними.
7. Після того, як ви визначите своє вимірювання та порівняєте його зі шкалою, переведіть свої одиниці вимірювання в найбільш зручні для вас одиниці (тобто, переведіть 63 360 дюймів в 1 милю або 600 000 см в 6 км і так далі).

Остерігайся

Слідкуйте за картами, які були відтворені та зі зміненим масштабом. Графічний масштаб змінюється зі зменшенням або збільшенням, але інші масштаби стають неправильними. Наприклад, якщо карту було зменшено до 75 відсотків на копіювальному апараті, щоб зробити роздатковий матеріал, і масштаб показує, що 1 дюйм на карті дорівнює 1 милі, це вже неправда; лише оригінальна карта, надрукована на 100 відсотків, є точною для цього масштабу.