Измерения физических величин Знания о природе мы получаем

Измерения физических величин Знания о природе мы получаем благодаря наблюдениям или экспериментам. Измерение – последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемая с целью нахождения значения физической величины, характеризующей некоторый объект или явление. 1

Измерения физических величин Килогра мм (кг) — единица измерения массы. Килограмм определяется как масса международного эталона килограмма, (цилиндра диаметром и высотой 39 мм из сплава 90 % платины- 10 % иридия). Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра воды (литра) чистой воды при температуре 4 °C и нормальном давлении. 2

Измерения физических величин Килогра мм (кг, kg) — единица измерения массы (СИ). Единственная единица СИ, определяемая при помощи предмета, изготовленного людьми — платиново-иридиевого эталона. Все остальные единицы теперь определяются с помощью фундаментальных физических свойств и законов. 3

Измерения физических величин В физических законах масса присутствует в двух разных независимых видах. 4

Измерения физических величин С одной стороны масса является мерой инертности тела: характеризует способность тела изменять характер своего движения под действием внешних сил. Второй закон Ньютона, связывающий ускорение, которое приобретает тело под действием силы, имеет вид 5

Измерения физических величин С другой стороны, масса тела может быть определена по силе притяжения, действующей между двумя телами и определяемой законом всемирного тяготения Ньютона. Такая масса называется гравитационной. 6

Измерения физических величин 7

Измерения физических величин Возникает вопрос — равны (эквивалентны) ли инертная и гравитационная массы? Можем ли мы различить, ускоренно двигается тело или находится в гравитационном поле другого тела? 8

Измерения физических величин Мы уже умеем измерять интервалы времени и длину. Ускорение тела (изменение скорости в единицу времени), необходимое для измерения инертной массы, может быть получено только из этих измерений. Сила может быть определена, в простейшем случае, по растяжению пружины динамометра (т. е. с помощью линейки). Тогда (что и сделал Галилей, изучая свободное падение тел) можно рассуждать следующим образом. 9

Измерения физических величин Рассмотрим два тела. При свободном падении вблизи поверхности Земли первое тело с инертной массой m 1 ин движется с ускорением a 1 ин Ускорение второго тела определяется соотношением Здесь М - масса Земли, с которой взаимодействуют тела. 10

Измерения физических величин 11

Измерения физических величин Если все тела около Земли имеют одно ускорение g, то отношения инертных масс будут равны отношениям гравитационных масс. То есть, если у какого-либо тела эти массы пропорциональны, то они будут пропорциональны и для всех других тел. 12

Измерения физических величин И. Ньютону показал, что коэффициент пропорциональности равен 1 с точностью до 0. 001. В начале ХХ века точность была повышена до 10 -8. В настоящее время с помощью исследований на искусственных спутниках Земли, совпадение инертной и гравитационной масс установлено с точностью до 10 -16. 13

Измерения физических величин Гравитационная и инертная массы в пределах точности современного эксперимента совпадают, нет способа их отличить. Этот факт носит название принципа эквивалентности. Но как обстоят дела за пределами точности эксперимента? Вопрос об эквивалентности инертной и гравитационной масс является предметом обсуждения физиков и сегодня. 14

Измерения физических величин В современной физике масса тела m определяется из уравнения релятивистской динамики: где E — полная энергия свободного тела, p — его импульс, c — скорость света. Определённая выше масса является релятивистским инвариантом, то есть она одна и та же во всех системах отсчёта. Если перейти в систему отсчёта, где тело покоится, то масса определяется энергией покоя. 15

Измерения физических величин Вот так все непросто с таким привычным понятием «масса» А какую массу, инертную или гравитационную, мы измеряем, взвешивая товар в магазине? 16

Измерения физических величин n Из семи основных величин международной системы единиц СИ четыре - масса, длина, время и температура - неразрывно связаны с человеческой деятельностью, поэтому удивительно, что одна из этих величин, температура, оставалась непонятой практически до начала XVIII века. n И понадобилось еще 100 лет для формулировки приемлемого определения температуры. 17

Измерения физических величин Температура же, воспринимаемая нашими органами чувств, является характеристикой весьма расплывчатой. Так, понятия "тепло" и "холодно" субъективны. Они определяются, в частности, состоянием человека. Проведем эксперимент. Коснитесь металлической и пластмассовой или деревянной поверхности. Какая из них холоднее? 18

Измерения физических величин Сотни студентов отвечали – холоднее металл. Но ведь исходная температура у поверхностей одинакова. Почему же поверхность дерева кажется теплее, чем металлической? Это связано с тем, что материалы имеют разные теплофизические свойства (теплоемкость и теплопроводность). Из-за большой теплопроводности металла тепло эффективнее отводится от ладони, что субъективно воспринимается как снижение температуры. Кроме того, проявляются и особенности передачи ощущения тепла в организме человека. 19

Измерения физических величин Что же такое температура? Кирпич Вода Что произойдет? 20

Измерения физических величин Среди характеристик, описывающих состояние систем, находящихся в тепловом равновесии (отсутствуют потоки энергии), имеется одна, обладающая особым свойством принимать одинаковое значение в различных системах. Она и называется температурой. Все системы, находящиеся в тепловом равновесии друг с другом, обладают одинаковой температурой. Наоборот, все системы, имеющие одинаковую температуру, будучи приведены в тепловой контакт, окажутся в тепловом равновесии друг с другом. При измерении температуры одна из этих систем - термометр. 21

Измерения физических величин В основе представлений о температуре к началу XVII века лежали медицинские трактаты древнеримского врача Клавдия. Галена (ок. 130 – ок. 200). Заметим, что почти за два тысячелетия эти представления не изменились, хотя цивилизация ушла далеко в своих знаниях об окружающем мире, развивались ремесла и медицина. 22

Измерения физических величин Клиническая термометрия Галена основывалась на идеях Аристотеля: основными началами природы являются абстрактные "принципы" - холод, тепло, сухость и влажность. Комбинируя их попарно и наделяя ими "первичную материю", Аристотель выводил четыре "основных элемента" - землю, огонь, воздух и воду СУХОСТЬ земля огонь ХОЛОД ТЕПЛО вода воздух ВЛАЖНОСТЬ 23

Измерения физических величин Гален считал, что люди различаются по соотношению тепла, холода, влажности и сухости. Он использовал эталон «нейтральной температуры» — смесь равных частей кипящей воды и льда (температура такой смеси будет около 10 о. С). Кипящей воде приписывалось четыре градуса тепла, льду — четыре градуса холода и нуль — температуре смеси. В то время, вероятно, и появился термин temperatura (лат. ) - смешивание в должном отношении. СУХОСТЬ земля огонь ХОЛОД ТЕПЛО вода воздух ВЛАЖНОСТЬ 24

Измерения физических величин Более чем через двенадцать(!) столетий в 1578 году врач Хаслер Бернский, следуя Галену, приписывал своим лекарственным смесям различные градусы тепла и холода. Для составления своих рецептов он использовал температурную шкалу Галена. По его мнению, жители экваториальных областей имеют четыре градуса тепла, а жители полярных районов - четыре градуса холода. На основании места жительства пациента и составляли смеси лекарств. СУХОСТЬ земля огонь ХОЛОД ТЕПЛО вода воздух 25 ВЛАЖНОСТЬ

Измерения физических величин Принято считать, что в 1592 году Галилей обратил внимание на связь между объемом воздуха в замкнутом сосуде и степенью его нагретости – температурой. И предложил устройство для ее измерения - воздушный термометр. Заметим, что свойство воздуха расширяться при нагревании было известно еще во втором столетии до нашей эры. Вот роль великого человека – видеть новое в известном! 26

Измерения физических величин В 1632 году английский биолог Д. Рей (1627 -1705) предложил использовать в качестве термометрического тела жидкость, появился первый жидкостный термометр. 27

Измерения физических величин Первая температурная шкала была создана английским естествоиспытателем Р. Гуком (1635 -1703). -7 градусов - наибольший зимний холод в Лондоне +13 градусов - максимальная летняя жара. Эта шкала получила название шкалы Королевского общества. Создание температурной шкалы позволило вести первые количественные метеорологические наблюдения (эти градусы не имеют никакого отношения к сегодняшним). 28

Измерения физических величин В 1709 -1714 гг. году немецкий физик Г. Д. Фаренгейт (1686 -1736) изготовил термометры с ртутью и спиртом. Кроме того, он разработал метод создания температурной шкалы, основанный на двух фиксированных точках с разбиением интервала между ними на удобное число делений. В конце концов, он предложил шкалу, в которой одной из фиксированных точек была температура тела человека (100 градусов), а второй — температура таяния льда (32 градуса). Появилась температурная шкала Фаренгейта, принятая сегодня в ряде стран, в том числе в США. 29

Измерения физических величин В 1730 году французский естествоиспытатель Р. А. Реомюр (16831757) создал температурную шкалу, в которой за начало отсчета выбрана температура таяния льда. При изменении температуры на один градус объем спирта менялся на 0. 1%. Точка кипения воды приходится в этой шкале на 80 градусов. Именно Реомюр в 1734 году первым понял, что показания термометра зависят от термометрического тела. 30

Измерения физических величин Шведский астроном и физик А. Цельсий (1701 -1744) предложил в 1742 г. за нуль температурной шкалы принять точку кипения воды при нормальном давлении, а за 100 – точку таяния льда. Шведский естествоиспытатель К. Линней (1707 -1778) переставил точки 0 и 100 на шкале Цельсия. И сегодня мы используем эту шкалу в своей обыденной жизни 31

Измерения физических величин Абсолютная термодинамическая шкала температур (шкала Кельвина (Уильям Томсон, лорд Кельвин)). Именно эта температурная шкала определяется не произвольным, пусть и удачным, выбором исследователя, а природой физических процессов. 32

Измерения физических величин Именно эта температурная шкала определяется не произвольным, пусть и удачным, выбором исследователя, а природой физических процессов. Идеальный газ 33

Измерения физических величин Реперная точка Температурная шкала Цельсия, ОС Температурная шкала Фаренгейта, ОF Абсолютная шкала температу р, К Тройная точка воды (равновесие льда, воды и водяного пара при нормальном давлении 760 мм. рт. ст) 0 32 273. 15 100 212 373. 15 - 273. 15 - 459 0 Температура кипения воды Абсолютный нуль температуры 34

Измерения физических величин 35

Измерения физических величин Точность измерений Принцип неопределенности Вернера Гейзенберга (1901 -1976) 36

Измерения физических величин Следующая лекция «Силы в природе» Контрольный опрос Вариант 1. Что такое измерение? Вариант 2. Что такое физическая величина? 37