Образовательный материал

Пояснительная записка модифицированной программы
«Измерение физических величин»
Программа «Измерение физических величин» для обучающихся 8-х классов составлена на основе программ:
-программа элективного курса «Измерение физических величин» [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], автор Н.В.Кузнецова;
-программы элективного курса «Физические величины и их измерение», Москва «Просвещение»,1990
Измерения являются одним из путей познания природы человеком, объединяющим теорию с практической деятельностью человека. Роль и значение измерений в процессе развития естественных и технических наук непрерывно возрастает, так как растет число и качество различных измерений величин в производстве, науке, быту, медицине.
Величины являются составной частью содержания многих наук: физики, математики, химии, астрономии, биологии и других. Без величин изучение природы ограничивалось бы лишь наблюдениями и оставалось на описательном уровне. Условия для введения той или иной величины созревают в процессе развития данной области знания, «создаются» в ходе постепенной работы по уточнению понятий. Величины не существуют сами по себе, как некие субстанции, оторванные от материальных объектов и их свойств, их вводят в ходе познания для описания явлений природы, свойств объектов.
Величины тесно связаны с понятием измерения, результат измерения выражается числовым значением величины. Известно, что не каждое свойство объектов, явлений мы умеем измерять. Примерами могут служить многие понятия в психологи, педагогике, биологии, экономике (воля, смелость, вкус и т.д.). Иногда такие понятия также называют величинами, но в отличие от привычных – величинами латентными.
В физике понятие величины играет фундаментальную роль. Предметом физического исследования являются физические объекты, явления, обладающие множеством различных свойств. Для количественного описания этих свойств используются различные величины. «Язык физики - это язык физических величин, на основе использования которых формулируются и законы, и принципы, и теории»*.
В процессе изучения различных величин учащиеся должны знать не только их определение и свойства объектов, которые они характеризуют, но и как их измерить; в чем заключается математическая обработка результатов измерений. Понимание этих вопросов способствует развитию научного мировоззрения школьников.
Целенаправленная работа по формированию у учащихся прочных измерительных навыков с умением оценивать погрешности в простейших случаях подготавливает их к успешному усвоению программы физики на 3 ступени обучения.
Данный курс в объёме 34 часов (1 час в неделю) предназначен для учащихся 8 классов, из них:
лекционных – 10 часов;
семинарских занятий – 8 часов;
практических занятий – 16 часов;
Программа курса охватывает темы учебных программ физики 7, 8–х классов. Курс построен с опорой на знания и умения учащихся, приобретенные при изучении физики в 7-8 классах, дает возможность более глубоко познакомиться с методами измерения физических величин, изучить принцип действия различных измерительных приборов, в том числе современных, приобрести умения практического использования измерительных приборов, обработки и анализа полученных результатов.
Цель данного курса: создание ориентационной и мотивационной основы для осознанного выбора профиля дальнейшего обучения.
*Мощанский В.Н. Формирование мировоззрения при изучении физики. – М., 1996, с. 104

Задачами данного курса являются:
реализация учениками интереса к предмету;
создание условий по самоопределению учащихся при выборе профиля;
формирование навыков исследовательской деятельности;
формирование прочных измерительных навыков и умений работать с различными измерительными приборами.
Основным видом деятельности учащихся является исследовательская деятельность. Она включает в себя такие элементы, как наблюдение, измерение, выдвижение гипотез, построение объясняющих моделей, экспериментирование, математическая обработка данных, анализ информационных источников, а также предполагает использование коммуникативных умений (умение работать в группе, культуру ведения дискуссии, презентации результатов и т.д.).
Особенностью данного курса является то, что при проведении экспериментальной части учащимся предлагается использование стандартного и нестандартного оборудования кабинета физики. Целью каждой работы с использованием современной измерительной техники является не только проведение исследований зависимостей одних физических величин от других, но и сравнение результатов измерений, полученных с помощью различных измерительных приборов.
Курс является практико-ориентированным и направленным на решение задач, с которыми ученики встречаются в повседневной жизни, на формирование уверенности в своих знаниях и способностях успешного взаимодействия с предметами окружающего мира и разнообразными техническими устройствами.



Требования к знаниям и умениям учащихся
учащиеся должны в процессе обучения приобрести:
прочные измерительные навыки и умения;
умение работать с различными измерительными приборами;
навыки исследовательской деятельности и умения такие как:
умение строить план исследования,
умение объяснять физические явления с опорой на выбранную модель,
умение составлять отчет о проведённом исследовании, с учётом вычисления погрешностей измерений,
умение построения таблиц и графиков исследуемых зависимостей,
навыки и умения предлагать и проводить наблюдения, измерения, эксперименты, позволяющие выявить характеристики явлений, проверить и скорректировать рабочую модель.





Формы организации обучения и контроля учебных достижений учащихся

При организации работы необходимо начать с теоретических занятий, сначала лекционных. Затем необходимо перейти на активное использование методов проблемного обучения, таких, как эвристическая беседа и проблемно-поисковая беседа. Использование этих методов позволяет активно включать учащихся в обсуждение выдвигаемых проблем, гипотез, задач, которые предлагает как учитель, так и сами ученики. Использование таких методов позволяет ученикам активно участвовать в обсуждении поставленных вопросов, учит культуре общения, умениям высказывать и отстаивать свою точку зрения, обосновывать высказанные утверждения и т.д.
На практических занятиях работа должна быть организована от простого к сложному. При выполнении лабораторных работ учащиеся смогут приобрести умения и навыки планировать физический эксперимент в соответствии с поставленной задачей, научиться выбирать рациональный метод измерений, выполнять эксперимент, обрабатывать и сравнивать полученные результаты. Сначала ученикам необходимо придерживаться предлагаемого описания проведения лабораторной работы, а впоследствии они должны сами научиться планировать собственную экспериментальную деятельность.
Текущий контроль собственных достижений учащихся организуется при проведении семинаров. На таком занятии учащимся предоставляется право публично доложить о результатах проведённых исследований, сравнить свои результаты с другими, полученными “коллегами” после проведения аналогичных исследований, обсудить их. При проведении таких занятий учащиеся получают первичные навыки выступлений перед аудиторией, учатся задавать вопросы и отвечать на них, отстаивать свои результаты, доказывать собственную позицию.
Работы учащиеся могут выполнять самостоятельно или в малых группах по 2–3 человека, могут по своему желанию выбирать измерительные приборы и автоматическое устройство. Для организации учебно – познавательной деятельности возможно использование элементов технологии метода проектов.




Основное содержание курса
Раздел № 1
Измерение физических величин
(12 часов. Лекции: - 10 часов; семинары – 2 часа)

Скалярные и векторные физические величины и их измерение. Метрическая система мер. Единицы и эталоны величин. Абсолютные и относительные погрешности прямых измерений. Классификации измерительных приборов. Измерительные приборы и их принцип действия. Инструментальные и отсчетные погрешности. Классы приборов. Границы систематических погрешностей и способы их оценки. Приближенные вычисления. Случайные погрешности измерений и оценка их границ.
Этапы планирования и выполнения эксперимента. Техника безопасности при проведении эксперимента. Выбор метода измерений и измерительных приборов. Запись результатов измерений. Таблицы и графики. Обработка результатов измерений. Сравнение полученных результатов.
Измерения размеров малых тел, расстояния (длины) и времени. Методы измерения электрических величин.

Раздел № 2
Лабораторные работы
(16 часов: практические занятия)

1. Измерение размеров малых тел.
2. Измерение площади и объёмов тел.
3. Измерение промежутков времени.
4. Измерение массы тел различными способами.
5. Измерение равнодействующей силы.
6. Исследование зависимости силы тяжести от массы тела.
7. Исследование зависимости силы упругости от удлинения пружины.
8. Исследование зависимости силы трения от веса тела.
9. Исследование условия равновесия тел.
10. Измерение давления твёрдых тел, жидкостей и газов.
11. Исследование равномерного движения тела.
12. Исследование видов действия тока.
13. Исследование последовательного соединения.
14. Исследование параллельного соединения.
15. Исследование смешанного соединения.
16. Измерение мощности лампочки.
17. Измерение КПД нагревательной установки.
18. Сборка электромагнита и электромагнитного реле и испытание его действия.

Раздел № 3
Физические измерения в повседневной жизни
(6 часов: семинары)

Измерение массы тел. Измерения температуры. Влажность воздуха и способы ее измерения. Измерение атмосферного давления. Измерение артериального давления. Бытовые электроприборы.
Экскурсия в школьный медицинский кабинет.




Учебно-методическое обеспечение учебного курса
«Измерение скалярных и векторных физических величин»

Методические рекомендации к изучению темы
«Измерение размеров малых тел»
Известно, что молекулы, как и атомы не имеют четких границ. Допуская, что молекулы воды имеет сферическую форму, указывают ориентировочное значение её диаметра – 0,3нм.
Занятие можно начать с примеров делимости веществ: получение порошков, разбрызгивание воды пульверизатором (последнее можно показать учащимся). Приводятся данные о размерах частиц пи измельчении веществ, о толщине пленок. Известно, например, что искусные мастера получают золотую фольгу толщиной 2
·10 7м.
Можно в беседе с учащимися сделать вывод, что получение пленки, которая уже не может стать тоньше, означало бы, что толщина ее равна диаметру молекулы.
Затем демонстрируют растекание капли масла по поверхности воды. Демонстрируется весь процесс опыта – поднесение к поверхности воды пипетки с маслом, нанесение капли масла, его растекание. Для опыта используют машинное, подсолнечное или льняное масло; если масло предварительно подкрасить, то опыт будет нагляднее.
В процессе проведения опыта, наблюдая образовавшуюся пленку, обсуждают с учащимися вопросы о пределе ее растекания, о способе определения ее толщины. Затем обсуждаются предложения учащихся о способах измерения объема (или массы) капли, наносимой на поверхность воды, площади пленки; таким образом, школьники подготавливаются к рассмотрению опыта Рэлея.
Опыт Рэлея описывают следующим образом - большой круглый таз диаметром 82 см. был хорошо вымыт и заполнен водой. На поверхность воды поместили взвешенную каплю масла и наблюдали, как она растекается и закрывает всю поверхность. Затем опять взяли чистую воду и каплю меньшего размера, затем еще меньшего размера, пока не дошли до такой капли, которая уже не могла закрыть всю поверхность. Это означало, что капля растеклась до предела и толщина образовавшейся пленки стала равна диаметру молекулы.
Толщину пленки определяли деление ее объема (объем капли, помещенной на воду) на площадь. В опыте Рэлея объем капли определяли по ее массе и плотности масла, но, рассказывая учащимся о результатах опыта, удобнее сначала использовать данные об объеме капли, чтобы одновременно подготовить учащихся к проведению работы по измерению толщины масляной пленки в простейшем варианте.
Объем капли оказался равным 0,0009 смі (9·10№є мі), площадь образовавшейся пленки 0,550 мІ. Отсюда толщина пленки d=0,00000016 см (1,6·109 м).
Для иллюстрации этих величин в настоящее время подобраны интересные сравнения, о которых можно рассказать учащимся или предложить прочитать. Это, например, сравнение с фасетками глаз насекомых или размерами макроскопических тел. Большое впечатление производит следующий образный рассказ из Фейнмановских лекций по физики: «представим себе капельку воды размером 0,5 см. Если мы будем пристально разглядывать ее, ничего, кроме воды, спокойной, сплошной воды, не увидим. Даже под лучшим оптическим микроскопом при 2000-кратном увеличении, когда капля примет размеры большой комнаты, то мы все еще увидим относительно спокойную воду чтобы еще лучше разглядеть воду, увеличим ее опять в 2000 раз. Теперь капля вырастет до 20 км, и мы увидим, как в ней что-то кишит; теперь она напоминает толпу на стадионе в день футбольного состязания с высоты птичьего полета. Что же это кишит? Чтобы рассмотреть получше, увеличим еще в 250 раз. Нашему взору представится что-то похожее на рисунок:




Это капля воды, увеличенная в миллиард раз, но, конечно, картина эта условная».
Можно продолжить чтение цитаты или объяснить учащимся, в чем условность рисунка: частицы (молекулы) изображены упрощенно, с резкими краями, для простоты они расположены здесь на плоскости (на самом деле они движутся во всех трех измерениях), черными кружками изображены атомы кислорода, белыми водорода. Главное упрощение состоит в том, что на рисунке их приходится изображать неподвижными, на самом деле «настоящие частицы беспрерывно дрожат и подпрыгивают, крутясь и вертясь одна вокруг другой». На рисунке нельзя также показать, что частицы притягиваются друг к другу.
Затем учащимся можно предложить задачу, которая позволит им самостоятельно пополнить знания об опыте и повторить понятие плотности: «В опыте Рэлея в качестве исходных данных были определены масса капли и площадь пленки: 0,0008 г (8 107 кг) и 0,550 мІ. Определите по этим данным толщину пленки».
Может быть предложена и более сложная задача, знакомящая учащихся с современной постановкой опыта: «Стеариновую кислоту (маслянистую жидкость) растворили в бензоле. Для получения слабого раствора было взято 0,5 смі стеариновой кислоты и 1 л бензола. При помощи пипетки, которая из 1 смі раствора дает 50 капель, поместили одну каплю раствора на поверхность воды. Капля растеклась, образуя слой площадью 50 смІ, при этом бензол испарился. Какой объем стеариновой кислоты содержался в одной капле раствора? Каков диаметр молекулы стеариновой кислоты?».
Самостоятельную работу по измерению толщины пленки учащиеся могут провести в домашних условиях. В классе удобно организовать работу по измерению диаметра малых частиц (эмульсии) методом рядов, по готовым фотографиям.
Учащимся раздают фотографии, объясняют, что на фотографии изображены всплывшие


на поверхность воды частицы эмульсии и дано увеличение фотографии. Обсуждаются предложения о способах определения диаметра одной частицы и такие вопросы: почему нужно сначала измерить длину ряда частиц (под точкой а) и по ней рассчитать диаметр частицы на фотографии, а не сразу диаметр частицы? Затем рекомендуется повторить эти измерения, используя второй (третий) ряды частицы? Зачем нужно знать увеличение фотографий?
Целесообразно прокомментировать выполнение домашней экспериментальной работы: для измерения объема капли учащиеся могут воспользоваться мензуркой (или самодельной, или хозяйственной) и для большей точности измерения объема капли накапать в мензурку 50-100 капель; что нужно подождать, пока капля растечется до предела, измерить ее диаметр линейкой, положенной на край тарелки. Если пленка приняла овальную форму, то модно использовать для вычисления ее площади средний диаметр овала (полусумму наибольшего и наименьшего диаметров), а если она разделится на несколько пленок, то подсчитать сумму их площадей.
И наконец, сообщить учащимся, что масло, которое они используют в опыте, не растекается до предела, поэтому они вычислят лишь толщину слоя, который в несколько раз больше диаметра молекулы. Тем не менее, работа представляет большой интерес, так как полученная величина сравнима с диаметром молекулы.
Изложенные рекомендации, посвящены формированию умений учащихся производить измерение размеров малых тел, формированию исследовательских умений, повторению первого основного положения молекулярно-кинетической теории, обоснованию понятия «размеры молекул».
Методические материалы к учебному занятию по теме
«О способах измерения расстояния (длины)»
Пространство - первичное понятие, известное из повседневного опыта. В физике пространство может быть описано моделью евклидова трехмерного пространства, в котором точки пространства определяются тройками чисел x,y,z, образующими компоненты радиус-вектора r.
Расстояние r12 между двумя точками определяется формулой
r12 =
·(x1 -x2)І+(y1 -y2)І+(z1 -z2)І
Он не зависит от выбора системы координат, которая использована при определении r.
Евклидово пространство является однородным и изотропным, то есть в пространстве нет выделенных точек и направлений.
Количественной характеристикой пространства является длина интервала (от латинского inter-vallum – «промежуток, расстояние»), равная расстоянию между двумя точками.
В Международной системе единиц длина L принимается за основную величину. Единицей длины является метр (м).
Измерение длины осуществляется тремя основными способами.
Сравнением положения точек с измерительной шкалой недеформируемого тела (линейки, мерной ленты, штангенциркуля), несущего метки длин, кратных и/или дольных основной единицы.
Триангуляцией: расстояние от точки А до удаленной точки В вычисляется по измеренной первым способом длине АС и измеренным углам ВАС и ВСА с помощью формул евклидовой геометрии.
Локацией: расстояние АВ измеряется по времени Т возвращение сигнала, испущенного в точке А и отраженного в точке В, в исходную точку А. Этот способ требует измерения времени и знания значения скорости сигнала (электромагнитной или звуковой волны). В методе локации предполагается, что время распространения импульса от точки А до точки В такое же, как и в обратном направлении (изотропность пространства).
Именно в последнем способе непосредственно применим современный эталон метра.
Вопрос об адекватности модели евклидова пространства реальному физическому пространству был впервые поставлен К.Ф. Гауссом (1824г.). Измерение в ходе геодезической съемки величины
· от 180є. Зависимость метрических и топологических свойств (свойства, не изменяющиеся при любых деформациях обекта) реального пространства от находящихся в нем физических полей и вещества является одним из основных положений общей теории относительности (А. Эйнштейн, 1916г.). Такая зависимость для гравитационного поля Солнца была впервые обнаружена в 1919г. (А. Эддингтон) В соответствии с общей теорией относительности, для обнаружения угаданного Гауссом эффекта нужно проводить измерение углов с точностью не менее 10№є

Методические материалы к учебному занятию по теме
«О способах измерения времени»

Время – первичное понятие, известное из повседневного опыта. В физике время описывается моделью непрерывного линейного времени t. Интервал линейного времени t12 между двумя событиями в оной точек пространства может быть измерен с помощью часов.

Часы – прибор для измерения времени. Обычно часы содержат две части – циклическую систему А, повторно проходящую одну и ту же последовательность состояний – реализующих циклический процесс и счетчик циклов В, фиксирующий число повторений некоторого состояния системы А, начиная с произвольного номера.
Приведем примеры часов. Система А – маятник, совершающий свободные колебания в поле тяжести; система В – наблюдатель, запоминающий или записывающий число прохождений маятником вертикального положения в данном направлении движения. Система А – балансир наручных механических часов, совершающих крутильные колебания; система - В часовой механизм, соединенный со стрелками, показывающими на циферблате часы, минуты и секунды.
Часы С1 и С2 синхронизированы, если приращению показаний счетчика часов С1 соответствует приращение показаний счетчика часов С2, независящие от выбора момента начала отсчета.
Многие часы с разнообразными по физической природе циклическими системами могут быть синхронизированы и образуют систему часов. Эталоном времени служат часы, относительно которых принято, что несинхронные с ними часы не входят в систему и не могут служить для измерения времени.
В международной системе единиц время Т принимается за основную величину. Единицей времени является секунда (с).
В древности до середины ХХ века циклическим процессом эталонных часов служило суточное вращение Земли. Секунда определялась как 1/86400 часть средних солнечных суток. С созданием системы высокоточных механических часов во второй половине ХIХ века было обнаружено, что эта система сохраняет взаимную синхронность, отклоняясь от показаний эталона. В 1954г. Международный эталон секунды был изменен и связан с годичным обращением Земли вокруг Солнца. Секунда была определена как 1/31556925,9747 часть тропического года для 1900г. января 0 в 12ч. эфемеридного времени. С 1965 г. за эталон приняты атомные часы, в которых циклическим процессом служат колебания электромагнитного поля, вызванного излучением атома определенного вида. Согласно этому определению, 1 секунда – это время, за которое совершается 9192631770 периодов колебаний электромагнитного поля, испущенного при переходе электрона между сверхтонкими уровнями: F=4, M=0 и F=3, M=0 основного состояния 2SЅ атома цезия 133, не возмущенного внешними полями.

Примерные экспериментальные задания по теме
«Приближенные вычисления»

Целенаправленная работа по формированию у учащихся прочных измерительных навыков с умением оценивать погрешности в простейших случаях подготавливает их к пониманию метода границ. Целесообразно в ходе семинара по теме «Приближенные вычисления» выполнить следующие задания.



Задание № 1
Начертите на бумаге отрезок произвольной длины. Оцените длину отрезка на глаз, и результат запишите с точностью до 1 мм. После этого измерьте длину отрезка миллиметровой линейкой. На сколько вы ошиблись при глазомерном измерении длины?

Задание № 2
Измерьте динамометром вес железного цилиндра из набора тел для калориметра. Оцените абсолютную погрешность измерения.

Задание № 3
В измерительный цилиндр с водой опустите шарик, привязанный на нити. Измерьте объем шарика. Результат запишите в виде двойного неравенства и с учетом точности измерения.

Задание № 4
Соберите цепь из аккумулятора, резистора сопротивлением R = 2,0 ± 0,2 Ом, выключателя. Измерьте напряжение на зажимах резистора с учетом абсолютной погрешности. Рассчитайте силу тока в резисторе. В записи результата укажите точность измерения. Результат проверьте прямым измерением силы тока.

Примерные экспериментальные задания по теме
«Абсолютная и относительная погрешность измерений»

Коллективно рассматривается с учащимися такой пример. При измерении массы двух тел методом взвешивания получены следующие результаты: m1 = 5,0 ± 5,0 г. и m2 = 100,0 ± 0,5 г. Каждое измерение выполнено с одинаковой точностью (до 0,5 г). Относительная погрешность в первом случае не превосходит h/
·m1
·=0,5/5=0,1, во втором h/
·m2
·=0,5/100=0,005.
Таким образом, качество измерения массы первого тела (m1) хуже качества измерения массы второго тела (m2) в 20 раз.
Для закрепления предлагаем учащимся несколько упражнений и практических заданий.
Задание №1
Измерьте длину и ширину доски трибометра с точностью до 0,5 см. Найдите относительные погрешности и сравните их. Сделайте вывод.
Повторите измерения длины с точностью 0,5 см, а толщины с 0,1 см. Найдите относительные погрешности в этом случае и сравните их. Какими приборами целесообразно воспользоваться?

Задание №2
С какой абсолютной погрешностью следует измерить объем воды в измерительном цилиндре, чтобы относительная погрешность не превышала 2%?
Грубое измерение дало 100 смі. С какой ценой деления шкалы можно взять мензурку?
Приобретенные учащимися знания по обработке результатов измерений применяются при выполнении лабораторных работ и работ физического практикума в школьном курсе физики.



ТЕЗАУРУС
Физические величины и их измерение
Физическая величина – характеристика физических объектов или процессов, допускающая количественное выражение. Конкретная физическая величина устанавливается указанием способа ее измерения. В физике принято описывать объекты небольшем числом физических величин, которые отражают лишь наиболее существенные их свойства.
Выражение физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц называется ее значением. Физическая величина может выражаться одним числом или набором нескольких чисел. В элементарной физике рассматриваются скалярные и векторные физические величины.
Термины «скаляр» (от латинского scalaris – «ступенчатый») и вектор (от латинского «vector» - несущий) введены У. Гамильтоном в 1843г. и 1845г. соответственно.

Скалярная физическая величина определяется одним числовым значением. Векторная физическая величина определяется числовым значением двух (для вектора на плоскости) или трех (в пространстве) скалярных величин – компонент вектора - задающих его величину и направление.
Примерами скалярных величин являются масса материальной точки m, потенциал электростатического поля в данной точке пространства ф (r). Векторными величинами являются, например, скорость точки
·, напряженность электрического поля в данной точке пространства
· (r).

Измерение скалярных и векторных физических величин – последовательность операций для определения значения физической величины. Измерение есть сравнение физической величины с величиной, принимаемой за единицу меры.
Единица меры физической величины может быть задана указанием эталона – физического объекта, для которого данная физическая величина имеет значение, которому по соглашению, произвольно, приписывается некоторое количество единиц меры. Эталон обеспечивает воспроизведение и хранение принятой единицы физической величины.
Данной единице меры могут соответствовать разные эталоны. Например, единица длины – метр – была определена в 1791 г. как одна десятимиллионная часть четверти длины земного меридиана. Использование Земли в качестве эталона оказалось неудобным из-за невысокой точности геодезических измерений длины (около 104 в то время). С 1889 г. эталоном метра служило расстояние между штрихами на специально изготовленном стержне – Международном прототипе метра, что увеличило точность до 107. В 1960 г. метр был пределен как длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме, соответствующей переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона - 86. Наконец, с 1983г. метром считается длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 секунды. Этот эталон обеспечивает возможную точность измерений длины до 10№є.

Измерение длины может проводиться непосредственно – путем сравнения положений определенных точек физического объекта с отметками на линейке.
Линейка совмещает функции копии эталона длины, измерительного прибора и его шкалы.
Измерения физических величин – во всяком случае, достаточно точные измерения – требуют использования измерительных приборов.

Измерительный прибор – искусственно созданный физический объект, который в результате взаимодействия с исследуемым физическим объектом приходит в одно из нескольких возможных состояний, фиксируемых наблюдателем. Каждому из этих состояний сопоставляется число, которое является результатом измерения.
Чаще всего измерительные приборы имеют шкалу (от латинского scalae – «лестница») – линейку, градуированную в единицах измеряемой величины – и указатель (стрелку, световою метку и т.п.), отмечающий на шкале значение измеряемой величины. Другим способом демонстрации результата измерения, все шире применяемым в настоящее время, является предъявление измеренного значения цифровым индикатором.

Погрешность измерения. Результат измерения всегда определяется приближенно. Он зависит от выбранной процедуры измерения и качества приборов. Сама процедура измерения вносит изменения в состояние объекта. Взаимодействие измерительного прибора с исследуемым объектом приводит к тому, что результат измерения относится к состоянию системы, возникшей в результате этого взаимодействия.
Например, результат измерения длины деформируемого тела (скажем, ластика) штангенциркулем зависит от силы, с которой экспериментатор сжимает губки прибора. Результатом измерения температуры тела термометром является температура системы «тело+термометр», зависящая от теплоемкости и начального состояния термометра. Для измерения силы тока на участке электрической цепи в нее последовательно к исследуемому участку включается амперметр. Это включение приводит к изменению силы тока, поскольку амперметр обладает конечным сопротивлением.

Всякое измерение устанавливает, что физическая величина А имеет значение в интервале
·-
· до
·+
·. Значение
·, лежащие в середине интервала, называется измеренным значением
·, а величина интервала
· - абсолютной погрешностью измерения, или его ошибкой.
Наблюдения положения указателя на шкале прибора позволяет определить, между какими делениями шкалы расположен указатель: погрешность измерения
· равна половине интервала между ближайшими делениями шкалы. Цифровой индикатор указывает конечное число разрядов значения измеряемой величины: погрешность измерения
· равна половине единицы последнего разряда. В этих случаях погрешность отдельного измерения
· определяется ценой деления прибора.
Иначе определяется погрешность в серии измерений. Повторные измерения могут давать измеренные значения
·i, различающие между собой более чем на величину цены деления прибора. Причинами такого расхождения являются неконтролируемые изменения состояния исследуемого объекта и измерительных приборов. В этих случаях измеренное значение
· определяется как среднее арифметическое значений, полученных в отдельных измерениях, а погрешность
· определяется шириной области, в которой заключены эти значения.
Получить надежную оценку погрешности измерения, учтя все существенные источники ошибок, очень трудно. Э. Ферми наставлял своих учеников так: «Увеличь втрое приведенную экспериментатором ошибку измерений и только тогда начинай свои рассуждения».

Отношение абсолютной погрешности
· к измеренному значению
· называется относительной погрешностью
· значения физической величины – или точностью значения. Меньшее значение
· называется большей точностью измерения: с этой языковой нелепостью приходится мириться.
Практикуемые в быту физические измерения массы, длины и интервалов времени имеют точность порядка 10І-10і. Этот же уровень точности типичен для значительной части измерений физических величин. Для отдельных величин к настоящему времени достигнута точность измерений порядка 10№І (масса тел).

Опыт, эксперимент физический – наблюдение физического явления и измерение характеризующих его физических величин в данной экспериментальной ситуации – специально для того созданных и контролируемых условиях.
Основным требованием к научному эксперименту является воспроизводимость. Повторение эксперимента в другом месте, в другое время, с иными физическими объектами и измерительными приборами при тех же значениях физических величин, задающих экспериментальную ситуацию – должно давать для измеряемых характеристик явления те же значения физических величин. Именно воспроизводимость эксперимента обеспечивает достаточную полноту описания экспериментальной ситуации.
В настоящее время в качестве источника сведений о физических явлениях эксперимент играет большую роль, чем наблюдение естественных процессов. Наблюдение природных явлений и измерение их параметров сохраняет главенствующее значение в областях, где масштабы явлений не позволяют воспроизвести их в лабораторных условиях (в астрофизике, небесной механике, геофизике).
Слово «опыт» и «эксперимент» имеют разную стилистическую окраску. Слово «опыт» употребляется, когда хотят подчеркнуть демонстрационный аспект. Словарь Даля определяет опыт как «показание другим каких-либо явлений, для обнаружения сил природы и действий их». Слово «эксперимент» (латинское experimentum – «опыт, основанное на опытах доказательство») употребляется для подчеркивания измерительного аспекта. Так, экспериментальными данными называют обычно данные измерений. Если отвлечься от этих тонкостей, слова «опыт» и «эксперимент» - синонимы: в английском языке они передаются одним словом experiment.

Единицы физических величин.
Система физических величин. С помощью физических законов величины могут быть объединены в систему, в которой одни физические величины – основные – принимаются за независимые, а другие – производные являются функциями независимых величин.
Большинство применявших в физике систем в число основных включали длину (L), массу (M), и время (Т), иногда дополняя этот список небольшим числом других величин.
Система физических величин вместе с установленными единицами измерения основных величин образует систему единиц.
Единицы основных величин называются основными единицами, а единицы производных величин – производными единицами. Основные единицы определяются посредством эталонов, а производные - их выражением через основные.

Международная система единиц. Введенная XI Генеральной конференцией по мерам и весам (1960г.) Международная система единиц (международное сокращенное название – «SI», русское – «СИ») устанавливает в качестве основных семь величин, которые вместе с соответствующими единицами приведены в таблице.

Величина
Обозначение
величины
Единица
Обозначение
единицы

1
Длина
L
метр
м

2
Масса
M
килограмм
кг

3
Время
T
секунда
с

4
Сила тока
I
ампер
А

5
Термодинамическая температура

·
кельвин
К

6
Сила света
J
кандела
кд

7
Количество вещества
N
моль
моль


Международная система единиц является универсальной: основных единиц позволяют образовывать единицу для любых физических величин.
Действующий поныне и имеющий силу закона ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин. (СТ СЭВ 1052 - 78)» устанавливает, что единицы Международной системы, а также десятичные кратные и дольные от них «подлежат обязательному применению».

Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающей связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные и с коэффициентом пропорциональности, разным единице.
Размерность величины обозначается знаком [] или – реже – знаком dim (от латинского dimensio – «измерение»).
В Международной системе единиц формула размерности имеет вид
[А]=L
·M
·T
·I
·
·
·J
·N
· (1)
В формуле размерности величины с нулевым показателем степени принято опускать.
Например, размерность гравитационной постоянной G есть: [G]=M№LіTІ, следуя принятому в механике порядку записи. Иногда в формуле размерности вместо обозначений основных величин системы (L,M,T...) указывают их единицы (м, кг, с)

Размерной называется физическая величина, для которой не все показатели в формуле (1) равны нулю. Размерность физической величины определяет зависимость ее значения от размера единиц измерения основных величин системы. Величина, не зависящая от выбора каких - либо единиц измерения, называется безразмерной.
Примерами безразмерных физических величин являются коэффициент трения, диэлектрическая проницаемость веществ, показатель преломления.


















ЛИТЕРАТУРА

Гусев В.А. и др. Изучение величин на уроках математики и физики в школе, В.А. Гусев, А.И. Иванов, О.Д. Шебалин. –М.: Просвещение, 1981. – 79 с., ил.
Долицкий А.Б., Заславская Е.Ю., Пустовалов Г.Е. Физическая лаборатория: Учебное пособие для учителей и учащихся. Вып. 2. Тепловые явления. Электродинамика. / Под ред. А. Б. Долицкого, Е. Ю. Заславской. – М.: МИРОС, 1997. – 160 с.: ил.
О.Ф. Кабардин., Методика факультативных занятий по физике: Пособие для учителя – 2-е издание переработанное и дополненное – М.: Просвещение, 1988. – 240 с.: ил.
Кабардина С.И. Измерение физических величин. Элективный курс: Учебное пособие / С.И.Кабардина, Н.И.Шефер. Под ред. О.Ф.Кабардина. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. – 151., ил.
Марущак С.В. Принцип действия современных измерительных приборов / С.В.Марущак. – Новосибирск: Издательство НИПКиПРО, 2005. – 60 с. – (Библиотечка творческих идей: Физика. Вып. № 61.).
Никифоров В.Г. Погрешности измерений при выполнении лабораторных работ по физике. 7–11 кл. – М.: Дрофа, 2004. – 112 с.: ил. – (Библиотека учителя).
Объедков Е.С. Физическая микролаборатория / Е.С.Объедков, О.А.Поваляев. – М.: Просвещение. – 2001. – 112 с. – (Библиотека учителя физики).
Разумовский В.Г., Орлов В.А., Дик Ю.И., Никифоров Г.Г., Шилов В.Ф. Физика: Учеб. для учащихся 7 кл. общеобразовательных учреждений / Под ред. В. Г. Разумовского, В. А. Орлова. – М.: Гуманит. Изд. центр ВЛАДОС, 2002. – 208 с.: ил.
Физический практикум для классов с углубленным изучением физики: Дидакт. материал: 9–11 кл. / Ю.И.Дик, О.Ф.Кабардин, В.А.Орлов и др.; Под ред. Ю.И.Дика, О.Ф.Кабардина. – М.: Просвещение, 1993. – 208 с.: ил.
Физический практикум для классов с углубленным изучением физики: 10–11 кл. / Ю.И.Дик, О.Ф.Кабардин, В.А.Орлов и др.; Под ред. Ю.И.Дика, О.Ф.Кабардина.– 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Просвещение, 2002. – 157 с.: ил.
Фронтальные лабораторные занятия по физике в средней школе. Пособие для учителей. Под ред. А.А.Покровского. Изд.2-е, перераб. – М.: Просвещение, 1974. – 208 с.: ил.











13PAGE 15


13PAGE 141015




Заголовок 315

Приложенные файлы


Добавить комментарий