Головна ⇒ 📌Фізика ⇒ ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ. ОДИНИЦІ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ. ОДИНИЦІ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Розділ 1 ФІЗИКА ЯК ПРИРОДНИЧА НАУКА

МЕТОДИ НАУКОВОГО ПІЗНАННЯ

& 8. ФІЗИЧНІ ВЕЛИЧИНИ ТА ЇХ ВИМІРЮВАННЯ. ОДИНИЦІ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Фізичні величини. Тіла та явища розрізняються своїми властивостями. Одні тіла великі, інші маленькі. Вони різні за кольором, мають різний смак, запах, форму. Явища можуть тривати певний час, супроводжуватися змінами температури, розташуванням тіл. У повсякденному житі, в техніці, під час наукових досліджень виникає потреба порівнювати властивості різних тіл і явищ, з’ясовувати, як ці властивості

змінюються з часом. Розміри меблів мають відповідати розмірам приміщення та розмірам дверей, крізь які їх заноситимуть. Щоб з деталей можна було скласти пристрій чи машину, вони повинні мати певні розміри й форму.

Порівнюючи ті чи інші властивості тіл і явищ, ми завжди порівнюємо лише однакові (однорідні) їх властивості. Порівнявши тривалість зимового і літнього дня, можна сказати, що вони розрізняються на кілька годин. Можна порівняти денну і нічну температури повітря у Києві та Сімферополі. Проте нісенітницею було б повідомлення: “Тривалість дня зменшилася на 5 °С”. Час і температура – різні властивості,

їх не можна порівнювати. А от довжину шкільного коридору можна порівняти з довжиною кроку будь-якого учня й сказати, що вона дорівнює двадцяти п’яти крокам Петра або тридцяти крокам Олесі. Довжина, час, температура, об’єм характеризують властивості, притаманні багатьом тілам і явищам, їх числові значення можуть бути різними.

Кількісну характеристику властивості, притаманної багатьом тілам або явищам, називають фізичною величиною.

Наприклад, ширина стола, відстань між зіницями наших очей, висота телевізійної вежі – окремі випадки фізичної величини довжини. Площа сторінки зошита і площа квартири, маса вашого зошита та маса найбільшої планети Сонячної системи – Юпітера, характеризують притаманні різним тілам властивості, які розрізняються кількісно.

Не всі властивості можна виразити і порівняти за допомогою чисел. Чи можна визначити, у скільки разів конвалія духмяніша за фіалку або на скільки мед солодший за цукор?

Властивості, які неможливо охарактеризувати кількісно, не є фізичними величинами.

Вимірювання фізичних величин. Вивчення фізичних тіл і явищ пов’язане з вимірюванням фізичних величин. Розглянемо простий побутовий випадок. У кімнату потрібно занести стіл. Для цього необхідно знати, чи відповідає ширина стола прорізу дверей. Якщо є лінійка, то спочатку визначимо скільком сантиметрам дорівнює ширина стола, а потім дверей. Далі порівняємо отримані результати. Проте уявіть собі, що лінійки немає. Ця проблема теж просто вирішується. Можна скористатися сірником і визначити, скільки разів його довжина вкладеться вздовж меншого боку стільниці. Потім це саме з’ясувати стосовно дверей. Якщо дверний проріз хоча б на одну довжину сірника більший, стіл можна заносити до кімнати.

На цьому простому прикладі спробуємо з’ясувати, що включає в себе процес вимірювання фізичної величини.

Вимірювання завжди проводять з певною практичною або науковою метою. У нашому разі це порівняння розмірів стола і дверей. Враховуючи конкретні умови, ми обрали засіб вимірювання – сірник, а його довжину – за одиницю довжини. Виконавши дослід, визначили, скільки разів довжина сірника вкладається вздовж ширини стола та у дверному прорізу. Тобто отримали числові значення ширини стола і дверей у довжинах сірника. Наприклад, виявилося, що ширина стола дорівнює 10 довжинам сірника, а ширина дверей – 11. Отже, стіл можна занести до кімнати, не розбираючи його.

У фізиці й техніці вимірюванням називають знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Виміряти фізичну величину означає отримати її числове значення у прийнятих одиницях.

У повсякденному житті ми часто виконуємо різні вимірювання і навіть не замислюємося над своїми діями. Проте будь-який процес вимірювання (вимірювання відстані від Землі до Сонця чи довжини кімнати, власної температури тіла або температури сталі, що плавиться) передбачає:

– мету вимірювання;

– обрання певних засобів вимірювання;

– порівняння вимірюваної фізичної величини з однорідною величиною, умовно прийнятою за одиницю.

Одиниці фізичних величин. Міжнародна система одиниць фізичних величин. Щоб знайти числове значення фізичної величини, необхідно попередньо обрати її одиницю. Проводити вимірювання люди навчилися дуже давно. У різні часи у різних країнах з цією метою використовували різні одиниці вимірювання. У нашому прикладі ми за одиницю довжини обрали довжину сірника. Вибір одиниці фізичної величини не має принципового значення, але вона має бути зручною для відтворення і збереження.

Обрана нами одиниця для вимірювання розмірів стола довжина сірника – не поступається за своїми характеристиками одиницям, якими користувалися в різних країнах у давнину.

Мал. 1.25

Мал. 1.26

Мал. 1.27

Мал. 1.28

Мал. 1.29

За одиницю довжини у країнах Західної Європи приймали, наприклад, довжину суглоба великого пальця людини, довжину трьох зерен ячменю, що відповідає 2,54 см – дюйм (мал. 1.25), або середню довжину ступні людини – фут (мал. 1.26). Ці одиниці довжини й понині використовують у США. У Стародавньому Єгипті відстань визначали ліктями (мал. 1.27), кроками, милями (тисяча подвійних кроків). Слов’янські народи використовували такі одиниці довжини, як вершок (4,4 см), п’ядь (її ще називали чверть) (мал. 1.28), аршин (близько 71 см), сажень – відстань між кінчиками пальців розведених рук, косий сажень (мал. 1.29). Ці одиниці вимірювання були зручні тим, що завжди були “під рукою”.

Температуру в Україні вимірюють у градусах Цельсія (позначається °С), а в США – у градусах Фаренгейта (позначається °F). Якщо температура повітря в Нью-Йорку становить 18 °F, жителі цього міста знають, що потрібно тепло вдягтися, а термометри, якими користуються в Україні (на них стоїть позначка °С), показували б температуру на вулиці -8 °С. Одиницею об’єму в багатьох країнах світу є барель (1 барель відповідає 159 л або 0,159 м3).

Не можна, щоб кожен проводив вимірювання “на свій лад”. Та чи інша одиниця певної фізичної величини має бути відома всім і будь-де відтворюватися однаково. Закуплені на Близькому Сході і перевезені танкером 1000 барелів нафти повинні в Україні відповідати такій самій кількості нафти у кубічних метрах, що надійшли по нафтогону. 1 метр довжини в Україні має точно відповідати 1 метру довжини у Франції чи у будь-якій іншій країні світу. Тому найважливішою вимогою до вимірювань є їх єдиність (однаковість).

У 1960 році була прийнята єдина Міжнародна система одиниць (скорочено – СІ). Ця система одиниць використовується в більшості країн світу. У СІ встановлено сім основних одиниць фізичних величин. Зокрема, одиниця довжини – метр, одиниця маси – кілограм, одиниця часу – секунда, одиниця температури – Кельвін.

Позначення фізичних величин. Для позначення фізичних величин та їх одиниць використовують скорочені записи. Фізичну величину найчастіше позначають однією латинською літерою. Замість того, щоб писати: довжина коридору становить 10 метрів, пишуть: l = 10 м. Запис t = 5 с означає, що явище тривало 5 секунд. Скорочений запис m = 2 кг означає, що маса цього тіла становить 2 кілограми. Назви й умовні позначення деяких основних фізичних величин та їх одиниць наведено в табл. 1.

Таблиця 1. Фізичні величини, їх одиниці та умовні позначення в системі СІ

Фізична Величина	Найуживаніші позначення	Назва одиниці	Скорочене	Позначення
Українське	Міжнародне
Відстань	L, s	Метр	М	M
Довжина	L, l, a
Ширина	L, b
Висота	H, h
Площа	S = ab	Квадратний метр	М2	M2
Об’єм	V = abh	Кубічний метр	М3	M3
Час	T	Секунда	C	S
Маса	M	Кілограм	Кг	Kg

Ви знаєте, що для визначення такої фізичної величини, як площа прямокутника, потрібно його довжину помножити на ширину. Площа прямокутної ділянки завдовжки 5 м і завширшки 2 м становитиме 10 квадратних метрів. Одиницею площі у СІ є квадратний метр, скорочено – 1 м2. Відповідно одиницею об’єму є кубічний метр – 1 м3.

Кратні й часткові одиниці вимірювання. З курсу математики вам відомо, що крім метра, кілограма і секунди використовують також інші одиниці вимірювання. Сторона клітинки у вашому зошиті, ширина його сторінки чи будь-який відрізок прямої, накресленої в ньому, значно коротший за 1 метр. Відстань між столицею України – м. Київ – і будь-яким іншим містом вимірювати у метрах незручно, оскільки вона у багато разів перевищує метр. Це стосується також вимірювання маси, часу та інших величин.

Тому, крім основних одиниць вимірювання, використовують одиниці, менші або більші у певну кількість разів. Такі одиниці називають частковими, якщо вони у 10, 100, 1000 чи інше число разів менші за основну одиницю величини, або кратними, якщо вони у відповідну кількість разів більші за основну одиницю. Для позначення таких одиниць використовують префікси.

Наприклад, префікс мілі означає у 1000 разів менший, кіло – у 1000 разів більший. Міліметр – це одиниця довжини, у 1000 разів менша за 1 метр. Кілометр – одиниця відстані, у 1000 разів більша за 1 метр. Зазначимо, що у назві будь-якої одиниці можна використовувати лише один префікс. Найуживаніші серед них, їх скорочення у назвах одиниць та множники, що їм відповідають, наведено в табл. 2, а приклади найбільш використовуваних кратних і часткових одиниць – у табл. 3.

Таблиця 2. Найуживаніші префікси у назвах кратних і частинних одиниць фізичних величин

Префікс	Позначення	Множник
Утворення кратних одиниць
Гіга	Г	1 000 000 000 = 109
Мега	М	1 000 000 = 106
Кіло	К	1000 = 103
Гекто	Г	100 = 102
Дека	Да	10 = 101
Утворення часткових одиниць
Деци	Д	0,1 = 101
Санти	С	0,01 = 10-2
Мілі	М	0,001 = 10-3
Мікро	Мк	0,000001 = 10-6
Нано	Н	0,000000001 = 10-9

Таблиця 3. Найуживаніші кратні й частинні одиниці

Повна

Назва

Скорочена назва та її співвідношення з іншими одиницями

Повна назва

Скорочена назва та її співвідношення з іншими одиницями

Кілометр

Кілограм

Декалітр

Дециметр

Сантиметр

1 км = 1000 м

1 кг = 1000 г

1 дал = 10 л

1 дм = 0,1 м

1 см = 0,01 м

Міліметр

Міліграм

Мілісекунда

Мілілітр

Мікрометр

1 мм = 0,001 м

1 мг = 0,001 г

1 мс = 0,001 с

1 мл = 0,001 л

1 мкм = 0,000001 м

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1. Що називають фізичною величиною?

2. Назвіть кілька характеристик дерева, що росте під вашими вікнами, автомобіля та будинку. Які з цих характеристик є фізичними величинами, а які ні? Які характеристики є однорідними?

3. Назвіть фізичні величини, які ви знаєте.

4. Що означає – виміряти фізичну величину?

5. Які одиниці фізичних величин ви знаєте?

6. Навіщо використовують кратні й часткові одиниці величин?

7. На кресленнях деталей машин їх розміри зазначають у міліметрах. На одному із креслень вказано такі розміри: довжина – 110 мм, ширина – 55 мм, товщина – 6 мм. Подайте ці значення у сантиметрах, дециметрах, метрах.

8. Запишіть у секундах, хвилинах і годинах час, що становить 108 с.

9. На мал. 1.30 художник у гумористичній формі зобразив процес встановлення прийнятої в Англії одиниці довжини – фут. Його визначали як середню довжину ступні, відібравши шістнадцять людей, що вийшли із церкви. Виразіть у метрах і сантиметрах цю одиницю, якщо відомо, що загальна довжина шеренги учасників цього процесу становила 5,1 м.