§6 Измерение физических величин

В быту, технике, при изучении различных физических явлений часто приходится выполнять те или иные измерения. Так, например, изучая движение тела, необходимо измерить его массу, скорость движения, пройденный путь и время, за которое этот путь пройден. Масса, скорость, путь и время – всё это физические величины, которые можно измерить.

Измерить физическую величину – значит сравнить её с однородной величиной, принятой за единицу.

Для каждой величины приняты свои основные единицы:

• 1 метр [м] – единица длины;
• 1 секунда [с] – единица времени;
• 1 метр за секунду [м/с] – единица скорости;
• 1 килограмм [кг] – единица массы.

Помимо основных, существуют кратные и дольные единицы измерения. В названиях этих единиц содержатся приставки к названию основной единицы. Кратные единицы на несколько порядков (в 10, 100, 1 000 раз) больше основных, дольные – меньше (см. таблицу на форзаце). Рассмотрим примеры:

• 6 километров = 600 декаметров = 6 000 метров
• 4 миллиметра = 0,4 сантиметра = 0,004 метра

Так как 6 000 метров = 6 ⋅ 1000 метров, запись можно сделать ещё короче, заменив 1000 на 10³, таким образом получим:

• 6 000 метров = 6 ⋅ 10³ метра

Аналогичную операцию мы можем провести и с дольными единицами. Так:

• 0,004 метра = 4/10³ = 4 ⋅ 10⁻³ метра

Для измерения значений физических величин используются измерительные приборы.

Измерительные приборы – специальные устройства для определения значений физических величин.

К измерительным приборам можно отнести линейку, термометр, мерный стакан, весы. Такими приборами мы пользуемся практически каждый день. C развитием физики появляются новые измерительные приборы и совершенствуются старые: рулетка, секундомер, амперметр, вольтметр, манометр, спидометр и др.

Измерительные приборы делятся на шкальные (аналоговые) и цифровые. В цифровых результат отображается в виде цифрового значения на специальном дисплее (электронный термометр, электронные весы). В аналоговых приборах для отображения значения физической величины используется шкала.

Шкала – ряд штрихов с цифрами. Расстояние между штрихами называют делением шкалы, а значение наименьшего деления шкалы – ценой деления шкалы.

Прежде чем приступать к измерению, нужно определить цену деления шкалы прибора. Ведь именно цена деления определяет точность данного прибора. Для определения цены деления шкалы прибора нужно:

1. Найти два ближайших штриха, напротив которых указаны значения;
2. Вычесть из большего значения меньшее;
3. Полученное значение разделить на количество делений между взятыми значениями.

Помните, любое измерение можно выполнить с некоторой точностью.

Допускаемая неточность – это погрешность измерения. Погрешность измерения не может быть больше цены деления шкалы. Обычно её считают равной половине цены деления. Погрешность записывается после значения измерения со знаком «±».

Рассмотрим примеры:

• Длина стола, измеренного мерной лентой с ценой деления 1 мм, равна 120 см ± 0,5 мм;
• Масса кота, измеренная на весах с ценой деления 0,1 кг, равна 4 кг ± 0,05 кг.

Помимо этого, каждый измерительный прибор имеет пределы измерения.

Пределами измерения называют максимальное и минимальное значения физической величины, которые могут быть измерены данным прибором . Эти значения называют верхним и нижним пределами измерения.

В качестве примера рассмотрим шкалу уличного термометра с минимальным и максимальным значениями на ней в -50°C и 50°C соответственно, и ценой деления в 1°C. Погрешность измерения для такого термометра составит 0,5°C, при этом нижний и верхний пределы измерения будут соответственно равны -50 ± 0,5°C и 50 ± 0,5°C.

Помните: перед тем, как проводить измерения данным прибором, проверьте - соответствует ли его верхний предел примерному значению физической величины, которую вы собираетесь измерять. Например, если попытаетесь использовать уличный термометр для измерения температуры кипящей воды, есть очень большая вероятность, что термометр выйдет из строя.

Если же вы желаете повысить точность измерений, необходимо использовать измерительный прибор с меньшей ценой деления. Например, для измерения толщины куска картона, вместо линейки лучше использовать штангенциркуль. В случае, если более точного прибора нет в наличии, для измерения малых физических величин можно применить метод, который мы рассмотрим уже в следующей лабораторной работе.