Вимірювання фізичних величин. Міністерство аграрної політики України
Міністерство аграрної політики України
Миколаївський державний аграрний університет
МЕТОДИЧНІ РЕКОМЕНДАЦІЇ
ДО ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМУ З ФІЗИКИ
“Вимірювання фізичних величин та обробка результатів”
Для студентів спеціальностей
6.010100-професійне навчання
6.091900- механізація сільського господарства
7.130102-агрономія
7.130201- зооінженерія
6.091900- енергетика сільського господарства
Миколаїв 2004
| Зміст | |
| Вступ………………………………………………………………………… | |
| 1. Вимірювання фізичних величин………………………………………… | |
| 2. Визначення помилки вимірювань………………………………………. | |
| 2.1. Визначення помилки при прямих вимірюваннях…………………….. | |
| 2.2. Визначення помилки при непрямих вимірюваннях………………….. | |
| 3. Обробка результатів експерименту…………………………………….. | |
| 3.1. Обчислення……………………………………………………………… | |
| 3.2. Оформлення результатів……………………………………………….. | |
| Висновок…………………………………………………………………….. | |
| Література……………………………………………………………………. |
ВСТУП
Мета даних методичних рекомендацій - допомогти студентам у виконанні лабораторних робіт з фізики, підвищити ефективність і зміст цих робіт, сприяти кращому засвоєнню фізичних уявлень і законів фізики, а також сприяти вихованню у студентів навичок самостійної практичної роботи і перш за все розумного проведення фізичного експерименту та аналізу отриманих даних.
Фізика, одна з найважливіших стратегічних галузей сучасного природознавства, є дослідною наукою. Дослід, поряд із спостереженням, є формою емпіричного пізнання об'єктивної дійсності, одним з основних методів наукового дослідження.
Наукове спостереження полягає в цілеспрямованому і планомірному сприйманні властивостей предметів і явищ дійсності для одержання відповідної інформації про об'єкт пізнання за допомогою органів чуттів. В реалізації наукового спостереження значну роль відіграє теоретичне мислення. Дослідник не просто регістратор фактів. Він свідомо відшукує їх, керуючись певною ідеєю, гіпотезою тощо. Результати наукових спостережень відповідно інтерпретуються на основі певної теорії. У наукових спостереженнях широко використовуються спеціальні засоби спостереження (мікроскопи, телескопи, фото- і телеапарати і т. д.), які компенсують відповідну природну обмеженість органів чуттів людини, підвищують точність і об'єктивність результатів спостереження.
Спостереження можна поділити на безпосередні (прямі) та посередні. Останні відіграють досить важливу роль у сучасній фізиці. При посередніх вимірюваннях спостерігається власне не сам об'єкт або процес, а ефект його взаємодії з іншими об'єктами або процесами. Наприклад, спостереження заряджених елементарних частинок у камері Вільсона (або в іншому приладі) за їхніми треками, які являють собою сукупності краплинок рідини.
Експеримент грунтується на забезпеченні відтворення явища в штучній (лабораторній) обстановці (йдеться також про забезпечення активного впливу на хід явищ та процесів) і супроводиться точними, по можливості, вимірюваннями та математичною обробкою даних. Родоначальником експерименту у фізиці слід вважати Галілея. За структурою експеримент суттєво відрізняється від спостереження наявністю спеціальних матеріальних засобів (експериментальних установок і приладів) впливу на досліджувані об'єкти або процеси.
Відповідно до основних завдань експериментальні дослідження поділяються на дві групи. До першої належать експерименти, завдання яких — емпірична перевірка певних гіпотез або теорій. До другої групи належать пошукові експерименти. Завдання їх — збирання потрібної попередньої інформації для побудови або уточнення певних припущень, здогадок.
Відповідно до методів та результатів досліджень експерименти поділяють на якісні та кількісні. Кількісний експеримент передбачає точне вимірювання всіх визначальних факторів певного процесу з наступною математичною обробкою результатів вимірювань.
Відповідно до методів реалізації розрізняють статистичні та нестатистичні експерименти. Відмінність між ними зводиться до способу вираження величин, що вимірюються.
Велике значення при проведенні конкретних експериментальних досліджень надається плануванню та структурі, побудові експерименту. Звичайно, для конкретних ситуацій ці моменти експериментальних досліджень мають свої специфічні риси та особливості залежно від завдань експерименту, характеру вимірюваних величин тощо. На заключному етапі велику роль відіграє інтерпретація результатів експерименту.
Експеримент має вирішальне значення для пізнання навколишньої природи, по-перше, як первинне джерело пізнання і, по-друге, як критерій істинності гіпотез, теорій. Він також відіграє величезну роль при формуванні нових гіпотез та теоретичних уявлень. В свою чергу без теорії та її спрямовуючих ідей неможливий науковий експеримент. Отже, теоретичні та емпіричні методи дослідження перебувають в діалектичному взаємозв'язку та взаємодії. З розвитком науки і техніки сфера експериментальних досліджень весь час розширюється, охоплюючи дедалі складніші явища природи.
Фізичний експеримент як метод дослідження набуває дальшого поширення у суміжних з фізикою дисциплінах, особливо в хімії, астрономії, біології і т. д.
Вимірювання фізичних величин
Певні властивості об'єктів матеріального світу можна охарактеризувати фізичними величинами.
Фізична величина — це властивість, в якісному відношенні загальна для багатьох фізичних об'єктів (фізичних систем, їхніх станів і процесів, що в них відбуваються), але в кількісному відношенні індивідуальна для коленого об'єкта (ГОСТ 16 263—70)
Фізичними величинами є маса, довжина, температура, період коливань тощо.
Конкретні реалізації тієї самої величини називають однорідними величинами. Наприклад, відстань між дзеркалом гальванометра та шкалою і висота Останкінської телебашти — це конкретні реалізації однієї фізичної величини — довжини, і через це вони є однорідними фізичними величинами.
Однорідні величини відрізняються одна від одної розміром.
Розмір фізичної величини — це кількісний вміст у даному об'єкті властивості, яка відповідає поняттю «фізична величина».
Розміри однорідних фізичних величин різних об'єктів порівнюють між собою, якщо відомі значення цих величин.
Значенням фізичної величини називається оцінка фізичної величини за допомогою деякого числа прийнятих для неї одиниць.
Одиниця фізичної величини — це фізична величина, якій за означенням надано числове значення, що дорівнює 1.
Абстрактне число, яке виражає відношення значення величини до відповідної одиниці цієї фізичної величини, називається числовим значенням величини.
Наприклад, 2м — значення довжини певного об'єкта, 5 кг — значення маси певного об'єкта і т. д.
Потрібно розрізняти істинне та дійсне значення фізичної величини.
Істинне значення фізичної величини — це значення величини, яке ідеальним чином відобразило б в якісному та кількісному відношеннях відповідну властивість об'єкта.
Дійсне значення фізичної величини — це значення величини, яке найдене експериментальне і настільки наближається до істинного значення, що для даної цілі може бути використаним замість нього.
Знаходження значень фізичної величини дослідним шляхом її допомогою спеціальних технічних засобів називають вимірюванням.
Всі одиниці вимірювання фізичних величин можна поділити на системні і позасистемні.
Системні одиниці — сукупність одиниць вимірювання, об'єднаних теоретичним способом у певну систему.
Позасистемні одиниці — сукупність довільно встановлених одиниць вимірювання фізичних величин.
Для побудови відповідної системи одиниць, тобто сукупності фізичних величин, пов'язаних між собою певними залежностями, встановлюють порядок взаємозалежності фізичних величин. Для цього всі фізичні величини поділяють на основні та похідні.
Основна фізична величина — фізична величина, яка входить в систему і умовно прийнята як незалежна від інших величин цієї системи
Похідна фізична величина — фізична величина, яка входить в систему і визначається через основні величини цієї системи.
Залежність кожної похідної фізичної величини від основних виражається її розмірністю. Згідно з ГОСТ 16263—70 розмірність фізичної величини — це вираз, який відображує зв'язок величини з основними величинами системи, в якому коефіцієнт пропорційності дорівнює 1.1
При виконанні лабораторних робіт, як і в будь-якому експерименті, необхідно проводити вимірювання тих або інших величин за допомогою різноманітних приладів, оцінювати ступінь достовірності отриманих даних (тобто визначати помилки вимірювань) і вірно уявляти результати у вигляді таблиці, графіка або отриманого значення вимірюваної фізичної величини.