Fizyka, wielkości fizyczne i pomiary - Spotkania z fizyką 7

1.Fizyka

Nauka, która bada i wyjaśnia podstawowe prawa przyrody, zjawiska w niej zachodzące oraz właściwości materii. Z dorobku fizyków korzystają inne nauki przyrodnicze, np. chemia i biologia.

2.Co badają fizycy?

Zjawiska zachodzące w otaczającym nas świecie, np. powstawanie tęczy czy unoszenie się dymu. Fizycy sprawdzają, co wpływa na przebieg zjawiska, i ustalają reguły, którym ono podlega. Patrząc na dym z komina, fizyk pyta, dlaczego dym się unosi, a chemik - w wyniku jakich reakcji powstaje.

3.Obserwacja

Metoda badań, w której przyglądamy się zjawisku i opisujemy jego przebieg, ale nie możemy go wywołać ani powtórzyć na życzenie. Tylko obserwować możemy np. tornado albo ruchy planet.

4.Doświadczenie (eksperyment)

Metoda badań, w której zjawisko wielokrotnie odtwarzamy w kontrolowanych warunkach, np. spadanie przedmiotów. Obserwacje i doświadczenia są podstawą badań przyrodniczych.

5.Prawa fizyczne

Reguły, którym podlegają zjawiska w przyrodzie. Fizycy formułują je na podstawie obserwacji i doświadczeń, gdy ustalą, które czynniki są istotne dla przebiegu zjawiska, a które nie mają znaczenia. Znajomość praw przyrody umożliwia rozwój techniki.

6.Co zawdzięczamy fizykom?

Wiele urządzeń używanych na co dzień, m.in.: łączność za pomocą fal radiowych (ich istnienie rozważał teoretycznie James Clerk Maxwell, a pierwszy przesłał je i odebrał Heinrich Hertz), satelity i loty na Księżyc (m.in. zasady dynamiki Isaaca Newtona), laser (badania Alberta Einsteina nad oddziaływaniem światła i materii) oraz silniki (pierwsze silniki parowe - Thomas Newcomen i James Watt, XVIII w.).

7.Ciało fizyczne

Każdy przedmiot lub organizm żywy stanowiący obiekt zainteresowania fizyki, np. toczący się samochodzik, rozciągana sprężyna czy biegnący pies.

8.Substancja

Materiał, z którego jest zbudowane ciało fizyczne, np. stal, szkło, guma, aluminium.

9.Jak odróżnić ciało fizyczne od substancji?

Ciało fizyczne to konkretny przedmiot lub organizm (np. łyżka, szklanka, gumka recepturka), a substancja - materiał, z którego jest zrobione (stal, szkło, guma). Z jednej substancji można zrobić wiele różnych ciał, a jedno ciało może składać się z kilku substancji.

10.Pomiar wielkości fizycznej

Porównanie wartości mierzonej wielkości z jej wzorcem. Wzorzec (a częściej jego kopia) przedstawia przyjętą jednostkę tej wielkości. Np. przykładając miarkę do stołu, porównujemy jego długość ze wzorcem długości.

11.Wielkość fizyczna

Cecha ciała lub zjawiska, którą można wyrazić ilościowo, czyli za pomocą liczby, np. masa, długość, temperatura, czas. Wielkości fizyczne służą do ilościowego opisu cech ciał i zjawisk.

12.Jednostka wielkości fizycznej

Umownie przyjęta wartość danej wielkości (np. 1 metr), z którą porównujemy mierzoną wielkość podczas pomiaru. Przykłady: metr (m) dla długości, kilogram (kg) dla masy, sekunda (s) dla czasu, stopień Celsjusza (°C) dla temperatury. Wartość wielkości fizycznej podaje się zawsze jako liczbę wraz z jednostką.

13.Układ SI

Międzynarodowy Układ Jednostek Miar, wprowadzony, aby uporządkować sposób opisywania wielkości. Określa główne jednostki wielkości fizycznych, które dzielą się na jednostki podstawowe (np. metr, kilogram, sekunda) i jednostki pochodne (np. metr na sekundę).

14.Jednostki pozaukładowe

Jednostki spoza układu SI, używane dla wygody albo ze względów historycznych, np. cal: $1~\mathrm{cal} = 2{,}54~\mathrm{cm}$. W Polsce w calach podaje się przekątną ekranów, np. telewizorów.

15.Oznaczenia wielkości fizycznych i jednostek

Wielkości i jednostki mają swoje symbole, np. czas $t$ (jednostka: sekunda, s), masa $m$ (kilogram, kg), długość $l$ (metr, m), temperatura $T$. W druku symbole wielkości pisze się pismem pochyłym, a jednostki - prostym. Ta sama litera może znaczyć co innego: $t$ to czas, a $T$ - temperatura; $m$ to masa, a m - metr.

16.Zapis wartości wielkości fizycznej

Zapisujemy symbol wielkości fizycznej, znak równości, wartość (liczbę) i jednostkę. Np. w zapisie $l = 2{,}5~\mathrm{km}$: $l$ to symbol wielkości (długości), 2,5 - wartość, a km - kilometr, czyli jednostka metr (m) z przedrostkiem kilo- (k).

17.Przedrostki

Dodane na początku nazwy jednostki oznaczają jej określoną wielokrotność (jednostkę większą, np. kilometr) albo podwielokrotność (jednostkę mniejszą, np. centymetr). Dzięki nim wygodnie zapisujemy bardzo duże i bardzo małe wartości, np. odległość między miastami w kilometrach, a masę ziarenka piasku w gramach.

18.Podwielokrotności jednostek (decy-, centy-, mili-, mikro-)

Jednostki mniejsze od głównej, tworzone przedrostkami: decy- (d) $= \frac{1}{10}$, centy- (c) $= \frac{1}{100}$, mili- (m) $= \frac{1}{1000}$, mikro- ($\mu$) $= \frac{1}{1\,000\,000}$. Np. $1~\mathrm{mm} = \frac{1}{1000}~\mathrm{m}$.

19.Wielokrotności jednostek (deka-, hekto-, kilo-, mega-)

Jednostki większe od głównej, tworzone przedrostkami: deka- (da) = 10, hekto- (h) = 100, kilo- (k) = 1000, mega- (M) = 1 000 000. Np. $1~\mathrm{km} = 1000~\mathrm{m}$.

20.Przeliczanie jednostek z przedrostkami

W miejsce przedrostka wstawiamy jego wartość (przelicznik) i mnożymy, np. $4{,}2~\mathrm{km} = 4{,}2 \cdot 1000~\mathrm{m} = 4200~\mathrm{m}$, a $35~\mathrm{mg} = 35 \cdot \frac{1}{1000}~\mathrm{g} = 0{,}035~\mathrm{g}$. Zamieniając jednostkę na większą, dzielimy, bo np. $1~\mathrm{m} = \frac{1}{1000}~\mathrm{km}$.

21.Przeliczanie jednostek długości

Główną jednostką długości jest metr (m). $1~\mathrm{km} = 1000~\mathrm{m}$, a $1~\mathrm{m} = 10~\mathrm{dm} = 100~\mathrm{cm} = 1000~\mathrm{mm} = 1\,000\,000~\mathrm{\mu m}$.

22.Przeliczanie jednostek masy

Główną jednostką masy w układzie SI jest kilogram (kg), a nie gram. $1~\mathrm{kg} = 1000~\mathrm{g}$, $1~\mathrm{dag} = 10~\mathrm{g}$, $1~\mathrm{g} = 1000~\mathrm{mg} = 1\,000\,000~\mathrm{\mu g}$.

23.Przeliczanie jednostek czasu

Główną jednostką czasu jest sekunda (s). Zamiast jej wielokrotności (np. kilosekundy) zwyczajowo używa się minut, godzin i dób: $1~\mathrm{min} = 60~\mathrm{s}$, $1~\mathrm{h} = 60~\mathrm{min} = 3600~\mathrm{s}$, $1~\mathrm{d} = 24~\mathrm{h}$. Ułamki sekundy wyraża się w milisekundach (ms) i mikrosekundach ($\mathrm{\mu s}$).

24.Dokładność pomiaru linijką

Podziałka linijki jest zaznaczona co $1~\mathrm{mm}$, więc nie da się nią zmierzyć długości dokładniej. Krawędzie przedmiotu zwykle wypadają między kreskami podziałki, a same kreski też mają szerokość - dlatego wynik pomiaru podajemy z niepewnością.

25.Niepewność pomiarowa

Tolerancja podawana razem z wynikiem pomiaru: pokazuje dopuszczalne odchylenie wyniku od wartości rzeczywistej. Wynika m.in. z niedokładności przyrządu pomiarowego albo z warunków pomiaru. Zapisujemy ją po znaku $\pm$, np. $l = 52~\mathrm{mm} \pm 1~\mathrm{mm}$ oznacza, że długość mieści się między $51~\mathrm{mm}$ a $53~\mathrm{mm}$.

26.Zapis wyniku z niepewnością

Niepewność zapisuje się w tych samych jednostkach co wynik. Wynik i niepewność podaje się z taką samą dokładnością (najniższy rząd niepewności = najniższy rząd wyniku), a dokładność wyniku nie może być większa niż dokładność przyrządu. Np. linijką: $l = 86~\mathrm{mm} \pm 1~\mathrm{mm}$, a nie $86~\mathrm{mm} \pm 0{,}1~\mathrm{mm}$.

27.Suwmiarka

Przyrząd do pomiaru długości z dokładnością większą niż $1~\mathrm{mm}$ - zależnie od budowy $0{,}1~\mathrm{mm}$, $0{,}05~\mathrm{mm}$ lub $0{,}02~\mathrm{mm}$. Zwykła linijka mierzy z dokładnością do $1~\mathrm{mm}$.

28.Pomiar wielokrotny

Kilkakrotne powtórzenie pomiaru tej samej wielkości. Gdy wyniki różnią się bardziej, niż wynosi dokładność przyrządu, nie wybieramy jednego z nich, tylko obliczamy średnią arytmetyczną. Im więcej pomiarów, tym bardziej prawdopodobne, że średnia jest bliska wartości rzeczywistej, a niepewność można przyjąć mniejszą.

29.Średnia arytmetyczna

Suma wszystkich wyników podzielona przez ich liczbę: $\frac{l_1 + l_2 + \ldots + l_n}{n}$, gdzie $n$ to liczba pomiarów. Średnią z pomiarów podaje się z taką samą dokładnością, z jaką zapisano wyniki pomiarów, np. gdy wyniki są podane do $0{,}1~\mathrm{cm}$, średnią też zaokrąglamy do $0{,}1~\mathrm{cm}$.

30.Cyfry znaczące

Cyfry wyniku pomiaru, które mają sens fizyczny: wszystkie cyfry oprócz zer na początku liczby, których rząd jest większy lub równy najniższemu rzędowi niepewności pomiaru. Liczba cyfr znaczących oznacza dokładność, z jaką należy podać wynik. Na lekcjach fizyki zaokrągla się zwykle do dwóch lub trzech cyfr znaczących.

31.Zaokrąglanie

Zostawiamy potrzebną liczbę cyfr znaczących i patrzymy na pierwszą pomijaną cyfrę: jeśli jest mniejsza od 5, zaokrąglamy w dół, a jeśli jest równa 5 lub większa - w górę. Pominięte cyfry przed przecinkiem zastępujemy zerami. Np. do dwóch cyfr znaczących: $7{,}348~\mathrm{m} \approx 7{,}3~\mathrm{m}$, $68\,520~\mathrm{m} \approx 69\,000~\mathrm{m}$.

32.Wynik obliczeń w zadaniu

Wynik obliczeń zapisujemy z taką dokładnością, z jaką podano najmniej dokładną wartość wielkości fizycznej w zadaniu. Długi wynik z kalkulatora trzeba zaokrąglić, bo cyfry na dalszych miejscach nie mają sensu fizycznego.

33.Rozwój zegarów

Pierwsze były zegary słoneczne (ponad 1500 lat p.n.e.), potem zegary wodne (czas odmierzała wypływająca ciecz) i klepsydra (przesypujący się piasek lub proszek cynkowy). W 1656 r. Christiaan Huygens zbudował zegar wahadłowy, w 1927 r. powstał zegar kwarcowy (czas odmierza drgający kryształ kwarcu), a dziś podstawą wzorców czasu są zegary atomowe.

34.Zegar słoneczny

Najstarszy rodzaj zegara (ponad 1500 lat p.n.e.). Ma gnomon, czyli nieruchomą wskazówkę. Czas wskazuje cień gnomonu. Cień ten przesuwa się wraz z pozornym ruchem Słońca po niebie. Wady: nie działa w nocy ani w pochmurne dni, a jego wskazania zależą od długości geograficznej i pory roku.

35.Zegar atomowy

Najdokładniejszy zegar - podstawa dzisiejszych wzorców czasu. Jego wskazania różnią się od rzeczywistego upływu czasu o mniej niż $1~\mathrm{s}$ po kilkuset, a nawet kilku milionach lat. Jest duży i drogi, więc używa się go m.in. w specjalistycznych laboratoriach i w systemie nawigacji GPS.