Измерение физических величин. Пространство и время

Для измерения различных физических величин используются специальные приборы и инструменты. К примеру, вы хотите измерить длину бруска. Для этого вам нужно приложить линейку к его наиболее протяжённой стороне и по шкале линейки определить количество миллиметров между крайними точками.

При проведении измерений важно убедиться, что используемый прибор соответствует нашим задачам. Например, хотя все мы знаем термометры как устройства для измерения температуры, они бывают разных типов: одни предназначены для измерения комнатной температуры, другие — для измерения температуры тела, третьи — для определения температуры воды.

Одним из древнейших измерительных устройств считаются часы. Люди на протяжении веков применяли различные типы часов для измерения времени: солнечные, песочные, водяные. Сегодня часы стали гораздо сложнее и точнее.

Подобно часам, весы также относятся к числу старейших измерительных инструментов. Археологические находки свидетельствуют, что самые древние весы появились ещё в V тысячелетии до нашей эры.

В быту применяются различные виды весов: рычажные, пружинные и электронные. Они различаются между собой принципом действия. Кроме того, разные весы предназначены для измерения различных диапазонов масс. Так, например, невозможно измерить массу тела человека на небольших кухонных весах или массу одного яблока на весах, предназначенных для взвешивания человека.

Для измерения объёма жидкостей применяются такие приборы, как мензурки, измерительные цилиндры, мерные стаканы, мерные колбы и другие. Во время измерений важно следить за тем, чтобы уровень жидкости в приборе был строго горизонтальным, а глаза наблюдателя находились на одной линии с поверхностью жидкости.

Измерительным цилиндром или мензуркой можно определять не только объём жидкости, но и объём твёрдых тел. Для этого необходимо заполнить цилиндр водой примерно наполовину или чуть больше, чтобы при погружении объекта вода не перелилась через край.

Сначала измеряется начальный объём воды в цилиндре.

Затем привязывается исследуемое тело к нити и осторожно опускается в воду так, чтобы оно полностью погрузилось.

После этого снова измеряется общий объём, включая объём погружённого тела. Разница между этими двумя значениями даст вам искомый объём твёрдого тела:

V = V₂ – V₁.

Измерительные приборы могут быть двух видов: цифровые и шкальные.

Шкальные приборы имеют градуированную шкалу, по которой производится считывание результатов.

Деление шкалы у измерительных приборов может быть выполнено различными способами: по прямой линии (как на линейке), по кругу (на циферблате часов) или по дуге (в барометре). Каждая шкала имеет свой предел измерения, который определяет минимально возможное или максимально допустимое значение, которое можно измерить данным прибором.

Шкала разбита на деления, каждое из которых представляет собой интервал между двумя соседними штрихами.

Важно понимать, что одно деление — это не сам штрих, а именно расстояние между двумя ближайшими штрихами. Например, на шкале мензурки между отметками 70 мл и 90 мл миллилитров находятся 10 делений, но 12 штрихов.

Итак, расстояние между двумя соседними штрихами на шкале называется делением шкалы. Величина, соответствующая одному такому делению, называется ценой деления шкалы прибора.

Чтобы определить цену деления шкалы прибора, нужно взять разницу между двумя соседними отмеченными значениями физической величины и разделить её на количество делений между ними.

Во второй половине XX века благодаря развитию технологий цифровые измерительные приборы начали активно вытеснять шкальные аналоги. Ведь цифровые приборы отображают результаты измерений непосредственно в виде чисел — это гораздо удобнее. Сегодня цифровые измерительные приборы встречаются повсеместно. В повседневной жизни мы используем цифровые термометры и весы. В промышленности цифровые приборы устанавливаются на станках и системах диагностики. Ими оснащаются автомобили и самолёты. Кроме того, цифровое оборудование широко применяется в медицине.

Мы живём среди объектов разных размеров: одни огромные, другие крошечные. Как же сравнить размер атома, который в десять миллиардов раз меньше метра, с диаметром Земли, составляющим около 12 700 километров? Чтобы сравнивать размеры различных объектов, важно использовать одинаковые единицы измерения. В данном случае удобнее всего будет использовать метры.

Но иногда числа получаются слишком большими или маленькими, и тогда приходится писать много нулей (например, в капле воды содержится вот столько молекул воды: 10 000 000 000 000 000 000 000). Чтобы упростить такие числа, используют степени числа 10. Например:

вторая степень десяти — это сто, записывается как десять в квадрате (10²),

а один миллиард — это десять в девятой степени (1 000 000 000 = 10⁹).

Тогда, количество молекул воды в одной капле можно записать как десять в двадцать второй степени (10²²), что гораздо проще, чем писать все нули подряд.

Даже маленькие объекты удобно измерять в метрах. Например, размер микроба обычно составляет 0,000001 м. Это тоже можно записать через степень числа десять, как десять в минус шестой степени: 0,000001 м = 10^–6 м.

Чтобы сравнить величины, которые сильно различаются, можно найти разницу между показателями степеней. Например, длина плодовой мушки примерно равна 10^–3 м. А длина полевой мыши — 10^–1 м. Число 10^–1 больше числа 10^–3 в сто раз (или в 10² раз). То есть длина полевой мыши больше длины мушки на два порядка.

Исследуя окружающий мир, учёные стремятся выявить, каким образом одна физическая величина влияет на другую, то есть установить их взаимосвязь. Например, возникает желание узнать, как масса воды связана с её объёмом. Или как пройденное пешеходом расстояние зависит от времени его движения. Чтобы ответить на эти вопросы, необходимо обнаружить количественные соотношения между физическими величинами, которые затем фиксируются в виде формул. Для подтверждения этих соотношений проводятся точные экспериментальные измерения.

Примечательно, что важность экспериментальных измерений и поиск связей между физическими величинами стали осознавать в полной мере только в XVIII веке.

Итак, мы уже выяснили, что для описания размеров тел используют длину, ширину и высоту. Они выражаются в единицах длины. Длину, ширину и высоту принято называть тремя измерениями, а наше пространство — трёхмерным. Но с течением времени тела могут менять как своё положение в пространстве, так и свою форму и свои размеры. Время часто называют четвёртым измерением.

Мы привыкли двигаться вперёд и назад, вверх и вниз, вправо и влево — это как будто играем с тремя измерениями вокруг нас. Но время течёт только в одну сторону: из прошлого в будущее. К прошлому мы можем вернуться только в своих воспоминаниях.

Загадка времени всегда привлекала внимание людей, будоражила их мысли и чувства. Время важно для всех: от маленького цветка в поле до нас самих. Ежедневно мы сталкиваемся со словами «рабочее время», «учебное время», «время отдыха» и так далее. Но удивительное дело: никто точно не знает, что такое время. Тем не менее, люди знакомы с некоторыми его свойствами.

Например, мы чувствуем, что одни события проходят очень быстро (как вспышка молнии). А другие кажутся бесконечными (как уроки в школе). Но у всех этих событий есть одна общая черта — продолжительность: каждое событие начинается, продолжается и заканчивается. Для того чтобы правильно оценивать происходящее, нам нужно уметь измерять промежутки времени.

Как писал известный физик Ричард Фейнман «Один из способов измерить время — это использовать нечто регулярно повторяющееся, нечто периодическое».

И действительно, наблюдая природу, мы замечаем, что многие процессы повторяются: сменяют друг друга день и ночь, времена года, бьётся сердце. Эти явления называют периодическими. Некоторые из них стали использоваться людьми как единицы измерения времени.

Например, вы знаете, что время делится на годы, месяцы, недели, дни, часы, минуты и секунды. Историки и палеонтологи оперируют такими понятиями, как эры, эпохи, тысячелетия и столетия. То есть, существует множество единиц измерения времени. Но три основные из них, на основе которых строятся остальные, связаны с астрономическими явлениями — это год, месяц и сутки.

Всем известная единица измерения времени — сутки — связана с вращением Земли вокруг своей оси. Сутки — это промежуток времени между двумя моментами, когда Солнце находится в самой высокой или низкой точке на небосводе. За это время Земля совершает почти полный оборот вокруг своей оси.

Месяц — это единица измерения времени, связанная с движением Луны вокруг Земли. Один месяц приблизительно соответствует времени, за которое Луна проходит весь путь вокруг нашей планеты и возвращается в исходное положение относительно звёзд.

А что такое год? Как вы уже знаете, Земля, наряду с другими планетами, движется вокруг Солнца. Так вот, год — это время, которое требуется Земле, чтобы совершить один полный оборот вокруг Солнца.

Таким образом, природа дала нам три повторяющихся процесса, помогающих отслеживать время: смену дня и ночи, фазы Луны и смену времён года. Именно на их основе возникли такие понятия, как сутки, месяц и год.

Для измерения коротких промежутков времени мы используем часы. Самые первые часы были солнечными. Они состояли из палки, воткнутой в землю, и циферблата с делениями. Когда Солнце двигалось по небу, тень от палки перемещалась по делениям, показывая время суток.

Создателем современных механических часов считается голландский учёный Христиан Гюйгенс, который в 1657 году использовал маятник для регулирования хода часов.

Позже механические часы уступили место электронным. Современные электронные часы настолько точные, что отклоняются всего на одну секунду за 100 000 лет!

Однако самым надёжным и точным считается атомное время, введённое Международным комитетом мер и весов в середине прошлого века. Эталоном служат атомные (квантовые) часы. С 1 января 1972 года все страны мира ведут счёт времени по этим часам.

Современные научные данные говорят о том, что около 14 миллиардов лет назад произошёл Большой взрыв — момент зарождения нашей Вселенной. После этого начали формироваться атомы различных элементов, звёзды, планеты и галактики. На Земле появилась жизнь, а затем и человек — вершина эволюции.

В физике для описания масштабов явлений и процессов используются термины: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — это мир очень маленьких объектов, которые невозможно увидеть без специальных приборов (таких как молекулы, атомы, а также частицы, из которых состоят атомы — электроны, протоны и нейтроны).

Макромир включает в себя предметы и объекты, имеющие стабильные формы и размеры, сопоставимые с человеческими. В этом мире расстояния измеряются в миллиметрах, метрах и километрах.

Мегамир охватывает огромные космические масштабы, включая планетные и звёздные системы, галактики и их скопления — то есть все объекты в видимой части Вселенной (а это порядка 10²⁶ метра).