Тиждень 9
Як вимірювати фізичні величини?
Головні думки
● Фізична величина — міра властивості, що може бути притаманна різним системам, але у кожній із них має власні прояви. Виражається у певних одиницях вимірювання.
● Стандартні одиниці вимірювання фізичних величин входять до системи СІ.
Опануйте поняття
● Фізична величина
● Відстань
● Переміщення
● Час
● Швидкість
● Середня швидкість
● Анемометр
Славетний англійський учений Ісаак Ньютон, якого ми згадували у практичній частині 3-го тижня, пригадував, як у 15 років брав участь у змаганнях зі стрибків у довжину між хлопчиками невеликого містечка. Ньютон зрозумів, що учасники, які стрибають за вітром, перемагають тих, хто стрибає проти. Помітивши це, Ньютон стрибнув далі за всіх. Йому стало цікаво, чи можна завдяки стрибкам виміряти силу вітру. Він занотував, на скільки футів удається стрибнути в безвітряний день та у вітряний; за вітром чи проти нього. Таким чином він оцінив силу вітру, виражену у футах (ви ще пам’ятаєте, що фут — це приблизна довжина ступні?).
Через багато років Ньютон вважав свій дослід з визначення сили вітру стрибками, який він провів у 1658 році, своїм першим експериментом
Ньютон придумав, як вимірювати силу вітру. Ми з вами живемо у світі, де є безліч величин, які треба вимірювати. Котра година? Яка відстань до школи? Яка місткість пляшки для води? Ваші відповіді на ці питання будуть виражені за допомогою фізичних величин, які вимірюють спеціальними приладами.
Завдяки тим самим фізичним величинам можна описувати різні системи. Відстань від кімнати до кухні та від дому до школи вимірюють в одиницях довжини, а тривалість переміщення — в одиницях часу.
Якщо йдеться про вимірювання, потрібно чітко визначати, що саме ми вимірюємо. Припустімо, на уроці фізкультури на шкільному стадіоні п’ятикласники бігають п’ятсотметрівку. П’ятсот метрів — це шлях, який треба подолати. А яке переміщення у школярів під час бігу? Все залежить від того, як вони біжать. Переміщення — це зміна положення об’єкта в просторі. Якщо школярі прибігли по колу до місця старту, їхнє переміщення — нульове, а якщо вони бігли по прямій — дорівнює шляху, 500 м.
Порівняйте, чи однаковим є шлях (позначено синім) та переміщення (позначено червоним) у наведених прикладах
Як вчитель порівнює результати бігунів п’ятсотметрівки? Два бігуни пробігли по 500 м, але перший подолав їх за 2 хвилини, а другий — за 5.
Як визначити швидкість руху? Використаємо формулу:
ν = S : t ,
де ν — швидкість; S — шлях; t — час руху.
Якщо ми вимірюємо шлях у метрах, а час — у хвилинах, то швидкість вимірюватиметься у метрах за хвилину:
ν1 = S : t1 = 500 : 2 = 250 м/хв;
ν2 = S : t2 = 500 : 5 = 100 м/хв.
Бігун, що подолав ту саму відстань за менший час, рухався з більшою швидкістю!
А чи дійсно бігун постійно рухається з однаковою швидкістю? Це можна перевірити, відзначаючи час, за який бігун долає кожні 100 метрів. Надалі ми можемо визначити швидкість на кожному відрізку шляху та визначити середню швидкість.
Середня швидкість буде дорівнювати тій швидкості, яку ми отримали, розраховучи її для всього шляху. Довжину усього шляху слід поділити на час, за який його подолано.
А що було б, якби ми вимірювали, наприклад, шлях у кілометрах, а час — у хвилинах? Розрахована швидкість була б іншою! Для того щоб було легше порівнювати результати різних вимірів фізичних величин, потрібно домовитися про те, які одиниці виміру будуть використані.
У 1960 році міжнародне наукове товариство обрало рекомендовані одиниці вимірювання різних фізичних величин. Така система отримала назву СІ — система інтернаціональна. Деякі приклади фізичних величин системи СІ наведені у таблиці.
| Фізична величина | Назва | Позначення | Приклад приладу для вимірювання |
| Відстань або шлях | метр | м | Лінійка, рулетка тощо |
| Час | секунда | с | Секундомір, годинник |
| Швидкість | метрів за секунду | м/с | Спідометр |
| Маса | кілограм | кг | Ваги |
| Температура | Кельвін | К | Термометр |
Можна використовувати ще й інші одиниці, приклади яких наведені у наступній таблиці.
| Фізична величина | Назва | Позначення | Відповідність одиницям системи СІ | Приклад приладу для вимірювання |
| Об’єм | літр | л | 1 л = 1 дм3 = 1000 мл | Піпетка, мензурка тощо |
| Температура | градус Цельсія | °С | 1 °С = 1 К | Термометр |
Повернімося до першого досліду у житті Ньютона.
Навіть у нерухомому повітрі людина, що рухається, відчуває вітерець на обличчі, бо повітря — це не порожнеча, а суміш газів. Вітер можна відчути і тоді, коли рухоме повітря набігає на нерухому людину, і при русі людини у нерухомому повітрі.
Як виміряти швидкість вітру? Для цього використовують спеціальний прилад — анемометр. Існують різні конструкції анемометрів і деякі з них показані на ілюстрації. За обертанням чашок навколо осі визначають силу потоку повітря, яку перераховують на швидкість вітру. Зазвичай її позначають у метрах за секунду. Деякі прилади, наприклад, вітровказ, не можуть точно визначити швидкість вітру, але дають можливість оцінити його силу.
Різні типи анемометрів — приладів для виміру швидкості вітру
Напевно, ви знайомі з приладом для визначення напряму вітру — флюгером. Розумієте, як він працює? Вітер повертає його залежно від свого напряму.
Флюгер. Ви розумієте, навіщо ті букви на його нерухомій частині?
Вітер може бути й руйнівним! Мабуть, вам доводилося під час поїздки у транспорті простягнути руку у вікно й відчути тиск потоку повітря (обережно: це може бути небезпечно!). Швидкість руху транспорту в місті має не перевищувати 50 км/год (близько 14 м/с). Встановіть наслідки, до яких може призвести вітер, що має таку швидкість!
Шкала Бóфорта — дванадцятибальна шкала, прийнята Всесвітньою метеорологічною організацією
Розгляньте ілюстрацію.
Які тіла на ілюстрації нерухомі, а які рухаються?
Людина сидить у вагоні потягу. Їй здається, що вагон залишається нерухомим, а рухаються подорожній, що йде вагоном, і стовпи електромережі за вікном. Для перехожого, що ззовні спостерігає за потягом, рухаються і вагон, і усі пасажири в ньому, тоді як стовпи стоять на місці. Яка точка зору правильна?
Обидві. І ще багато інших.
Звісно, можна вважати нерухомими тіла, які не рухаються відносно Землі — наприклад, стовпи. Але ж і сама Земля мчить у космічному просторі, обертаючись навколо Сонця. Величезне Сонце також мандрує за своїм «маршрутом». Отже, стверджувати, що якесь тіло перебуває в русі, можна лише на підставі зміни його розташування відносно іншого тіла.
Засоби GPS (Global Positioning System) зараз використовують і в смартфонах, і в навігаторах, і навіть в невеликих гаджетах, що дають змогу знаходити людей, тварин або, скажімо, цінні речі. Прилади GPS зв’язуються із супутниками Землі.
Принцип роботи GPS-приладу (на прикладі визначення положення квадрокоптера)
Відбувається вимірювання відстані від приладу GPS до кількох таких супутників. Оскільки розташування супутників точно відоме, за відстанню від них до приладу GPS можна встановити його розташування.
Завдяки тому, що засоби GPS дають змогу визначити своє розташування, за їх допомогою можна встановити й швидкість, яка залежить від зміни розташування з часом.
В електронній версії підручника використані додаткові завдання, що відрізняються від тих, які містяться у друкованій версії
У стані розробки…