Физические величины. Измерение физических величин. Точность и погрешность измерений
Цели урока:
1) Обучающая: обеспечить формирование у учащихся представлений о физической величине, обеспечит усвоение учащимися теоретических знаний об основных характеристиках физической величины, познакомить учащихся с простейшими измерительными приборами, научить определять цену деления и точность отсчета при использовании различных шкал.
2) Развивающая: способствовать расширению кругозора учащихся о физике; умение находить некоторые закономерности; развитие памяти, самостоятельного суждения.
3) Воспитывающая: интерес, любознательность, наблюдательность, аккуратность в записях.
Ход урока:
1. Организационный этап.
Здравствуйте. Прежде чем мы приступим к уроку, хотелось бы, чтобы каждый из вас настроился на рабочий лад.
2. Актуализация знаний
Прежде чем начинать наш с вами уже второй урок в курсе Физики, хотелось бы вспомнить то, о чем мы говорили на предыдущем занятии.
Мы ввели понятие «Физическое тело». Что же это? Это любой предмет, окружающего нас мира.
Физическое явление — все изменения, которые происходят с физическими полями и телами.
Для описания физических тел и физических явлений используют физические величины.
Например, для описания деревянного бруска нам необходимо использовать такие физические величины как масса, длина, ширина, высота, объем.
Откройте тетради и запишите число и тему нашего урока.
3. Этап получения новых знаний.
Для описания физических тел и физических явлений используют физические величины.
Например, для описания деревянного бруска нам необходимо использовать такие физические величины как масса, длина, ширина, высота, объем.
То есть физическая величина это то, что мы можем измерить. Измеряемое свойство тела или явления.
Каждая физическая величина имеет название, например масса; Буквенное обозначение (массу обозначают латинской буквой эм), способ измерения (с помощью весов), числовое значение (например, масса человека равна 45), и единицы измерения (кг). Получаем, масса тела равна 45 кг.
Для каждой физической величины приняты свои единицы измерения. Для удобства все страны мира стремятся пользоваться одинаковыми единицами измерения физических величин. С 1963 года во многих странах мира используется Международная система единиц — СИ (система интернациональная). В этой системе основной единицей длины является метр, времени — секунда, массы — килограмм.
Существует единицы, которые в 10, 100, 1000 раз больше принятых. Такие единицы называет кратными, и именуются с соответствующими греческими приставками. Например, десяти соответствует приставка «дека», стам — «гекто», тысячи — «кило».
Если используют единицы, которые в 10, 100, 1000 раз меньше принятых единиц (это дольные единицы), то используют приставки, взятые из латинского языка. «Деци» — ноль целых одна десятая, «санти» — ноль целых одна сотая, «милли» — ноль целых одна тысячная.
Измерения очень важны в нашей жизни, для их проведения необходимы измерительные приборы. Самые простые приборы для измерения длины линейка, рулетка, мерная лента.
Для измерения объема жидкости мензурка, мерный цилиндр, мерная колба.
Для измерения температуры используют комнатный, водный, медицинский термометры. Медицинский, в свою очередь, бывает электронный и ртутный.
Существуют и другие измерительные приборы. Например, времени секундомер, часы. Силы — динамометр. Давления, атмосферного — барометр, газов в сосуде — манометр.
Приборы делят на шкальные и цифровые. Каждый шкальный прибор имеет шкалу и цену деления.
Шкала измерительного прибора называют совокупность отметок и цифр на отсчетном устройстве прибора, соответствующая ряду последовательных значений измеряемой величины
Цена деления — значение наименьшего деления шкалы прибора.
Для определения цены деления шкалы нужно от большего числа, соответствующего какому — либо делению шкалы, вычесть меньшее и полученную разность поделить на число делений между цифрами. Получаем 0,1 сантиметра на деление.
Какой же прибор точнее, цена деления которого меньше или больше?
Рассмотрим мерную ленту А) и линейку б). У обоих приборов единицы измерения совпадают!
Для нахождения цены деления мерной ленты возьмем два рядом стоящих значения на шкале, от большего вычтем меньшее и разделим на количество делений между данными цифрами. Получим, 1 сантиметр на деление.
Также определим цену деления для линейки. Количество делений в данном случае 10. Получим, ноль целых одна десятая сантиметра на деление.
Точнее тот прибор у которого цена деления меньше. Значит данная линейка точнее мерной ленты.
То есть, имея меньшую цену деления, мы меньше ошиблись.
Чему же равна погрешность измерительных приборов?
Погрешность равна половине цены деления.
Например, погрешность при измерении температуры равна половине цены деления данного термометра.
Найдем ее: для этого определим цену деления термометра.
Берем два любых значения, например 20 и 10, от большего вычтем меньшее значение и разделим на количество делений между ними, их пять. Получили, что она равна 2 градуса на деление.
Значит погрешность равна 1 градус.
Как же это записать?
T = 20±1 C, где 20 — показания термометра, 1 — погрешность, знак полюс минус использует потому, что ошибиться можно как в большую так и в меньшую сторону.
При записи величин с учетом погрешности следует пользоваться формулой, где
А — измеряемая величина,
а — результат измерений,
а — погрешность измерений, — греческая буква «дельта»
Так что же значит измерить физическую величину?
Измерить физическую величину — значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.
Например, чтобы измерить длину отрезка прямой между точками, А и В, надо приложить линейку и по шкале определить сколько сантиметров укладывается между данными точками.
Если физическая величина измеряется непосредственно путем снятия данных со шкалы прибора, то такое измерение называют прямыми. Например, измерение длины бруска, ширины или высоты бруска.
А как же определить объем этого самого бруска. Конечно же, используя формулу. Объем есть произведение длины, ширины и высоты.
В этом случае, когда физическую величину (объем), определили по формуле, говорят, что измерения провели косвенно.
3. Этап обобщения и закрепления нового материала.
Итак, сделаем основные выводы:
— Физическая величина — измеряемое свойство тела или явления
— Каждый шкальный прибор имеет шкалу и цену деления
— Шкала измерительного прибора — это совокупность отметок и цифр на отсчетном устройстве прибора, соответствующая ряду последовательных значений измеряемой величины
— Цена деления (С) — значение наименьшего деления шкалы прибора
— Для определения цены деления шкалы нужно от большего числа, соответствующего какому- либо делению шкалы, вычесть меньшее и, разность поделить на число делений между цифрами
— Погрешность измерительных приборов равна половине цены деления
Для закрепления, изученного материала, ответим на ряд вопросов.
Что такое физическая величина? Какие основные физические величины входят в систему СИ? Какие шкальные измерительные приборы вам известны? Какие цифровые измерительные приборы вам известны? Перечислите приборы для измерения длины, времени, температуры. Что такое цена деления? Как определить цену деления прибора? От чего зависит точность измерения? Что необходимо учитывать при выборе измерительного прибора? Чем отличаются кратные и дольные единицы? Что значит измерить косвенно или прямым способом?
4. Рефлексия.
Хотелось бы услышать ваши отзывы о сегодняшнем уроке: что вам понравилось, что не понравилось, чем бы хотелось узнать еще.
5. Домашнее задание: § 4- 5.
1. Из перечисленных приборов выбрать а) шкальные, б) цифровые.
Линейка, весы электронные, напольные (не электронные весы), секундомер, часы наручные механические, часы электронные настенные, динамометр, мензурка, мерный стаканчик, барометр, манометр.
2. Определить цену деления данного прибора.
3. Определить цену деления данного термометра.
4. Определить цену деления и погрешность данной линейки.
5. Какая из данных мерных лент более точная? Почему? Чем точнее можно измерить длину стола линейкой или мерной лентой? Почему?
Источник
ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ. ВИДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Задачей физического эксперимента является установление и изучение связей между различными физическими величинами. При этом в процессе эксперимента часто бывает необходимо измерять эти физические величины. Измерить физическую величину – это значит сравнить её с идентичной физической величиной, принятой за единицу.
Измерением называют экспериментальное определение значения физической величины с помощью средств измерений. К средствам измерения относятся: 1) меры (гири, мерные стаканы и т.п.); 2) измерительные приборы, имеющие шкалу или цифровое табло (секундомеры, амперметры, вольтметры и т.п.); 3) измерительно-вычислительные комплексы, включающие измерительные приборы и вычислительную технику.
Чтобы измерить физическую величину, необходимо: 1) выбрать единицу измерения этой величины; 2) подобрать проградуированные в установленных единицах с необходимой точностью средства измерения; 3) выбрать наиболее целесообразную методику измерений; 4) провести с помощью имеющихся средств измерение заданной величины; 5) дать оценку допущенной при измерениях погрешности.
В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямыеикосвенные. Прямые измерения осуществляются с помощью средств измерений, которыми непосредственно определяется исследуемая величина (например, измерение длины с помощью линейки, массы тела с помощью весов, времени с помощью секундомера). Однако не всегда прямые измерения осуществимы, удобны или имеют необходимую точность и надёжность. В этих случаях используют косвенныеизмерения, при которых искомое значение величины находится по известной зависимости между этой величиной и величинами, значения которых могут быть найдены путем прямых измерений. Например, объём можно вычислить по измеренным линейным размерам объекта, массу тела – по известной плотности и объёму и т.д. Таким образом, значение какой-либо величины может быть получено как путем прямых измерений, так и с помощью косвенных. К примеру, величину сопротивления провода можно определить как с помощью прибора – омметра, так и с помощью вычислений по измеренным величинам тока, протекающего через проводник, и падения напряжения на нём. Выбор способа измерений физической величины для каждого конкретного случая решается отдельно с учётом удобства, быстроты получения результата, необходимой точности и надёжности.
Каждый физический эксперимент состоит из подготовки исследуемого объекта и средств измерений, наблюдения за ходом эксперимента и показаниями приборов, записи отсчётов и результатов измерений.
Измерительным прибором называют устройство, позволяющее непосредственно определить значения измеряемой величины.
Каждый измерительный прибор имеет отсчетное устройство для вывода информации о результатах измерений. Простейшее отсчетное устройство состоит из шкалы и указателя.
Шкалапредставляет собой совокупность меток, нанесенных поперек некоторой линии. Промежутки между метками называют делениями шкалы. Для удобства отсчета отдельные метки выделяют, увеличивая их длину или толщину, и помечают числами.
Указательвыполняется в виде стрелки или штриха, которые могут перемещаться вдоль шкалы. В некоторых приборах вдоль шкалы перемещается световое пятно, содержащее изображение штриха.
Существуют приборы с цифровой индикацией, в которых информация об измеряемой величине выдается в виде числа, высвечиваемого посредством специального табло.
Для каждого прибора можно выделить интервал измеряемой величины, в пределах которого он может безопасно работать и давать надежные результаты. Этот интервал называют рабочим диапазоном измерений. Если подлежащая определению величина окажется меньше нижнего предела рабочего диапазона, то результат измерения будет слишком грубым или вообще показание прибора нельзя будет отличить от нулевого. Если же измеряемая величина превысит верхний предел, то прибор может быть испорчен.
Чувствительностьизмерительного прибора характеризует его способность реагировать на малые изменения измеряемой величины. Чувствительность a определяется формулой:
где DS – перемещение указателя отсчетного устройства при изменении измеряемой величины на Dx.
Если чувствительность остается постоянной во всем рабочем диапазоне, то одинаковым изменениям величины Dx и в начале шкалы, и в ее конце соответствуют одинаковые перемещения указателя DS. В этом случае прибор обладает шкалой с одинаковыми делениями, называемой равномерной. Если чувствительность прибора непостоянна, то на разных участках диапазона равным изменениям измеряемой величины соответствуют неравные перемещения указателя. Шкалы в этих случаях оказываются неравномерными.
Ценой деления шкалы СХ называют изменение измеряемой величины, которое вызывает перемещение указателя на одно деление. Перемещение указателя на n таких делений свидетельствует о том, что измеряемая величина изменилась на Dx = nСХ.
Отсюда следует правило определения цены деления: разность значений измеряемой величины Dx, которое соответствует ближайшим оцифрованным меткам, следует разделить на число делений n между этими метками, то есть
Например, цифры 7 и 8 на ученической линейке соответствуют расстояниям 7 см и 8 см от ее начала отсчета. Разность этих расстояний Dx = 8 см –7см = 1 см = 10 мм. Число делений между указанными метками n = 10. Следовательно,
СХ= Dx / n = 10 мм /10 = 1 мм .
Встречаются приборы с неравномерными шкалами, у которых цена делений меняется при переходе от одного участка шкалы к другому. В качестве примера на рисунке 1 приведена шкала омметра. Цена деления на участке до 0,5 Ом составляет 0,05 Ом, на участке от 0,5 Ом до 2 Ом она равна 0,1 Ом. Цену делений на остальных участках определите самостоятельно и отсчитайте показание омметра, изображенного на рис. 1.
| W |
| 0,1 |
| 0,2 |
| 0,3 |
| 0,4 |
| 0,5 |
| µ |
| Рис. 1 |
При отсчете показаний приборов следует определить цену делений прибора в том месте шкалы, где находится указатель.
При правильном отсчете луч зрения должен быть перпендикулярен плоскости шкалы. Для обеспечения этого условия электроизмерительные приборы снабжаются зеркальной шкалой. Луч зрения перпендикулярен шкале, если штрих отсчетного устройства совпадает с его изображением в зеркале.
Последовательность размещения приборов и их связь друг с другом должна быть такой, чтобы обеспечить максимальную точность и удобство проведения эксперимента. При этом установка их нулевых значений на шкале или цифровом табло имеет первостепенное значение для получения точного результата. Работа на неисправных приборах не допускается! О неисправности приборов следует немедленно сообщить преподавателю или лаборанту!Перед включением приборов необходимо удостовериться в правильности их соединения и получить разрешение на их включение у преподавателя.
Наблюдения за показаниями приборов следует проводить так, чтобы шкала или табло прибора были хорошо видны
Форма записи экспериментальных результатов должна быть чёткой и компактной. Для этого используются таблицы, приведённые в методических указаниях к каждой лабораторной работе и именно в эти таблицы, скопированные студентами на бланк работы, и следует производить запись результатов с учётом единиц измерений и цены деления прибора. При этом если заранее не задаётся необходимая точность результата, то надо стараться записать результат измерения с наибольшей возможной точностью, которую даёт прибор (т.е. записывать максимально возможное число значащих цифр). Для сокращения числа нулей в полученных значениях измеряемой величины (тех нулей, которые не являются значащими цифрами), удобно для всей строки или столбца таблицы указывать десятичный множитель 10 n . Например, необходимо записать значения плотности тел (в кг/м 3 ) с точностью до двух значащих цифр. Чтобы не писать лишние нули, для всей строки (или столбца) таблицы, в которую заносятся значения плотности тел, перед единицей измерения ставится множитель 10 3 . Тогда для плотности воды в соответствующей клеточке таблицы вместо 1000 будет стоять 1,0. Отметим, однако, что не следует при измерениях, во что бы то ни стало добиваться большей точности, чем это необходимо в поставленной задаче. Например, если требуется знать длину досок, приготовленных для производства тары, то не требуется проводить измерения с точностью, скажем, до микрона. Или, если при проведении косвенных измерений, значение какой-либо из измеряемых величин ограничено некоторой точностью (выраженной в определённом числе значащих цифр), то не имеет смысла стараться измерять другие величины с много большей точностью, чем эта.
Источник
