7 (Лекции по механике)

1.8. Измерения в физике

"Кто не имел опытов - мало знает"

(Сирах)

Объект познается через свойства, которые мы наблюдаем. В быту свойства задаются качественно. Стоит задача перевода их в количественную форму. Возьмем в качестве объекта палку. Перечислим свойства палки: длинная, тонкая, прямая, твердая, холодная, серая, приятная, удобная... Эти свойства надо перевести в количественные. Возьмем и рассмотрим свойство "длинная". Введем количественную характеристику «длина», определив ее как расстояние между крайними граничными точками палки, обозначим ее L. Длина L есть расстояние между точками А и В:

Рис.134

Надо задать длине числовое значение, если мы хотим получить количественную характеристику. Надо это сделать так, чтобы она была объективной. Для этого возьмем другое тело: твердое, прямое, с резкими границами A'B' и назовем его эталоном. Примем длину этого тела l за единичную. Сравним длину АВ с длиной A'B', составив отношение = n. Тогда L = nl, то есть получим, что длина палки L равна n единицам длины эталона. Измеряя любое тело с помощью A'B', мы получим для каждого тела его длину L_i выраженную в единицах l. Эта величина будет объективной и количественной. Количественной - поскольку имеется ее численное значение. Объективной - так как данное число есть отношение одинаковых свойств двух реальных объектов мира.

Субъективность проявляется в том, что волевым методом вводится единица меры - это не страшно; важно, чтобы длины всех объектов были измерены относительно одного эталона. Количественная характеристика объекта, полученная с помощью измерений, называется физической величиной.

Эталон должен обладать свойствами, обеспечивающими ему воспроизведение и хранение принятой единицы физической величины. Так, например, эталон метра (принятый в 1889 г.) представляет собой платиноиридиевый брусок, на который нанесены две параллельные метки. Расстояние между этими метками равно однодесятимиллионной доли расстояния от экватора до северного полюса вдоль меридиана, проходящего через Париж. Это и есть единица длины - метр. Эталон обеспечивает точность измерений длины до 10^-7 По мере возникновения новых требований к точности измерений используются другие эталоны. Например, с 1983 г. метр определяется как длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299792458 секунды. Этот эталон обеспечивает точность измерений длины 10^-10.

Итак, физическая величина задается способом измерений. Общий смысл ее - мера свойства. Смысл конкретной физической величины вытекает из интерпретации свойства, мерой которого является данная физическая величина. Интерпретация свойства должна строго соответствовать формальному определению этой величины. Измерения физических величин производят с помощью приборов. Измерительный прибор - искусственно созданный физический объект, имеющий шкалу, на которой в результате взаимодействия прибора с физическим объектом фиксируется число, являющееся результатом измерений. Это число и является значением физической величины, как свойства измеряемого объекта в конкретных условиях наблюдения.

Tехническиe приборы могут иметь разные фиксирующие устройства: ранее широко использовались шкалы, представляющие собой линейки, градуированные в единицах измеряемой длины. При этом указатель в виде стрелки или светового луча отмечал на шкале значение измеряемой величины. Современные приборы имеют цифровые индикаторы.

Итак, измерения проводят, чтобы получить численные значения физической величины. При прямых измерениях эти значения получают непосредственно, а при косвенных - вначале определяют одну или несколько исходных величин, а затем по их значениям вычисляют нужную величину.

В силу различных причин результат измерения всегда определяется приближенно. Всякое измерение устанавливает, что физическая величина имеет значение в интервале от - А до + А Значения , лежащие в середине интервала, называются измеренным значением , а величина интервала А - абсолютной погрешностью измерения или его ошибкой. Отношение абсолютной погрешности А к измеренному значению называется относительной погрешностью  значения физической величины или точностью значения. Напомним, что при измерении физической величины ее значение А сравнивают с единицей измерения [A]. Число, которое получается при измерениях, называют численным значением {A} физической величины, т.е. A = {A} [A] - любая физическая величина равна произведению численного значения и единицы измерения.

Физические величины связаны математическими зависимостями. Можно выделить несколько независимых величин, которые не сводятся одна к другой. Их называют основными физическими величинами и они могут быть выбраны произвольно.

Существуют международные соглашения, которые определяют основные физические величины. Все остальные величины называются производными. Они определяются математическими соотношениями, в которые входят основные физически величины или их комбинации.

Производные физически величины можно представить через произведение основных величин (обозначим основные величины через В_i)

A = B₁^1 B₂^2 B₃^3 ... B_n^n , где показатели степени _n это положительные или отрицательные рациональные числа. В 1960 г. было заключено соглашение о выборе основных физических величин. Они составляют основу Международной системы единиц (СИ). Основными физическими величинами и единицами измерения являются:

.В системе СИ размерность некоторой величины в общем виде выражается как

dim A = L^1 M^2 T^3 I^4 ^5 N^6 J^7.

В этом выражении все показатели степени  - целые числа. Так, размерность кинетической энергии Е_кин имеет вид

Е_кин= dim = ML² T^-2 кг м/сек²,

а коэффициент трения  имеет нулевую размерность. Физическая величина и ее размерность - это не одно и то же. Одинаковую размерность могут иметь разные по своей природе физически величины, например: работа и момент силы.. Однако она важна для проверки правильности соотношений между физическими величинами.

1.9. Физические модели

Для получения объективного количественного описания объекта надо его качественные характеристики перевести в количественные, т.е. в физические величины. Не для всех свойств можно найти способ измерений и потому число физических свойств объекта всегда меньше совокупности всех свойств, присущих данному объекту. Поэтому для объективного описания надо перевести объект в объект физический, т.е. оставить у него для рассмотрения только свойства физически и отбросить все остальные.

Заметим, что объективные эталоны (как объекты реального мира) имеются только для измерения физических свойств и потому физика является единственной фундаментальной основой других наук, которые, по сути, являются ее следствиями, работающими на более высоких этажах: химия, биология, психология, физиология...

Измерения физических величин объекта проводятся всегда в конкретных условиях наблюдения и в рамках определенных требований.

Например, требуется определить расстояние между двумя объектами. При этом требуется точность измерений  = 0,01. Пусть один объект лошадь, длина которой l = 2 м, а другой - дорожный столбик диаметром d = 5 см. Пусть лошадь находится от столбика на расстоянии более одного километра: L  1 км. Учитывая заданную точность мы получим, что погрешность измерений L = L мин = 10^-2 10³ м = 10 м. Лошадь имеет длину l= 2 м, столбик d = 5 см, т.е. d << l < L и L << L

Это значит, что длина лошади не играет роли и за точки измерения можно взять любые точки на объекте (лошади и столбика).

Если же лошадь находится от столбика на минимальном расстоянии L = 10 м, то в пределах заданной точности L = 10^-2 10 = 10^-1 м = 10 см, т.е. L << L и d < L, но l > L.

В этом случае условия наблюдения не позволяют определить L с заданной точностью. Надо вводить дополнительные требования: например, договариваться о конкретной точке на лошади или изменять .

Объективно в пределах заданной точности можно измерить расстояние между объектами, если выполняется условие l << L. Это значит, что у всех объектов, удовлетворяющих этому условию, можно не учитывать форму, размеры..., т.е. заменить реальные тела (лошадь, столбик и любое другое) такими реальными телами, для которых форма и размеры при данных условиях не имеют никакого значения. То есть имеется лошадь, но мы считаем ее телом, форма и размеры которого не играют роли, а потому мы можем взять произвольную точку на теле лошади и вести относительно нее измерения.

Такое тело называется материальной точкой и является упрощением конкретного тела, т.е. физической моделью. Физические модели могут отличаться от объектов размерами, типом материала и другими характеристиками.

Физическая модель объекта - реальное тело (или система тел), в котором некоторые свойства берутся с упрощениями.

Использование физических моделей позволяет результаты измерений, полученные для данной модели, использовать для описания поведения любых объектов, описываемых этой моделью и делать обобщения, т.е. получать феноменологически законы: функциональную связь физических характеристик объекта (или процесса), имеющую место в жестко определенных условиях.

Вспомним задачу физики: объективное описание объектов материального мира. Как описывать свойства объектов материального мира мы рассмотрели: посредством измерения физических свойств объектов. Однако между физическими свойствами объекта и физическими свойствами различных объектов существуют устойчивые функциональные связи.

Описание материального мира требует и нахождения этих связей. Именно посредством этих связей и описывается совокупность закономерно связанных между собой изменений, происходящих с объектами с течением времени, т.е. описывается то, что мы называем физическим явлением (или процессом). Возникает вопрос - а почему существуют функциональные связи между свойствами объектов и объектами - опять же в силу исторического развития - так утверждает христианский принцип математического построения мира.

Для нахождения связей физических величин (т.е. для описания физического явления) измеряются физически величины, строятся графики зависимостей этих величин друг от друга и выявляется функциональная связь.

Например, будем кидать с башни камни, для которых выполнено условие представления их моделями материальных точек и для каждого камня будем измерять расстояние L, проходимое им за время t (при этом будем изменять и время). Получим набор расстояний L_i и соответствующий набор времен t_i Построим график L = f(t) - расстояния как функции времени. График описывается функциональной завсимостью
L = kt², где , a g = 9,8 м/сек для всех камней.

Рис.135

Это и есть феноменологический закон - связь физических величин явления, имеющая место в жестких определенных условиях. Среди этих условий: нет учета связи с окружающей средой, значение g считается одинаковым для всех точек земной поверхности и н зависит от высоты башни и т.д. Используя измерительные процессы, можно получить много феноменологических законов и использовать их для решения многих практических проблем.

1.10. Физические модели тел в механике.

1. Материальная точка - тело, размерами которого в условиях конкретной задачи можно пренебречь. Математической моделью материальной точки является геометрическая точка. Положение материальной точки в пространстве определяется положением отображающей ее геометрической точки.