ВВЕДЕННЯ В ФІЗИКУ
Розділ 0. Введення в фізику
§1. Фізика – наука про Природу. 8
§2. Про фізичні величини та їх вимірювання. Про одиниці
вимірюванняі системи одиниць. 13
§3. З історії міжнародної системи одиниць. 19
Розділ 0. Введення в фізику.
§1. Фізика – наука про Природу.
Слово “фізика” в перекладі з грецької означає “природа”. Фізика – наука про Природу. Більш вичерпного та більш ємного визначення для тієї сфери людської діяльності, яку прийнято називати фізикою, годі й шукати. Що ж означає слово “Природа”?
Відразу ж зауважити, що в фізиці, звичні для нас слова, часто означають не зовсім те, а іноді і зовсім не те, що ми про них думаємо у повсякденному житті. Зауважимо також, що знати фізику, на половину означає знати і розуміти ті слова, які в ній застосовуються, бачити за цими словами реальні об’єкти і події. Тому вивченню мови фізичної науки, ми будемо приділяти надзвичайно серйозну та повсякденну увагу. І почнемо це вивчення з найголовнішого та найбільш ємного слова – “Природа”.
В науці, Природа – це не тільки дерева, звірі та чисте повітря. Не тільки навколишні пейзажі і зоряне небо. Природа – це щось значно більше, аніж просто навколишній світ. Значно більше за те, що ми здатні бачити і відчувати. Це навіть більше, аніж просто Всесвіт. Природа, це і далекі, неосяжно великі галактики і неймовірно малі атоми. Це наша душа, наші думки і наші почуття. Це наше минуле, теперішнє і майбутнє. Природа, це все що існувало, існує і буде існувати взагалі.
Дати точне та вичерпне визначення терміну “Природа” практично неможливо. Адже не можливо осягнути неосяжне. Напевно найбільш вдалим та гранично вичерпним є наступне визначення. Природа – це безкінечний у своєму різноманітті та проявах Всесвіт, який представляє собою діалектичне поєднання матерії, руху, часу та простору, матеріального та духовного, минулого, теперішнього та майбутнього.
Сучасна наука виходить з того, що Природа, це єдиний цілісний організм, в якому все взаємопов’язано і взаємообумовлено. Що цей організм працює за певними правилами, які називаються законами природи. Що ці закони не можливо змінити, але їх можна пізнати, а пізнавши – застосувати на практиці. При цьому людина, будучи частиною Природи, на основі аналізу тих подій, які в ній (Природі) відбуваються, на основі аналізу спеціальних експериментів, вимірювань та досліджень, створила науку, яка називається фізикою – наукою про Природу. Іншими словами:
Фізика – це наука, яка представляє собою об’єктивне і точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді певної системи достовірних знань, які описують, пояснюють і прогнозують природні явища.
Стисле відображення загальної структури Природи, загальної структури науки про Природу та тієї ролі, яку відіграє при цьому людина, можна представити у вигляді наступної схеми
· ПРИРОДА ФІЗИКА
· наука про Природу
·
· Всесвіт Механіка
·
· Галактика Молекулярна фізика
· дивиться
· Зірка аналізує Термодинаміка
· досліджує
· Планета Електродинаміка
·
· Людина Людина Оптика
·
· Клітина Фізика атома і
· на основі атомного ядра
· Молекула аналізу та
· досліджень Теорія відносності
· Атом створює
· Квантова механіка
· Елементарні
· частинки і поля Космологія
Мал.1 Фізика – це об’єктивне і точне відображення Природи, викладене у вигляді певної системи знань.
Що ж конкретно вивчає сучасна фізика? Що є предметом її досліджень? Які задачі вона розв’язує? Гранично стисло відповідаючи на ці запитання можна сказати наступне.
Фізика вивчає загальні властивості фізичних об’єктів і фізичних явищ, закони які визначають ці властивості та ті теорії які ці властивості пояснюють. Іншими словами, предметом вивчення фізики є фізичні об’єкти і фізичні явища.
Фізичним об’єктом називають будь-який реально існуючий об’єкт, який є предметом спостережень, досліджень та експериментів. Подивіться навколо себе і ви побачите величезне різноманіття великих і малих, твердих і рідких, живих і неживих одним словом різноманітних об’єктів, кожен з яких може стати предметом ваших спостережень, а отже є фізичним об’єктом. Більше того, навіть те, що ви ніколи не бачили і напевно ніколи не побачите, як-то атоми, елементарні частинки, поля, електромагнітні хвилі, або скажімо Всесвіт у всій його цілісності – все це фізичні об’єкти, тобто конкретні предмети вивчення фізики.
Фізичним явищем називають будь-яку подію, що відбувається з фізичним об’єктом, будь-то механічне переміщення тіла, зміна його кольору, форми, температури, твердості, пружності, електропровідності, чи чогось іншого. Наприклад камінь, це певний фізичний об’єкт. А камінь падає, світиться, нагрівається, плавиться – це певні фізичні явища.
Потрібно зауважити, що поділ єдиного цілісного організму який називається Природою на те, що прийнято називати фізичними об’єктами і фізичними явищами, є досить умовним. Скажімо, блискавка – це фізичний об’єкт чи фізичне явище? З одного боку, блискавка – це певний фізичний об’єкт, який може стати предметом спостережень, досліджень та експериментів. З іншого боку, блискавка – це певне фізичне явище, яке обумовлене низкою подій пов’язаних з рухом заряджених частинок.
Загалом ви маєте знати, що будь який фізичний об’єкт представляє собою певний згусток фізичних процесів (явищ). От наприклад камінь – це фізичний об’єкт чи фізичне явище? Безумовно, фізичний об’єм – скажете ви. І будите абсолютно праві. Камінь – це фізичний об’єкт. Однак з іншого боку, камінь складається з атомів, атоми – з атомних ядер і електронів, атомні ядра – з протонів та нейтронів. І всі ці атоми, атомні ядра, протони, нейтрони та електрони, знаходяться в постійному русі і в постійних взаємодіях. Більше того, всі ці протони, нейтрони та електрони, представляють собою певні згустки рухів і взаємодій.
Говорю це для того, щоб ви постійно пам’ятали: Природа – це єдиний цілісний організм, і тому будь який класифікаційний поділ цього організму на певні класифікаційні групи є досить умовним.
Та як би там не було, а різноманіття того що вивчається в фізиці, ми будемо розділяти на дві групи: фізичні об’єкти та фізичні явища. При цьому терміни «фізичні об’єкти» і «фізичні явища» ми будемо застосовувати як в найширшому розумінні. Наголошую на цьому тому, що дуже часто фізичними називають лише ті явища, які не супроводжуються перетвореннями однієї речовини в іншу. А виходячи з цього, хімічні та біологічні явища розглядають як такі, що не пов’язані з явищами фізичними.
Такий класифікаційний підхід є безпідставним і хибним. Безпідставним та хибним по перше тому, що всі хімічні і всі біологічні явища відбуваються у повній відповідності з законами фізики і по суті є проявами певної сукупності фізичних явищ. А по друге, поділ природних явищ на фізичні, хімічні та біологічні є досить умовним.
От наприклад, електроліз – це явище фізичне чи хімічне? З одного боку, електроліз нерозривно пов’язаний з проходженням електричного струму через електроліт і тому є явищем фізичним. З іншого ж боку, це явище пов’язане з певними хімічними перетвореннями і тому є хімічним. Або скажімо, фотосинтез. З одного боку фотосинтез нерозривно пов’язаний з властивостями світла і тому є явищем фізичним. З іншого боку, фотосинтез пов’язаний з певними хімічними перетвореннями і тому є явищем хімічним. З третього ж боку, фотосинтез відбувається в клітинах ростин та ціанобактерій і тому є явищем біологічним.
Звичайно, вивчаючи фізику ми не будемо заглиблюватись в деталі хімічних та біологічних процесів. Однак це зовсім не означає, що різноманіття фізичних явищ можна і потрібно вивчати у відриві від тих явищ які прийнято називати хімічними, біологічними чи якимись іншими. Рівно як і не означає, що різноманіття фізичних об’єктів можна і потрібно обмежувати різноманіттям хімічно простих тіл неживої природи.
Якщо ж говорити про ті задачі які має вирішувати фізика як навчальний предмет, то вони полягають в тому, щоб кількісно описати та пояснити властивості всього різноманіття існуючих фізичних об’єктів, описати та пояснити все різноманіття фізичних явищ, розкрити існуючі між ними взаємозв’язки, і на основі цих знань побудувати узагальнюючу картину Природи.
Словник фізичних термінів.
Природа – це безкінечний у своєму різноманітті та проявах Всесвіт, який представляє собою діалектичне поєднання матерії, руху, часу та простору, матеріального та духовного, минулого, теперішнього та майбутнього.
Фізика – це наука про Природу, яка представляє собою об’єктивне та точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді системи достовірних знань, які описують, пояснюють і прогнозують природні явища. Фізика вивчає загальні властивості неживої Природи та закони, які визначають ці властивості. Предметом її досліджень є фізичні об’єкти і фізичні явища.
Задача фізики полягає в тому, щоб кількісно описати та пояснити властивості всього різноманіття існуючих фізичних об’єктів, описати та пояснити все різноманіття фізичних явищ, розкрити існуючі між ними взаємозв’язки, і на основі цих знань побудувати узагальнюючу картину Природи.
Фізичний об’єкт – це реально існуючий об’єкт, який є предметом наукових спостережень, досліджень та експериментів.
Фізичне явище – це та подія, що відбувається з фізичним об’єктом.
Контрольні запитанні.
1.Чому в фізиці слово Природа пишуть з великої літери?
2. Який взаємозв’язок між Природою, людиною та фізикою?
3. Як ви розумієте твердження: “фізика представляє собою об’єктивне і точне відображення Природи в свідомості людини, викладене у вигляді системи достовірних знань?”
4. Наведіть десять прикладів фізичних об’єктів.
5. Наведіть десять прикладів фізичних явищ.
6. Якими із вище названих слів позначають фізичні об’єкти, а якими фізичні явища? : м’яч, блискавка, річка, камінь, вітер, полум’я, грім, повітря, горіння, дерево, звук, атом, Сонце, електродвигун, електричний струм, пароутворення, плавлення, книга, вовк, світло, веселка.
7. Як ви думаєте, які з вище названих слів можуть позначати як фізичне явище так і фізичний об’єкт?
§2. Про фізичні величини та їх вимірювання. Про одиниці
вимірювання і системи одиниць.
Фізика – наука точна. Це означає, що в ній мало описати, або навіть пояснити те чи інше явище словами. В фізиці, кожному об’єкту і кожному явищу потрібно дати точну кількісну характеристику. Наприклад, не можна вважати, що сформулювавши висновок: “При нагріванні тіла розширяються”, – ви тим самим науково описали явище теплового розширення тіл. Адже таке описання передбачає точні відповіді на цілу низку конкретних запитань:
1) чи залежить ступінь розширення тіла від ступеню його нагрівання?;
2) чи залежить ступінь розширення тіла від способу його нагрівання?;
3) чи однаково розширюються тіла виготовлені із різних матеріалів?;
4) чи однаково розширюються тіла в різних температурних інтервалах?;
5) чи залежить ступінь розширення тіла від тривалості нагрівання?; тощо.
Відповіді на ці, та їм подібні запитання, потребують точної кількісної оцінки довжини тіла, його об’єму, ступеню нагрітості, ступеню розширення, тривалості подій, тощо. Таку оцінку дають за допомогою спеціальних числових характеристик, які називаються фізичними величинами.
Фізична величина – це кількісна характеристика того чи іншого параметру об’єкту або явища, яка має числове вираження отримане шляхом вимірювання.
Довжина, площа, об’єм, маса, вага, час, сила, густина, швидкість, прискорення, пройдений шлях, переміщення, енергія, робота, потужність, температура, сила струму, електрична напруга, електричний опір, електрична ємкість – ось лише деякі приклади фізичних величин. Характеризуючи різноманіття таких величин достатньо сказати, що лише в механіці ми будемо вивчати більше п’ятдесяти різних фізичних величин та їх різновидностей. Наприклад, ми будемо вивчати чотири різновидності довжини (координата, пройдений шлях, переміщення, абсолютна деформація), десять різновидностей сили, п’ять різновидностей енергії, тощо.
Потрібно зауважити, що фізичні величини поділяються на векторні та скалярні. Наприклад сила (F), швидкість (v) та прискорення (a) – величини векторні, тобто такі які характеризуються як числовим значенням (величиною) так і напрямком (напрямком дії, напрямком руху, тощо). Натомість час (t), маса (m), густина (ρ) та пройдений шлях (s) – величини скалярні, тобто такі, що характеризуються лише числовим значенням (величиною).
Зазвичай векторні величини позначають відповідною жирною буквою, або не жирною буквою та стрілочкою над нею. Скалярні ж величини позначають не жирною буквою без стрілочки. При цьому, в тих випадках коли мова йде лише про числове значення векторної величини, цю величину позначають відповідною не жирною буквою без стрілочки (F, v, a).
Визначаючи будь-яку фізичну величину, потрібно сказати наступне:
1.Вказати, який параметр об’єкту або явища характеризує ця величина.
2. Вказати, якою буквою вона позначається.
3. Записати визначальне рівняння величини, тобто формулу, яка відображає фізичну суть цієї величини та її зв’язок з іншими величинами.
4. Вказати одиницю вимірювання даної величини.
Наприклад :
Час – це фізична величина, яка характеризує тривалість подій (явищ, процесів, рухів, тощо) і яка дорівнює цій тривалості.
Позначається: t
Визначальне рівняння: нема, (нема тому, що час – це базова фізична величина, одиниця вимірювання якої, за домовленістю, обрана в якості основної)
Одиниця вимірювання: [t] = c, секунда
Сила – це фізична величина, яка характеризує силову дію одного тіла на інше (є мірою взаємодії фізичних об’єктів) і яка дорівнює добутку маси тіла на величину того прискорення яке воно отримує під дією даної сили.
Позначається: F
Визначальне рівняння: F = ma
Одиниця вимірювання: [F] =кг·м/с2 = H, ньютон
Густина – це фізична величина, яка характеризує кількість речовини в одиниці її об’єму, і яка дорівнює відношенню маси тіла до його об’єму.
Позначається: ρ
Визначальне рівняння: ρ = m/V
Одиниця вимірювання: [ρ] = кг/м3, кілограм на метр кубічний.
Числове значення фізичної величини визначають шляхом її вимірювання. Вимірювання – це такий процес, результатом якого є числове значення тієї фізичної величини яку вимірюють. Вимірювання бувають прямі і опосередковані (непрямі).
Вимірювання, безпосереднім результатом якого є числове значення тієї величини, яку вимірюють, називають прямим вимірюванням. Наприклад, якщо довжину тіла вимірюють лінійкою, діаметр деталі – штангенциркулем, тривалість подій – секундоміром, температуру – термометром, напругу – вольтметром, силу струму – амперметром, то це пряме вимірювання відповідної величини.
Дуже часто пряме вимірювання є неефективним, або просто неможливим, наприклад, у зв’язку з відсутністю відповідного вимірювального приладу. В такій ситуації застосовують опосередковані (непрямі) методи вимірювання. Суть цих методів полягає в тому, що фактично вимірюють не ту величину, яка нас цікавить, а іншу, з нею пов’язану величину. А потім за відповідною формулою розраховуємо значення потрібної величини. Скажімо, якщо ми хочемо виміряти площу круга, то вимірюємо його діаметр d (або радіус r), а площу визначаємо за формулою: S=πd2/4=πr2, де π=3,14. Якщо хочемо виміряти об’єм кімнати, то виміряємо її довжину (а), ширину (в) і висоту (h), а об’єм визначаємо за формулою: V = a·b·h . Якщо хочемо виміряти густину речовини, то виміряємо її масу m і об’єм V, а густину визначаємо за формулою: ρ=m/V .
Вимірювання при якому фактично вимірюється не та величина яку потрібно визначити, а інша, з нею пов’язана величина, і при якому значення потрібної фізичної величини визначається шляхом певних розрахунків, називають опосередкованим або непрямим вимірюванням.
Якщо ви думаєте, що непряме вимірювання гірше, або менш точне за пряме, то спробуйте виміряти площу круга (мал.2) прямим способом, тобто шляхом підрахунку кількості квадратних сантиметрів в цьому крузі. Порівняйте отриманий результат з результатом непрямого вимірювання, тобто того вимірювання при якому ви фактично виміряєте діаметр круга, а його площу визначите за формулою S=πd2/4. Як ви думаєте, який з цих результатів буде більш точним?
Мал.2. Як ви думаєте, який спосіб вимірювання площі круга (прямий чи непрямий) є більш точним і ефективним?
Результат вимірювання записують у вигляді числа та назви (умовного позначення) відповідної одиниці вимірювання: 5м; 24см; 8кг; 28Н; 0,5А; 25см2; 800кг/м3; 44Дж і т.д.
Одиниця вимірювання – це таке значення відповідної фізичної величини, яке за домовленістю прийнято за одиницю її вимірювання. Одиниці вимірювання поділяються на основні і похідні.
Основними називають такі одиниці вимірювання, фактична величина яких обирається за домовленістю і які за домовленістю прийнято вважати основними. Наприклад, в сучасній науці загальноприйнятою є так звана Інтернаціональна (Міжнародна) система одиниць (скорочено СІ). Ця система побудована на семи основних одиницях:
1.Одиниця довжини – метр [l]= м;
2. Одиниці маси – кілограм [m] = кг;
3. Одиниця часу – секунда [t ] = c;
4. Одиниця температури – кельвін [T]= K
5. Одиниця сили струму – ампер [ I] =A;
6. Одиниця сили світла – кандела [ ј ]= кд;
7. Одинця кількості речовини – моль [ ν ] = моль.
Фактичні величини цих семи одиниць визначались за домовленістю. Це означає, що на відповідному міжнародному форумі, після відповідної підготовки і відповідного обговорення, вчені домовились, що довжини об’єктів вони будуть вимірювати в метрах, їх маси – в кілограмах, тривалість подій – в секундах і т.д., і що фактичні величини відповідних одиниць будуть такими-то. Втім, про те як обирались основні одиниці вимірювання і чому вони дорівнюють, ми поговоримо в наступному параграфі. Наразі ж, просто констатуємо той факт, що фактична величина кожної основної одиниці вимірювання обиралась за домовленістю вчених і що вона є такою, якою є за цією домовленістю.
Основні одиниці вимірювання є тими базовими одиницями, на основі яких визначаються величини усіх інших одиниць. Ці інші одиниці називаються похідними. Одиниці вимірювання, величина яких визначається за визначальними рівняннями відповідних фізичних величин і відповідним чином виражається через основні одиниці, називаються похідними. Наприклад:
| Фізична величина | Визначальне рівняння | Одиниця вимірювання |
| Площа | S=l2 | [S]=м2 |
| Об’єм | V=l3 | [V]=м3 |
| Густина | ρ=m/V | [ρ]=кг/м3 |
| Швидкість | v=l/t | [v]=м/с |
| Сила | F=ma | [F]=кг·м/с2=Н |
| Тиск | p=F/S | [p]=Н/м2=Па |
| Робота | A=Fl | [A]=Н·м=Дж |
Похідні одиниці вимірювання можуть мати свою окрему назву, або не мати її. Наприклад, одиниця вимірювання густини окремої назви немає і називається “кілограм на метр кубічний”: ρ=m/V ; [ρ]=кг/м3. А одиниця вимірювання сили, має окрему назву – “ньютон” : F = ma ; [F] =кг·м/с2 = Н
Якщо числове значення фізичної величини занадто сильно відрізняється від її базової одинці (базової основної чи базової похідної), то допускають застосування десятично кратних одиниць. Наприклад, в СІ базовою одиницею довжини є метр. При цьому допускається застосування десятично кратних метру одиниць : кілометр(км); сантиметр (см); міліметр(мм); мікрометр (мкм) і т.д.
Для позначення десятично кратних одиниць, застосовують загально прийняті приставки, перелік яких наведено в таблиці 1.
Таблиця 1
| тера | Т | 1000 000 000 000 = 1012 | трильйон |
| гіга | Г | 1 000 000 000 = 109 | мільярд |
| мега | М | 1 000 000 = 106 | мільйон |
| кіло | К | 1 000 = 103 | тисяча |
| гекто | Г | 100 = 102 | сто |
| дека | Д | 10 = 101 | десять |
| деци | д | 0,1 = 10-1 | одна десята |
| санти | с | 0, 01= 10-2 | одна сота |
| мілі | м | 0,001= 10-3 | одна тисячна |
| мікро | мк | 0,000001 = 10-6 | одна мільйонна |
| нано | н | 0,000 000 001 = 10-9 | одна мільярдна |
| піко | п | 0,000 000 000 001=10-12 | одна трильйонна |
Крім цього, іноді допускається застосування деяких позасистемних одиниць вимірювання. Наприклад, маси атомів, молекул та елементарних частинок, часто вимірюються не в кілограмах, а в атомних одиницях маси (1а.о.м = 1,66·10-27 кг), а їх енергію, оцінюють не в джоулях, а в електрон-вольтах (1 еВ = 1,6·10-19Дж).
Словник фізичних термінів.
Фізична величина – це кількісна характеристика певного параметру фізичного об’єкту або явища, яка має числове вираження отримане шляхом вимірювання.
Визначальне рівняння фізичної величини – це формула, яка відображає фізичну суть цієї фізичної величини та її визначальний зв’язок з іншими величинами.
Одиниця вимірювання – це таке значення відповідної фізичної величини, яке за домовленістю прийнято за одиницю її вимірювання.
Вимірювання – це такий процес, результатом якого є числове значення тієї фізичної величини яку вимірюють.
Пряме вимірювання – це таке вимірювання, безпосереднім результатом якого є числове значення тієї величини яку вимірюють.
Опосередковане (непряме) вимірювання – це таке вимірювання, при якому фактично вимірюється не та величина яку потрібно визначити, а інша, з нею пов’язана величина, і при якому значення потрібної фізичної величини визначається шляхом певних розрахунків.
Основними одиницями вимірювання називають такі одиниці вимірювання, фактична величина яких обирається за домовленістю і які за домовленістю прийнято вважати основними.
Похідними одиницями вимірювання називають такі одиниці вимірювання, величина яких визначається за визначальним рівнянням відповідної фізичної величини і відповідним чином виражається через основні одиниці.
Контрольні запитання.
1.Що потрібно сказати, визначаючи ту чи іншу фізичну величини?
2. Що називають визначальним рівнянням фізичної величини?
3. Що називають вимірюванням і які вони бувають?
4. Як ви думаєте, масу Землі визначають прямим чи опосередкованим вимірюванням?
5. Чи є непрямі вимірювання “гіршими” за прямі?
6. Які бувають одиниці вимірювання і чим вони відрізняються ?
7. Вкажіть які із нижче наведених термінів позначають: а) фізичні об’єкти,
б) фізичні явища, в) фізичні величини, г) одиниці вимірювання фізичних величин: електричний струм, сила струму, амперметр, ампер, швидкість, механічний рух, спідометр, метр за секунду, плавлення, температура, термометр, градус Цельсія, камінь, густина, об’єм, маса, кілограм, горіння, двигун внутрішнього згорання, коефіцієнт корисної дії?
§3. З історії міжнародної системи одиниць.
Був час, коли в різних державах, в різних містах і навіть на різних базарах, були різні одиниці вимірювань. Наприклад, чим тільки не міряли довжину: кроками, ліктями, аршинами, саженями, дюймами, футами, ярдами, п’ядями, вершками, трубками, милями, тощо. (мал.3) При цьому, в різних містах, на різних базарах і в різних торгівців, були свої кроки, свої аршини, свої дюйми, фути, сажені, п’яді і т.д.
Не менш різноманітними були і одиниці вимірювання маси: доля, золотник, фунт, лот, пуд, берковець, слег, фунт торгівельний, фунт аптекарський, унція, драхма, скрупул, гран, карат, гривня – ось далеко неповний перелік таких одиниць.
Мал.3. Деякі одиниці вимірювання довжини минулого.
Недоліки подібного стану речей очевидні. Тому люди з прадавніх часів задумувались над тим, як узгодити, або, якщо хочете, стандартизувати різні одиниці вимірювань. Ідея створення системи взаємопов’язаний одиниць виникла ще за 3000 років до нашої ери в стародавньому Вавілоні. Суть цієї ідеї полягала в тому, що взявши за базову одиницю вимірювань, одиницю довжини, інші одиниці певним чином визначали через неї. Наприклад, одиниця площі – це квадрат, сторона якого дорівнює одиниці довжини. Одиниця об’єму – куб, ребро якого дорівнює одиниці довжини. Одиниця маси – маса води налитої в куб одиничного об’єму.
Сучасна реалізація цієї ідеї, була здійснена лише в кінці 18-го століття у Франції. В основу, запропонованої французькими вченими системи одиниць, було покладено дві базові одиниці: метр (“метр” від грецького metros –міра) і кілограм (“кілограм” від французького kilo – тисяча і grame – дрібна міра маси).
За задумом вчених, одиниця довжини (метр) мала б бути жорстко прив’язаною до розмірів Землі і, за домовленістю, дорівнювати одній сорока мільйонній частині ( 1/ 40 000000) земного меридіана. При цьому кілограм мав би дорівнювати масі одного кубічного дециметра (тобто одного літра) дистильованої води, взятої при температурі 4°С. Реалізуючи цей задум в 1799 році, після проведення відповідних вимірювань, були виготовлені еталонні зразки метра і кілограма, які отримали назву “архівний метр” та ”архівний кілограм”.
Однак подальші, більш точні вимірювання показали, що виготовлені зразки, дещо відрізняються від задуманих. Зокрема, з’ясувалось, що “архівний метр” приблизно на 0,1мм коротший за одну сорока мільйонну земного меридіана. Причина подібної неточності очевидна – з плином часу удосконалюються прилади і методи вимірювань, а отже і їх точність. А це означає, що визначивши метр як одну сорока мільйону частину земного меридіана, а кілограм – як масу 1дм води, ми неминуче приречені на те, щоб після кожного уточненого вимірювання довжини земного меридіана, відповідно змінювати “архівний метр” і “ архівний кілограм”.
Розв’язуючи цю проблему, вчені зрозуміли, що нема потреби жорстко прив’язувати базові одиниці вимірювань до тих чи інших параметрів навколишнього світу. Достатньо, щоб ці одиниці були загальноприйнятими і зручними в користуванні. Виходячи з цього в 1889 році на основі “архівного метра” і “архівного кілограма” було виготовлено 34 гранично подібних еталонних метра і 43 гранично подібних еталонних кілограма. Із цих еталонних одиниць, випадковим чином вибрали по одному зразку і затвердили їх в якості Міжнародного еталону метра і кілограма . Інші еталонні зразки були визнані точними копіями Міжнародних еталонів і шляхом жеребкування розподілені між передовими державами того часу.
Таким чином: Метр – це одиниця вимірювання довжини, яка в точності дорівнює довжині Міжнародного еталону метра. Кілограм – це одиниця вимірювання маси, яка в точності дорівнює масі Міжнародного еталону кілограма. Ці еталони виготовлені із спеціального платино-іридієвого сплаву (90% Pt+ 10% Ir) і в спеціальних умовах зберігається в Міжнародній палаті мір, яка знаходиться в місті Севрі, що неподалік Парижу.
Мал.4. Міжнародні еталони кілограма і метра.
Потрібно зауважити, що фактичну величину метра і кілограма, вчені по суті обирали керуючись міркуваннями практичної доцільності. Це означає, що якби 1: 40 000 000 частина земного меридіану виявилась значно більшою, або значно меншою за довжину людського тіла, то скоріш за все метр був би визначений по іншому. Наприклад, меридіан поділили б не на 40 000 000 частин, а на іншу їх кількість. Іншими словами, довжина в один метр і маса в один кілограм не відображає певних природних закономірностей. По суті, ці величини вибрані довільно, з урахуванням практичної доцільності та зручності.
В сучасних підручниках та енциклопедіях ви можете прочитати: “Метр – це одиниця довжини, яка дорівнює довжині 1650763,73 хвиль (у вакуумі) випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями 2Р10 і 5d5 атома Kr86.” Коментуючи дане визначення, потрібно сказати, що воно не має жодного стосунку до того, яким чином визначалась фактична величина метра. По суті, вище наведене визначення означає лише те, що керуючись ним, за необхідності, можна достатньо точно відтворити фактичну величину Міжнародного еталону метра, який сьогодні, як і 120 років тому представляє собою відстань між двома тонкими штрихами нанесеними на платино-іридієвий стержень який зберігається в Міжнародній палаті мір у Франції.
Наприклад, якби ми встановили радіозв’язок з мешканцями далекої зіркової системи, то пояснюючи їм геометричні параметри земних об’єктів, ми неминуче мусили б пояснити, що таке “метр”. Пояснюючи це, ми б сказали наступне: “Метр – це дуже просто. Візьміть атоми з порядковим номером 36 і масовим числом 86 змусьте їх випромінювати світло. Виміряйте довжину світлової хвилі, яка відповідає переходу цих атомів з енергетичного рівня 2Р10 на рівень5d5. Візьміть 1650763,73 довжин цих хвиль і ви отримаєте метр”.
Таким чином, якщо ви захочите точно відтворити довжину еталонного метра, або пояснити інопланетянам що таке метр, то маєте скористатися визначенням: Метр – одиниця довжини, яка дорівнює довжині 1 650 763,73 хвиль випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями 2Р10 і 50d атома Kr86.
Потрібно сказати, що запропонована в 1799 році метрична система вимірювань, ще не була системою одиниць в сучасному розумінні цього терміну. Адже вона дозволяла вимірювати лише дуже обмежений перелік величин: довжину, площу, об’єм, масу, густину.
Якщо ж говорити про системи одиниць сучасного зразку, то перша з таких систем була розроблена в 1832 році німецьким вченим Карлом Гаусом (1777-1853). Намагаючись максимально спростити рішення теоретичних і експериментальних задач, Гаус розробив методику побудови єдиної системи взаємопов’язаних одиниць і керуючись цією методикою створив першу сучасну систему одиниць (МГС). Основу цієї системи складали три базові одиниці:
одиниця довжини – міліметр М
одиниця маси – грам Г
одиниця часу – секунда С
При цьому решта одиниць визначалась на основі визначальних рівнянь відповідних фізичних величин.
Після того як Гаус сформулював загальні принципи побудови систем одиниць, на основі цих принципів було розроблено багато інших систем. До недавнього часу, в науково-технічній практиці застосовувалось більше десяти подібних систем одиниць, що безумовно негативно позначалось на багатьох сферах людської діяльності, в тому числі і на сфері освіти.
Ясно, що такий стан речей змушував вчених працювати над створенням єдиної, універсальної системи одиниць. Така система була розроблена, і в жовтні 1960 року затверджена в якості Міжнародної системи одиниць (СІ). Ця система побудована на семи основних одиницях :
1.Одиниця довжини – метр [l] =м
2. Одиниця маси – кілограм [m] =кг
3. Одиниця часу – секунда [t] =с
4. Одиниця температури – кельвін [Т] =К
5. Одиниця сили струму – ампер [I] = A
6. Одиниця сили світла – кандела [J]= кд
7. Одиниця кількості речовини – моль [ν] = моль
Вивчаючи механіку ми будемо оперувати лише трьома основними одиницями: метр, кілограм, секунда. Про те що таке метр і кілограм ви вже знаєте. Напевно знаєте і те, яку тривалість має секунда: секунда це 1/60 хвилини, хвилина1/60 години, година 1/24 доби, а доба, це той час, за який Земля робить один повний оберт навколо своєї осі. І це правильно. Секунда – це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює1/86400 частині усередненої земної доби ( 24·60·60 = 86400).
Але для того, щоб пояснити “інопланетянам” що таке секунда і зважаючи на те, що сьогоднішня секунда і секунда вчорашня, чесно кажучи, не зовсім однакові (*), вчені придумали наступне визначення:
Секунда – це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями (ƒ=4, m=0 і ƒ=3, m=0) основного стану не збудженого зовнішніми полями) атома цезію 133.
Зазубрювати дане визначення не потрібно. Просто ви маєте знати, що таке визначення існує, і що воно будь-якому “інопланетянину” може пояснити, що таке секунда, хвилина, година, доба, тощо. Ви ж маєте знати, що секунда, це певна (а саме 1/60·60·24) частина доби, яка приблизно дорівнює тому відносно не великому проміжку часу, за який ви в середньому темпі скажете «двадцять-два».
*) Не однакові, в тому сенсі, що швидкість обертання Землі навколо своєї осі надзвичайно повільно, але незворотньо зменшується.
Словник фізичних термінів.
Метр – це одиниця вимірювання довжини, яка в точності дорівнює довжині Міжнародного еталону метра, або довжині 1 650763, 73 хвиль випромінювання, яке відповідає переходу між енергетичними рівнями 2Р10 і 5d5 атома Kr86.
Кілограм – це одиниця випромінювання маси, яка в точності дорівнює масі Міжнародного еталону кілограма. Один кілограм приблизно дорівнює масі одного літра (1дм3) дистильованої води, взятої при температурі 15°С.
Секунда – це одиниця вимірювання часу, яка дорівнює 1/86400 частині усередненої земної доби, або 9 192 631 770 періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію 133.
Абсолютні величини метра кілограма і секунди обирались суб’єктивно і тому не відображають певних загально природних закономірностей.
Контрольні запитання.
1.Де і коли виникла ідея створення системи взаємопов’язаних одиниць вимірювань. В чому суть цієї ідеї?
2. Чому вчені відмовились від того, щоб розміри еталонного метра жорстко прив’язувати до розмірів Землі?
3. Чи являються базові одиниці вимірювань (метр, кілограм, секунда) відображенням певних загально природних закономірностей? Чому?
4. Хто і коли розробив методику побудови сучасної системи одиниць? В чому суть цієї методики?
5. Чи зрозумів би нас “інопланетянин” якби ми йому сказали, що секунда – це 1/86400 частина доби? Чому?