Физика. Предмет и задачи.
2.Физические величины и их измерение. Система СИ.
3. Механика. Задачи механики.
.
5. Кинематика точки МТ. Способы описания движения МТ.
6. Перемещение. Путь.
7. Скорость. Ускорение.
8. Тангенциальное и нормальное ускорения.
9. Кинематика вращательного движения.
10. Закон инерции Галилея. Инерциальные системы отсчета.
11. Преобразования Галилея. Закон сложения скоростей Галилея. Инвариантность ускорения. Принцип относительности.
12.Сила. Масса.
13. Второй закон. Импульс. Принцип независимости действия сил.
14. Третий закон Ньютона.
15. Виды фундаментальных взаимодействий. Закон всемирного тяготения. Закон Кулона. Сила Лоренца. Силы Ван-дер-Ваальса. Силы в классической механике.
16. Система материальных точек (СМТ).
17. Импульс системы. Закон сохранения импульса в замкнутой системе.
18. Центр масс. Уравнение движения СМТ.
19. Уравнение движения тела переменной массы. Формула Циолковского.
20. Работа сил. Мощность.
21.Потенциальное поле сил. Потенциальная энергия.
22. Кинетическая энергия МТ в силовом поле.
23. Полная механическая энергия. Закон сохранения энергии в механике.
24. Момент импульса. Момент силы. Уравнение моментов.
25. Закон сохранения момента импульса.
26. Собственный момент импульса.
27. Момент инерции ТТ относительно оси. Теорема Гюгенса - Штейнера.
28. Уравнение движения ТТ, вращающегося вокруг неподвижной оси.
29. Кинетическая энергия ТТ, совершающего поступательное и вращательное движения.
30. Место колебательного движения в природе и технике.
31. Свободные гармонические колебания. Метод векторных диаграмм.
32. Гармонический осциллятор. Пружинный, физический и математический маятники.
33. Динамические и статистические закономерности в физике. Термодинамический и статистический методы.
34. Свойства жидкостей и газов. Массовые и поверхностные силы. Закон Паскаля.
35. Закон Архимеда. Плавание тел.
36. Тепловое движение. Макроскопические параметры. Модель идеального газа. Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Понятие о температуре.
37. Уравнение состояния.
38. Опытные газовые законы.
39. Основное уравнение МКТ.
40. Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.
41. Число степеней свободы. Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы.
42. Внутренняя энергия идеального газа.
43. Длина свободного пробега газа.
44. Идеальный газ в силовом поле. Барометрическая формула. Закон Больцмана.
45. Внутренняя энергия системы – функция состояния.
46. Работа и теплота как функции процесса.
47. Первое начало термодинамики.
48. Теплоемкость многоатомных газов. Уравнение Роберта-Майера.
49. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам.
50 Скорость звука в газе.
51..Обратимые и необратимые процессы. Круговые процессы.
52. Тепловые машины.
53. Цикл Карно.
54. Второе начало термодинамики.
55. Понятие об энтропии.
56. Теоремы Карно.
57. Энтропия при обратимых и необратимых процессах. Закон возрастания энтропии.
58. Энтропия как мера беспорядка в статистической системе.
59. Третье начало термодинамики.
60.Термодинамические потоки.
61. Диффузия в газах.
62. Вязкость.
63. Теплопроводность.
64.Термодиффузия.
65. Поверхностное натяжение.
66.Смачивание и несмачивание.
67. Давление под искривленной поверхностью жидкости.
68. Капиллярные явления.
Физика. Предмет и задачи.
Физика - естественная наука. В её основе лежит экспериментальное исследование явлений природы, а её задача - формулировка законов, которыми объясняются эти явления. Физика сосредоточена на изучении фундаментальных и простейших явлений и на ответах на простые вопросы: из чего состоит материя, каким образом частицы материи взаимодействуют между собой, по каким правилам и законам осуществляется движение частиц и т. д.
Предмет её изучения составляет материя (в виде вещества и полей) и наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.
Физика тесно связана с математикой: математика предоставляет аппарат, с помощью которого физические законы могут быть точно сформулированы. Физические теории почти всегда формулируются в виде математических уравнений, причём используются более сложные разделы математики, чем обычно в других науках. И наоборот, развитие многих областей математики стимулировалось потребностями физической науки.
Размерность физической величины определяется используемой системой физических величин, которая представляет собой совокупность физических величин, связанных между собой зависимостями, и в которой несколько величин выбраны в качестве основных. Единица физической величины - это такая физическая величина, которой по соглашению присвоено числовое значение, равное единице.Системой единиц физических величин называют совокупность основных и производных единиц, основанную на некоторой системе величин.В расположенных ниже таблицах приведены физические величины и их единицы, принятые в Международной системе единиц (СИ), основанной на Международной системе величин.
Физические величины и единицы их измерения. Система СИ.
| Физическая величина | Единица измерения физической величины |
||
| Механика |
|||
| Масса | m | килограмм | кг |
| Плотность | килограмм на кубический метр | кг/м 3 | |
| Удельный объем | v | кубический метр на килограмм | м 3 /кг |
| Массовый расход | Q m | килограмм в секунду | кг/с |
| Объемный расход | Q V | кубический метр в секунду | м 3 /с |
| Импульс | P | килограмм-метр в секунду | кг м/с |
| Момент импульса | L | килограмм-метр в квадрате в секунду | кг м 2 /с |
| Момент инерции | J | килограмм-метр в квадрате | кг м 2 |
| Сила, вес | F, Q | ньютон | Н |
| Момент силы | M | ньютон-метр | Н м |
| Импульс силы | I | ньютон-секунда | Н с |
| Давление, механическое напряжение | p, | паскаль | Па |
| Работа, энергия | A, E, U | джоуль | Дж |
| Мощность | N | ватт | Вт |
Международная система единиц (СИ) - система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM).
Международный словарь по метрологии
СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1960 году, некоторые последующие конференции внесли в СИ ряд изменений.
СИ определяет семь основных единиц физических величин и производные единицы (сокращённо - единицы СИ или единицы), а также набор приставок. СИ также устанавливает стандартные сокращённые обозначения единиц и правила записи производных единиц.
Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других.
Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные наименования, например, единице радиан.
Приставки можно использовать перед наименованиями единиц. Они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10. Например, приставка «кило» означает умножение на 1000 (километр = 1000 метров). Приставки СИ называют также десятичными приставками.
Механика. Задачи механики.
Механика – раздел физики, в котором изучаются закономерности механического движения, а также причины, вызывающие или изменяющие движение.
Основной задачей механики является описание механического движения тел, то есть установление закона (уравнения) движения тела на основе характеристик, описывают (координаты, перемещение, длина пройденного пути, угол поворота, скорость, ускорение и т.п.).Иными словами, если с помощью составленного закона (уравнения) движения можно определить положение тела в любой момент времени, то основная задача механики считается решенной. В зависимости от выбранных физических величин и методов решения основной задачи механики ее разделяют на кинематику, динамику и статику.
4.Механическое движение. Пространство и время. Системы координат. Измерение времени. Система отсчета. Векторы.
Механическим движением называют изменение положения тел в пространстве относительно других тел с течением времени. Механическое движение делят на поступательное, вращательное и колебательное.
Поступательным называется такое движение, при котором любая прямая проведенная в теле, перемещается параллельно себе. Вращательным называется движение, при котором все точки тела описывают концентрические окружности относительно некоторой точки, называемой центром вращения. Колебательным называют движение, при котором тело совершает периодически повторяющиеся движения около среднего положения, то есть колеблется.
Для описания механического движения вводится понятие системы отсчета .виды систем отсчёта могут быть различными, например, неподвижная система отсчёта, подвижная система отсчёта, инерциальная система отсчёта, неинерциальная система отсчёта. Она включает в себя тело отсчета, систему координат и часы. Тело отсчета – это тело, к которому «привязывается» система координат. система координат , которая представляет из себя точку отсчёта (начало координат). Система координат имеет 1, 2 или 3 оси в зависимости от условий движения. Положение точки на линии (1 ось), плоскости (2 оси) или в пространстве (3 оси) определяют соответственно одной, двумя или тремя координатами. Для определения положения тела в пространстве в любой момент времени также необходимо задать начало отсчёта времени. Известны разные системы координат: декартова, полярная, криволинейная и т.д. На практике используют чаще всего декартову и полярную системы координат. Декартова система координат – это (например, в двухмерном случае) два взаимно перпендикулярных луча, выходящих из одной точки, называемой началом координат, с нанесенным на них масштабом (рис.2.1а). Полярная система координат – это в двухмерном случае радиус–вектор, выходящий из начала координат и угол θ, на который поворачивается радиус-вектор (рис.2.1б). Часы необходимы для измерения времени.
Линия, которую описывает материальная точка в пространстве, называют траекторией . Для двумерного движения на плоскости (х,у) это функция у(х). Расстояние, пройденное материальной точкой вдоль траектории, называют длиной пути (рис.2.2). Вектор , соединяющий начальное положение движущейся материальной точки r(t 1) с каким – либо ее последующим положением r(t 2) называют перемещением (рис.2.2):
.
Рис. 2.2. Длина пути (выделена жирной линией); – вектор перемещения.
Каждая из координат тела зависит от времени х=х(t), у=у(t), z=z(t). Эти функции изменения координат в зависимости от времени называют кинематическим законом движения, например, длях=х(t) (рис.2.3).
Рис.2.3. Пример кинематического закона движения х=х(t).
Вектор-направленный отрезок для которого указано его начало и конец.Пространство и время-понятия обозначающие основные формы существования материи. Пространство выражает порядок сосуществование отдельных объектов. Время определяет порядок смены явлений.
Физическая величина - это это такая физическая величина, которой по соглашению присвоено числовое значение, равное единице.
В таблицах приведены основные и производные физические величины и их единицы, принятые в Международной системе единиц (СИ).
Соответствие физической величины в системе СИ
Основные величины
| Величина | Символ | Единица СИ | Описание |
| Длина | l | метр (м) | Протяжённость объекта в одном измерении. |
| Вес | m | килограмм (кг) | Величина, определяющая инерционные и гравитационные свойства тел. |
| Время | t | секунда (с) | Продолжительность события. |
| Сила электрического тока | I | ампер (А) | Протекающий в единицу времени заряд. |
| Термодинамическая температура | T | кельвин (К) | Средняя кинетическая энергия частиц объекта. |
| Сила света | кандела (кд) | Количество световой энергии, излучаемой в заданном направлении в единицу времени. | |
| Количество вещества | ν | моль (моль) | Количество частиц, отнесенное к количеству атомов в 0,012 кг 12 C |
Производные величины
| Величина | Символ | Единица СИ | Описание |
| Площадь | S | м 2 | Протяженность объекта в двух измерениях. |
| Объём | V | м 3 | Протяжённость объекта в трёх измерениях. |
| Скорость | v | м/с | Быстрота изменения координат тела. |
| Ускорение | a | м/с² | Быстрота изменения скорости объекта. |
| Импульс | p | кг·м/с | Произведение массы и скорости тела. |
| Сила | кг·м/с 2 (ньютон, Н) | Действующая на объект внешняя причина ускорения. | |
| Механическая работа | A | кг·м 2 /с 2 (джоуль, Дж) | Скалярное произведение силы и перемещения. |
| Энергия | E | кг·м 2 /с 2 (джоуль, Дж) | Способность тела или системы совершать работу. |
| Мощность | P | кг·м 2 /с 3 (ватт, Вт) | Скорость изменения энергии. |
| Давление | p | кг/(м·с 2) (паскаль, Па) | Сила, приходящаяся на единицу площади. |
| Плотность | ρ | кг/м 3 | Масса на единицу объёма. |
| Поверхностная плотность | ρ A | кг/м 2 | Масса на единицу площади. |
| Линейная плотность | ρ l | кг/м | Масса на единицу длины. |
| Количество теплоты | Q | кг·м 2 /с 2 (джоуль, Дж) | Энергия, передаваемая от одного тела к другому немеханическим путём |
| Электрический заряд | q | А·с (кулон, Кл) | |
| Напряжение | U | м 2 ·кг/(с 3 ·А) (вольт, В) | Изменение потенциальной энергии, приходящееся на единицу заряда. |
| Электрическое сопротивление | R | м 2 ·кг/(с 3 ·А 2) (ом, Ом) | сопротивление объекта прохождению электрического тока |
| Магнитный поток | Φ | кг/(с 2 ·А) (вебер, Вб) | Величина, учитывающая интенсивность магнитного поля и занимаемую им область. |
| Частота | ν | с −1 (герц, Гц) | Число повторений события за единицу времени. |
| Угол | α | радиан (рад) | Величина изменения направления. |
| Угловая скорость | ω | с −1 (радиан в секунду) | Скорость изменения угла. |
| Угловое ускорение | ε | с −2 (радиан на секунду в квадрате) | Быстрота изменения угловой скорости |
| Момент инерции | I | кг·м 2 | Мера инертности объекта при вращении. |
| Момент импульса | L | кг·м 2 /c | Мера вращения объекта. |
| Момент силы | M | кг·м 2 /с 2 | Произведение силы на длину перпендикуляра, опущенного из точки на линию действия силы. |
| Телесный угол | Ω | стерадиан (ср) |
В принципе, можно представить себе какое угодно большое число разных систем единиц, но широкое распространение получили лишь несколько. Во всем мире для научных и технических измерений и в большинстве стран в промышленности и быту пользуются метрической системой.
Основные единицы.
В системе единиц для каждой измеряемой физической величины должна быть предусмотрена соответствующая единица измерения. Таким образом, отдельная единица измерения нужна для длины, площади, объема, скорости и т.д., и каждую такую единицу можно определить, выбрав тот или иной эталон. Но система единиц оказывается значительно более удобной, если в ней всего лишь несколько единиц выбраны в качестве основных, а остальные определяются через основные. Так, если единицей длины является метр, эталон которого хранится в Государственной метрологической службе, то единицей площади можно считать квадратный метр, единицей объема – кубический метр, единицей скорости – метр в секунду и т.д.
Удобство такой системы единиц (особенно для ученых и инженеров, которые гораздо чаще встречаются с измерениями, чем остальные люди) в том, что математические соотношения между основными и производными единицами системы оказываются более простыми. При этом единица скорости есть единица расстояния (длины) в единицу времени, единица ускорения – единица изменения скорости в единицу времени, единица силы – единица ускорения единицы массы и т.д. В математической записи это выглядит так: v = l /t , a = v /t , F = ma = ml /t 2 . Представленные формулы показывают «размерность» рассматриваемых величин, устанавливая соотношения между единицами. (Аналогичные формулы позволяют определить единицы для таких величин, как давление или сила электрического тока.) Такие соотношения носят общий характер и выполняются независимо от того, в каких единицах (метр, фут или аршин) измеряется длина и какие единицы выбраны для других величин.
В технике за основную единицу измерения механических величин обычно принимают не единицу массы, а единицу силы. Таким образом, если в системе, наиболее употребительной в физических исследованиях, металлический цилиндр принимается за эталон массы, то в технической системе он рассматривается как эталон силы, уравновешивающей действующую на него силу тяжести. Но поскольку сила тяжести неодинакова в разных точках на поверхности Земли, для точной реализации эталона необходимо указание местоположения. Исторически было принято местоположение на уровне моря на географической широте 45° . В настоящее же время такой эталон определяется как сила, необходимая для того, чтобы придать указанному цилиндру определенное ускорение. Правда, в технике измерения проводятся, как правило, не со столь высокой точностью, чтобы нужно было заботиться о вариациях силы тяжести (если речь не идет о градуировке измерительных приборов).
Немало путаницы связано с понятиями массы, силы и веса. Дело в том, что существуют единицы всех этих трех величин, носящие одинаковые названия. Масса – это инерционная характеристика тела, показывающая, насколько трудно выводится оно внешней силой из состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения. Единица силы есть сила, которая, воздействуя на единицу массы, изменяет ее скорость на единицу скорости в единицу времени.
Все тела притягиваются друг к другу. Таким образом, всякое тело вблизи Земли притягивается к ней. Иначе говоря, Земля создает действующую на тело силу тяжести. Эта сила называется его весом. Сила веса, как указывалось выше, неодинакова в разных точках на поверхности Земли и на разной высоте над уровнем моря из-за различий в гравитационном притяжении и в проявлении вращения Земли. Однако полная масса данного количества вещества неизменна; она одинакова и в межзвездном пространстве, и в любой точке на Земле.
Точные эксперименты показали, что сила тяжести, действующая на разные тела (т.е. их вес), пропорциональна их массе. Следовательно, массы можно сравнивать на весах, и массы, оказавшиеся одинаковыми в одном месте, будут одинаковы и в любом другом месте (если сравнение проводить в вакууме, чтобы исключить влияние вытесняемого воздуха). Если же некое тело взвешивать на пружинных весах, уравновешивая силу тяжести силой растянутой пружины, то результаты измерения веса будут зависеть от места, где проводятся измерения. Поэтому пружинные весы нужно корректировать на каждом новом месте, чтобы они правильно показывали массу. Простота же самой процедуры взвешивания явилась причиной того, что сила тяжести, действующая на эталонную массу, была принята за независимую единицу измерения в технике. ТЕПЛОТА.
Метрическая система единиц.
Метрическая система – это общее название международной десятичной системы единиц, основными единицами которой являются метр и килограмм. При некоторых различиях в деталях элементы системы одинаковы во всем мире.
История.
Метрическая система выросла из постановлений, принятых Национальным собранием Франции в 1791 и 1795 по определению метра как одной десятимиллионной доли участка земного меридиана от Северного полюса до экватора.
Декретом, изданным 4 июля 1837, метрическая система была объявлена обязательной к применению во всех коммерческих сделках во Франции. Она постепенно вытеснила местные и национальные системы в других странах Европы и была законодательно признана как допустимая в Великобритании и США. Соглашением, подписанным 20 мая 1875 семнадцатью странами, была создана международная организация, призванная сохранять и совершенствовать метрическую систему.
Ясно, что, определяя метр как десятимиллионную долю четверти земного меридиана, создатели метрической системы стремились добиться инвариантности и точной воспроизводимости системы. За единицу массы они взяли грамм, определив его как массу одной миллионной кубического метра воды при ее максимальной плотности. Поскольку было бы не очень удобно проводить геодезические измерения четверти земного меридиана при каждой продаже метра ткани или уравновешивать корзинку картофеля на рынке соответствующим количеством воды, были созданы металлические эталоны, с предельной точностью воспроизводящие указанные идеальные определения.
Вскоре выяснилось, что металлические эталоны длины можно сравнивать друг с другом, внося гораздо меньшую погрешность, чем при сравнении любого такого эталона с четвертью земного меридиана. Кроме того, стало ясно, что и точность сравнения металлических эталонов массы друг с другом гораздо выше точности сравнения любого подобного эталона с массой соответствующего объема воды.
В связи с этим Международная комиссия по метру в 1872 постановила принять за эталон длины «архивный» метр, хранящийся в Париже, «такой, каков он есть». Точно так же члены Комиссии приняли за эталон массы архивный платино-иридиевый килограмм, «учитывая, что простое соотношение, установленное создателями метрической системы, между единицей веса и единицей объема представляется существующим килограммом с точностью, достаточной для обычных применений в промышленности и торговле, а точные науки нуждаются не в простом численном соотношении подобного рода, а в предельно совершенном определении этого соотношения». В 1875 многие страны мира подписали соглашение о метре, и этим соглашением была установлена процедура координации метрологических эталонов для мирового научного сообщества через Международное бюро мер и весов и Генеральную конференцию по мерам и весам.
Новая международная организация незамедлительно занялась разработкой международных эталонов длины и массы и передачей их копий всем странам-участницам.
Эталоны длины и массы, международные прототипы.
Международные прототипы эталонов длины и массы – метра и килограмма – были переданы на хранение Международному бюро мер и весов, расположенному в Севре – пригороде Парижа. Эталон метра представлял собой линейку из сплава платины с 10% иридия, поперечному сечению которой для повышения изгибной жесткости при минимальном объеме металла была придана особая X-образная форма. В канавке такой линейки была продольная плоская поверхность, и метр определялся как расстояние между центрами двух штрихов, нанесенных поперек линейки на ее концах, при температуре эталона, равной 0° С. За международный прототип килограмма была принята масса цилиндра, сделанного из того же платино-иридиевого сплава, что и эталон метра, высотой и диаметром около 3,9 см. Вес этой эталонной массы, равной 1 кг на уровне моря на географической широте 45° , иногда называют килограмм-силой. Таким образом, ее можно использовать либо как эталон массы для абсолютной системы единиц, либо как эталон силы для технической системы единиц, в которой одной из основных единиц является единица силы.
Международные прототипы были выбраны из значительной партии одинаковых эталонов, изготовленных одновременно. Другие эталоны этой партии были переданы всем странам-участницам в качестве национальных прототипов (государственных первичных эталонов), которые периодически возвращаются в Международное бюро для сравнения с международными эталонами. Сравнения, проводившиеся в разное время с тех пор, показывают, что они не обнаруживают отклонений (от международных эталонов), выходящих за пределы точности измерений.
Международная система СИ.
Метрическая система была весьма благосклонно встречена учеными 19 в. частично потому, что она предлагалась в качестве международной системы единиц, частично же по той причине, что ее единицы теоретически предполагались независимо воспроизводимыми, а также благодаря ее простоте. Ученые начали выводить новые единицы для разных физических величин, с которыми они имели дело, основываясь при этом на элементарных законах физики и связывая эти единицы с единицами длины и массы метрической системы. Последняя все больше завоевывала различные европейские страны, в которых ранее имело хождение множество не связанных друг с другом единиц для разных величин.
Хотя во всех странах, принявших метрическую систему единиц, эталоны метрических единиц были почти одинаковы, возникли различные расхождения в производных единицах между разными странами и разными дисциплинами. В области электричества и магнетизма появились две отдельные системы производных единиц: электростатическая, основанная на силе, с которой действуют друг на друга два электрических заряда, и электромагнитная, основанная на силе взаимодействия двух гипотетических магнитных полюсов.
Положение еще более усложнилось с появлением системы т.н. практических электрических единиц, введенной в середине 19 в. Британской ассоциацией содействия развитию науки для удовлетворения запросов быстро развивающейся техники проводной телеграфной связи. Такие практические единицы не совпадают с единицами обеих названных выше систем, но от единиц электромагнитной системы отличаются лишь множителями, равными целым степеням десяти.
Таким образом, для столь обычных электрических величин, как напряжение, ток и сопротивление, существовало несколько вариантов принятых единиц измерения, и каждому научному работнику, инженеру, преподавателю приходилось самому решать, каким из этих вариантов ему лучше пользоваться. В связи с развитием электротехники во второй половине 19 и первой половине 20 вв. находили все более широкое применение практические единицы, которые стали в конце концов доминировать в этой области.
Для устранения такой путаницы в начале 20 в. было выдвинуто предложение объединить практические электрические единицы с соответствующими механическими, основанными на метрических единицах длины и массы, и построить некую согласованную (когерентную) систему. В 1960 XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла единую Международную систему единиц (СИ), дала определение основных единиц этой системы и предписала употребление некоторых производных единиц, «не предрешая вопроса о других, которые могут быть добавлены в будущем». Тем самым впервые в истории международным соглашением была принята международная когерентная система единиц. В настоящее время она принята в качестве законной системы единиц измерения большинством стран мира.
Международная система единиц (СИ) представляет собой согласованную систему, в которой для любой физической величины, такой, как длина, время или сила, предусматривается одна и только одна единица измерения. Некоторым из единиц даны особые названия, примером может служить единица давления паскаль, тогда как названия других образуются из названий тех единиц, от которых они произведены, например единица скорости – метр в секунду. Основные единицы вместе с двумя дополнительными геометрического характера представлены в табл. 1. Производные единицы, для которых приняты особые названия, даны в табл. 2. Из всех производных механических единиц наиболее важное значение имеют единица силы ньютон, единица энергии джоуль и единица мощности ватт. Ньютон определяется как сила, которая придает массе в один килограмм ускорение, равное одному метру за секунду в квадрате. Джоуль равен работе, которая совершается, когда точка приложения силы, равной одному ньютону, перемещается на расстояние один метр в направлении действия силы. Ватт – это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду. Об электрических и других производных единицах будет сказано ниже. Официальные определения основных и дополнительных единиц таковы.
Метр – это длина пути, проходимого в вакууме светом за 1/299 792 458 долю секунды. Это определение было принято в октябре 1983.
Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.
Секунда – продолжительность 9 192 631 770 периодов колебаний излучения, соответствующего переходам между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.
Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Моль равен количеству вещества, в составе которого содержится столько же структурных элементов, сколько атомов в изотопе углерода-12 массой 0,012 кг.
Радиан – плоский угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
Для образования десятичных кратных и дольных единиц предписывается ряд приставок и множителей, указываемых в табл. 3.
|
Таблица 3. ПРИСТАВКИ И МНОЖИТЕЛИ ДЕСЯТИЧНЫХ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ МЕЖДУНАРОДНОЙ СИСТЕМЫ СИ |
|||||
| экса | деци | ||||
| пета | санти | ||||
| тера | милли | ||||
| гига | микро |
мк |
|||
| мега | нано | ||||
| кило | пико | ||||
| гекто | фемто | ||||
| дека |
да |
атто | |||
Таким образом, километр (км) – это 1000 м, а миллиметр – 0,001 м. (Эти приставки применимы ко всем единицам, как, например, в киловаттах, миллиамперах и т.д.)
Первоначально предполагалось, что одной из основных единиц должен быть грамм, и это отразилось в названиях единиц массы, но в настоящее время основной единицей является килограмм. Вместо названия мегаграмм употребляется слово «тонна». В физических дисциплинах, например для измерения длины волны видимого или инфракрасного света, часто применяется миллионная доля метра (микрометр). В спектроскопии длины волн часто выражают в ангстремах (Å); ангстрем равен одной десятой нанометра, т.е. 10 - 10 м. Для излучений с меньшей длиной волны, например рентгеновского, в научных публикациях допускается пользоваться пикометром и икс-единицей (1 икс-ед. = 10 –13 м). Объем, равный 1000 кубических сантиметров (одному кубическому дециметру), называется литром (л).
Масса, длина и время.
Все основные единицы системы СИ, кроме килограмма, в настоящее время определяются через физические константы или явления, которые считаются неизменными и с высокой точностью воспроизводимыми. Что же касается килограмма, то еще не найден способ его реализации с той степенью воспроизводимости, которая достигается в процедурах сравнения различных эталонов массы с международным прототипом килограмма. Такое сравнение можно проводить путем взвешивания на пружинных весах, погрешность которых не превышает 1Ч 10 –8 . Эталоны кратных и дольных единиц для килограмма устанавливаются комбинированным взвешиванием на весах.
Поскольку метр определяется через скорость света, его можно воспроизводить независимо в любой хорошо оборудованной лаборатории. Так, интерференционным методом штриховые и концевые меры длины, которыми пользуются в мастерских и лабораториях, можно проверять, проводя сравнение непосредственно с длиной волны света. Погрешность при таких методах в оптимальных условиях не превышает одной миллиардной (1Ч 10 –9). С развитием лазерной техники подобные измерения весьма упростились, и их диапазон существенно расширился.
Точно так же секунда в соответствии с ее современным определением может быть независимо реализована в компетентной лаборатории на установке с атомным пучком. Атомы пучка возбуждаются высокочастотным генератором, настроенным на атомную частоту, и электронная схема измеряет время, считая периоды колебаний в цепи генератора. Такие измерения можно проводить с точностью порядка 1Ч 10 –12 – гораздо более высокой, чем это было возможно при прежних определениях секунды, основанных на вращении Земли и ее обращении вокруг Солнца. Время и его обратная величина – частота – уникальны в том отношении, что их эталоны можно передавать по радио. Благодаря этому всякий, у кого имеется соответствующее радиоприемное оборудование, может принимать сигналы точного времени и эталонной частоты, почти не отличающиеся по точности от передаваемых в эфир.
Механика.
Температура и теплота.
Механические единицы не позволяют решать все научные и технические задачи без привлечения каких-либо других соотношений. Хотя работа, совершаемая при перемещении массы против действия силы, и кинетическая энергия некой массы по своему характеру эквивалентны тепловой энергии вещества, удобнее рассматривать температуру и теплоту как отдельные величины, не зависящие от механических.
Термодинамическая шкала температуры.
Единица термодинамической температуры Кельвина (К), называемая кельвином, определяется тройной точкой воды, т.е. температурой, при которой вода находится в равновесии со льдом и паром. Эта температура принята равной 273,16 К, чем и определяется термодинамическая шкала температуры. Данная шкала, предложенная Кельвином, основана на втором начале термодинамики. Если имеются два тепловых резервуара с постоянной температурой и обратимая тепловая машина, передающая тепло от одного из них другому в соответствии с циклом Карно, то отношение термодинамических температур двух резервуаров дается равенством T 2 /T 1 = –Q 2 Q 1 , где Q 2 и Q 1 – количества теплоты, передаваемые каждому из резервуаров (знак «минус» говорит о том, что у одного из резервуаров теплота отбирается). Таким образом, если температура более теплого резервуара равна 273,16 К, а теплота, отбираемая у него, вдвое больше теплоты, передаваемой другому резервуару, то температура второго резервуара равна 136,58 К. Если же температура второго резервуара равна 0 К, то ему вообще не будет передана теплота, поскольку вся энергия газа была преобразована в механическую энергию на участке адиабатического расширения в цикле. Эта температура называется абсолютным нулем . Термодинамическая температура, используемая обычно в научных исследованиях, совпадает с температурой, входящей в уравнение состояния идеального газа PV = RT , где P – давление, V – объем и R – газовая постоянная. Уравнение показывает, что для идеального газа произведение объема на давление пропорционально температуре. Ни для одного из реальных газов этот закон точно не выполняется. Но если вносить поправки на вириальные силы, то расширение газов позволяет воспроизводить термодинамическую шкалу температуры.
Международная температурная шкала.
В соответствии с изложенным выше определением температуру можно с весьма высокой точностью (примерно до 0,003 К вблизи тройной точки) измерять методом газовой термометрии. В теплоизолированную камеру помещают платиновый термометр сопротивления и резервуар с газом. При нагревании камеры увеличивается электросопротивление термометра и повышается давление газа в резервуаре (в соответствии с уравнением состояния), а при охлаждении наблюдается обратная картина. Измеряя одновременно сопротивление и давление, можно проградуировать термометр по давлению газа, которое пропорционально температуре. Затем термометр помещают в термостат, в котором жидкая вода может поддерживаться в равновесии со своими твердой и паровой фазами. Измерив его электросопротивление при этой температуре, получают термодинамическую шкалу, поскольку температуре тройной точки приписывается значение, равное 273,16 К.
Существуют две международные температурные шкалы – Кельвина (К) и Цельсия (С). Температура по шкале Цельсия получается из температуры по шкале Кельвина вычитанием из последней 273,15 К.
Точные измерения температуры методом газовой термометрии требуют много труда и времени. Поэтому в 1968 была введена Международная практическая температурная шкала (МПТШ). Пользуясь этой шкалой, термометры разных типов можно градуировать в лаборатории. Данная шкала была установлена при помощи платинового термометра сопротивления, термопары и радиационного пирометра, используемых в температурных интервалах между некоторыми парами постоянных опорных точек (температурных реперов). МПТШ должна была с наибольшей возможной точностью соответствовать термодинамической шкале, но, как выяснилось позднее, ее отклонения весьма существенны.
Температурная шкала Фаренгейта.
Температурную шкалу Фаренгейта, которая широко применяется в сочетании с британской технической системой единиц, а также в измерениях ненаучного характера во многих странах, принято определять по двум постоянным опорным точкам – температуре таяния льда (32° F) и кипения воды (212° F) при нормальном (атмосферном) давлении. Поэтому, чтобы получить температуру по шкале Цельсия из температуры по шкале Фаренгейта, нужно вычесть из последней 32 и умножить результат на 5/9.
Единицы теплоты.
Поскольку теплота есть одна из форм энергии, ее можно измерять в джоулях, и эта метрическая единица была принята международным соглашением. Но поскольку некогда количество теплоты определяли по изменению температуры некоторого количества воды, получила широкое распространение единица, называемая калорией и равная количеству теплоты, необходимому для того, чтобы повысить температуру одного грамма воды на 1° С. В связи с тем что теплоемкость воды зависит от температуры, пришлось уточнять величину калории. Появились по крайней мере две разные калории – «термохимическая» (4,1840 Дж) и «паровая» (4,1868 Дж). «Калория», которой пользуются в диететике, на самом деле есть килокалория (1000 калорий). Калория не является единицей системы СИ, и в большинстве областей науки и техники она вышла из употребления.
Электричество и магнетизм.
Все общепринятые электрические и магнитные единицы измерения основаны на метрической системе. В согласии с современными определениями электрических и магнитных единиц все они являются производными единицами, выводимыми по определенным физическим формулам из метрических единиц длины, массы и времени. Поскольку же большинство электрических и магнитных величин не так-то просто измерять, пользуясь упомянутыми эталонами, было сочтено, что удобнее установить путем соответствующих экспериментов производные эталоны для некоторых из указанных величин, а другие измерять, пользуясь такими эталонами.
Единицы системы СИ.
Ниже дается перечень электрических и магнитных единиц системы СИ.
Ампер, единица силы электрического тока, – одна из шести основных единиц системы СИ. Ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины с ничтожно малой площадью кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2Ч 10 - 7 Н.
Вольт, единица разности потенциалов и электродвижущей силы. Вольт – электрическое напряжение на участке электрической цепи с постоянным током силой 1 А при затрачиваемой мощности 1 Вт.
Кулон, единица количества электричества (электрического заряда). Кулон – количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при постоянном токе силой 1 А за время 1 с.
Фарада, единица электрической емкости. Фарада – емкость конденсатора, на обкладках которого при заряде 1 Кл возникает электрическое напряжение 1 В.
Генри, единица индуктивности. Генри равен индуктивности контура, в котором возникает ЭДС самоиндукции в 1 В при равномерном изменении силы тока в этом контуре на 1 А за 1 с.
Вебер, единица магнитного потока. Вебер – магнитный поток, при убывании которого до нуля в сцепленном с ним контуре, имеющем сопротивление 1 Ом, протекает электрический заряд, равный 1 Кл.
Тесла, единица магнитной индукции. Тесла – магнитная индукция однородного магнитного поля, в котором магнитный поток через плоскую площадку площадью 1 м 2 , перпендикулярную линиям индукции, равен 1 Вб.
Практические эталоны.
Свет и освещенность.
Единицы силы света и освещенности нельзя определить на основе только механических единиц. Можно выразить поток энергии в световой волне в Вт/м 2 , а интенсивность световой волны – в В/м, как в случае радиоволн. Но восприятие освещенности есть психофизическое явление, в котором существенна не только интенсивность источника света, но и чувствительность человеческого глаза к спектральному распределению этой интенсивности.
Международным соглашением за единицу силы света принята кандела (ранее называвшаяся свечой), равная силе света в данном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частоты 540Ч 10 12 Гц (l = 555 нм), энергетическая сила светового излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Это примерно соответствует силе света спермацетовой свечи, которая когда-то служила эталоном.
Если сила света источника равна одной канделе во всех направлениях, то полный световой поток равен 4 p люменов. Таким образом, если этот источник находится в центре сферы радиусом 1 м, то освещенность внутренней поверхности сферы равна одному люмену на квадратный метр, т.е. одному люксу.
Рентгеновское и гамма-излучение, радиоактивность.
Рентген (Р) – это устаревшая единица экспозиционной дозы рентгеновского, гамма- и фотонного излучений, равная количеству излучения, которое с учетом вторичноэлектронного излучения образует в 0,001 293 г воздуха ионы, несущие заряд, равный одной единице заряда СГС каждого знака. В системе СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй, равный 1 Дж/кг. Эталоном поглощенной дозы излучения служит установка с ионизационными камерами, которые измеряют ионизацию, производимую излучением.
В науке и технике используются единицы измерения физических величин, образующие определенные системы. В основу совокупности единиц, устанавливаемой стандартом для обязательного применения, положены единицы Международной системы (СИ). В теоретических разделах физики широко используются единицы систем СГС: СГСЭ, СГСМ и симметричной Гауссовой системы СГС. Определенное применение находят также единицы технической системы МКГСС и некоторые внесистемные единицы.
Международная система (СИ) построена на 6 основных единицах (метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, кандела) и 2 дополнительных (радиан, стерадиан). В окончательной редакции проекта стандарта “Единицы физических величин” приведены: единицы системы СИ; единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: тонна, минута, час, градус Цельсия, градус, минута, секунда, литр, киловатт–час, оборот в секунду, оборот в минуту; единицы системы СГС и другие единицы, применяемые в теоретических разделах физики и астрономии: световой год, парсек, барн, электронвольт; единицы, временно допускаемые к применению такие, как: ангстрем, килограмм–сила, килограмм–сила–метр, килограмм–сила на квадратный сантиметр, миллиметр ртутного столба, лошадиная сила, калория, килокалория, рентген, кюри. Важнейшие из этих единиц и соотношения между ними приведены в табл.П1.
Сокращенные обозначения единиц, приведенные в таблицах, применяются только после числового значения величины или в заголовках граф таблиц. Нельзя применять сокращенные обозначения вместо полных наименований единиц в тексте без числового значения величин. При использовании как русских, так и международных обозначений единиц используется прямой шрифт; обозначения (сокращенные) единиц, названия которых даны по именам ученых (ньютон, паскаль, ватт и т.д.) следует писать с заглавной буквы (Н, Па, Вт); в обозначениях единиц точку как знак сокращения не применяют. Обозначения единиц, входящих в произведение, разделяются точками как знаками умножения; в качестве знака деления применяют обычно косую черту; если в знаменатель входит произведение единиц, то оно заключается в скобки.
Для образования кратных и дольных единиц используются десятичные приставки (см. табл. П2). Особенно рекомендуется применение приставок, представляющих собой степень числа 10 с показателем, кратным трем. Целесообразно использовать дольные и кратные единицы, образованные от единиц СИ и приводящие к числовым значениям, лежащим между 0,1 и 1000 (например: 17 000 Па следует записать как 17 кПа).
Не допускается присоединять две или более приставок к одной единице (например: 10 –9 м следует записать как 1 нм). Для образования единиц массы приставку присоединяют к основному наименованию “грамм” (например: 10 –6 кг= =10 –3 г=1 мг). Если сложное наименование исходной единицы представляет собой произведение или дробь, то приставку присоединяют к наименованию первой единицы (например кН∙м). В необходимых случаях допускается в знаменателе применять дольные единицы длины, площади и объема (например В/см).
В табл.П3 приведены основные физические и астрономические постоянные.
Таблица П1
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В СИСТЕМЕ СИ
И ИХ СООТНОШЕНИЕ С ДРУГИМИ ЕДИНИЦАМИ
| Наименование величин | Единицы измерения | Сокращенное обозначение | Размер | Коэффициент для приведения к единицам СИ | ||
| СГС | МКГСС и внесистемные единицы | |||||
| Основные единицы | ||||||
| Длина | метр | м | 1 см=10 –2 м | 1 Å=10 –10 м 1 св.год=9,46×10 15 м | ||
| Масса | килогамм | кг | 1г=10 –3 кг | |||
| Время | секунда | с | 1 ч=3600 с 1 мин=60 с | |||
| Температура | кельвин | К | 1 0 С=1 К | |||
| Сила тока | ампер | А | 1 СГСЭ I = =1/3×10 –9 А 1 СГСМ I =10 А | |||
| Сила света | кандела | кд | ||||
| Дополнительные единицы | ||||||
| Плоский угол | радиан | рад | 1 0 =p/180 рад 1¢=p/108×10 –2 рад 1²=p/648×10 –3 рад | |||
| Телесный угол | стерадиан | ср | Полный телесный угол=4p ср | |||
| Производные единицы | ||||||
| Частота | герц | Гц | с –1 | |||
Продолжение табл.П1
| Угловая скорость | радиан в секунду | рад/с | с –1 | 1 об/с=2p рад/с 1об/мин= =0,105 рад/с | |
| Объем | кубический метр | м 3 | м 3 | 1см 2 =10 –6 м 3 | 1 л=10 –3 м 3 |
| Скорость | метр в секунду | м/с | м×с –1 | 1см/с=10 –2 м/с | 1км/ч=0,278 м/с |
| Плотность | килограмм на куби-ческий метр | кг/м 3 | кг×м –3 | 1г/см 3 = =10 3 кг/м 3 | |
| Сила | ньютон | Н | кг×м×с –2 | 1 дин=10 –5 Н | 1 кг=9,81Н |
| Работа, энергия, количество тепла | джоуль | Дж (Н×м) | кг×м 2 ×с –2 | 1 эрг=10 –7 Дж | 1 кгс×м=9,81 Дж 1 эВ=1,6×10 –19 Дж 1 кВт×ч=3,6×10 6 Дж 1 кал=4,19 Дж 1 ккал=4,19×10 3 Дж |
| Мощность | ватт | Вт (Дж/с) | кг×м 2 ×с –3 | 1эрг/с=10 –7 Вт | 1л.с.=735Вт |
| Давление | паскаль | Па (Н/м 2) | кг∙м –1 ∙с –2 | 1дин/см 2 =0,1Па | 1 ат=1 кгс/см 2 = =0,981∙10 5 Па 1мм.рт.ст.=133 Па 1атм= =760 мм.рт.ст.= =1,013∙10 5 Па |
| Момент силы | ньютон–метр | Н∙м | кгм 2 ×с –2 | 1 дин×см= =10 –7 Н×м | 1 кгс×м=9,81 Н×м |
| Момент инерции | килограмм–метр в квадрате | кг×м 2 | кг×м 2 | 1 г×см 2 = =10 –7 кг×м 2 | |
| Динамическая вязкость | паскаль–секунда | Па×с | кг×м –1 ×с –1 | 1П/пуаз/= =0,1Па×с |
Продолжение табл.П1
| Кинематическая вязкость | квадратный метр на секунду | м 2 /с | м 2 ×с –1 | 1Ст/стокс/= =10 –4 м 2 /с | |
| Теплоемкость системы | джоуль на кельвин | Дж/К | кг×м 2 х х с –2 ×К –1 | 1 кал/ 0 С=4,19 Дж/К | |
| Удельная теплоемкость | джоуль на килограмм–кельвин | Дж/ (кг×К) | м 2 ×с –2 ×К –1 | 1 ккал/(кг× 0 С)= =4,19×10 3 Дж/(кг×К) | |
| Электрический заряд | кулон | Кл | А×с | 1СГСЭ q = =1/3×10 –9 Кл 1СГСМ q = =10 Кл | |
| Потенциал, электрическое напряжение | вольт | В (Вт/А) | кг×м 2 х х с –3 ×А –1 | 1СГСЭ u = =300 В 1СГСМ u = =10 –8 В | |
| Напряженность электрического поля | вольт на метр | В/м | кг×м х х с –3 ×А –1 | 1 СГСЭ Е = =3×10 4 В/м | |
| Электрическое смещение (электрическая индукция) | кулон на квадратный метр | Кл/м 2 | м –2 ×с×А | 1СГСЭ D = =1/12p х х 10 –5 Кл/м 2 | |
| Электрическое сопротивление | ом | Ом (В/А) | кг×м 2 ×с –3 х х А –2 | 1СГСЭ R = 9×10 11 Ом 1СГСМ R = 10 –9 Ом | |
| Электрическая емкость | фарад | Ф (Кл/В) | кг –1 ×м –2 х с 4 ×А 2 | 1СГСЭ С = 1 см= =1/9×10 –11 Ф |
Окончание табл.П1
| Магнитный поток | вебер | Вб (В×с) | кг×м 2 ×с –2 х х А –1 | 1СГСМ ф = =1 Мкс (максвел) = =10 –8 Вб | |
| Магнитная индукция | тесла | Тл (Вб/ м 2) | кг×с –2 ×А –1 | 1СГСМ В = =1 Гс(гаусс)= =10 –4 Тл | |
| Напряженность магнитного поля | ампер на метр | А/м | м –1 ×А | 1СГСМ Н = =1Э(эрстед)= =1/4p×10 3 А/м | |
| Магнитодвижущая сила | ампер | А | А | 1СГСМ Fm | |
| Индуктивность | генри | Гн (Вб/А) | кг×м 2 х х с –2 ×А –2 | 1СГСМ L = 1 см= =10 –9 Гн | |
| Световой поток | люмен | лм | кд | ||
| Яркость | кандела на квадратный метр | кд/м 2 | м –2 ×кд | ||
| Освещенность | люкс | лк | м –2 ×кд |
Тема: ВЕЛИЧИНЫ И ИХ ИЗМЕРЕНИЯ
Цель: Дать понятие величины, ее измерения. Познакомить с историей развития системы единиц величин. Обобщить знания о величинах, с которыми знакомятся дошкольники.
План:
Понятие величины, их свойства. Понятие измерения величины. Из истории развития системы единиц величин. Международная система единиц. Величины, с которыми знакомятся дошкольники, и их характеристики.
1. Понятие величины, их свойства
Величина – одно из основных математических понятий, возникшее в древности и подвергшееся в процессе длительного развития ряду обобщений.
Первоначальное представление о величине связано с созданием чувственной основы, формированием представлений о размерах предметов: показать и назвать длину, ширину, высоту.
Под величиной понимаются особые свойства реальных объектов или явлений окружающего мира. Величина предмета – это его относительная характеристика, подчеркивающая протяженность отдельных частей и определяющая его место среди однородных.
Величины, характеризующиеся только числовым значением, называют скалярными (длина, масса, время, объем, площадь и др.). Кроме скалярных величин в математике рассматривают еще векторные величины, которые характеризуются не только числом, но и направлением (сила, ускорение, напряженность электрического поля и др.).
Скалярные величины могут быть однородными или разнородными. Однородные величины выражают одно и то же свойство объектов некоторого множества. Разнородные величины выражают различные свойства объектов (длина и площадь)
Свойства скалярных величин:
§ любые две величины одного рода сравнимы либо они равны, либо одна из них меньше (больше) другой: 4т5ц …4т 50кг Þ 4т5ц=4т500кг Þ 4т500кг>4т50кг, т. к. 500кг>50кг, значит
4т5ц >4т 50кг;
§ величины одного рода можно складывать, в результате получится величина того же рода:
2км921м+17км387м Þ 2км921м=2921м, 17км387м=17387м Þ 17387м+2921м=20308м; значит
2км921м+17км387м=20км308м
§ величину можно умножать на действительное число, в результате получится величина того же рода:
12м24см × 9 Þ 12м24м=1224см, 1224см×9=110м16см, значит
12м24см × 9=110м16см;
4кг283г-2кг605г Þ 4кг283г=4283г, 2кг605г=2605г Þ 4283г-2605г=1678г, значит
4кг283г-2кг605г =1кг678г;
§ величины одного рода можно делить, в результате получится действительное число:
8ч25мин : 5 Þ 8ч25мин=8×60мин+25мин=480мин+25мин=505мин, 505мин : 5=101мин, 101мин=1ч41мин, значит 8ч25мин : 5=1ч41мин .
Величина является свойством предмета, воспринимаемым разными анализаторами: зрительным, тактильным и двигательным. При этом чаще всего величина воспринимается одновременно несколькими анализаторами: зрительно-двигательным, тактильно-двигательным и т. д.
Восприятие величины зависит от:
§ расстояния, с которого предмет воспринимается;
§ величины предмета, с которым он сравнивается;
§ расположения его в пространстве.
Основные свойства величины:
§ Сравнимость – определение величины возможно только на основе сравнения (непосредственно или сопоставляя с неким образом).
§ Относительность – характеристика величины относительна и зависит от выбранных для сравнения объектов один и тот же предмет может быть определен нами как больший или меньший в зависимости от того, с каким по размерам предметом он сравнивается. Например, зайчик меньше медведя, но больше мышки.
§ Изменчивость – изменчивость величин характеризуется тем, что их можно складывать, вычитать, умножать на число.
§ Измеряемость – измерение дает возможность характеризовать величину к сравнению чисел.
2. Понятие измерения величины
Потребность в измерении всякого рода величин, так же как потребность в счете предметов, возникла в практической деятельности человека на заре человеческой цивилизации. Так же как для определения численности множеств, люди сравнивали различные множества, различные однородные величины, определяя прежде всего, какая из сравниваемых величин больше, как меньше. Эти сравнения еще не были измерениями. В дальнейшем процедура сравнения величин была усовершенствована. Одна какая-нибудь величина принималась за эталон, а другие величины того же рода сравнивались с эталоном. Когда же люди овладели знаниями о числах и их свойствах, величине – эталону приписывалось число 1 и этот эталон стал называться единицей измерения . Цель измерения стала более определенной – оценить. Сколько единиц содержится в измеряемой величине. результат измерения стал выражаться числом.
Сущность измерения состоит в количественном дроблении измеряемых объектов и установлении величины данного объекта по отношению к принятой мере. Посредством операции измерения устанавливается численное отношение объекта между измеряемой величиной и заранее выбранной единицей измерения, масштабом или эталоном.
Измерение включает в себя две логические операции:
первая – это процесс разделения, который позволяет ребенку понять, что целое можно раздробить на части;
вторая – это операция замещения, состоящая в соединения отдельных частей (представленных числом мерок).
Деятельность измерения довольно сложна. Она требует определенных знаний, специфических умений, знания общепринятой системы мер, применения измерительных приборов.
В процессе формирования измерительной деятельности у дошкольников по средствам условной мерки дети должны понять, что:
§ измерение дает точную количественную характеристику величине;
§ для измерения необходимо выбирать адекватную мерку;
§ число мерок зависит от измеряемой величины (чем больше величина, тем больше ее численное значение и наоборот);
§ результат измерения зависит от выбранной мерки (чем больше мерка, тем меньше численное значение и наоборот);
§ для сравнения величин необходимо их измерять одинаковыми мерками.
3. Из истории развития системы единиц величин
Человек давно осознал необходимость измерять разные величины, причем измерять как можно точнее. Основой точных измерений являются удобные, четко определенные единицы величин и точно воспроизводимые эталоны (образцы) этих единиц. В свою очередь, точность эталонов отражает уровень развития науки, техники и промышленности страны, говорит о ее научно-техническом потенциале.
В истории развития единиц величин можно выделить несколько периодов.
Самым древним является период, когда единицы длины отождествлялись с названием частей человеческого тела. Так, в качестве единиц длины применяли ладонь (ширина четырех пальцев без большого), локоть (длина локтя), фут (длина ступни), дюйм (длина сустава большого пальца) и др. В качестве единиц площади в этот период выступали: колодец (площадь, которую можно полить из одного колодца), соха или плуг (средняя площадь, обработанная за день сохой или плугом) и др.
В XIV-XVI вв. появляются в связи с развитием торговли так называемые объективные единицы измерения величин. В Англии, например, дюйм (длина трех приставленных друг к другу ячменных зерен), фут (ширина 64 ячменных зерен, положенных бок о бок).
В качестве единиц массы были введены гран (масса зерна) и карат (масса семени одного из видов бобов).
Следующий период в развитии единиц величин - введение единиц, взаимосвязанных друг с другом. В России, например, такими были единицы длины миля, верста, сажень и аршин; 3 аршина составляли сажень, 500 саженей - версту, 7 верст - милю.
Однако связи между единицами величин были произвольными, свои меры длины, площади, массы использовали не только отдельные государства, но и отдельные области внутри одного и того же государства. Особый разнобой наблюдался во Франции, где каждый феодал имел право в пределах своих владений устанавливать свои меры. Такое разнообразие единиц величин тормозило развитие производства, мешало научному прогрессу и развитию торговых связей.
Новая система единиц, которая впоследствии явилась основой для международной системы, была создана во Франции в конце XVIII века, в эпоху Великой французской революции. В качестве основной единицы длины в этой системе принимался метр - одна сорокамиллионная часть длины земного меридиана, проходящего через Париж.
Кроме метра, были установлены еще такие единицы:
§ ар - площадь квадрата, длина стороны которого равна 10 м;
§ литр - объем и вместимость жидкостей и сыпучих тел, равный объему куба с длиной ребра 0,1 м;
§ грамм - масса чистой воды, занимающая объем куба с длиной ребра 0,01 м.
Были введены также десятичные кратные и дольные единицы, образуемые с помощью приставок: мириа (104), кило (103), гекто (102), дека (101), деци, санти, милли
Единица массы килограмм был определен как масса 1 дм3 воды при температуре 4 °С.
Так как все единицы величин оказались тесно связанными с единицей длины метром, то новая система величин получила название метрической системы мер .
В соответствии с принятыми определениями были изготовлены платиновые эталоны метра и килограмма:
§ метр представляла линейка с нанесенными на ее концах штрихами;
§ килограмм - цилиндрическая гиря.
Эти эталоны передали на хранение Национальному архиву Франции, в связи с чем они получили названия «архивный метр» и «архивный килограмм».
Создание метрической системы мер было большим научным достижением - впервые в истории появились меры, образующие стройную систему, основанные на образце, взятом из природы, и тесно связанные с десятичной системой счисления.
Но уже скоро в эту систему пришлось вносить изменения.
Оказалось, что длина меридиана была определена недостаточно точно. Более того, стало ясно, что по мере развития науки и техники значение этой величины будет уточняться. Поэтому от единицы длины, взятой из природы, пришлось отказаться. Метром стали считать расстояние между штрихами, нанесенными на концах архивного метра, а килограммом - массу эталона архивного килограмма.
В России метрическая система мер начала применяться наравне с русскими национальными мерами начиная с 1899 года, когда был принят специальный закон, проект которого был разработан выдающимся русским ученым. Специальными постановлениями Советского государства был узаконен переход на метрическую систему мер сначала РСФСР (1918 г.), а затем и полностью СССР (1925 г.).
4. Международная система единиц
Международная система единиц (СИ) - это единая универсальная практическая система единиц для всех отраслей науки, техники, народного хозяйства и преподавания. Так как потребность в такой системе единиц, являющейся единой для всего мира, была велика, то за короткое время она получила широкое международное признание и распространение во всем мире.
В этой системе семь основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела) и две дополнительные единицы (радиан и стерадиан).
Как известно, единица длины метр и единица массы килограмм входили и в метрическую систему мер. Какие изменения претерпели они, войдя в новую систему? Введено новое определение метра - он рассматривается как расстояние, которое проходит в вакууме плоская электромагнитная волна за долей секунды. Переход на это определение метра вызван ростом требований к точности измерений, а также стремлением иметь такую единицу величины, которая существует в природе и остается неизменной при любых условиях.
Определение единицы массы килограмма не изменилось, по-прежнему килограмм - это масса цилиндра из платиноиридиевого сплава, изготовленного в 1889 году. Хранится этот эталон в Международном бюро мер и весов в г. Севре (Франция).
Третьей основной единицей Международной системы является единица времени секунда. Она намного старше метра.
До 1960 года секунду определяли как 0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Наименования приставки
Обозначение приставки
Множитель
Наименования приставки
Обозначение приставки
Множитель
Например, километр - это кратная единица, 1 км = 103×1 м = 1000 м;
миллиметр - это дольная единица, 1 мм=10-3 ×1м = 0,001 м.
Вообще, для длины кратной единицей являются километр (км), а дольными - сантиметр (см), миллиметр (мм), микрометр (мкм), нанометр (нм). Для массы кратной единицей является мегаграмм (Мг), а дольными - грамм (г), миллиграмм (мг), микрограмм (мкг). Для времени кратной единицей является килосекунда (кс), а дольными - миллисекунда (мс), микросекунда (мкс), наносекунда (не).
5. Величины, с которыми знакомятся дошкольники, и их характеристики
Цель дошкольной подготовки - познакомить детей со свойствами объектов, научить дифференцировать их, выделяя те свойства, которые принято называть величинами, познакомить с самой идеей измерения посредством промежуточных мер и с принципом измерения величин.
Длина - это характеристика линейных размеров предмета. В дошкольной методике формирования элементарных математических представлений принято рассматривать «длину» и «ширину» как два разных качества предмета. Однако в школе оба линейных размера плоской фигуры чаще называют «длиной стороны», то же самое название используют при работе с объемным телом, имеющим три измерения.
Длины любых предметов можно сравнивать:
§ на глаз;
§ приложением или наложением (совмещением).
При этом всегда можно либо приблизительно, либо точно определить, «на сколько одна длина больше (меньше) другой».
Масса - это физическое свойство предмета, измеряемое с помощью взвешивания. Следует различать массу и вес предмета. С понятием вес предмета дети знакомятся в 7 классе в курсе физики, поскольку вес - это произведение массы на ускорение свободного падения. Терминологическая некорректность, которую позволяют себе взрослые в обиходе, часто путает ребенка, поскольку мы иногда, не задумываясь, говорим: «Вес предмета 4 кг». Само слово «взвешивание» подталкивает к употреблению в речи слова «вес». Однако в физике эти величины различаются: масса предмета всегда постоянна - это свойство самого предмета, а вес его меняется в случае изменения силы притяжения (ускорения свободного падения).
Для того чтобы ребенок не усваивал неправильную терминологию, которая будет путать его в дальнейшем в начальной школе, следует всегда говорить: масса предмета .
Кроме взвешивания, массу можно приблизительно определить прикидкой на руке («барическое чувство»). Масса - сложная с методической точки зрения категория для организации занятий с дошкольниками: ее нельзя сравнить на глаз, приложением или измерить промежуточной меркой. Однако «барическое чувство» есть у любого человека, и на его использовании можно построить некоторое количество полезных для ребенка заданий, подводящих его к пониманию смысла понятия массы.
Основная единица массы – килограмм. Из этой основной единицы образуются другие единицы массы: грамм, тонна и пр.
Площадь - это количественная характеристика фигуры, указывающая на ее размеры на плоскости. Площадь принято определять у плоских замкнутых фигур. Для измерения площади в качестве промежуточной мерки можно использовать любую плоскую форму, плотно укладывающуюся в данную фигуру (без зазоров). В начальной школе детей знакомят с палеткой - кусочком прозрачного пластика с нанесенной на него сеткой квадратов равной величины (обычно размером 1 см2). Накладывание палетки на плоскую фигуру дает возможность подсчитать примерное количество поместившихся в ней квадратов для определения ее площади.
В дошкольном возрасте дети сравнивают площади предметов, не называя этот термин, с помощью наложения предметов или визуально, путем сопоставления занимаемого ими места на столе, земле. Площадь - удобная с методической точки зрения величина, поскольку позволяет организацию разнообразных продуктивных упражнений по сравнению и уравниванию площадей, определению площади путем укладывания промежуточных мер и через систему заданий на равносоставленность. Например:
1) сравнение площадей фигур методом наложения:
Площадь треугольника меньше площади круга, а площадь круга больше площади треугольника;
2) сравнение площадей фигур по количеству равных квадратов (или любых других мерок);
Площади всех фигур равны, так как фигуры состоят 4 равных квадратов.
При выполнении таких заданий дети в непрямой форме знакомятся с некоторыми свойствами площади:
§ Площадь фигуры не изменяется при изменении ее положения на плоскости.
§ Часть предмета всегда меньше целого.
§ Площадь целого равна сумме площадей составляющих его частей.
Эти задания также формируют у детей понятие о площади как о числе мер, содержащихся в геометрической фигуре.
Емкость - это характеристика мер жидкости. В школе емкость рассматривают эпизодически на одном уроке в 1 классе . Знакомят детей с мерой емкости - литром для того, чтобы в дальнейшем использовать наименование этой меры при решении задач. Традиция такова, что с понятием объем в начальной школе емкость не связывают.
Время - это длительность протекания процессов. Понятие времени более сложное, чем понятие длины и массы. В обыденной жизни время - это то, что отделяет одно событие от другого. В математике и физике время рассматривают как скалярную величину, потому что промежутки времени обладают свойствами, похожими на свойства длины, площади, массы:
§ Промежутки времени можно сравнивать. Например, на один и тот же путь пешеход затратит больше времени, чем велосипедист .
§ Промежутки времени можно складывать. Так, лекция в колледже длится столько же времени, сколько два урока в школе.
§ Промежутки времени измеряют. Но процесс измерения времени отличается от измерения длины. Для измерения длины можно многократно использовать линейку, перемещая ее от точки к точке. Промежуток времени, принятый за единицу, может быть использован лишь один раз. Поэтому единицей времени должен быть регулярно повторяющийся процесс. Такой единицей в Международной системе единиц названа секунда . Наряду с секундой используются и другие единицы времени : минута, час, сутки, год, неделя, месяц, век.. Такие единицы, как год и сутки, были взяты из природы, а час, минута, секунда придуманы человеком.
Год - это время обращения Земли вокруг Солнца. Сутки - время обращения Земли вокруг своей оси. Год состоит приблизительно из 365 - сут. Но год жизни людей складывается из целого числа суток. Поэтому вместо того, чтобы к каждому году прибавлять 6 ч, прибавляют целые сутки к каждому четвертому году. Этот год состоит из 366 дней и называется високосным.
Календарь с таким чередованием лет ввел в 46 году до н. э. римский император Юлий Цезарь в целях упорядочивания существующего в то время очень запутанного календаря. Поэтому новый календарь называется юлианским. Согласно ему новый год начинается с 1 января и состоит из 12 месяцев. Сохранилась в нем и такая мера времени, как неделя, придуманная еще вавилонскими астрономами.
Время смеет как физический, так и философский смысл. Поскольку ощущение времени субъективно, трудно полагаться на чувства в его оценках и сравнении, как это можно сделать в какой-то мере с другими величинами. В связи с этим в школе практически сразу дети начинают знакомиться с приборами, измеряющими время объективно, т. е. независимо от ощущений человека.
При знакомстве с понятием «время» на первых порах намного полезнее использовать песочные часы, чем часы со стрелками или электронные, поскольку ребенок видит, как сыплется песок и может наблюдать «течение времени». Песочные часы удобно также использовать в качестве промежуточной меры при измерении времени (собственно, именно для этого они и придуманы).
Работа с величиной «время» осложнена тем, что время - это процесс, который не воспринимается сенсорикой ребенка непосредственно: в отличие от массы или длины, его нельзя потрогать или увидеть. Этот процесс воспринимается человеком опосредованно, по сравнению с длительностью других процессов. При этом привычные стереотипы сравнений: ход солнца по небу, движение стрелок в часах и т. п. - как правило, чересчур длительны, чтобы ребенок этого возраста действительно мог их прослеживать.
В связи с этим «Время» - одна из самых трудных тем как в дошкольном обучении математике, так и в начальной школе.
Первые представления о времени формируются в дошкольном возрасте: смена времен года, смена дня и ночи, дети знакомятся с последовательностью понятий: вчера, сегодня, завтра, послезавтра.
К началу школьного обучения у детей формируются представления о времени в результате практической деятельности, связанной с учетом длительности процессов: выполнение режимных моментов дня, ведение календаря погоды, знакомство с днями недели, их последовательностью, дети знакомятся с часами и ориентированием по ним в связи с посещением детского сада. Вполне возможно познакомить детей с такими единицами времени, как год, месяц, неделя, сутки, уточнить представление о часе и минуте и их длительности в сравнении с другими процессами. Инструментом измерения времени являются календарь и часы.
Скорость - это путь, пройденный телом за единицу времени.
Скорость - величина физическая, ее наименования содержат две величины - единицы длины и единицы времени: 3 км/ч, 45 м/мин, 20 см/с, 8 м/с и т. п.
Очень трудно дать ребенку наглядное представление о скорости, поскольку это отношение пути ко времени, и ни изобразить его, ни увидеть невозможно. Поэтому при знакомстве со скоростью обычно обращаются к сравнению времени передвижения объектов на равное расстояние или расстояний, пройденных ими за одинаковое время.
Именованными числами называют числа с наименованиями единиц измерения величин. При решении задач в школе с ними приходится выполнять арифметические действия. Знакомство дошкольников с именованными числами предусмотрено в программах «Школа 2000» («Раз - ступенька, два - ступенька...») и «Радуга». В программе «Школа 2000» это задания вида: «Найди и исправь ошибки: 5 см + 2 см - 4 см = 1 см, 7 кг + 1 кг - 5 кг = 4 кг». В программе «Радуга» - это задания того же вида, но под «именованиями» там подразумевается любое наименование при численных значениях, а не только наименования мер величин, например: 2 коровы + 3 собаки + + 4 лошади = 9 животных.
Математически выполнить действие с именованными числами можно следующим способом: выполнить действия с численными компонентами именованных чисел, а при записи ответа добавить наименование. Такой способ требует соблюдения правила единого наименования в компонентах действия. Этот способ является универсальным. В начальной школе этим способом пользуются и при выполнении действий с составными именованными числами. Например, для сложения 2 м 30 см + 4 м 5 см дети заменяют составные именованные числа на числа одного наименования и выполняют действие: 230 см + 405 см = 635 см = 6 м 35 см либо складывают численные компоненты одних наименований: 2 м + 4 м = 6 м, 30 см + 5 см = 35 см, 6 м + 35 см = 6 м 35 см.
Эти способы используются при выполнении арифметических действий с числами любых наименований.
Единицы некоторых величин
Единицы длины 1 км = 1 000 м 1 м = 10 дм = 100 м 1 дм = 10 см 1 см = 10 мм | Единицы массы 1 т = 1 000 кг 1 кг = 1 000 г 1 г = 1 000 мг | Старинные меры длины 1 верста = 500 саженям = 1 500 аршинам = =3500 футам = 1 066,8 м 1 сажень = 3 аршинам = 48 вершкам = 84 дюймам = 2, 1336 м 1 ярд = 91,44см 1 аршин = 16 вершка = 71,12 см 1 вершок = 4,450 см 1 дюйм = 2,540 см 1 сотка = 2,13 см |
Единицы площади 1 м2 = 100 дм2 =см2 1 га = 100 а =м2 1 а (ар) = 100м2 | Единицы объема 1 м3 = 1 000 дм3 = 1 000 000см3 1 дм3 = 1 000см3 1 bbl (баррель) = 158,987 дм3 (л) | Меры массы 1 пуд = 40 фунтам = 16,38 кг 1 фунт = 0,40951 кг 1 карат = 2×10-4 кг |
