Урок 2. Методи наукового пізнання. Фізичні величини та їх вимірювання. Невизначеності вимірювань

1. Фізичне дослідження та його методи

Спостереження – це сприйняття природи з метою одержання первинних даних для подальшого аналізу.

Проблемні питання

• Чи завжди спостереження ведуть до правильного висновку?

• Що роблять учені, щоб спростувати або довести власні висновки?

Фізичне дослідження – це цілеспрямоване вивчення явищ і властивостей природи засобами фізики.

Методи фізичних досліджень:

1) Експериментальний метод. Експеримент – дослідження фізичного явища в умовах, які перебувають під контролем ученого.

2) Теоретичний метод. Аналіз отриманих у результаті експериментів даних, формулювання законів природи, пояснення певних явищ і властивостей на основі цих законів, передбачення й теоретичне обґрунтування нових явищ і властивостей.

Проблемні питання

• Які спостереження, теоретичні й експериментальні дослідження ви могли б провести, щоб дослідити світіння звичайної лампи розжарення?

• Кочення скляної кулі – супроводжується механічними, тепловими, електромагнітними, оптичними явищами. Чи слід ураховувати всі ці явища, визначаючи, наприклад, час кочення кулі?

На кочення скляної кулі не впливають заломлення світла в кулі, зміна температури кулі, а також незначна деформація кулі. Тому під час дослідження кочення кулі можна враховувати тільки її масу, форму та розміри (створюють фізичну модель процесу кочення кулі)

Фізична модель – це уявний ідеалізований об’єкт, що має головні риси реального і дозволяє спростити аналіз явищ.

2. Вимірювання фізичних величин

Проблемне питання

• Які кількісні характеристики ми використовуємо описуючи рух автомобіля?

(швидкість, прискорення, час руху, сила тяги, потужність)

Фізична величина – це кількісна міра певної властивості тіла, певного фізичного процесу або явища.

Проблемні питання

• Як ви вважаєте, наскільки часто люди виконують вимірювання?

• Що означає виміряти фізичну величину?

Виміряти фізичну величину – значить порівняти її з однорідною величиною, яку приймають за одиницю.

Види вимірювань:

Прямі – величину порівнюють із її одиницею (метром, секундою, кілограмом, ампером) за допомогою вимірювального приладу.

Непрямі – величину обчислюють за результатами прямих вимірювань інших величин, пов’язаних із вимірюваною величиною певною функціональною залежністю .

3. Міжнародна система одиниць СІ

У науці використовують одиниці фізичних величин, визначені Міжнародною системою одиниць СІ.

Основні одиниці СІ
Величина		Одиниця
Назва	Позначення	Назва	Позначення
Маса		кілограм	кг
Довжина		метр	м
Час		секунда	с
Сила струму		ампер	А
Кількість речовини		моль	моль
Температура		кельвін	К
Сила світла		кандела	кд

Префікси кратних і частинних одиниць
Префікс	Позначення	Множник
атто-	а	10–18
фемто-	ф	10–15
піко-	п	10–12
нано-	н	10–9
мікро-	мк	10–6
мілі-	мл	10–3
санти-	с	10–2
кіло-	к	103
мега-	М	106
гіга-	Г	109
тера-	Т	1012
пета-	п	1015
екса-	е	1018

Проблемні питання

• Що використовують для зручності запису великих і малих значень фізичних величин?

Кратні одиниці є більшими за основні одиниці в 10, 100, 1000 і більше разів.

Частинні одиниці є меншими за основні одиниці в 10, 100, 1000 і більше разів.

4. Похибки вимірювань

Проблемні питання

• Як ви вважаєте, чи можливо здійснити вимірювання абсолютно точно?

Похибка (невизначеність) вимірювання – це відхилення значення виміряної величини від її істинного значення.

Абсолютна похибка вимірювання  – це модуль різниці між виміряним  та істинним  значеннями вимірюваної величини.

Відносна похибка вимірювання  – це відношення абсолютної похибки до виміряного значення вимірюваної величини.

Похибки в ході вимірювань фізичних величин бувають випадкові та систематичні.

Випадкові похибки пов’язані з процесом вимірювання.

Проблемні питання

• Як покращити результат вимірювання?

Вимірювання проводять кілька разів і визначають середнє значення вимірюваної величини:

 – результати кожного з N вимірювань.

Випадкова абсолютна похибка:

Якщо вимірювання проводилися один раз, то випадкова похибка дорівнює половині ціни поділки шкали приладу.

Систематичні похибки (похибки приладу) пов’язані насамперед із вибором приладу.

Абсолютні похибки деяких фізичних приладів
Фізичний прилад	Ціна поділки шкали приладу	Абсолютна похибка приладу
Лінійка учнівська	1 мм	±1 мм
Стрічка вимірювальна	0,5 см	±0,5 см
Штангенциркуль	0,1 мм	±0,05 мм
Циліндр вимірювальний	1 мл	±1 мл
Секундомір	0,2 с	±1 с за 30 хв
Динамометр навчальний	0,1 Н	±0,05 Н
Термометр лабораторний	1 °С	±1 °С
Амперметр шкільний	0,1 А	±0,05 А
Вольтметр шкільний	0,2 В	±0,1 В

Якщо ви користуєтесь іншими приладами, то вважайте, що похибка приладу дорівнює половині ціни поділки шкали цього приладу.

Абсолютна похибка прямого вимірювання  враховує як систематичну похибку, зумовлену приладом , так і випадкову похибку , зумовлену процесом вимірювання:

Проблемні питання

• Як визначити абсолютну та відносну похибки непрямих вимірювань?

Непряме вимірювання має два етапи:

1) методом прямих вимірювань знаходять значення певних величин, наприклад x, у;

2) за відповідною формулою обчислюють шукану величину f.

Деякі формули для визначення відносної похибки
Вид формули (функції)	Відносна похибка

Абсолютну похибку визначають за відносною похибкою:

Якщо експеримент проводять, щоб з’ясувати, чи справджується певна рівність (наприклад, X = Y), то відносну похибку експериментальної перевірки рівності X = Y можна обчислити за формулою:

5. Результати вимірювання

Проблемні питання

• Як правильно записати результати вимірювання?

Абсолютну похибку  округлюють до однієї значущої цифри із завищенням, а результат вимірювання  – до величини розряду, який залишився в абсолютній похибці після округлення.