Тема : Міжнародна система одиниць фізичних величин. За педагогічною технологією “Росток”.

Тема : Міжнародна система одиниць фізичних величин. За педагогічною технологією “Росток”.

 

Мета. Узагальнити та систематизувати знання учнями понять «фізичні величини, одиниці їх вимірювання, Міжнародну систему одиниць (СІ), ознайомити учнів з поняттям «похибка вимірювань»; розвивати

Тип уроку. Урок комбінований.

Хід уроку

І. Актуалізація опорних знань.

Фронтальне опитування.

1. Назвіть імена відомих вам учених-фізиків. У якій галузі фізики вони працювали?

2. Наведіть приклади використання знань фізики для створення предметів побуту, що оточують вас.

3. Для створення яких технічних пристроїв були використані фізичні відкриття?

4. Назвіть основні методи фізичних досліджень.

5. Наведіть приклади фізичних моделей.

6. Яка роль експерименту в пізнанні? Поясніть на прикладі.

7. Чому експеримент є критерієм правильності фізичної теорії?

8. Що означає «виміряти фізичну величину»?

 

ІІ. Вивчення нового матеріалу.

Поняття «Фізична величина»

По мірі розвитку техніки, її широкого застосування в різних країнах, людство прийшло до необхідності введення й використання легко відтворених одиниць виміру, які були б по можливості довговічними. Така система виміру довго розроблялася й була реалізована на тих незмінних взаємозв'язках, які вже існують у природі й до яких прагнули звести одиниці виміру. При цьому зіграли свою роль пізнання в атомній області, де були виявлені такі незмінні міри.

Фізична величина - кількісна характеристика певної властивості тіла чи явища.

Більше зручний такий вибір одиниць виміру, при якому довільно і незалежно друг від друга встановлюються одиниці виміру для порівняно невеликого числа величин, а всі інші одиниці виміри встановлюються на основі відомих закономірностей, існуючих між цими величинами.

Одиниці фізичних величин, які встановлюються довільно й незалежно від інших, називаються основними. Одиниці фізичних величин, залежні від основних й установлювані на основі відомих фізичних закономірностей, називаються похідними.

Сукупність основних і похідних одиниць фізичних величин становить систему одиниць виміру.

Міжнародна система одиниць

Міжнародна система одиниць (СІ - Система Інтернаціональна) була затверджена в 1960 р. на XI Генеральної конференції по мірах й вагам. Вона ґрунтується на базисні (основних) і додаткових одиницях, наведених у таблиці.

Ці базисні (основні) одиниці разом з додатковими одиницями і когерентними похідними одиницями називаються одиницями СІ. При цьому одиниці, які випливають із останніх, відповідно до правил СИ, як десяткову кратну або дробові (див. таблицю), називаються кратними або дробовими одиницями СІ.

Виключення становить у силу причин історичного характеру лише кілограм.

Одиниці СІ універсальні й застосовні у всіх областях  фізики й техніки, тому що не мають ніякого відношення до властивостей конкретного матеріалу.

 Ці одиниці можуть бути реалізовані з достатнім ступенем точності у відповідності зі своїми визначеннями або еквівалентними їм співвідношеннями.

 Система СІ абсолютна: сила або енергія будь-якої природи може бути виражена в діючим у цій системі механічних одиницях (відповідно сили або енергії).

    У випадку електродинаміки тут діє когерентна система чотирьох одиниць із електричною базисною одиницею (система МКСА - метр, кілограм, секунда, ампер).

   Система СІ прийнята в міжнародних масштабах і вводиться в всіх країнах у законодавчому порядку. У СРСР СИ була прийнята до уживанню з 1963 р.

У міру вивчення Фізики будемо знайомить із різними фізичними одиницями.

Вимірювання.

Фізика — наука експериментальна. Це означає, що фізичні закони встановлюють і перевіряють шляхом накопичення та порівняння експериментальних даних. Однак результати, одержані в ході будь-якого фізичного експерименту, завжди містять певні похибки, оскільки вимірювання практично неможливо провести з абсолютною точністю. Можливі похибки відіграють істотну роль у разі порівняння результатів експерименту з теоретичними формулами, тому необхідно навчитись обробляти результати вимірювань. У  сучасній лабораторній практиці прийнято обробляти та подавати результати вимірювань.

Вимірюванням називають визначення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою засобів вимірювання.

Основні етапи здійснення вимірювань

У ході вимірювання будь-якої фізичної величини зазвичай виконують три послідовні операції: 1) вибір, перевірка та встановлення приладів; 2) зняття показів приладів; 3) обчислення шуканої величини за результатами вимірювань, оцінювання похибки.

Точні вимірювання - справа досить громіздка, тому для вирішення проблем вимірювання існує наука - метрологія. Ця назва походить від грецьких слів: «метрон» - міра та «логос» - учення.

Метрологія - наука про вимірювання, яка включає як теоретичні, так і практичні аспекти вимірювань у всіх галузях науки і техніки.

Ми розглянемо лише ті питання теорії вимірювань, які найчастіше використовуються у шкільній практиці при виконанні лабораторних робіт, експериментальних досліджень.

Серед фізичних величин є такі, які можна виміряти безпосередньо за допомогою вимірювальних приладів, наприклад, довжина, час, маса, температура, сила струму. Вимірювання, здійснені безпосередньо, називаються прямими.

Однак частіше доводиться визначати величини, які виміряти безпосередньо неможливо (коефіцієнт тертя, питома теплоємність речовини, внутрішній опір джерела струму тощо). Для таких фізичних величин потрібно відшукати функціональну залежність від величин, вимірюваних безпосередньо. Такі вимірювання називаються непрямими.

Недосконалість вимірювальних приладів і методів вимірювання, а також людських органів чуття, вплив середовища вносять певну неточність (похибку) у процес вимірювання.

Похибки вимірювань. Абсолютна та відносна похибки вимірювання

Значення будь-якої фізичної величини, що одержується в результаті замірювання, визначається лише наближено. Під час її вимірювання тим самим приладом в однакових умовах ми будемо отримувати серію різних значень. Цей набір значень розташовується в певному числовому інтервалі (A1, A2). Розкид значень усередині такого інтервалу називають похибкою вимірювань.

Ø  Похибка вимірювання — оцінка відхилення величини вимірюваного значення величини від їі справжнього значення. Похибка вимірювання є мірою точності вимірювання.

Помилки у вимірюванні фізичних величин поділяють на два класи: випадкові похибки й систематичні похибки.

Випадкові похибки зобов’язані своїм походженням ряду причин, дія яких неоднакова в кожному досліді й може бути не врахована. Випадкова похибка — похибка, що змінюється (за величиною та за знаком) від вимірювання до вимірювання. Випадкові похибки можуть бути пов’язані:

•  з недосконалістю приладів (тертя в механічних приладах і т. п.);

•  тряскою в міських умовах;

•  з недосконалістю об’єкта вимірювання (наприклад, під час вимірювання діаметра тонкого дроту, який може мати не зовсім круглий перетин у результаті недосконалості процесу виготовлення);

•  з особливостями самої вимірюваної величини.

Припустимо, що використовуючи ту ж саму апаратуру і той самий метод вимірювання, визначили N вимірювань величини х і отримали N значення, де величина х₁ - результат першого вимірювання, х2 — другого, Х_N — N -го виміру.

Щоб проаналізувати результати, необхідно відповісти на два запитання:

•  Як знайти найбільш імовірне значення вимірюваної величини?

•  Як визначити випадкову похибку через вимірювання? Відповідь на ці запитання можна знайти в теорії ймовірностей.

Найбільш вірогідне значення вимірюваної величини дорівнює середньому арифметичному значень, отриманих у результаті вимірів: випадкова похибка — середня помилка, отримана в результаті всіх вимірювань, обчислюється за формулою:

Ø  Систематична похибка — похибка, що змінюється в часі, підпорядковуючись певному закону.

Систематичні похибки можуть бути пов’язані з помилками приладів (неправильна шкала, калібрування і т. п.),які не враховувалися експериментатором.

Щоб правильно оцінити точність експерименту, необхідно врахувати як систематичну похибку, яка є результатом роботи приладу, так і випадкову похибку, зумовлену помилками вимірювань. Цю сумарну похибку називають абсолютною похибкою вимірювання.

Відхилення наближеного значення величини від його точного значення називається абсолютною похибкою.

Сама по собі абсолютна похибка не розкриває якість вимірювання. Тому є сенс говорити про відносну похибку.

Відносна похибка характеризує якість вимірювання й дорівнює відношенню абсолютної похибки до середнього значення вимірюваної величини. Відносну похибку іноді називають точністю. Найчастіше відносну похибку визначають у відсотках.

 

Як визначають абсолютну та відносну похибки непрямих вимірювань?

Багато фізичних величин неможливо виміряти безпосередньо, їх непряме вимірювання має два етапи. Спочатку вимірюють величини х, у, z, які можна виміряти методом прямих вимірювань, а потім, використовуючи значення вимірювань х, у, z обчислюють шукану величину f. Нижче в таблиці виведено формули обчислення відносної похибки для деяких функцій. Абсолютну похибку (Δf) можна знайти, скориставшись визначенням відносної похибки (εf). Використовуючи визначення  отримуємо

Як правильно записати результат вимірювання?

Абсолютна похибка експерименту визначає точність, з якою можна проводити обчислення величини, що вимірюється. Якщо помилка округлення більша за абсолютну похибку — округлення зменшує фактично досягнуту точність вимірювання; а якщо помилка округлення менша за абсолютну похибку — останні цифри запису результату будуть недостовірними. Тому округлювати результати вимірів та обчислень треба так, щоб остання значуща цифра була в тому ж десятковому розряді, що й абсолютна похибка вимірювання величини, що знаходилася.

Правила наближених обчислень: (робота з підручником, с.17)

ІІІ. Закріплення вивченого матеріалу.

Експериментальна задача. Вимірявши довжину підручника різними приладами,  визначити абсолютну та відносну похибки.

Фронтальне опитування.

1. Які послідовні операції виконують, вимірюючи будь-яку величину?

2. Що таке прямі вимірювання? Наведіть приклади.

3. Що таке непрямі вимірювання? Наведіть приклади.

4. З якою метою необхідно оцінювати точність вимірів?

5. Наведіть приклади випадкових похибок; систематичних похибок.

6. Наведіть приклади абсолютної та відносної похибок.

7. Для чого необхідно робити оцінку абсолютної похибки?

 

Підсумок уроку

Що ми дізналися на уроці

•  Похибка вимірювання — оцінка відхилення величини виміряного значення величини від її справжнього значення. Випадкові похибки зобов’язані своїм походженням ряду причин, дія яких неоднакова в кожному досліді й не може бути врахована. Найбільш вірогідне значення вимірюваної величини дорівнює середньому арифметичному значень, отриманих у результаті вимірів.

•  Випадкова похибка — середня помилка, отримана в результаті всіх вимірювань.

• Відносна похибка характеризує якість вимірювання й дорівнює відношенню абсолютної похибки (Δх) до середнього значення вимірюваної величини.

• Абсолютна похибка — це модуль відхилення виміряного значення фізичної величини від її справжнього значення.

Домашнє завдання. Опрацювати §2, питання після параграфу.