Что такое измерение в физике: Измерение (физика) – это… Что такое Измерение (физика)?

Содержание

Измерения в физике

Физика является экспериментальной наукой. Ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Однако, только экспериментальных методов физических исследований недостаточно, чтобы получить полное представление об изучаемых физикой явлениях.

Современная физика широко использует теоретические методы физических исследований, которые предусматривают анализ данных, полученных в результате экспериментов, формулировку законов природы, объяснение конкретных явлений на основе этих законов, а главное – предсказания и теоретическое обоснование (с широким использованием математических методов) новых явлений.

Теоретические исследования проводятся не с конкретным физическим телом, а с его идеализированным аналогом – физической моделью, которая имеет небольшое количество основных свойств исследуемого тела. Например, в ходе изучения некоторых видов механического движения используют модель физического тела – материальную точку.

Эта модель применяется, если размеры тела не являются существенными для теоретического описания его движения, то есть в модели «материальная точка» учитывают только массу тела, а форму тела и его размеры во внимание не берут.

Как измерить физическую величину

Определение 1

Физическая величина – это характеристика, которая является общей для многих материальных объектов или явлений в качественном отношении, но может приобретать индивидуальное значение для каждого из них.

Измерение физических величин называют последовательность экспериментальных операций для нахождения физической величины, характеризующей объект или явление. Измерить – значит сравнить измеряемую величину с другой, однородной с ней величиной, принятой за эталон.

Завершается измерения определением степени приближения найденного значение к истинному или к истинно среднему. Истинным средним характеризуются величины, которые носят статистический характер, например, средний рост человека, средняя энергия молекул газа и тому подобное. Такие параметры, как масса тела или его объем, характеризуются истинным значением. В этом случае можно говорить о степени приближения найденного среднего значения физической величины к ее истинному значению.

Готовые работы на аналогичную тему

Измерения могут быть как прямыми, когда искомую величину находят непосредственно по опытным данным, так и косвенным, когда окончательный ответ на вопрос находят через известные зависимости между физической величиной. Нас интересует и величины, которые можно получить экспериментально с помощью прямых измерений.

Путь, масса, время, сила, напряжение, плотность, давление, температура, освещенность – это далеко не все примеры физических величин, с которыми многие познакомились в ходе изучения физики. Измерить физическую величину – это значит сравнить ее с однородной величиной, взятой за единицу.

Измерение бывают прямые и косвенные. В случае прямых измерений величину сравнивают с ее единицей (метр, секунда, килограмм, ампер и т.д.) с помощью измерительного прибора, проградуированный в соответствующих единицах.

Основными экспериментально измеряемыми величинами являются расстояние, время и масса. Их измеряют, например, с помощью рулетки, часов и весов (или весов) соответственно. Существуют также приборы для измерения сложных величин: для измерения скорости движения тел используют спидометры, для определение силы электрического тока – амперметры и т. д.

Основные типы погрешностей измерений

Несовершенство измерительных приборов и органов чувств человека, а часто – и природа самой измеряемой величины приводят к тому, что результат при любом измерении получают с определенной точностью, то есть эксперимент дает не истинное значение измеряемой величины, а довольно близкое.

Точность измерения определяется близостью этого результата к истинному значение измеряемой величины или к истинному среднего, количественной мерой точности измерения является погрешность. В общем указывают абсолютную погрешность измерения.

Основные типы погрешностей измерений включают в себя:

  1. Грубые ошибки (промахи), которые возникают в результате небрежности или невнимательности экспериментатора. Например, отсчет измеряемой величины случайно проведенный без необходимых приборов, неверно прочитана цифра на шкале и тому подобное. Этих погрешностей легко избежать.
  2. Случайные ошибки возникают по разным причинам, действие которых различны в каждом из опытов, они не могут быть предусмотрены заранее. Эти погрешности подчиняются статистическим закономерностям и высчитываются с помощью методов математической статистики.
  3. Систематические ошибки возникают в результате неправильного метода измерения, неисправности приборов и т.д. Один из видов систематических погрешностей – погрешности приборов, определяющих точность измерения приборов. При считывании результат измерений неизбежно округляется, учитывая цену деления и, соответственно, точность прибора. Этих видов ошибок невозможно избежать и они должны быть учтены наряду со случайными ошибками.

В предложенных методических указаниях приведены конечные формулы теории погрешностей, необходимые для математической обработки результатов измерений.

Площадь в системе СИ

Площадь, объем и скорость являются производными единицами, их размерности происходят от основных единиц измерения.

В расчетах используют также кратные единицы, в целую степень десятки превышают основную единицу измерения. К примеру: 1 км = 1000 м, 1 дм = 10 см (сантиметров), 1 м = 100 см, 1 кг = 1000 г. Или частные единицы, в целый степень десятки меньше установленной единицы измерения: 1 см = 0,01 м, 1 мм = 0,1 см.

С единицами времени несколько иначе: 1 мин. = 60 с, 1 ч. = 3600 с. Частных является лишь 1 мс (миллисекунда) = 0,001 с и 1 мкс (микросекунда) = 10-6с.

Рисунок 1. Список физических величин. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Измерения и измерительные приборы

Измерения и измерительные приборы включает в себя:

  1. Измерительные приборы – устройства, с помощью которых измеряют физические величины.
  2. Скалярные физические величины – физические величины, которые задают только числовыми значениями.
  3. Физическая величина – физическое свойство материального объекта, физического явления, процесса, который может быть охарактеризовано количественно.
  4. Векторные физические величины – физические величины, характеризующие числовым значением и направлением. Значение векторной величины называют ее модулем.
  5. Длина – расстояние от точки до точки.
  6. Площадь – величина, определяющая размер поверхности, одна из основных свойств геометрических фигур.
  7. Объем – вместимость геометрического тела, или части пространства, ограниченной замкнутыми поверхностями.
  8. Перемещение тела – направленный отрезок, проведенный из начального положения тела в его конечное положение.
  9. Масса – физическая величина, являющаяся одной из основных характеристик тела, обычно обозначается латинской буквой m.
  10. Сила притяжения – сила, с которой Земля притягивает предметы.

Измерения в физике – интернет энциклопедия для студентов

Проведение измерений в физике

Измерение физических величин

Типы погрешностей при проведении измерений

Площадь, скорость и иные производные в системе СИ

Измерительные приборы для измерения

Проведение измерений в физике

Физика – наука, основанная на постоянных экспериментальных действиях. Физические законы доказаны на основании проведенных опытов и исследований. Однако, для того чтобы иметь полное представление о всех явлениях, изучаемых физикой одних экспериментов и опытных исследований недостаточно.

Физика использует большой набор теоретических сведений и методов для проведения физических исследований, предусматривающих анализирование, полученных экспериментальных результатов и природных законов. На основе выведенных законов физики-исследователи объясняют конкретно произошедшие явления, и могут предвидеть и обосновать теоретически новые не описанные явления. В анализе широко используются математические методы.

Важно понимать своеобразность теоретических исследований, которые проводятся без использования реального физического тела или явления, а берется его идеализированный аналог – некая физическая модель по своим основным параметрам и свойствам соответствующая реальному исследуемому образцу. В качестве примера можно привести материальную точку, которую физика использует, как модель для изучения разнообразных механических движений. Подобные модели используются, если при исследовании не важны размеры и форма тела.

Измерение физических величин

Физическая величина – это параметр, являющийся общим для большого числа разнообразных объектов, явлений, выраженный в качественном виде, но при определенных обстоятельствах, приобретающий для любого из них индивидуальное значение.

Для анализа проводят ряд последовательных опытно-экспериментальных операций, позволяющих найти искомую величину. Сделать измерение – значит провести сравнение измеряемой величины с существующим зафиксированным эталоном.

После проведения ряда однотипных экспериментальных исследований измерение завершается. Полученные значения приближаются к истинному (единому) или истинному среднему (усредненному). Усредненное значение характеризует величину, которая имеет статистический или общий для многих явлений, объектов характер. Примерами могут служить: средний возраст или рост человека и другие подобные величины.

В тоже время параметры, типа массы тела или объем тела, характеризуются единым значением. Используя пример с массой тела можно говорить о некой степени приближения полученного среднего значения к единому (истинному) значению.

Измерения бывают косвенными и прямыми. Отличия их в том, что при прямых – исследуемую величину определяют по проведенным опытным данным, в то время, как при косвенных – величину определяют, изучая определенные зависимости между физическими величинами.

Наиболее интересными для практического использования являются экспериментальные исследования, проведенные прямыми измерениями.

Самые яркие примеры прямых измерений:

  • Давление и напряжение;
  • Скорость и температура;
  • Плотность и сила;
  • Путь и освещенность;
  • Время и масса.

Чтобы измерить любую из этих величин – нужно сравнить ее значение с эталонной, т.е. с однородной величиной, считаемой за единицу.

При прямых измерениях исследуемую величину, например секунду, килограмм, метр, сравнивают с ее эталонной единицей, используя для этого измерительный прибор с соответствующими проградуированными единицами.

Наиболее часто в реальной жизни измеряемые величины – это:

  • масса, измеряемая весами разного вида и назначения;
  • расстояние, измеряемое рулеткой или другими более сложными приборами;
  • время, отсчитываемое часовыми механизмами.

Для более сложных величин приборы определения имеют более сложную конструкцию: для скорости – спидометр и многие другие.

Типы погрешностей при проведении измерений

Приборы, с помощью которых проводятся измерения, не всегда точно показывают результат измерения, человеческие органы чувств тоже не идеальны. Зачастую сама измеряемая величина имеет тенденцию к показанию неточных результатов при любом виде, качестве и количестве измерений. Таким образом, экспериментальное измерение не показывает истинное значение, а только максимально близкое к нему.

В таких случаях точность проведенного измерения считается по близости данного результата к истинной величине или усредненной. При этом мера точности, выраженная в количественном виде, считается погрешностью. Обычно принято учитывать абсолютную погрешность проведенного измерения.

Погрешности могут быть нескольких типов и включать в себя:

  • Грубые погрешности (промахи), возникающие при проведении небрежного, плохо подготовленного эксперимента или невнимательности эксперта. К таким промахам можно отнести неверно проведенный эксперимент по измерению расстояния, который проведен без соответствующих инструментов (приборов), или не увидели цифру на шкале. Обычно такие погрешности избегаются.
  • Случайные погрешности (ошибки) отличаются при проведении разных экспериментов и могут возникать по различным причинам. Часто предугадать эти причины заранее не возможно. Подобные погрешности просчитываются на основании математического статанализа и считаются подчиненными закономерностям.
  • Систематические ошибки наиболее часто возникают при использовании для проведения анализа неправильного измерительного метода или неисправного прибора для измерения. Так, систематическая погрешность прибора определяет точность проведения измерения этими приборами. Считывая результат, происходит его неизбежное округление до заданной величины с учетом цены деления, что определяет – точность измеряющего прибора. Такие ошибки тяжело просчитать и учесть, поэтому они принимаются вместе со случайными погрешностями.

Площадь, скорость и иные производные в системе СИ

Скорость, объем и площадь считаются производными единицами, поэтому их размерность считается от основных измерительных единиц. В подсчетах и анализах используются не только реально высчитанные единицы, но и кратные им – увеличенные или уменьшенные в n-ное количество раз. Примерами таких кратных единиц могут служить единицы, измеряющие расстояние: 1000м = 1км. 1 м = 100 см или 1000 мм. Или иной вариант – единицы в целой степени меньше эталонной, зафиксированной: 1 см = 0, 01 м. Несколько иная ситуация с временными единицами: 1 час = 60 мин или 1 мс = 0,001 с.

Измерительные приборы для измерения

Измерительные приборы – это механизмы или оборудование для измерения физических величин. Это могут быть:

  • Скалярные величины, задающиеся только в числовом значении.
  • Векторные величины, определяющиеся направлением и его числовым значением. У значения есть особое название – модуль.
  • Длина, рассчитываемая, как расстояние от одной зафиксированной точки к другой.
  • Площадь, определяемая общим размером исследуемой поверхности.
  • Объем, определяемая вместимость тела, или часть пространства с границами.
  • Перемещение, определяется, как отрезок пространства, где объект переведен из первоначального положения в конечное.
  • Масса, определяется, как характеристика тела.
  • Сила притяжения, рассчитывается, как сила планеты. притягивающая объекты, предметы.

Дополнительные измерения – Кафедра №40 “Физика элементарных частиц” НИЯУ МИФИ

Рис 1. Пространственно-временная пена. Источник

Идея дополнительных измерений в последние десятилетия стала необходимой составляющей практически всех попыток объединения физических взаимодействий. Бозонный сектор подобных теорий обычно содержит различные виды скалярных и векторных полей, а также поля антисимметричных форм; в то же время известно, что дополнительные компоненты D-мерной метрики естественно порождают скалярные и векторные поля при редукции к четырехмерному пространству-времени.

Одной из наших групп развивается направление, в котором предполагается существование компактных дополнительных измерений, а лагранжиан в качестве динамических переменных содержит только метрический тензор и является нелинейным по скаляру Риччи.

Что уже сделано

  • Разработан метод редукции многомерной гравитации к 4-мерному пространству с наблюдаемыми свойствами
  • Предложен механизм стабилизации размеров дополнительного пространства
  • Предложено единое описание инфляционной и современной стадии развития Вселенной
  • Предложено решение тонкой настройки параметров Вселенной на основе введенного понятия “каскад редукций”
  • Предложено объяснение появлению калибровочной инвариантности в низкоэнергетической физике
  • Разработаны модели формирования первичных черных дыр, модели вариации постоянной тонкой структуры
  • Предложена модель генерации барионной асимметрии, и модель возникновения Higgs-like поля

Наши планы

Космология

  • Модель бариогенезиса
  • Механизм возникновения кластеров ПЧД и их наблюдательные проявления

Физика частиц

  • Решение проблемы иерархий
  • Реализация механизма Хиггса с многомерными фермионами
  • Решение проблемы малой массы нейтрино

Приглашаем к сотрудничеству!

Всех кто интересуется:

  • Динамикой компактных дополнительных измерений
  • Первичными черными дырами
  • Эволюцией ранней Вселенной
  • Многомерными фермионами

Поиск дополнительных измерений на ускорителях

В столкновениях протонов могут быть найдены очень тяжелые частицы с особыми свойствами, что говорит о существовании дополнительных измерений.

Если в столкновениях частиц рождается гравитон, то он может ускользнуть в дополнительные измерения. ATLAS в таком случае детектирует дисбаланс в энергии события.

Другой способ поиска состоит в том, что если дополнительные измерения существуют, то на ускорителе могут рождаться микроскопические черные дыры.

Публикации по теме:

  1. S.G. Rubin; «On the Origin of Gauge Symmetries and Fundamental Constants»; J.Exp.Theor.Phys. 109 (2009) 961-967, Zh.Eksp.Teor.Fiz. 136 (2009) 1113-1120
  2. S.V. Bolokhov, K.A. Bronnikov, S.G. Rubin; «The Higgs field and extra dimensions»; Grav.Cosmol. 17 (2011) 31-34
  3. S.V. Bolokhov, K.A. Bronnikov, S.G. Rubin; «Extra dimensions as a source of the electroweak model»; Phys.Rev. D84 (2011) 044015
  4. A. V. Grobov, S. G. Rubin; «Higgs-Like Field and Extra Dimensions»; Int J Theor Phys (2013) 52
  5. R. V. Konoplich, S.G.Rubin, I. V. Svadkovsky; «Radion Production at LHC via the Process of Vector-Boson Fusion»; Physics of Atomic Nuclei, Vol. 76 (2013), No. 4, pp. 515–524
  6. A.A. Kirillov, A.A. Korotkevich, S.G. Rubin; «Emergence of symmetries»; Physics Letters B, 718 (2012) 237-240

Контактное лицо:

Гробов Алексей Викторович

«А что если у пространства десять измерений?» – Огонек № 30 (5575) от 05.08.2019

Из чего создана материя, есть ли шанс доказать теорию струн и можно ли создать сверхмощную кварковую бомбу? «Огонек» поговорил с одним из ведущих физиков-теоретиков, главным научным сотрудником Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау Александром Белавиным.

Беседовала Елена Кудрявцева

В подмосковной Черноголовке в сосновом бору стоит неприметное с дороги здание. Когда-то это была крохотная пристройка к столовой советского монстра — Института химической физики АН СССР. Ныне же здесь квартирует Институт теоретической физики. В 1964 году здесь стал собираться весь цвет советской теоретической физики: Исаак Халатников и Алексей Абрикосов, позже ставший лауреатом Нобелевской премии, Лев Горьков и Игорь Дзялошинский, к ним присоединились выдающиеся математики Сергей Новиков (интервью с ним см. в «Огоньке» № 50 за 2016 г.) и Яков Синай.

Вплоть до 1990-х годов институт, заложивший основы современной науки, считался лучшим центром теоретической физики в СССР и, по версии журнала The Scientist, одним из самых известных в мире. Процесс был устроен своеобразно: под сосны, прямо на улицу, вытаскивали столы и доски — знаменитые семинары шли с 11 утра до позднего вечера. Это, говорят, чрезвычайно удивляло иностранных коллег, которые привыкли заниматься наукой по часам — от сих до сих. Не случайно именно Институт теоретической физики считался воплощением того самого НИИЧАВО, который описали в своем романе братья Стругацкие. А мой собеседник, к слову, у многих своих коллег ассоциировался с академиком Ойра-Ойра — завлабом в отделе недоступных проблем. Впрочем, внешне об этом сегодня ничто не напоминает: с Александром Белавиным мы говорим в его рабочем кабинете, где помимо стола и шкафов есть только портрет Льва Ландау — все, что нужно физику-теоретику для работы и вдохновения.

— В одном из интервью вы сказали, что философия и физика элементарных частиц — взаимосвязанные вещи. Можете пояснить, Александр Абрамович, в чем же их связь?

— В философии главное — желание дойти до сути, понять законы мира; физика элементарных частиц занимается тем же самым. Для меня это изначально очень близкие вещи. Я учился в школе в 1950-е, у меня очень хорошо шли дела с физикой и математикой, но одновременно серьезным увлечением была философия. Отец возглавлял конструкторский отдел на горьковском Заводе имени Орджоникидзе, но очень хорошо знал историю и часто говорил со мной на исторические темы — это подхлестнуло интерес к гуманитарным вопросам. В то время я, думаю, единственный из своих сверстников, добровольно читал Маркса, Энгельса и Ленина. Из их трудов узнал о Гегеле и Фейербахе, а потом, когда в 1961-м стал студентом, узнал о русской религиозной философии, читал о. Сергия Булгакова, Павла Флоренского, Владимира Соловьева, Николая Бердяева, труды князя Евгения Трубецкого и так далее.

— Не самое очевидное чтение для студента МИФИ. И где же вы в советские годы доставали литературу по религиозной философии?

— Это было самое начало 1960-х. Книг этих, конечно, в свободной продаже не было, но за них уже не сажали. Литературу находили на черном рынке в Москве. Помню, в Столешниковом переулке, где толпились «чернокнижники», можно было не только купить, но и обменять книги. Я тогда жил в Горьком (ныне Нижний Новгород. — «О»), там у многих сохранились дореволюционные библиотеки священников, к ним относились как к ненужному хламу. Потомки продавали книги букинистам, и через какое-то время эти уникальные издания всплывали на книжных развалах. Мой брат, который стал писателем, в то время как раз также собирал такие книги. Так что у меня была хорошая база.

— Почему же вы не пошли на исторический или на философский факультет?

— Я хотел, но, к счастью, в то время Никита Хрущев издал особый указ «Об укреплении связи школы с жизнью…», согласно которому, чтобы поступать на гуманитарный факультет, сначала нужно было поработать на производстве минимум два года. Чтобы не терять времени, я поступил на радиофак Горьковского госуниверситета, а затем перевелся в Москву в МИФИ. Но увлечение философией никогда не прекращалось, а затем перешло в русло христианского просвещения, чему способствовало мое знакомство с отцом Александром Менем, который меня крестил в 1971 году в домике при Сретенском храме в Новой Деревне. Встреча с этим человеком была очень важной в моей жизни.

— Как вы познакомились?

— Нас познакомил поэт Николай Шатров, у которого в то лето я жил в Пушкино на даче. А с Шатровым меня познакомил мой друг Владимир Лихачев, мы с ним вместе учились. Затем он преподавал в МИФИ. Он привел к отцу Александру многих студентов. Александр Мень сам был живым продолжателем русского религиозного возрождения. Он показывал, что центром христианства является не что-то побочное, не обряды, не церковная музыка или, скажем, архитектура, а сама личность Иисуса Христа. Он об этом не только писал и говорил, но и свидетельствовал всей своей жизнью (и смертью тоже).

В последний год жизни отец Александр приезжал сюда в Черноголовку и с осени 1989-го до весны 1990-го читал в Доме ученых цикл лекций по русской религиозной философии, причем включал в него и Достоевского, и Толстого. Люди собирались тысячами, чтобы его послушать.

— Вы лично близко общались с отцом Александром?

— В какой-то степени… Поскольку отец Александр поддерживал большой круг общения помимо храма, он создавал группы, где можно было общаться и рассуждать о христианстве, но по соображениям конспирации они между собой не особо пересекались. В одну такую группу, где были и ребята, учившиеся, входил и я.

— Казалось бы, советская физика была полностью ориентирована на атеизм, и это, само собой, распространялось и на самих физиков. Однако известный академик Николай Боголюбов, к слову дважды Герой Социалистического Труда, утверждал, что в теоретической физике нерелигиозных людей фактически нет.

— Это очень интересное свидетельство академика, который сам был не просто из семьи священников, но и сыном профессора богословия Университета св. Владимира в Киеве, что ему, наверное, приходилось всю жизнь не очень афишировать… Для меня большую роль играет осознание того, что мир устроен красиво. Это вызывает чувство удивления и благоговения, которое является чувством религиозным.

Древним иудеям и грекам было легче, чем нам, в этом убедиться и эти чувства испытать, потому что над ними расстилалось небо со звездами, которое не заслонял свет городских фонарей.

Современному человеку, живущему в городе, труднее увидеть красоту мира. А вот ученый, который занимается изучением того, как этот мир устроен, сталкивается с этой удивительной красотой.

Поэтому как раз физику и математику легче ее увидеть. Не знаю, прав ли Боголюбов, что все люди, которые занимаются физикой, ясно осознают и испытывают удивительность и красоту устроенности и самого существования Мира. Но во всяком случае противоречия в факте религиозности человека, занимающегося наукой, никакого нет.

Наука как красота

— В чем красота той части науки, которой вы занимаетесь?

— Я всю жизнь занимаюсь той частью теоретической физики, которая называется квантовая релятивистская теория поля. Она занимается структурой микромира, мира элементарных частиц. В 1970-е годы возникла известная сегодня Стандартная модель — теория, которая описывает наш мир. Она говорит, что все вокруг устроено из фундаментальных частиц: кварков, лептонов и так далее, которые между собой связаны посредством трех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого и электромагнитного. Есть еще гравитационное, которое в Стандартную модель не укладывается.

Это очень разные связи, но оказывается, что с точки зрения математики они все построены по одному принципу — «калибровочной инвариантности». Когда ученые начинают это описывать в виде формул и уравнений, мы видим, что это одна и так же математическая структура, и это совершенно потрясающе! Можно предположить, что наш мир можно описать каким-то единым законом, единой теорией. Теорией, которая будет описывать все взаимодействия фундаментальных частиц, включая гравитационное.

Собственно, этим и заняты современные физики-теоретики: они хотят все устройство мироздания вывести из небольшого количества принципов, построить простую непротиворечивую теорию. Вот уже много десятилетий активно идет поиск некоей общей теории, которая объединит все известные понятия и представления о существующем мире.

— В принципе это довольно древняя задача, правда, раньше ее пытались объяснить как раз в границах философских и религиозных систем.

— Да, например, в свое время античные философы открыли, что в природе существует всего пять типов многогранников, и решили, что они объяснили структуру мира. Их еще называют телами Платона, так как они занимали важное место в философской концепции Платона об устройстве мироздания. Четыре многогранника олицетворяли в ней четыре сущности или стихии. Тетраэдр символизировал огонь, так как его вершина устремлена вверх. Икосаэдр, как самый «обтекаемый», — воду. Куб, как самый «устойчивый», — землю. А октаэдр —- воздух, как самый «воздушный». Додекаэдр — пятый многогранник — символизировал все мироздание, Космос и считался главным.

— Кеплер в XVI веке тоже пытался использовать многогранники, чтобы вывести гармоничное объяснение мира.

— Да, он в сферу орбиты Сатурна вписал куб, в куб — сферу Юпитера, в сферу Юпитера — тетраэдр и так далее. Тайна мироздания казалась открытой. Правда, позже Кеплер узнал, что расстояния между планетами не связаны ни с какими многогранниками, и построил новую теорию, к которой его также привели поиски красоты, лежащие в основе мироздания. Он открыл три закона природы, называемые законами Кеплера. Это открытие сделали возможным последующее развитие физики Ньютоном.

Кварковая лихорадка

— Какие вопросы в физике элементарных частиц сегодня самые интересные?

— Чтобы дать ответ, требуется отступление. В середине ХХ века предполагали, что мир состоит всего из небольшого числа элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и нескольких других.

В 1950–1960-е годы, когда были построены первые ускорители, новые частицы стали открывать, как на конвейере. Сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны вовсе не элементарные (неделимые) частицы, а, в свою очередь, состоят из кварков. То есть все, что вокруг — неживая и живая природа, включая самого человека, — на базовом уровне состоит из кварков. Точнее, из кварков и лептонов. Лептонами являются электрон и нейтрино. Кварки неделимы, и именно их, вместе с лептонами, можно назвать истинными кирпичиками мироздания. Кварк — это элементарная частица с очень необычными свойствами.

— А в чем их необычность?

— Я помню время, когда возникла идея кварков. В годы моего обучения в МИФИ и в ИТЭФ о ней на лекциях по физике элементарных частиц нам рассказывали замечательные ученые — Исаак Померанчук (один из крупнейших физиков ХХ века, внес большой вклад в создание советских ядерных реакторов. — «О») и Лев Окунь (физик-теоретик, первый советский ученый, избранный в Комитет научной политики ЦЕРНа. — «О»). Тогда как раз широко обсуждали гипотезу физиков Марри Гел-Манна (нобелевский лауреат, основатель кварковой теории. — «О») и Джорджа Цвейга о том, что протон и нейтрон на самом деле состоят из кварков. Пришли к выводу, что кварки достаточно тяжелые, поэтому мы пока не можем их наблюдать на ускорителях: им не хватает для этого энергии. Можно ли наблюдать кварки в природе? Вот вопрос, который взбудоражил физиков.

В ту пору была опубликована работа Якова Зельдовича (один из авторов атомной и водородной бомб. — «О»), Льва Окуня и Соломона Пикельнера. Из нее следовало, что поскольку Вселенная 14 миллиардов лет назад при рождении после Большого взрыва представляла собой ускоритель, который мог разбить протоны на кварки, даже если они очень тяжелые, то одиночные кварки должны существовать по сей день и их можно найти в окружающей среде. Отличить кварки от обычных частиц можно по их дробным зарядам. Начались активные поиски кварков.

Да, это даже называли кварковой лихорадкой. Огромное количество научных групп по всему миру, не только физиков, но даже химиков и биологов, бросилось искать кварки. Исследовали метеориты, минералы, «перетряхнули» тонны морской воды, лунный грунт…

— Но ничего не было обнаружено. Ни одного кварка.

— Что это означает?

— Тем самым был установлен факт, который называется «конфайнмент кварков», в переводе — феномен невылетания (пленения) кварков, заключенных в другие частицы. Оказалось, что между кварками при попытке их разделить возникают чудовищные силы, поэтому их нельзя разорвать. Когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в обычные частицы.

Сегодня мы прекрасно видим кварки в эксперименте, примерно как врач видит ребра человека на рентгене, только вот вытащить их никак не можем.

До сих пор, кстати, нет строгой математической теории, которая описала бы конфайнмент кварков. Точнее, такая теория есть, это упомянутая выше Стандартная модель, основанная на калибровочной квантовой теории поля. Но попытка вывести из нее конфайнмент кварков встречает пока большие математические трудности. (Создание теории конфайнмента кварков является одной из «Задач тысячелетия», сформулированных Институтом Клэя. Институт определил всего семь «важных классических задач, решение которых не найдено вот уже в течение многих лет». За решение каждой предложена награда в миллион долларов. — «О».)

— В научно-популярной литературе утверждается, что сила, которая действует между кварками, составляет в человеческих единицах 14 тонн. Видимо, если бы они вылетали из ядра, получалась бы разрушительная кварковая бомба с энергией больше, чем при ядерном взрыве?

— Я не слышал о такой идее. Но в любом случае она неосуществима из-за конфайнмента.

Звенящий мир


— Другая загадка современной физики элементарных частиц связана с поколениями частиц. В школе нас учат, что атомы устроены из ядра и вращающихся вокруг электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Но сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из кварков одного из двух сортов. Кварк одного сорта называется «верхним», другого — «нижним». Верхний кварк имеет заряд 2/3, а нижний заряд — 1/3. Эти два кварка называются кварками первого поколения. Кроме того, на эксперименте обнаружены еще два поколения кварков, по два кварка с зарядом 2/3 и1/3 в каждом из поколений.

В итоге все известные нам кварки (и аналогичным образом лептоны) разделяются на три поколения, которые сходны во всем, кроме массы. Почему так устроен мир, мы до сих пор не знаем. Так, у верхнего, очарованного и истинного (эти термины определяют поколения элементарных частиц. — «О») кварков одинаковый электрический заряд, а также одинаковые слабое и сильное взаимодействия, но они отличаются массами.

При этом массы отличаются значительно. Скажем, истинный кварк почти в 100 тысяч раз тяжелее верхнего кварка. Такие отличия явно что-то означают, но ученые пока не могут понять, что именно.

— Почему таких поколений три? Больше для конструирования мира не требуется?

— Это один из сложнейших вопросов, на него пока нет ответа. Есть версия, что каждое следующее поколение кварков и лептонов более тяжелое, их труднее наблюдать экспериментально: чтобы их увидеть, нам нужен более мощный коллайдер и ускоритель. Но это вряд ли.

— Вы также занимаетесь одной из самых популярных среди физиков концепций мира — теорией струн. Говорят, она разрешает массу вопросов, хотя ставит еще больше, чем разрешает.

— Причем начать надо с вопроса, зачем физикам вообще понадобилась еще одна теория. Ведь есть Стандартная модель, которая прекрасно описывает все элементарные частицы и взаимодействия, которые существуют.

— Потому что в нее не укладывается гравитация?

— Да, гравитация в Стандартную модель не вписывается. Поэтому ученые еще в 1970-е решили в очередной раз построить единую теорию всего. Но почти сразу начались проблемы. Дело в том, что один из постулатов обычной квантовой теории поля говорит, что элементарным объектом является точечная, то есть нольмерная частица. Исходя из этого объединить гравитацию и Стандартную модель невозможно. Но все становится на свои места, если представить, что элементарным объектом является одномерный объект — струна без толщины.

— Грубо говоря, до теории струн элементарные частицы считали точками, а теперь некой одномерной вибрирующей нитью-струной?

— Да, важно, что это — одномерный объект. Струна может быть открытой, с двумя концами или замкнутой. Поскольку струна — квантовый объект, она двигается и вибрирует, и разные состояния струны можно воспринимать как разные частицы.

— То есть в зависимости от того, как эта струна вибрирует или, утрируя, звучит, зависит тот тип частиц, который возникает?

— По сути, да. Одна струна описывает бесконечное число частиц, другими словами — это система с бесконечным числом фундаментальных частиц, которые все компактно заключены в одной струне. Струна сама превращается в частицу, вибрирует с одной частотой — кварк, с другой — глюон, с третьей — фотон. Правда, нужно понимать, что в масштабах элементарных частиц никаких звуковых колебаний нет.

Александр Белавин (слева) во время лекции

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Что там получается с гравитацией?

— Теория струн необыкновенно красива с физической точки зрения, она является самосогласованной и автоматически, как бы в качестве бонуса, дает нам гравитацию. То есть из нее легко вывести гравитон, частицу, которая является квантом гравитационного поля, точно так же как фотон — квант электромагнитного поля. Гравитон является одним из низших безмассовых состояний этой самой струны.

— Многие физики, в том числе собеседник «Огонька» академик Валерий Рубаков (см. № 45, 2018 год), говорят, что гравитон никогда не удастся поймать, по одиночке их нельзя ни излучать, ни регистрировать. Вы согласны?

— Да, я думаю, что это так.

— Какие недостатки вы видите у теории струн?

— Единственный недостаток теории струн в том, что если в основе мироздания лежит струна, то для построения непротиворечивого варианта нужно предположить, что наше пространство имеет не четыре измерения, как мы привыкли, а десять. Это совершенно новый взгляд на нашу Вселенную. Дело в том, что на протяжении столетий еще со времени Ньютона и Галилея считалось, что время существует само по себе и не зависит от скорости. В 1905 году Эйнштейн показал, что время и пространство не раздельные сущности, а взаимосвязанные измерения единого пространства-времени, которое называется пространством Минковского, по имени немецкого математика Германа Минковского, первым предположившего замечательную геометрическую формулировку специальной теории относительности Эйнштейна. Эти представления помогли Эйнштейну в построении общей теории относительности. Так вот, согласно современной теории струн мы живем в более сложном мире.

— Давайте поподробнее про эти шесть новых измерений. Где они находятся и почему мы их не ощущаем?

— Дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы пространства-времени — их называют пространствами Калаби — Яу. Предполагают, что свернутые измерения имеют маленькие размеры, возможно, порядка планковской длины 10–33 см. Поэтому их достичь очень сложно.

Согласно теории струн многомерная геометрия должна присутствовать в каждой точке пространства: на кончике ладони, на Северном полюсе, глубоко под Землей — везде должно находиться шестимерное многообразие Калаби — Яу невидимого крохотного размера.

— А можно ли эти шесть измерений развернуть? Как это будет выглядеть?

— Если предположить, что какие-то из этих шести измерений являются некомпактными, скажем, одно из них, то мир, в котором мы находимся, был бы не четырехмерным пространством-временем Минковского, а пятимерным. Это совсем не то, что мы наблюдаем, и не то, чего мы хотим.

Не имеет доказательств

— Теория струн за 40 лет своего существования ни разу не была доказана экспериментально. Для значительной части научного мира это основание поставить на ней крест. Какие эксперименты могли бы подтвердить правильность теории?

— Следствием теории струн является утверждение о суперсимметрии пространства-времени. Эта суперсимметрия должна проявляться в том, что каждой частице должна соответствовать другая частица, суперпартнер первой. Причем их массы и ряд других свойств должны совпадать.

— Ну так как раз эти эксперименты на Большом адронном коллайдере провалились: никакой суперсимметрии до сих пор не обнаружили.

— Да, поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах и в неускорительных экспериментах. И эксперименты этого предсказания пока не подтверждают.

Но на самом деле в физике элементарных частиц за последние десятилетия мы поняли, что симметрии могут быть спонтанно нарушенными на малых энергиях. И если у нас будет более мощный коллайдер, то, возможно, на больших энергиях мы увидим ожидаемые частицы-суперпартнеры. Но это не убеждает противников теории струн, и они предлагают от нее отказаться. С другой стороны, у нее есть много приверженцев, ученых, которые продолжают развивать разные ее аспекты.

— Вы сами считаете, что физически это возможно — проверить теорию струн?

— Это было бы очень интересно и важно сделать. Теория струн действительно до сих пор не проверена экспериментально. Но других теорий, которые бы ответили на главные фундаментальные физические вопросы, сегодня нет. Теория струн до сих пор единственная и к тому же необыкновенно красивая и самосогласованная гипотеза. Кстати, она, в числе прочего, способна объяснить наличие трех поколений частиц, о которых мы говорили.

Вообще, теория струн очень многогранна, и ею занимается большое количество людей, она уже дала необыкновенно много для развития разных областей науки, как физики, так и математики. Например, наша довольно известная работа с Замолодчиковым и Поляковым возникла в связи с теорией струн, но оказалась важной для физики фазовых переходов в двумерных системах, которыми занимаются специалисты по физике конденсированного состояния, а также для некоторых областей современной математики. Но, конечно, главная задача теории струн — это построение единой фундаментальной теории микромира…

Методы измерений физических величин – Рабочая программа дисциплины – 03.06.01. Физика и астрономия – Направления подготовки

1.1.Подготовка аспиранта к осуществлению научно-исследовательской деятельности, связанной с проведением измерительных экспериментов, оценкой погрешностей результатов измерений, работой с пакетами готовых программ, а также с работой в междисциплинарных областях научных исследований.
Подготовка ученого исследователя, способного представлять, обосновывать и отстаивать результаты собственных исследований и выводов, осознавать ответственность за принятие профессиональных решений.
Формирование социально-личностных качеств научного сотрудника: целеустремленности, организованности, трудолюбия, ответственности, гражданственности, коммуникабельности, толерантности, повышения общей культуры.
Цикл (раздел) ООП: Б1.В.03
ПК-3: cпособностью демонстрировать системное понимание в профессиональной области и получать научные результаты, удовлетворяющие установленным требованиям к содержанию диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук по направленности Приборы и методы экспериментальной физики
В результате освоения дисциплины обучающийся должен
3.1.Знать:
3.1.1.Основные понятия и термины метрологии.
Виды и методы измерений, классификацию погрешностей.
Принципы нормирования метрологических характеристик средств измерений.
Современный уровень развития методов и средств измерений в области научных интересов и в смежных областях.
3.2.Уметь:
3.2.1.Проводить первичную обработку результатов измерений и оценку погрешностей измерений.
Выбирать, конфигурировать и получать результаты с систем сбора данных.
Планировать измерительный эксперимент.
Обеспечивать и оценивать качество измерений.
3.3.Иметь навыки и (или) опыт деятельности (владеть):
3.3.1.Сборки и конфигурирования автоматизированных экспериментальных установок на основе систем сбора данных для проведения измерений.
Проектирования и тестированияя нетандартных средств измерений
Системным подходом к созданию и эксплуатации систем автоматизации научных исследований
5.1. Контрольные вопросы и задания
1.Дайте определение физической величины. Приведите примеры физических величин, относящихся к механике, оптике, магнетизму и электричеству.
2.Дайте определение системы физических величин и систем единиц физических величин. Приведите примеры основных и производных физических величин и единиц.
3.Сформулируйте основные принципы построения систем единиц физических величин.
4.Дайте определение понятия измерение.
5.В чем заключается единство измерений?
6.Назовите основные виды измерений.
7.Назовите основные методы измерений.
8.Охарактеризуйте основные виды погрешностей измерений.
9.Какими методами корректируются (уточняются) результаты измерений?
10.Что такое качество измерений?
11.Дайте характеристику принципа обработки результатов различных видов измерений.
12.Что такое динамические измерения и их погрешности?
13.На чем основана теория расчетного суммирования погрешностей?
14.Расшифруйте понятия коррелированных и некоррелированных случайных величин.
15.Как суммируются случайные и систематические погрешности?
16.Назовите виды средств измерений (СИ).
17.В чем заключается нормирование метрологических характеристик?
18.Назовите виды погрешностей СИ.
19.Дайте характеристику погрешностей цифровых СИ.
20.Что такое класс точности СИ?
21.В чем различие метрологических характеристик аналоговых и цифровых СИ?
22.Как осуществляется нормирование динамических характеристик СИ?
5.2. Темы письменных работ (эссе, рефераты, курсовые работы и др.)
5.3. Фонд оценочных средств
См. Приложения
Приложения
6.1. Рекомендуемая литература
6.1.1. Основная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л1.1 В.К. Батоврин [и др.]. LabVIEW: практикум по основам измерительных технологий : учеб. пособие М.: ДМК Пресс // ЭБС “Лань”, 2009. https://e.lanbook.com/book/1096.
Л1.2 А. С. Волегов, Д. С. Незнахин, Е. А. Степанова Метрология и измерительная техника: электронные средства измерений электрических величин: учебное пособие для вузов М. : Издательство Юрайт // ЭБС “Юрайт”, 2018 https://biblio-online.ru/book/4A39CE6C-477D-4AB6-980A-82FBFFF4BE4C/metrologiya-i-izmeritelnaya-tehnika-elektronnye-sredstva-izmereniy-elektricheskih-velichin
Л1.3 О. А. Агеев [и др.] ; под общ. ред. О. А. Агеева, В. В. Петрова. Информационно-измерительная техника и электроника. Преобразователи неэлектрических величин: учебное пособие для вузов М. : Издательство “Юрайт” // ЭБС “Юрайт”, 2018. https://biblio-online.ru/book/E9083298-A69E-4EAF-9F37-679125167739/informacionno-izmeritelnaya-tehnika-i-elektronika-preobrazovateli-neelektricheskih-velichin
Л1.4 Ю.Г. Голых; Т.И. Танкович Метрология, стандартизация и сертификация. LabVIEW практикум по оценке результатов измерений: учебное пособие Красноярск : Сибирский федеральный университет,ЭБС «Университетская библиотека онлайн», 2014 http://biblioclub.ru/index.php?page=book&id=364557
6.1.2. Дополнительная литература
Авторы Заглавие Издательство, год Эл. адрес
Л2.1 А. В. Аминев, А. В. Блохин ; под общ. ред. А. В. Блохина Измерения в телекоммуникационных системах: учебное пособие для вузов ЭБС “Юрайт” , 2018 https://urait.ru/book/izmereniya-v-telekommunikacionnyh-sistemah-416132
Л2.2 Ю. И. Воронцов ; под ред. В. Б. Брагинского Теория и методы макроскопических измерений: М. : Наука, 1989
Л2.3 П. В. Новицкий, И. А. Зограф. Оценка погрешностей результатов измерений: Л. : Энергоатомиздат, 1991
Л2.4 Х. -И. Кунце Методы физических измерений: М. : Мир, 1989
Л2.5 Сергеев А.Г., Терегеря В.В. Метрология, стандартизация и сертификация в 2 ч. Часть 2. Стандартизация и сертификация:/- 3-е изд.- ,.- : Учебник и практикум М. : Издательство Юрайт, 2018 https://biblio-online.ru/book/4573F340-3BC9-4076-B475-99681B96A072/metrologiya-standartizaciya-i-sertifikaciya-v-2-ch-chast-2-standartizaciya-i-sertifikaciya
6.2. Перечень ресурсов информационно-телекоммуникационной сети “Интернет”
Название Эл. адрес
Э1 ЭБС «Лань» http://e.lanbook.com/
Э2 ЭБС «Университетская библиотека онлайн» http://www.biblioclub.ru/
Э3 ЭБС «Юрайт» http://www.biblio-online.ru/
Э4 ЭБС “АлтГУ” http://elibrary.asu.ru
Э5 Методы измерения физических величин Курс в ЭОИС АлтГУ [Электронный ресурс] https://portal.edu.asu.ru/course/view.php?id=6711
6.3. Перечень программного обеспечения
Microsoft Windows
Microsoft Office
7-Zip
AcrobatReader
6.4. Перечень информационных справочных систем
При изучении тем курса следует самостоятельно повторить рассмотренные вопросы, пользуясь рекомендованной литературой, и ответить на контрольные вопросы. Возможен вариант опережающего знакомства с материалом лекции с тем, чтобы на лекции получить ответ на возможные вопросы. Целесообразно постараться “привязать” рассматриваемые вопросы к теме своей диссертационной работы. Также желательно проверить все рассматриваемые математические вопросы с помощью моделирования или использования реального оборудования. Рекомендуемой средой программирования для этого является среда графического программирования LabVIEW.

Пятое измерение, темная материя и гравитоны. Что такое новая физика и как найти ее в ускорителях, под Землей и в телескопах

— Напомните, пожалуйста, читателям, что такое Стандартная модель и как она устроена?

— За последние 30—40 лет была создана Стандартная модель трех фундаментальных взаимодействий, которая описывает весь мир элементарных частиц, каким мы его сейчас видим. Она включает в себя электромагнитные взаимодействия, слабые взаимодействия и сильные взаимодействия. Эта теория объясняет все процессы, которые идут между элементарными частицами, объясняет классификацию элементарных частиц. На сегодня все предсказанные Стандартной моделью частицы обнаружены экспериментально (последней стал бозон Хиггса). Их оказалось достаточно мало — шесть кварков и шесть лептонов, несколько переносчиков взаимодействий. Так что модель, в каком-то смысле, достаточно проста, хотя если вникать в детали, это достаточно сложная математическая конструкция.

— Стандартная модель, получается, объясняет все взаимодействия во Вселенной?

— Не совсем. Все взаимодействия имеют радиус действия. Сильное взаимодействие — это взаимодействие между кварками, которое действует внутри адронов, а наведенное ими эффективное взаимодействие — внутри атомных ядер. Поэтому если мы выходим за пределы атомного ядра, мы никакого атомного взаимодействия не видим. Но сильное взаимодействие объясняет, почему атомные ядра являются такими стабильными, почему атомы «не разваливаются», почему они долго живут, и вся материя состоит из этих стабильных атомов. Слабые взаимодействия имеют противоположный эффект и ответственны за распады. Оказывается, что в распаде освобождается большая энергия, и горение звезд связано именно с ним. То есть слабые взаимодействия зажигают звезды, и мы живем благодаря тому, что Солнце светит на нас. Но радиус действия этих сил, как и сильных взаимодействий, очень маленький. В то же время электромагнитное взаимодействие действует на бесконечных расстояниях — как внутри атомов и ядер, так и на галактических масштабах. То же самое касается и гравитационного взаимодействия, и его радиус действия бесконечен. То есть мы во всей Вселенной — от атомных ядер до галактик — наблюдаем эти четыре вида взаимодействий. В некотором смысле, можно сказать, что бозон Хиггса является переносчиком пятого вида взаимодействия, потому что принцип, по которому строятся эти теории, — это то, что взаимодействие есть обмен неким носителем. Скажем, электромагнитное взаимодействие — это обмен фотонами между частицами, слабое — обмен W-бозонами, сильное — обмен глюонами. Поскольку хиггсовский бозон взаимодействует с кварками и лептонами, то он тоже есть обменное взаимодействие — путем обмена хиггсовским бозоном. Обычно такие слова не произносятся, но следуя логике, можно сказать, что это четвертое взаимодействие в рамках Стандартной модели.

Частицы Стандартной модели. Фото: Fermilab

Но с гравитацией мы пока имеем дело только в рамках классической теории, о ее квантовомеханической природе нам ничего неизвестно. Поэтому гравитация не входит в Стандартную модель, хотя мы точно знаем, что она существует, конечно.

— В чем состоит важность открытия бозона Хиггса?

— Стандартная модель основана на базовых принципах — часто говорят о симметрийных свойствах теории. Это язык, на котором описываются взаимодействия: симметрия — это преобразования, относительно которых результаты измерений не зависят от преобразований. Оказывается, что все свойства сохранения в природе: закон сохранения энергии, закон сохранения импульса и так далее — связаны с симметрией. Стандартная модель базируется на ряде таких симметрий, они сейчас хорошо поняты и описаны. В то же время оказывается, что ряд симметрий в природе являются не точными, а нарушенными. Бытовой пример — это мы сами. Если вы посмотрите на себя в зеркало, у вас правая и левая часть поменяются местами. Внешне изменений будет не заметно, но, тем не менее, мы знаем, что сердце у нас находится только с одной стороны. Поэтому такая симметрия в зеркале является неполной. Оказывается, что в мире элементарных частиц тоже есть такие нарушенные симметрии, неточные. С такой симметрией связано, например, существование массы у всех частиц. Разрекламированный бозон Хиггса — это достаточно сложный механизм, который сейчас получил название механизма Браута-Энглера-Хиггса по именам трех его первых авторов. Этот механизм связан с нарушенной симметрией и объясняет возникновение массы у частиц. Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере подтвердило все эти сложные теоретические конструкции, и теперь мы понимаем, как это все устроено. То есть с открытием бозона Хиггса Стандартная модель получила полное экспериментальное подтверждение. В то же время, как мы понимаем, не на все вопросы мы в рамках этого подхода ответили.

— И эти вопросы возникают из-за гравитационного взаимодействия?

— Отчасти. Обнаружено, что в природе существует большое количество материи, которая не испускает электрического света, поэтому ее назвали темной. Проявляется эта материя в гравитационном взаимодействии, она влияет на движение планет, звезд, галактик, скоплений галактик и так далее. Темной материи в четыре раза больше, чем обычной материи, а в Стандартной модели она отсутствует. Попытка объяснить феномен темной материи — один из характерных примеров выходов за рамки Стандартной модели.

Сейчас физики, которые занимаются физикой частиц, астрофизикой, космологией, пытаются найти ответ на эти вопросы: из чего состоит темная материя, как она устроена, каковы ее свойства?

Не исключено, что есть всего одна элементарная частица, которая описывает всю темную материю во Вселенной. Предположительно, эта частица достаточно тяжелая, в 100 раз тяжелее, чем протоны и нейтроны, из которых в основном состоит обычная материя. Возможно, это именно так, эта одна частица будет обнаружена, и мы ответим на все вопросы о темной материи.

Но, может быть, это и не так. Есть модели, предполагающие, что темная материя состоит не из одной частицы, а из нескольких составляющих. Возможно, это не тяжелая, а легкая частица.

Дмитрий Казаков. Фото: ФИАН

— Почему же этих частиц не было видно на ускорителях?

— Потому что (это мы точно знаем) эти частицы не участвуют ни в сильном взаимодействии, ни в электромагнитном взаимодействии. Остаются два варианта — слабое взаимодействие и гравитационное взаимодействие. Если эта частица взаимодействует слабо, тогда ее можно получить на ускорителях, а также увидеть ее в подземных экспериментах (таких как лаборатория Гран-Сассо в Италии), когда эта частица прилетает из космоса и ударяет в нашу мишень. Еще один вариант — увидеть проявление этой частицы в космических лучах. Если же она взаимодействует только гравитационно (а гравитационно она обязательно должна взаимодействовать, потому что именно по гравитационным эффектам была обнаружена темная материя), то это взаимодействие очень слабо, на много порядков величины слабее, чем слабое взаимодействие. И тогда на ускорителе наблюдать рождение этой частицы не удастся: слишком маленькие будут сечения взаимодействия. Это не очень благоприятная ситуация для физиков, потому что такую частицу мы пронаблюдать не сможем. В этом смысле сегодня надежды физиков связаны с тем, что эта частица все-таки участвует в слабом взаимодействии, и тогда мы ее сможем идентифицировать и в космических лучах, и под землей, и на ускорителях. Разумеется, открытие частицы только в одном месте еще ничего не подтвердит — нужно ее совокупное наблюдение в трех перечисленных выше процессах. Сравнивая их и теоретические предсказания, можно будет однозначно эту частицу идентифицировать.

— Есть ли области, где Стандартная модель поставила вопросы, но ответы пока не нашлись?

— Да, и это тоже возможный выход в новую физику. Один из примеров связан с тем, что в Стандартной модели все частицы обретают свою массу, взаимодействуя с полем Хиггса. И у поля Хиггса есть характерный масштаб — примерно 200 масс протона, которому пропорциональны массы всех частиц (под термином «масштаб» в данном случае понимается интервал масс, на котором преобладает определенный тип взаимодействий). И все фундаментальные частицы: кварки, лептоны, W-бозоны — приобретают массу из-за поля Хиггса, и поэтому их массы пропорциональны масштабу, который есть в потенциале поля Хиггса. В то же время мы знаем, что в природе существуют и гораздо большие масштабы, например масштаб гравитации, который составляет 10^19 масс протона. Как правило, физические теории строятся так, что неизвестная физика на гораздо больших масштабах не влияет на те масштабы, которые мы изучаем. Это достаточно естественное требование: мы ничего не смогли бы изучать, если бы неизвестное нам постоянно влияло на наши измерения. На практике это значит, что вклад неизвестных нам взаимодействий, например с какими-то очень тяжелыми частицами, оказывается очень сильно подавлен и никак не сказывается на наших эффектах. Оказалось, что масса бозона Хиггса не подчиняется этому закону — на нее могут оказывать влияние неизвестные нам взаимодействия. Это задача есть, и с ней пытаются справиться, это называется проблемой иерархии, и надежды в ее решении возлагаются на новую физику.

— У ученых есть представление о том, какие новые частицы они ищут?

— Да, конечно, есть ряд теорий, которые эти частицы предсказывают. Наиболее популярной из них является так называемая суперсимметрия. Эта некая новая симметрия, которая зародилась отчасти в России, еще в 70-е годы. Впоследствии были построены соответствующие модели в физике частиц. Эта симметрия замечательна тем, что связывает между собой два типа частиц в природе. Все частицы в природе разделяются на два класса: бозоны и фермионы. Они отличаются друг от друга собственным угловым моментом и поведением. К бозонам относятся, например, фотоны, и это частицы, более интуитивно нам близкие по макромиру (еще понятнее про бозоны и фермионы можно почитать у научного редактора «Популярной механики» Дмитрия Мамонтова). Бозоны любят собираться вместе, и если их поменять местами, ничего в системе не изменится. А фермионы — это индивидуалисты: если два фермиона поместить вместе, они никогда не захотят занять одно место, и при перемене их местами меняется знак волновой функции. Все кварки и лептоны — частицы, из которых состоит материя, — являются фермионами, а все переносчики взаимодействий являются бозонами, и связи между ними в Стандартной модели нет, и непонятно, должна ли она быть.

Суперсимметрия — это как раз такая модель, которая «перемешивает» бозоны и фермионы, превращая их друг в друга.

Суперсимметрия привлекательна тем, что обещает построить объединенную теорию всех сил и взаимодействий, включая гравитацию, то есть это такая «теория всего». Если приложить математику суперсимметрии к физике частиц, она предсказывает существование большого количества новых частиц — бозонов и фермионов, которые являются как бы партнерами известных нам частиц. Но пока ни одного такого партнера не открыто экспериментально, поэтому это все остается гипотезами. Замечательно то, что эта теория, походя и не замечая, решает проблему иерархии. Эта теория очень привлекательна, поэтому такую новую физику, такие новые частицы усиленно искали и ищут на ускорителях, но пока безрезультатно.

Кстати, бозон Хиггса имеет спин ноль, тогда как остальные бозоны — 1. А гравитон — гипотетическая частица, переносчик гравитации, — это тоже бозон, но со спином 2. И объединенная теория должна объединять эти спины вместе, и суперсимметрия это делает.

— А параллельные миры должны быть населены суперсимметричными частицами?

— Это одна из сильно завораживающих (хотя и не сильно популярных) идей – идея существования большого количества измерений пространства-времени. Не исключено, что на самом деле мы живем в многомерном мире, но по каким-то причинам мы не видим этих дополнительных измерений. Сейчас на это представляются две причины. Либо эти измерения являются очень маленькими, и мы их просто не видим. Либо эти измерения являются большими, такими же как и наши обычные измерения, но мы по какой-то причине прижаты к своим измерениям и не можем видеть других. Хорошая аналогия — это представить себе, что вы находитесь в глубоком колодце, поэтому вам кажется, что двигаться можно только вверх или вниз. На самом деле, если набрать побольше энергии и выпрыгнуть из этого колодца, то вы увидите, что мир вокруг вас простирается и налево, и направо. И наши три пространственных измерения могут быть таким колодцем. Мы пока не понимаем, правильно или нет это и как это все устроено. Но есть много моделей, которые решают проблему иерархии с применением новых измерений. И это тоже попытка выйти за пределы Стандартной модели. Если какая-то из этих моделей верна, то это проявится в существовании новых частиц, и их тоже ищут сейчас. Но тоже пока ничего не находят.

— Получается, что поиски частиц на микроуровне могут вывести нас к очень большим открытиям на уровне галактик и Вселенной?

— Вообще сейчас часто случается, что задачи возникают на стыке космологии, астрофизики и физики элементарных частиц. В свое время люди задумались, почему мы видим во Вселенной материю и вообще не видим антиматерию, хотя наши теории симметричны относительно того, сколько материи и сколько антиматерии родилось во время Большого взрыва. В то же время мы сейчас антиматерии не наблюдаем. Она рождается на ускорителях, но планеты и звезды из антиматерии не состоят. И люди задумались, как произошло, что в процессе эволюции Вселенной баланс между материей и антиматерией нарушился. Оказалось, что необходимо выполнение ряда условий, в частности нарушение так называемой комбинированной четности. Оно есть в Стандартной модели, но очень маленькое, а чтобы получить наблюдаемый дисбаланс, оно должно быть сильным. Этот вопрос в физике остается открытым: сейчас непонятно, можно ли разрешить его в рамках Стандартной модели или потребуется выход за ее пределы.

RDMS — Russia and Dubna Member States, коллаборация России и стран — участниц Объединенного института ядерных исследований в Дубне — это коллектив физиков и инженеров, внесших большой вклад в строительство эксперимента CMS (Compact Muon Solenoid) Большого адронного коллайдера и в последующие работы на нем. CMS — один из двух экспериментов, на котором наблюдали бозон Хиггса.

 Александра Борисова

ФГУП ВНИИОФИ : Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений

Измерение физической величины (англ. measurement) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Примеры:

  • В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают ее размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчет, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).
  • С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчет.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Примечание. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения. Например, измерение конкретного момента времени по часам обычно производится один раз.

Многократное измерение – измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений.

Статическое измерение (англ. static measurement) – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.
Примеры

  • Измерение длины детали при нормальной температуре.
  • Измерение размеров земельного участка

Динамическое измерение (англ. dynamic measurement) – измерение изменяющейся по размеру физической величины.

Абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. Пример. Измерение силы F=mg основано на измерении основной величины – массы m и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы). Примечание. Понятие абсолютное измерение применяется как противоположное понятию относительное измерение и рассматривается как измерение величины в ее единицах. В таком понимании это понятие находит все большее и большее применение.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно. Примечание. Термин прямое измерение возник как противоположный термину косвенное измерение. Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей. В этом случае лучше применять термин прямой метод измерений.
Примеры

  • Измерение длины детали микрометром.
  • Измерение силы тока амперметром.
  • Измерение массы на весах.

Косвенное измерение – определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной. Примечание. Во многих случаях вместо термина косвенное измерение применяют термин косвенный метод измерений.

Совокупные измерения – проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Примечание. Для определения значений искомых величин число уравнений должно быть не меньше числа величин.

Совместные измерения – проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними.

Наблюдение при измерении (англ. observation) – операции, проводимые при измерении и имеющие целью своевременно и правильно произвести отсчет.

Отсчет показаний средства измерений – фиксация значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени.

Измерительный сигнал (англ. measurement signal) – сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине.

Измерительная информация (англ. measurement information) – информация о значениях физических величин.

Измерительная задача – задача, заключающаяся в определении значения физической величины путем ее измерения с требуемой точностью в данных условиях измерений.

Объект измерения – тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.

Область измерений – совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.

Вид измерений – часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.

Подвид измерений – часть вида измерений, выделяющаяся особенностями измерений однородной величины (по диапазону, по размеру величины и др.).

 

Вернуться к списку разделов

Что такое измерение в физике

Что такое измерение в физике

Измерение – это процесс определения длины, размера или количества вещества. С давних времен люди использовали несколько способов измерения длины. Физическая величина (например, длина) должна измеряться относительно некоторой фиксированной величины. Фиксированная величина, относительно которой измеряется физическая величина, называется единицей. Единица используется как эталон измерения.Раньше люди использовали разные части тела, такие как размах рук, локоть и сажень, для измерения длины.

Фут, темп и ярд – это некоторые другие единицы длины, основанные на частях тела. Однако эти устройства ненадежны, поскольку длина частей тела варьируется от человека к человеку. Таким образом, люди осознали необходимость

Стандартные единицы измерения

Стандартные единицы измерения Единицы, которые имеют фиксированное количество и не меняются от человека к человеку и от места к месту, называются стандартными единицами.Например, метрическая система, созданная французами в 1790 году, представляет собой стандартный набор единиц.

Принятие стандартных единиц измерения не решает проблемы. Люди в разных странах могут использовать разный набор стандартных единиц измерения. Ради единообразия ученые всего мира приняли единый набор единиц. Эта система называется Международной системой единиц или единицей СИ. Принятие единиц СИ в 1960 году облегчило ученым из разных стран обмен друг с другом своими результатами.

Единица измерения длины в системе СИ – метр. Некоторые общепринятые стандартные единицы длины – это дюйм, миллиметр, сантиметр и километр.

В зависимости от размера объекта, который нам нужно измерить, мы должны выбрать подходящую единицу измерения. Например, мы используем метры для измерения длины куска ткани, километры для измерения расстояния от одного места до другого, миллиметры для измерения толщины волос и так далее. Сантиметр (см) и миллиметр (мм) используются для измерения меньших расстояний, а километры (км) используются для измерения больших расстояний.

Один километр делится на 1000 равных участков, каждое из которых называется метром. Один метр делится на 100 равных частей, каждая из которых называется сантиметром, который снова делится на равные части. Каждое деление называется миллиметром.
Обычно используемые единицы длины:
10 миллиметров = 1 сантиметр (см)
100 сантиметров = 1 метр (м)
1000 метров = 1 километр (км)
Единицу измерения можно преобразовать в другую. Вот пример.

Пример 1: Раджу и его друг Ахил живут на расстоянии 2000 м друг от друга.Выразите расстояние между домами в километрах (км).
Решение: Мы знаем, что 1000 м = 1 км
Следовательно, 2000 м = 2 км
Следовательно, расстояние между двумя домами составляет 2 км.

1: Единицы и измерения – Physics LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Авторы и авторства

На эскизе изображена галактика Водоворот, которую мы исследуем в первом разделе этой главы.Галактики столь же огромны, как атомы малы, но одни и те же законы физики описывают и то, и другое вместе со всей остальной природой, что свидетельствует о единстве, лежащем в основе Вселенной. Законов физики на удивление мало, что подразумевает лежащую в основе простоту кажущуюся сложность природы. Из этого текста вы узнаете о законах физики. Может показаться, что галактики и атомы далеки от вашей повседневной жизни, но когда вы начнете изучать этот обширный предмет, вы скоро поймете, что физика играет в вашей жизни гораздо большую роль, чем вы думали вначале, независимо от ваших жизненных целей. или выбор карьеры.

  • 1.1: Введение в единицы и измерения
    Законов физики на удивление мало, что подразумевает лежащую в основе простоту кажущуюся сложность природы. Из этого текста вы узнаете о законах физики. Может показаться, что галактики и атомы далеки от вашей повседневной жизни, но когда вы начнете изучать этот обширный предмет, вы скоро поймете, что физика играет в вашей жизни гораздо большую роль, чем вы думали вначале, независимо от ваших жизненных целей. или выбор карьеры.
  • 1.2: Объем и масштаб физики
    Физика пытается найти простые законы, описывающие все природные явления. Он работает в широком диапазоне масштабов, включая длину, массу и время. Ученые пытаются описать мир, формулируя модели, теории и законы. Они используют порядки величин для отслеживания и сравнения явлений, происходящих в определенных масштабах.
  • 1.3: Единицы и стандарты
    Системы единиц состоят из небольшого числа основных единиц, которые определяются путем точных и точных измерений традиционно выбранных основных величин.Две обычно используемые системы единиц – это английские единицы и единицы СИ. Единицы СИ – это метрическая система единиц, то есть значения могут быть рассчитаны с коэффициентом 10. Базовыми единицами измерения длины, массы и времени СИ являются метр (м), килограмм (кг) и секунда (с), соответственно.
  • 1.4: Преобразование единиц
    Умножение на коэффициенты преобразования позволяет количествам изменять единицы. Операция должна быть выполнена таким образом, чтобы единицы, от которых вы хотите избавиться, были отменены, а единицы, которые вы хотите получить, остались.Единицы подчиняются правилам алгебры, поэтому, например, если единица возведена в квадрат, необходимы два множителя, чтобы отменить ее.
  • 1.5: Анализ размеров
    Размерность физической величины – это просто выражение базовых величин, из которых она получена. Все уравнения, выражающие физические законы или принципы, должны быть согласованными по размерам. Этот факт можно использовать как помощь в запоминании физических законов, как способ проверить, возможны ли заявленные отношения между физическими величинами, и даже вывести новые физические законы.
  • 1.6: Оценки и расчеты Ферми
    Оценка – это приблизительное обоснованное предположение о значении физической величины, основанное на предыдущем опыте и здравом физическом рассуждении. Вот некоторые стратегии, которые могут помочь при оценке: 1) Получите большую длину из меньшей длины. 2) Получите площади и объемы из длин. 3) Получите массы из объемов и плотностей. 4) Если ничего не помогает, свяжите его. Один «сиг. Инжир.” Это хорошо. 5) Спросите себя: есть ли в этом смысл?
  • 1.7: Значимые цифры
    Точность измеренного значения означает, насколько близко результат измерения к принятому эталонному значению. Точность измеренных значений означает, насколько близко согласие между повторными измерениями. Значительные цифры выражают точность измерительного инструмента. При выполнении математических операций с измеренными значениями существуют правила стандартизации точности окончательного ответа.
  • 1.8: Решение задач в физике
    Три этапа процесса решения физических задач, используемых в этой текстовой карте, следующие: 1) Стратегия: Определите, какие физические принципы задействованы, и разработайте стратегию их использования. решать проблему.2) Решение: выполните математические вычисления, необходимые для получения численного решения с правильными единицами измерения. 3) Значимость: проверьте решение, чтобы убедиться, что оно имеет смысл, и оцените его значимость.
  • 1.A: Единицы и измерения (ответы)
  • 1.E: Единицы и измерения (упражнения)
  • 1.S: Единицы и измерения (сводка)

Миниатюра: на этом изображении может отображаться любое количество объектов.Это может быть водоворот в резервуаре с водой или коллаж из красок и блестящих бусинок, сделанный для художественного класса. Не зная размера объекта в единицах, которые мы все узнаем, таких как метры или дюймы, трудно понять, на что мы смотрим. Фактически, это изображение показывает галактику Водоворот (и сопутствующую ей галактику), диаметр которой составляет около 60 000 световых лет (около 6 × 10 17 км в поперечнике). (Источник: С. Беквит (STScI) Группа наследия Хаббла, (STScI / AURA), ЕКА, НАСА)

Авторы и авторство

  • Сэмюэл Дж.Линг (Государственный университет Трумэна), Джефф Санни (Университет Лойола Мэримаунт) и Билл Мобс со многими авторами. Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

Физические измерения и единицы измерения СИ

HelpYouBetter »Физика» Единицы и измерения »Физические измерения и единицы измерения СИ

Пожалуйста, прочтите эту статью, которая даст вам более простое описание необходимости измерения, основных величин и производные величины, система единиц, единицы измерения СИ, преимущества и определения единиц СИ и т. д.подробно.

Важность измерения в физике:

Столкнувшись с такими вопросами, как расстояние от Солнца до Земли, какова скорость света, какова масса электрона, каждый понимает важность измерения. С самых древних времен человек начал измерять различные физические величины общепринятыми методами. Его шаги использовались для измерения длины, а тень от солнца – для измерения времени. Но по мере развития науки эти типы измерений становились неадекватными.Он ввел точные и четко определенные методы измерения различных физических величин, благодаря которым он достиг совершенства в измерениях.

Измерение означает, что действие по измерению чего-либо или измерение определяется как процесс определения значения неизвестной величины путем сравнения ее с некоторым заранее определенным стандартом.

Что такое единица в физике?

Любая величина, которую можно измерить, называется физической величиной. Измерение физической величины всегда включает сравнение измеряемой величины с эталоном того же типа.Этот эталон, используемый для сравнения, называется единицей физической величины .

Стандартная единица измерения измерения определяется как единица измерения, имеющая фиксированное значение, которое не меняется от человека к человеку или от места к месту. Например, «секунда» – это стандартная единица измерения времени. Независимо от того, используется ли секунда тем или иным человеком, используется ли вторая в той или иной стране, она всегда представляет собой точно “одинаковую продолжительность”.Продолжительность секунды не меняется от человека к человеку или от места к месту. Фактически, куда бы мы ни пошли в мире, секунда имеет фиксированную продолжительность времени, которая никогда не меняется. Таким образом, «секунда» означает «одинаковую продолжительность» для всех. Итак, секунда – это стандартная единица измерения времени. Для единообразия измерений необходимо иметь стандартные единицы измерения.

Характеристики стандартной единицы

Желательные характеристики стандартной единицы:

  • Единица должна быть четко определена.
  • Он должен быть очень точным.
  • Он должен легко воспроизводиться.
  • Единица должна оставаться неизменной независимо от места, времени и физических условий.
  • Он должен быть легко сопоставим с другими аналогичными устройствами.

Разница между фундаментальными и производными величинами

Существуют определенные физические величины, которые нельзя объяснить с помощью других физических величин. Их называют фундаментальными величинами . Это длина, масса, время, электрический ток, температура, сила света и количество вещества.Единицы, используемые для измерения основных величин, называются основными единицами или основными единицами ; то есть основными единицами измерения являются единицы длины, массы, времени, электрического тока, температуры, силы света и количества вещества.

Количества, производные от основных величин, называются производными величинами . например объем, скорость и т. Д. Единицы производных величин называются производными единицами и вычитаются из основных единиц.например единицы плотности, скорости, силы, работы и т.д. производная единица.

Итак, вкратце, мы можем записать разницу между фундаментальными и производными величинами как:

  • Фундаментальные величины – это базовые величины системы единиц, которые не зависят от других физических величин.
  • Производные количества – это количества, производные от основных величин.

Другая система единиц

Система единиц – это набор связанных единиц, включая как основные, так и производные единицы, которые используются для вычислений. Некоторые единицы существуют более чем в одной системе единиц.

Для измерения физических величин используются следующие системы единиц:

  • C.G.S Unit

    C.Система единиц G.S. (Сантиметр, Грамм, Вторая система) – французская система. Эта система имеет дело только с тремя основными единицами измерения – сантиметром, граммом и секундой для длины, массы и времени соответственно.

  • F.P.S Unit

    F.P.S. Система единиц (фут, фунт, секунда) – британская система. Эта система имеет дело только с тремя основными единицами измерения длины, массы и времени – футом, фунтом и секундами.

  • M.K.S Единицы

    M.К.С. Система единиц (Метр, Килограмм, Вторая система) была создана во Франции. Эта система также имеет дело с тремя основными единицами измерения: метр, килограмм и секунда для длины, массы и времени соответственно. Эта система также называется метрической системой единиц и тесно связана с системой единиц C.G.S.

  • Единицы измерения СИ

    Система измерения, принятая в настоящее время на международном уровне, – это система, предложенная Одиннадцатой генеральной конференцией мер и весов, состоявшейся в 1960 году во Франции, и известная как Международная система объединений или Международная система мер. Единицы сокращенно обозначаются как единицы измерения СИ.
    Согласно этой системе, существует семь основных или основных единиц и три дополнительных единицы. Основные единицы:

        • метр (м) для длины,
        • килограмм (кг) для массы,
        • секунды (с) для времени,
        • Кельвина (K) для температуры,
        • ампер (А) для электрического тока,
        • кандела (кд) для силы света и
        • моль (моль) для количества вещества.

    Дополнительные единицы:

        • радиан (рад) для угла,
        • стерадиан (ср) для телесного угла,
        • беккерель (Бк) для радиоактивности.

Список единиц СИ

Список единиц СИ основных и дополнительных величин и символы, используемые для их представления, указаны в таблице ниже.

Sl. No Физическое количество Единица Обозначение агрегата
1. Длина Метр м
2. Масса Килограмм кг
3. Время Секунда с
4. Температура Кельвин K K Электрический ток Ампер A
6. Сила света Кандела кд
7. Количество вещества Мол. Основные величины и их единицы в системе СИ

Sl.Номер Физическое количество Единица Символ для агрегата
1. Угол Радиан рад
Сплошной sr
3. Радиоактивность Беккерель Бк

Список единиц СИ 2: Дополнительные величины и их единицы СИ

Список единиц СИ для некоторых производных величин и символов, используемых для представляют их приведены ниже.

Объем 903
Sl. Номер Физическое количество Единица Символ для единицы
1. Площадь Квадратный метр м 2
Кубический метр м 3
3. Плотность килограмм на кубический метр кг / м 3
4. Скорость метров в секунду м / с
5. Ускорение метров в секунду в квадрате м / с 2
6. Сила N
7. Работа, Энергия Джоуль Дж
8. Мощность Вт Вт
9. Давление Давление Ньютона на квадратный метр Н / м 2
10. Поверхностное натяжение Ньютон на метр Н / м
11. Крутящий момент Ньютон-метр Нм
12. Электрический заряд
13. Электрический потенциал Вольт В
14. Электрическое сопротивление Ом Ом
15. Магнитная индукция Тесла Тесла Световой поток Люмен лм

Список единиц СИ 3: Некоторые производные единицы СИ

Единицы СИ и размерные формулы для более чем 100 физических величин написаны в моей предыдущей статье о размерах и размерный анализ физических величин.

Преимущества единиц СИ

Система единиц СИ имеет несколько явных преимуществ перед всеми другими используемыми системами. Основные преимущества единиц СИ заключаются в следующем:

  • Единицы СИ проще, чем все другие системы единиц.
  • Система единиц СИ является всеобъемлющей. то есть семь основных единиц системы СИ охватывают все отрасли науки, техники и технологий.
  • СИ – рациональная система единиц. , то есть , эта система использует одну единицу для одной физической величины.
  • Система единиц СИ согласована. то есть Все производные единицы могут быть легко получены из основных и дополнительных единиц путем их умножения или деления.
  • Основные единицы СИ удовлетворяют всем характеристикам, которыми должна обладать единица.
  • Система единиц СИ – это метрическая система. , т. Е. кратных и подкратных единиц можно легко выразить как степень 10.
  • единиц СИ признаны на международном уровне.

Определения единиц СИ

Ниже приведены определения основных единиц СИ:

  • Определение счетчика

    Метр (м) – это единица длины. Счетчик определяется как длина, равная 1 650 763,73 длины волны оранжево-красного света, излучаемого атомом Криптона-86 в электрическом разряде.С 1983 года стандартный метр определяется как длина пути, пройденного светом в вакууме за секунду.

  • Определение килограмма

    Килограмм (кг) – единица измерения массы. Килограмм определяется как масса платино-иридиевого цилиндра, хранящегося в Международном бюро мер и весов в Севре во Франции.

  • Секунда определения

    Секунда (с) – единица времени. Второй определяется как время, необходимое для 9 192 631 770 циклов излучения, которое вызывает переход атомов цезия – 133 между двумя указанными более низкими энергетическими полосами.

  • Определение Кельвина

    Кельвин (К) – единица измерения температуры. Кельвин определяется как термодинамическая температура тройной точки воды (тройная точка – это температура, при которой сосуществуют три состояния воды, то есть лед, вода и водяной пар).

  • Определение ампер

    Ампер (А) – это единица измерения электрического тока. Ампер – это тот постоянный ток, который, если поддерживать его в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины и с ничтожно малой площадью поперечного сечения и помещать на расстоянии одного метра в вакууме, создавал бы силу 2 x 10 -7 Ньютон / метр между ними. .

  • Кандела Определение

    Кандела (кд) – это единица силы света. Кандела определяется как сила света в направлении, перпендикулярном поверхности квадратного метра площади черного тела, сохраняемой при температуре замерзания платины под давлением 101,325 Н / м 2 .

  • Определение моля

    Моль (моль) – это единица измерения количества вещества. Моль – это количество вещества, которое содержит столько элементарных единиц, сколько атомов углерода ровно в 0.012 кг углерода-12.

Определения дополнительных единиц СИ приведены ниже:

  • Определение беккереля

    Беккерель (Бк) – это единица измерения радиоактивности. Беккерель определяется как количество радиоактивного вещества, которое разрушается один раз в секунду. Ранее единицей радиоактивности была кюри.

Итак, позвольте мне завершить эту тему, задав один вопрос;

Зачем нужны стандартные единицы измерения?

Стандартные единицы измерения необходимы, потому что отсутствие стандартной единицы измерения приведет к путанице и потере времени при постоянном преобразовании одной единицы в другую.Итак, ради единообразия, ученые со всего мира приняли систему единиц измерения СИ в качестве стандартной системы единиц измерения, и теперь СИ используется в качестве официальной системы измерения почти во всех странах мира, кроме США. Штаты, Мьянма и Либерия.

Итак, это все об основах измерения в физике и единицах измерения СИ. Если вы хотите узнать больше об измерениях, подумайте о прочтении других моих статей по теме о различных ошибках, возникающих при измерениях, размерах, размерных формулах и размерном анализе физических величин, различных диаграммах, используемых для измерения и т. Д.

Надеюсь, вам понравилось читать эту статью об измерениях в физике, и если вы считаете, что я что-то упустил или у вас есть какие-либо предложения, дайте мне знать в комментариях.

Также, если вы найдете эту статью полезной, не забудьте поделиться ею на Facebook.

1.3 Язык физики: физические величины и единицы

Точность, прецизионность и значащие числа

Наука основана на экспериментах, требующих точных измерений.Достоверность измерения можно описать с точки зрения его точности и точности (см. Рис. 1.19 и рис. 1.20). Точность – это насколько измерение близко к правильному значению для этого измерения. Например, предположим, что вы измеряете длину стандартного листа бумаги для принтера. На упаковке, в которой вы приобрели бумагу, указано, что она имеет длину 11 дюймов, и предположим, что указанное значение верное. Вы трижды измеряете длину бумаги и получаете следующие размеры: 11.1 дюйм, 11,2 дюйма и 10,9 дюйма. Эти измерения довольно точны, потому что они очень близки к правильному значению 11,0 дюймов. Напротив, если бы вы получили размер в 12 дюймов, ваше измерение не было бы очень точным. Вот почему измерительные приборы калибруются на основе известного измерения. Если прибор постоянно возвращает правильное значение известного измерения, его можно безопасно использовать для поиска неизвестных значений.

Рис. 1.19. Механические весы с двумя чашами используются для сравнения различных масс.Обычно объект неизвестной массы помещается в одну чашу, а объекты известной массы – в другую. Когда стержень, соединяющий две посуды, расположен горизонтально, массы в обеих посуде равны. Известные массы обычно представляют собой металлические цилиндры стандартной массы, например 1 грамм, 10 грамм и 100 грамм. (Серж Мелки)

Рис. 1.20. В то время как механические весы могут считывать массу объекта только с точностью до десятых долей грамма, некоторые цифровые весы могут измерять массу объекта с точностью до ближайшей тысячной доли грамма.Как и в других измерительных приборах, точность шкалы ограничивается последними измеренными цифрами. Это сотые доли в изображенной здесь шкале. (Splarka, Wikimedia Commons)

«Точность» указывает, насколько хорошо повторные измерения чего-либо дают одинаковые или похожие результаты. Следовательно, точность измерений означает, насколько близки друг к другу измерения, когда вы измеряете одно и то же несколько раз. Один из способов анализа точности измерений – определение диапазона или разницы между самым низким и самым высоким измеренными значениями.В случае размеров бумаги для принтера наименьшее значение составляло 10,9 дюйма, а максимальное значение – 11,2 дюйма. Таким образом, измеренные значения отклонялись друг от друга не более чем на 0,3 дюйма. Эти измерения были достаточно точными, потому что они варьировались всего на долю дюйма. Однако, если бы измеренные значения были 10,9 дюймов, 11,1 дюймов и 11,9 дюймов, тогда измерения не были бы очень точными, потому что есть много отклонений от одного измерения к другому.

Измерения в бумажном примере точны и точны, но в некоторых случаях измерения точны, но неточны, или они точны, но неточны.Давайте рассмотрим систему GPS, которая пытается определить местоположение ресторана в городе. Думайте о расположении ресторана как о самом центре мишени в яблочко. Затем представьте каждую попытку GPS определить местонахождение ресторана как черную точку в яблочко.

На рис. 1.21 вы можете видеть, что измерения GPS разнесены далеко друг от друга, но все они относительно близки к фактическому местоположению ресторана в центре цели. Это указывает на низкую точность измерительной системы с высокой точностью.Однако на рис. 1.22 измерения GPS сосредоточены довольно близко друг к другу, но они находятся далеко от целевого местоположения. Это указывает на высокую точность измерительной системы с низкой точностью. Наконец, на рис. 1.23 GPS является точным и точным, что позволяет определить местонахождение ресторана.

Рис. 1.21. Система GPS пытается определить местонахождение ресторана в центре мишени. Черные точки представляют каждую попытку определить местонахождение ресторана. Точки расположены довольно далеко друг от друга, что указывает на низкую точность, но каждая из них находится довольно близко к фактическому местоположению ресторана, что указывает на высокую точность.(Темное зло)

Рис. 1.22 На этом рисунке точки сосредоточены близко друг к другу, что указывает на высокую точность, но они находятся довольно далеко от фактического местоположения ресторана, что указывает на низкую точность. (Темное зло)

Рис. 1.23 На этом рисунке точки сосредоточены близко друг к другу, что указывает на высокую точность, и они находятся недалеко от фактического местоположения ресторана, что указывает на высокую точность. (Темное зло)

Неопределенность

Точность и прецизионность измерительной системы определяют неопределенность ее измерений.Неопределенность – это способ описать, насколько ваше измеренное значение отклоняется от фактического значения, которое имеет объект. Если ваши измерения не очень точны или точны, то неопределенность ваших значений будет очень высокой. В более общем плане неопределенность можно рассматривать как отказ от ответственности за ваши измеренные значения. Например, если кто-то попросил вас указать пробег вашего автомобиля, вы можете сказать, что это 45 000 миль, плюс-минус 500 миль. Сумма плюс или минус – это неопределенность в вашей стоимости.То есть вы указываете, что фактический пробег вашего автомобиля может составлять от 44 500 миль до 45 500 миль или где-то посередине. Все измерения содержат некоторую неопределенность. В нашем примере измерения длины бумаги мы могли бы сказать, что длина бумаги составляет 11 дюймов плюс-минус 0,2 дюйма или 11,0 ± 0,2 дюйма. Неопределенность измерения, A , часто обозначается как δA («дельта A »),

.

Факторы, способствующие неопределенности измерения, включают следующее:

  1. Ограничения измерительного прибора
  2. Навык человека, производящего измерение
  3. Неровности в измеряемом объекте
  4. Любые другие факторы, влияющие на результат (в значительной степени зависящие от ситуации)

В примере с бумагой для принтера неточность может быть вызвана: тем фактом, что наименьшее деление на линейке равно 0.1 дюйм, человек, использующий линейку, имеет плохое зрение или неуверенность, вызванную бумагорезательной машиной (например, одна сторона бумаги немного длиннее другой). Хорошей практикой является тщательное рассмотрение всех возможных источников неопределенности в измерение и уменьшение или устранение их,

Процент неопределенности

Один из методов выражения неопределенности – это процент от измеренного значения. Если результат измерения A выражается с погрешностью δ A , погрешность в процентах составляет

. 1.2% неопределенность = δAA × 100%.% Неопределенность = δAA × 100%.

Рабочий пример

Расчет процента неопределенности: мешок яблок

В продуктовом магазине продаются 5-фунтовые пакеты с яблоками. Вы покупаете четыре пакета в течение месяца и каждый раз взвешиваете яблоки. Вы получите следующие размеры:

  • Неделя 1 Вес: 4,8 фунта 4,8 фунта
  • Неделя 2 Вес: 5,3 фунта 5,3 фунта
  • Неделя 3 Вес: 4,9 фунта 4,9 фунта
  • 4 неделя вес: 5.4 фунта 5,4 фунта

Вы определили, что вес 5-фунтового мешка имеет погрешность ± 0,4 фунта. Какова процентная погрешность веса мешка?

Стратегия

Во-первых, обратите внимание, что ожидаемое значение веса мешка, AA, составляет 5 фунтов. Неопределенность этого значения, δAδA, составляет 0,4 фунта. Мы можем использовать следующее уравнение для определения процентной неопределенности веса

% Неопределенности = δAA × 100%.% Неопределенности = δAA × 100%.

Решение

Подставьте известные значения в уравнение

% Неопределенности = 0.4 фунта5 фунтов × 100% = 8%.% Погрешности = 0,4 фунта5 фунтов × 100% = 8%.

Обсуждение

Можно сделать вывод, что вес мешка с яблоками составляет 5 фунтов ± 8 процентов. Подумайте, как изменился бы этот процент неопределенности, если бы мешок с яблоками был вдвое меньше, но неопределенность в весе осталась бы прежней. Совет для будущих расчетов: при вычислении процентной погрешности всегда помните, что вы должны умножить дробь на 100 процентов. Если вы этого не сделаете, у вас будет десятичная величина, а не процентное значение.

Неопределенность в расчетах

Есть неопределенность во всех расчетах на основе измеренных величин. Например, площадь пола, рассчитанная на основе измерений его длины и ширины, имеет неопределенность, потому что и длина, и ширина имеют неопределенности. Насколько велика неопределенность в том, что вы вычисляете умножением или делением? Если измерения в расчетах имеют небольшую погрешность (несколько процентов или меньше), то можно использовать метод сложения процентов.В этом методе говорится, что процент неопределенности в величине, вычисленной путем умножения или деления, представляет собой сумму процентных погрешностей в элементах, использованных для выполнения расчета. Например, если пол имеет длину 4,00 м и ширину 3,00 м с погрешностями 2 процента и 1 процент соответственно, то площадь пола составляет 12,0 м 2 и имеет погрешность 3 процента ( выраженная как площадь, это 0,36 м ( 2 ), которую мы округляем до 0,4 м ( 2 , поскольку площадь пола дается с точностью до одной десятой квадратного метра).

Для быстрой демонстрации точности, прецизионности и неопределенности измерений, основанных на единицах измерения, попробуйте это моделирование. У вас будет возможность измерить длину и вес стола, используя единицы измерения в миллиметрах и сантиметрах. Как вы думаете, что обеспечит большую точность, точность и неопределенность при измерении стола и блокнота в моделировании? Подумайте, как природа гипотезы или вопроса исследования может повлиять на точность измерительного инструмента, необходимого для сбора данных.

Прецизионность измерительных инструментов и значащих цифр

Важным фактором точности и точности измерений является точность измерительного инструмента. В общем, точный измерительный инструмент – это инструмент, который может измерять значения с очень маленькими приращениями. Например, рассмотрите возможность измерения толщины монеты. Стандартная линейка может измерять толщину с точностью до миллиметра, а микрометр может измерять толщину с точностью до 0,005 миллиметра. Микрометр – более точный измерительный инструмент, потому что он может измерять очень небольшие различия в толщине.Чем точнее измерительный инструмент, тем точнее и точнее могут быть измерения.

Когда мы выражаем измеренные значения, мы можем перечислить только столько цифр, сколько мы первоначально измерили с помощью нашего измерительного инструмента (например, линейки, показанные на рисунке 1.24). Например, если вы используете стандартную линейку для измерения длины палки, вы можете измерить ее дециметровой линейкой как 3,6 см. Вы не можете выразить это значение как 3,65 см, потому что ваш измерительный инструмент не был достаточно точным, чтобы измерить сотую долю сантиметра.Следует отметить, что последняя цифра в измеренном значении была определена каким-то образом лицом, выполняющим измерение. Например, человек, измеряющий длину палки линейкой, замечает, что длина палки находится где-то между 36 и 37 мм. Он или она должны оценить значение последней цифры. Правило состоит в том, что последняя цифра, записанная в измерении, является первой цифрой с некоторой погрешностью. Например, последнее измеренное значение 36,5 мм состоит из трех цифр или трех значащих цифр.Количество значащих цифр в измерении указывает на точность измерительного инструмента. Чем точнее инструмент измерения, тем большее количество значащих цифр он может сообщить.

Рисунок 1.24 Показаны три метрические линейки. Первая линейка измеряется в дециметрах и может измерять до трех дециметров. Вторая линейка имеет длину в сантиметрах и может измерять три целых шесть десятых сантиметра. Последняя линейка в миллиметрах и может измерять тридцать шесть целых пять десятых миллиметра.

Нули

Особое внимание уделяется нулям при подсчете значащих цифр.Например, нули в 0,053 не имеют значения, потому что они всего лишь заполнители, которые определяют местонахождение десятичной точки. В 0,053 есть две значащие цифры – 5 и 3. Однако, если ноль встречается между другими значащими цифрами, нули имеют значение. Например, оба нуля в 10.053 значимы, поскольку эти нули были фактически измерены. Таким образом, заполнитель 10.053 содержит пять значащих цифр. Нули в 1300 могут иметь значение, а могут и не иметь значения, в зависимости от стиля написания чисел.Они могут означать, что число известно до последнего нуля, или нули могут быть заполнителями. Итак, 1300 может иметь две, три или четыре значащих цифры. Чтобы избежать этой двусмысленности, запишите 1300 в экспоненциальном представлении как 1,3 × 10 3 . Только значащие цифры приведены в множителе x для числа в экспоненциальном представлении (в форме x × 10yx × 10y). Таким образом, мы знаем, что 1 и 3 – единственные значащие цифры в этом числе. Таким образом, нули имеют значение, кроме случаев, когда они служат только в качестве заполнителей.В таблице 1.4 приведены примеры количества значащих цифр в различных числах.

Таблица 1.4
Номер Значимые цифры Обоснование
1,657 4 Нет нулей, и все ненулевые числа всегда значимы.
0,4578 4 Первый ноль – это только местозаполнитель для десятичной точки.
0,000458 3 Первые четыре нуля – это заполнители, необходимые для представления данных с точностью до десятитысячных.
2000,56 6 Три нуля здесь значимы, потому что они встречаются между другими значащими цифрами.
45 600 3 Без подчеркивания или научного обозначения мы предполагаем, что последние два нуля являются заполнителями и не имеют значения.
15895 00 0 7 Два подчеркнутых нуля значимы, а последний ноль – нет, так как он не подчеркнут.
5,457 × 10 13 4 В экспоненциальном представлении все числа перед знаком умножения являются значащими
6.520 × × 10 –23 4 В экспоненциальном представлении все числа перед знаком умножения значимы, включая нули.
Значимые цифры в расчетах

При объединении измерений с разной степенью точности и точности количество значащих цифр в окончательном ответе не может быть больше количества значащих цифр в наименее точном измеренном значении. Существует два разных правила: одно для умножения и деления, а другое – для сложения и вычитания, как описано ниже.

  1. Для умножения и деления: Ответ должен иметь такое же количество значащих цифр, что и начальное значение с наименьшим количеством значащих цифр.Например, площадь круга можно вычислить по его радиусу, используя A = πr2A = πr2. Посмотрим, сколько значащих цифр будет у площади, если в радиусе всего две значащие цифры, например, r = 2,0 м. Тогда, используя калькулятор, который хранит восемь значащих цифр, вы получите

    A = πr2 = (3,1415927 …) × (2,0 м) 2 = 4,5238934 м2. A = πr2 = (3,1415927 …) × (2,0 м) 2 = 4,5238934 м2.

    Но поскольку радиус состоит только из двух значащих цифр, вычисленная площадь имеет значение только до двух значащих цифр или

    , даже если значение ππ имеет значение не менее восьми цифр.

  2. Для сложения и вычитания : ответ должен иметь такие же числовые разряды (например, разряды десятков, разряды единиц, разряды десятков и т. Д.), Что и наименее точные начальные значения. Предположим, вы купили в продуктовом магазине 7,56 кг картофеля, измеренного по шкале с точностью 0,01 кг. Затем вы бросаете в свою лабораторию 6,052 кг картофеля, измеренного по шкале с точностью до 0,001 кг. Наконец, вы идете домой и добавляете 13,7 кг картофеля, измеренное на весах с точностью до 0.1 кг. Сколько у вас сейчас килограммов картошки и сколько значащих цифр уместно в ответе? Масса находится простым сложением и вычитанием:

    7,56 кг − 6,052 кг + 13,7 кг_ 15,208 кг 7,56 кг − 6,052 кг + 13,7 кг_ 15,208 кг

    Наименьшее измерение – 13,7 кг. Это измерение выражается с точностью до 0,1 десятичного знака, поэтому наш окончательный ответ также должен быть выражен с точностью до 0,1. Таким образом, ответ следует округлить до десятых, получая 15,2 кг. То же верно и для недесятичных чисел.Например,

    6527,23 + 2 = 6528,23 = 6528,6527,23 + 2 = 6528,23 = 6528.

    Мы не можем указать десятичные разряды в ответе, потому что 2 не имеет значимых десятичных знаков. Следовательно, мы можем отчитаться только до одного места.

    Рекомендуется оставлять лишние значащие цифры при вычислении и округлять до правильного числа значащих цифр только в окончательных ответах. Причина в том, что небольшие ошибки из-за округления при вычислении иногда могут привести к значительным ошибкам в окончательном ответе.В качестве примера попробуйте вычислить 5,098– (5.000) × (1010) 5,098– (5.000) × (1010), чтобы получить окончательный ответ только на две значащие цифры. Учет всего значимого во время расчета дает 48. Округление до двух значащих цифр в середине расчета изменяет его до 5 100 – (5.000) × (1000) = 100, 5 100 – (5.000) × (1000) = 100, что является способом выключенный. Точно так же вы бы избегали округления в середине вычислений при подсчете и ведении бухгалтерского учета, когда нужно аккуратно сложить и вычесть много маленьких чисел, чтобы получить, возможно, гораздо большие окончательные числа.

Значимые цифры в этом тексте

В этом учебнике предполагается, что большинство чисел состоит из трех значащих цифр. Кроме того, во всех проработанных примерах используется постоянное количество значащих цифр. Вы заметите, что ответ, данный для трех цифр, основан на вводе как минимум трех цифр. Если на входе меньше значащих цифр, в ответе также будет меньше значащих цифр. Также уделяется внимание тому, чтобы количество значащих цифр соответствовало создаваемой ситуации.В некоторых темах, таких как оптика, будет использоваться более трех значащих цифр. Наконец, если число является точным, например, 2 в формуле, c = 2πrc = 2πr, это не влияет на количество значащих цифр в вычислении.

Рабочий пример

Приблизительные огромные числа: триллион долларов

Дефицит федерального бюджета США в 2008 финансовом году был немногим больше 10 триллионов долларов. Большинство из нас не имеют представления о том, сколько на самом деле стоит даже один триллион.Предположим, вам дали триллион долларов банкнотами по 100 долларов. Если вы составили стопки по 100 купюр, как показано на рис. 1.25, и использовали их для равномерного покрытия футбольного поля (между концевыми зонами), сделайте приблизительное представление о том, насколько высокой станет стопка денег. (Здесь мы будем использовать футы / дюймы, а не метры, потому что футбольные поля измеряются в ярдах.) Один из ваших друзей говорит, что 3 дюйма, а другой говорит, что 10 футов. Как вы думаете?

Рис. 1.25. Банковская стопка содержит сто банкнот по 100 долларов и стоит 10 000 долларов.Сколько банковских стеков составляет триллион долларов? (Эндрю Мэджилл)

Стратегия

Когда вы представляете себе ситуацию, вы, вероятно, представляете себе тысячи маленьких стопок по 100 завернутых банкнот по 100 долларов, которые вы могли бы увидеть в фильмах или в банке. Поскольку это величина, которую легко оценить, давайте начнем с нее. Мы можем найти объем стопки из 100 купюр, узнать, сколько стопок составляют один триллион долларов, а затем установить этот объем равным площади футбольного поля, умноженной на неизвестную высоту.

Решение

  1. Рассчитайте объем стопки из 100 купюр. Размеры одной банкноты составляют примерно 3 на 6 дюймов. Пачка из 100 таких банкнот имеет толщину примерно 0,5 дюйма. Таким образом, общий объем стопки из 100 купюр равен объем стопки = длина × ширина × высота, объем стопки = 6 дюймов × 3 дюйма × 0,5 дюйма, объем стопки = 9 дюймов. 3. объем стопки = длина × ширина × высота, объем стопки = 6 дюйма × 3 дюйма × 0,5 дюйма, объем стопки = 9 дюймов 3.
  2. Подсчитайте количество стопок.Обратите внимание, что триллион долларов равен 1 × 1012 $ 1 × 1012, а стопка из ста 100-долларовых банкнот равна 10000, 10000 долларов или 1 × 104 доллара 1 × 104. Количество стопок у вас будет

    . 1,3 $ 1 × 1012 (триллион долларов) / 1 × 104 доллара на стек = 1 × 108 стеков. 1 доллар × 1012 (триллион долларов) / 1 × 104 доллара на стек = 1 × 108 стеков.
  3. Вычислите площадь футбольного поля в квадратных дюймах. Площадь футбольного поля составляет 100 ярдов × 50 ярдов 100 ярдов × 50 ярдов, что дает 5 000 ярдов 25 000 ярдов2.Поскольку мы работаем в дюймах, нам нужно преобразовать квадратные ярды в квадратные дюймы

    Площадь = 5000 ярдов2 × 3 фут1 ярд × 3 фут1 ярд × 12 дюймов 1 фут × 12 дюймов 1 фут = 6 480 000 дюймов 2, Площадь ≈6 × 106 дюймов 2 Площадь = 5000 ярдов2 × 3 фут1 ярд × 3 фут1 ярд × 12 дюймов 0,1 фут × 12 дюймов 1 фут = 6 480000 дюймов 2, Площадь ≈6 × 106 дюймов 2.

    Это преобразование дает нам 6 × 106 дюймов 26 × 106 дюймов 2 для площади поля. (Обратите внимание, что в этих расчетах мы используем только одну значащую цифру.)

  4. Рассчитайте общий объем купюр.Объем всех стопок банкнот по 100 долларов составляет 9 дюймов 3 / стопку × 108 стопок = 9 × 108 дюймов 39 дюймов / стопку × 108 стопок = 9 × 108 дюймов 3
  5. Рассчитайте высоту. Чтобы определить высоту купюр, используйте следующее уравнение объем купюр = площадь поля × высота денег Высота денег = объем купюр площадь поля Высота денег = 9 × 108 дюймов 36 × 106 дюймов 2 = 1,33 × 102 дюймов Высота денег = 1 × 102 дюйма = 100 дюймы объем купюр = площадь поля × высота денег Высота денег = объем купюр площадь поля Высота денег = 9 × 108 дюймов36 × 106 дюймов 2 = 1,33 × 102 дюйма Высота монеты = 1 × 102 дюйма = 100 дюймов

    Высота денег будет около 100 дюймов. Преобразование этого значения в футы дает

    . 100 дюймов × 1 фут 12 дюймов = 8,33 футов ≈ 8 футов 100 дюймов × 1 фут 12 дюймов = 8,33 футов ≈ 8 футов

Обсуждение

Окончательное приблизительное значение намного выше, чем ранняя оценка в 3 дюйма, но другая ранняя оценка в 10 футов (120 дюймов) была примерно правильной. Как это приближение соответствует вашему первому предположению? Что это упражнение может сказать вам с точки зрения приблизительных оценок , и тщательно рассчитанных приближений?

В приведенном выше примере окончательное приблизительное значение намного выше, чем ранняя оценка первого друга в 3 дюйма.Однако ранняя оценка другого друга в 10 футов (120 дюймов) была примерно верной. Как это приближение соответствует вашему первому предположению? Что это упражнение может предложить о значении приблизительных оценок , и тщательно рассчитанных приближений?

Его значение, необходимость, виды физических величин, их единицы

Наука> Физика> Единицы и измерения> Измерение и его необходимость

В этой статье мы изучим значение термина «измерение» и его важность в области науки и техники.

«Когда вы можете измерить то, о чем говорите, и выразить это числами, вы кое-что об этом узнаете; но когда вы не можете выразить это числами, ваши знания скудны и относятся к неудовлетворительным ». – Лорд Кельвин

Фигура:

Физика – это наука об измерениях. Измерение – это количественное описание одного или более фундаментальные свойства по сравнению со стандартом. Измерение количество указано в двух частях, первая часть дает, сколько раз стандартная единица, а вторая часть дает название единицы e.грамм. 5 мес.

числовое значение физической величины обратно пропорционально ее единице. Например: сантиметр (см) меньше метра (м), а 5 м = 500 см. Мы видим, что большее число связано с меньшим блоком. и меньшее число связано с большей единицей. Если n 1 и n 2 – числовые значения физической величины в двух различных единицы говорят u 1 и u2 соответственно. Мера физической величины зависит от используемой системы единиц.Тогда

n 1 (u 1 ) = n 2 (u 2 )

Необходимость измерения:

Измерение это та операция, с помощью которой мы сравниваем физическую величину с выбранной единицей за это количество. В науке и технике мы проводим эксперименты. В течение эксперименты, мы должны снимать показания. Таким образом, все эти эксперименты требуют некоторых измерения должны быть сделаны. При производстве механических изделий у нас есть для измерения деталей, чтобы определить, изготовлена ​​ли деталь в соответствии со спецификациями.Таким образом измерения необходимы для производства и контроля качества.

Типы измерений:

В зависимости от Метод, измерения подразделяются на два типа: а) Прямое измерение и б) Косвенное измерение

Прямое измерение:

Когда измерения проводятся непосредственно с использованием инструментов, инструментов или других калиброванных измерительных устройств, они называются прямыми измерениями, например Измерение длины стола по метровой шкале.

Косвенное измерение:

Когда измерение должно производиться с помощью формулы или других расчетов, измерение называется косвенным измерением, например Измерение радиуса Земля.

Единицы измерения:

Для любого измерение, требуется число и единица измерения. Когда мы говорим, что время пришло 5 секунд, то мы имеем в виду, что указанное время в 5 раз больше определенного стандартное время называется 1 секунда.

Единица – это выбранная величина физической переменной, с точки зрения которой другие величины можно выразить ту же переменную.Измерение без единицы не имеет смысла.

Критерии выбора единицы:

Выбор единицы зависит от величины рассматриваемой величины. Например, когда мы измеряем диаметр стержня, мы должны использовать миллиметр как единицу. Когда мы измеряем высоту башни, мы должны использовать метр как единицу измерения. Когда мы измеряем расстояние между двумя городами, мы должны использовать километр как единицу. Когда мы измеряем расстояние между двумя звездами, мы должны использовать световые годы как единицу.Это ясно указывает на то, что, когда величина измерения увеличивается, единица измерения, используемая для измерения, должна быть больше. Единица не должна быть ни слишком маленькой, ни слишком большой по сравнению с измеряемой физической величиной.

Точность измерения также влияет на выбор единицы измерения. В случае строительства помещения, где точность не является основным критерием, в качестве единиц измерения используются метр или фут. Но при создании ракеты важна точность, поэтому единицей измерения может быть миллиметр или микрометр.Таким образом, когда важна точность, то единицы измерения, используемые для измерения, должны быть меньшего размера.

Требования стандарта:

  • Стандарт должен быть легко доступен.
  • Стандарт должен быть неразрушаемым
  • Стандарт не должен изменяться со временем
  • Стандарт не должен меняться вместе с местом
  • Стандарт должен легко воспроизводиться

Характеристики стандартной единицы:

  • Он должен быть четко определен без каких-либо сомнений или двусмысленности.
  • Должен быть подходящего размера. т.е. ни слишком долго, ни слишком мало по сравнению с измеряемым количеством.
  • Он должен быть легко доступен.
  • Он должен быть неразрушаемым.
  • Не должно меняться со временем.
  • Не должно меняться с местом.
  • Он должен легко воспроизводиться.

Старые методы измерения:

для измерения Единицы измерения длины: палец, ладонь, размах, локоть, фут, ярд, сажень, фарлонг и др.
1 палец = 1 цифра, 4 цифры = 1 ладонь, 2 ладони = 1 размах, 2 пяди = 1 локоть.

  • 1 фарлонг: Это была длина борозды, которую вол (Буллок) мог пахать без отдыха.
  • 1 фарлонг = 220 ярдов
  • 1 фарлонг = 0.201168 км
  • 1 акр: Это область, которую вол может вспахать за день.
  • 1 акр = 4840 кв. Ярдов
  • 1 акр = 40000 кв. Футов

Мы видим, что эти стандарты могут варьироваться от человека к человеку и от животного к животному.Следовательно, эти единицы и стандарты были ненадежными. В 1799 году после революции новая республика Франции приняла метрическую систему, основанную на сантиметре, грамме и секунде (система сантиметров). Британия приняла эту систему в 1852 году только для научных целей. Комитет, состоящий из химика Антуана Лорана де Лавуазье и математика Жозефа Луи Лагранжа, предложил десятичную систему измерения.

В 1901 г. Итальянский инженер Джованни Джорджи предложил метрическую систему на основе метра, килограмм и секунда (М.К.С. система). Он был обновлен до системы S.I. путем добавления еще несколько фундаментальных единиц в 1960 году.

Типы физических величин:

Физический Количества – это те количества, которые поддаются измерению. Физические величины классифицируются как a) основные количества и b) производные количества

Основные количества:

Фундаментальный количества – это те количества, которые не зависят от других количеств для их измерения. Единицы фундаментальных величин называются основные единицы.Например, масса, длина, время и т. Д. Являются основными. количества, в то время как их единицы метр, килограмм, секунда и т. д. являются основными единицы.

Фундаментальные единицы не могут быть производными друг от друга и не могут быть далее разделены на другие более простые единицы.

Производные количества:

Производные количества – это те количества, измерения которых зависят от двух или более других величин. Единицы производных величин называются производными единицами. Например, плотность, ускорение, скорость, сила, импульс, давление и т. Д.являются производными величинами, в то время как их единицы кг м -3 , мс -2 , мс -1 , ньютон, кг-мс -1 , паскаль и т. д. являются производными единицами.

Следующая тема: Системы единиц (m.k.s., c.g.s, S.I.)

Наука> Физика> Единицы и измерения> Измерение и его необходимость

Введение в измерение

Введение в измерение
[Лаборатория Показатель]


Физика и измерения
“Путем сравнения результатов точных измерений с численными предсказаниями теории, мы можем приобретаем значительную уверенность в правильности теории, и мы может определить, в каких аспектах его необходимо изменить.это часто можно объяснить явление в нескольких грубых качественные способы, и если мы довольны этим, это может быть невозможно решить, какая теория верна. Но если теория может быть предоставленным, который правильно предсказывает результаты измерений четыре или пять (или даже две или три) значащих цифры, теория вряд ли может быть очень ошибочной. Грубое соглашение может быть совпадение, но близкого согласия вряд ли будет. Более того, в истории науки было много случаев, когда малые но значительные расхождения между теорией и точными измерения привели к разработке новых и более далеко идущие теории.Такие незначительные несоответствия даже не были бы обнаружены, если бы мы довольствовались простым качественное объяснение явлений ». – Кейт Р. Саймон, Механика, Второе издание , 1964

Ученые делают прогнозы. – прогнозы, основанные на их гипотезах, законы и теории. Проверка предсказания заключается в том, работает ли оно в «реальном мире» – сделайте результаты экспериментов совпадают с теоретическим предсказанием? Если результаты не совпадают (и эти результаты подтверждены другими компетентными учеными) то гипотеза, на основании которой был сделан прогноз, должна быть изменена или заброшенный.Высшим авторитетом в науке является природа, а не то, что она говорится в книге “.

Вы, возможно, не думали об этом, но когда вы решаете “физику” проблема “в учебнике вы делаете теоретический прогноз. Когда вы рассчитываете, что в какой-то ситуации автомобиль должен занести 20 метров, Настоящая проверка правильности вашего результата – это настоящая машина действительно занесло бы 20 метров в этой ситуации – не то, что книга говорит “в” разделе ответов.«

Физика – это количественная наука. Физики занимаются числа – но , а не просто числа математика. Этот – важный момент, который часто упускают из виду начинающие физики. Числа физиков часто (или могут быть) измерений , а не чистые числа математик.

Следовательно, физики измеряют вещи. Измерение очень важно в физике – физики серьезно относятся к измерениям.Один из основных вкладов физики в другие науки и общество многие измерительные приборы и методы, которыми располагает физика развитый. В «повседневной жизни» берем линейку и измеряем что-то, не задумываясь об этом. Физики думают о их измерения, и нужно иметь гораздо более сложные понимание процесса измерения, чем у «нормальных» людей.

Начинающие физики часто имеют очень искаженное представление обо всех это.Вы, возможно, помните, как проводили эксперимент, например, определяли ускорение свободного падения. Ускорение свободного падения “должно быть “9,8 м / с 2 – это все знают. Ваш” ответ “пришел 10,3 м / с 2 , значит, ваш эксперимент “не сработал” – вы «по ошибке» – возможно, вы даже вычислили свой «процент ошибки». Многих начинающих физиков обременяют следующие заблуждения (которые мы постараемся исправить в страницы):

  • Размеры – числа, и…
  • Существуют точные значения физических величин (например, ускорение свободного падения) и …
  • Кто-нибудь (возможно, известный физик) знает, что это за точные значения, и …
  • Мои значения всегда неверны, так что …
  • Физические эксперименты “не работают”.

Итак, этот блок начинается с краткого знакомства с четырьмя типами чисел, с которыми должен иметь дело физик-экспериментатор, с последующим подробным обсуждением процесса измерения – что точность в том, почему это вызывает беспокойство и как с этим бороться в замеры и расчеты.Затем идет обсуждение точность, и, наконец, прямые ответы на вопрос “Хорошо, а как я вообще-то анализирую этот эксперимент? »


Содержание единицы измерения


Литература и ссылки:
  • Робертс, Дана, «Ошибки, неточности и характер физика », Учитель физики, март 1983 г. – очень полезный вступление; ссылка, которую я использовал в течение многих лет.
  • Тейлор, Джон Р. “Введение в анализ ошибок – Исследование неопределенностей физических измерений, во-вторых. Edition », University Science Books – Это действительно фантастическая ссылка! К сожалению, я нашел его после того, как написал первый черновик этого блока … (но теперь я замечаю, что это упоминается и Робертсом …)
  • Ошибка Анализ – пишется на уровне первокурсника колледжа (без расчетов) проф.Дональд Э. Симанек из Университета Лок-Хейвен. (добавлено в марте 4, 1999)
  • NIST Физика Лаборатория – много полезной информации из Национального Институт науки и технологий
  • NIST Ссылка на константы, единицы измерения и неопределенность – очень информативно и интересно – возможно немного технического
  • Точность и Точность – написано профессиональным геодезистом
  • Точность, Точность и неопределенность измерения – краткое руководство с точки зрения химии
  • г. Наука измерения – точность vs.Точность – от Гавайи
  • Точность против точности и ошибки против неопределенности – учебное пособие с практическая викторина
  • Ошибка, Точность и прецизионность – от Университета Колорадо
  • Точность и точность – еще одна перспектива химии
  • Точность и точность – хорошее обсуждение

[Лаборатория Показатель]
последнее обновление 13 октября 2008 г., автор: JL Stanbrough

Измерение массы Роном Куртусом

SfC Home> Физика> Материя>

Рона Куртуса (от 18 марта 2016 г.)

Измерение массы объекта выполняется относительно стандартной заданной массы. Международная система единиц (СИ) Стандартная единица массы – килограмм. Он представлен прототипом килограммового объекта.

Обычный способ измерить массу объекта – сравнить его вес с весом стандартного или известного объекта на весах.

Менее распространенные и более сложные способы определения массы объекта – это увидеть, сколько силы требуется для ускорения объекта, или найти гравитационную силу, притягивающую неизвестную массу к известной массе.

Вопросы, которые могут у вас возникнуть:

  • Что такое стандартная единица массы?
  • Как определить массу на рычаге или шкале?
  • Какие еще способы измерения?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Конвертация единиц



Стандартная единица массы

Стандартная единица массы была первоначально определена в 1795 году как масса одного кубического сантиметра воды при температуре плавления воды (4 ° C).Поскольку грамм был слишком мал для коммерческого использования, стандарт был увеличен в 1000 раз до килограмма.

Также, чтобы избежать проблем с использованием воды, теперь используется твердый килограмм-прототип, изготовленный из таких материалов, как платино-иридиевый. Прототипы хранятся в стандартных лабораториях. Используемые килограммы веса являются копиями прототипов.

Сравнение по шкале

Хотя масса и вес – это не одно и то же, они связаны уравнением:

Вт = мг

где

  • W – вес объекта
  • м его масса
  • g – ускорение свободного падения

Это означает, что соотношение масс двух объектов равно отношению их весов:

Вт 1 / Вт 2 = м 1 / м 2

Таким образом, масса объекта обычно определяется путем сравнения его веса со стандартным весом на весах.Вы можете отрегулировать стандартные веса или положение точки опоры, чтобы сбалансировать весы и определить массу объекта.

Пример

Пример определения массы по шкале – использование простого рычага:

Использование простого рычага для измерения массы

Уравнение для определения массы измеряемого груза:

м = M d E / d L

где

  • м – масса измеряемого груза
  • M – масса стандартной массы
  • d E – расстояние до точки опоры от стандартных масс
  • d L – расстояние до точки опоры от измеряемого веса

Добавляя или вычитая веса из M или перемещая точку опоры, вы уравновешиваете веса и определяете значение для m .

(Для получения дополнительной информации см. Машины> Увеличение силы с помощью рычага.)

Прочие измерения

Вы также можете определить массу объекта путем измерения силы, необходимой для ускорения объекта, или путем измерения силы тяжести между двумя объектами. Однако эти методы не являются простыми и легкими.

Масса и инерция

Согласно закону инерции Ньютона , объектам требуется приложенная к ним сила, чтобы изменить их движение.Уравнение для этого:

F = ma

где:

  • F – приложенная сила
  • м – масса объекта
  • а это его ускорение

Это означает, что если мы знаем величину силы, воздействующей на объект, и мы измеряем его ускорение или скорость, с которой он меняет свою скорость, мы можем вычислить массу объекта.

( См. Законы движения Ньютона, чтобы узнать больше о его Законе инерции. )

Масса и гравитация

Всякая материя обладает свойством обладать гравитационным полем. Универсальный закон тяготения Ньютона гласит, что сила притяжения между двумя объектами соответствует уравнению

F = GMm / r 2

где:

  • F – сила притяжения между двумя объектами
  • G – универсальная гравитационная постоянная = 6.67 * 10 -11 Н-м 2 / кг 2
  • M – известная масса
  • м – масса неизвестна
  • r 2 – квадрат расстояния между центрами двух объектов

( См. Универсальное уравнение гравитации для получения дополнительной информации. )

Таким образом, если вы можете измерить силу между двумя объектами, знать массу одного и знать расстояние между ними, вы можете измерить массу другого объекта.Однако проблема в том, что объекты должны быть очень большими, чтобы силу можно было измерить.

Сводка

Масса объекта может быть измерена относительно стандартной массы. Обычный способ измерить массу объекта – сравнить его вес с весом стандартного или известного объекта на весах.

Менее распространенные и более сложные способы определения массы объекта – это увидеть, сколько силы требуется для ускорения объекта, или найти гравитационную силу, притягивающую неизвестную массу к известной массе.


Не бойтесь мечтать о великих мыслях


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

Сайты

Килограмм – Википедия

Материальные ресурсы

Физические ресурсы

Книги

Книги с самым высоким рейтингом по вопросам

Книги по физике с самым высоким рейтингом


Вопросы и комментарии

У вас есть вопросы, комментарии или мнения по этой теме? Если да, отправьте свой отзыв по электронной почте.Я постараюсь вернуться к вам как можно скорее.


Поделиться страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *