Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. И так мы с вами закончили изучение первого круга школьной физики в рамках общеобразовательной школы за 7 и 8 классы, но еще раз повторим, что это курс с углубленным ее изучением и начинаем второй круг изучения еще на более качественном и сложном уровне. Но прежде всего давайте вспомним какие большие разделы мы с вами прошли:
- далее, согласно, разобранными нами в первой лекции физическими явлениями мы познакомились с: механическими, тепловыми, звуковыми, электрическими, магнитными, оптическими и квантовыми явлениями.
Изучение первого круга физики была своеобразной экскурсией по физической науке, очень серьезных задач мы с вами не решали, некоторые положения мы, просто, приводили и принимали их на веру и сейчас мы начинаем изучение физики с начала опять с самых первых шагов, с азов, но только на другом уровне. Теперь все что мы будем приводить или почти все будет доказываться строго, математический аппарат, которым мы с вами будем пользоваться будет значительно богаче, чем тот которым мы пользовались, а это, значит, что это даст нам возможность решать гораздо более интересные задачи, так что давайте настроимся на то, что нам придется очень серьезно поработать при изучении второго круга физики, который проходят в рамках школьной физики в 9-11 классах. И снова мы будем изучать механические, тепловые, электрические, магнитные, световые явления и снова мы будем заканчивать изучение физики темами атомной и ядерной физики, но уже на совершенно новом качественном уровне. Мы познакомимся с такими вещами, которые мы себе даже не можем вообразить. Например, мы узнаем, что электрон обладает свойствами волны, мы узнаем, что при очень высоких скоростях движение тел не подчиняется обычным законам механики, что скорость света - это предельно большая скорость и все это мы узнаем на наших следующих лекциях.
Ну а сейчас мы начинаем физику опять сначала и поэтому первое о чем пойдет речь, как и в первом круге изучения физики - это физические величины и их измерение. Это тема которую мы с вами начинаем. Давайте напомним себе, что в первой части изучения физики мы эту тему уже проходили, но кроме того, мы с вами начинаем изучать способы определения точности физических величин и как можно эту точность изобразить и раздел который мы начинаем изучать, называется теорией погрешностей. Мы будем ею пользоваться при выполнении лабораторных работ. Нам не нужно будет, просто, привести значение какой-то физической величины, указать его, а еще будет необходимо рассчитать ее точность.
И так...физика изучает природу, но как она это делает? Помните, что мы говорили о том, что сначала ученые наблюдают, потом для того, чтобы объяснить, что они наблюдают, они почувствовали, что необходимо каким-то образом вмешиваться в физические величины. Давайте вспомним как называется изучение физических явлений в искусственно созданных условиях? Такое изучение называется экспериментом. Т.е от наблюдения физики перешли к эксперименту. Эксперименты позволили выдвинуть какую-то гипотезу, о том почему явления происходят так или иначе. Для подтверждения этой гипотезы или для ее опровержения люди ставили новые эксперименты, а потом на основании этих экспериментов физики, или так скажем, естествоиспытатели строили теорию, т.е какую-то математическую модель, имеющую математическое описание. Следовательно, для того, чтобы можно было изучать окружающий нас мир, нам необходимо пользоваться математикой, а математика оперирует с какими-то величинами - числами.
И вот сейчас мы с вами поговорим как же появились в физике физические величины и что означает измерение. Давайте представим себе следующую ситуацию, мы обсуждаем погоду и говорим, что сегодня холодно или сегодня прохладное сентябрьское утро в отличии от прошлого дня. А на сколько это холодно? Когда мы говорим: "холодно" у нас возникает ощущение, которое у нас возникает на основании жизненного опыта. Жара - это тоже какое-то ощущение. Легкость или тяжесть у нас тоже возникает из-за какой-то мышечной памяти, тяжелый, длинный, короткий и т.д...Давайте представим себе, что каким-нибудь сентябрьским утром в аэропорту приземлилось два самолета, один прилетел из Гренландии, а второй прилетел из Эквадора. Гренландия находится далеко на севере, а Эквадор находится на экваторе Земли. И вот выходят пассажиры из самолета, что прилетел из Гренландии и говорят, что: "Ух, какая жара...", а пассажиры, прилетевшие из Эквадора выходят из самолета и их знобит от холода, потому что им холодно. Но, ведь, на самом деле, условия и для жителей Гренландии и для жителей Эквадора абсолютно одинаковые, потому что они вышли в одном и том же месте, в одном и том же аэропорту. Значит, то что холодно для одних, жарко для других. Т.е ощущение зависит от того, кто ощущает и другими словами понятие тепло и холодно пока что остается субъективным, т.е зависящим от наблюдателя, от того кто испытывает это ощущение. А каким же образом можно сделать так чтобы все люди получали одинаковый результат, одинаковую информацию, например, о состоянии атмосферы в аэропорту, в который прилетели наши самолеты.
Для получение всеми людьми одинакового результата необходимо ввести величину....А что это значит ввести величину? Чем отличается физическая величина от просто физического понятия? Холодно и тепло - это физическое понятие и что значит, что мы вводим физическую величину? Физическое понятие зависит от свойств наблюдателя, от его привычки от его образа жизни. А про физическую величину сказать, что она имеет точное значение...а что значит точное? Как мы можем описать его словами? Не зависит от наблюдателя, но мы описываем его с помощью числа. Так вот физическая величина - это физическое понятие, которое выражается с помощью числа. А как выразить физическое понятие с помощью физического числа? Измерить. Т.е провести измерение. Тогда мы сможем сформулировать, что такое физическая величина и давайте запишем строгое определение физической величины.
Физическая величина - это физическое понятие, выраженное числом, в процессе измерения.
Если величину нельзя измерить, то бессмысленно вообще этой величиной пользоваться. Т.е физическая величина имеет право на жизнь, только если существует способ измерения этой физической величины.
И давайте подробнее поговорим, что же такое физическое измерение. Что называется измерением? Что значит, например, что мы измерили ширину учительского стола? Мы ее сравнили с некоторым эталоном...А что такое эталон? В этой части курса это понятие еще не появилось в нашем лексиконе. Давайте себе отметим, то что в этом втором круге изучения физики каждое новое понятие, которое нам будет попадаться должно опираться на предыдущее понятие, которое мы изучали при первом круге изучения физики. Слово эталон на этой лекции еще не прозвучало, хотя чуть позже "прозвучит". Значит измерение - это сравнение, но с чем? С чем-то постоянным. С какой-то величиной принятой за единицу.
Вот, например, нам необходимо проверить пройдет ли наша школьная парта в дверной проем класса. Мы идем в мебельный магазин и хотим приобрести школьную парту, но она такая красивая и слишком большая и мы не уверены, что она поместится в нашу дверь и мы не сможем ее внести в наш класс и для измерения у нас с собой ничего нет. Как поступить? Например, можно посчитать сколько раз наша пядь помещается, например, в ширине парты. Предположим у нас получилось, что ширина нашей парты составляет 3,5 пяди и мы начинаем измерять в тех же пядях ширину дверного проема. И оказывается, что ширина нашей парты, как мы уже говорили, три с половиной пяди, а ширина проема пять пядей. Пройдет стол в такую дверь? Да, пройдет. И при этом мы сравнивали ширину нашей парты с размером нашей пяди. Можно, например, взять пядь взрослого человека, а можно взять пядь ребенка, которая меньше и результаты при этом будут разными. Можно взять в качестве единицы длину авторучки, важно чтобы при обоих измерениях у нас была одна и та же величина, но мы же не можем пользоваться разными пядями, если мы хотим построить физическую науку. Потому что в научном журнале мы не можем описать, что у нас была установка, в которой использовался проводник длиной четыре с половиной пяди. Нам нужно, чтобы все люди в мире понимали, что такое наша пядь. Т.е нам необходимо использовать какую-то единицу, которая является общепринятой и тогда мы сможем проводить измерения.
И так что же такое измерение...в первую очередь это сравнение физической величины с точно такой же физической величиной, принятой за единицу, мы говорим с однородной физической величиной. Мы же длину сравниваем с длиной? И так это и есть измерение. Давайте запишем строгую формулировку.
Измерением - называется процесс сравнения физической величины с однородной величиной, принятой за единицу.
А что же принять за единицу? Например, можно поступить так...нужен какой-то определенный отрезок длины, если речь идет об измерении длины, который мы будем условно считать единицей. Для этого нужно, что-то такое особенно важное и вот, например, взяли длину стопы короля Англии и приняли ее за единицу, король все-таки, он на всю страну один и назвали эту единицу - фут. Вот так, но ведь можно пользоваться и другими единицами. В других странах пользуются такими единицами длины, как локоть. У всех людей это расстояние примерно одинаковое, но точность, конечно очень не высокая. А потом король умрет и что фут менять нужно будет? И, конечно, договорились, чему он равен, но вот это все-таки еще не очень строгое определение. Нужно изготовить устройство, которое позволяло бы хранить единицу физической величины и воспроизводить ее. И это устройство мы и назовем тем словом, которое мы уже сегодня упоминали - это эталон.
Эталон - это устройство для хранения и воспроизведения единицы физической величины.
И самые распространенные физические величины - это длина, время и масса. Вот, например, как устроен эталон длины? Первый эталон длины назывался метром. Эталон метра был создан в 1893 году, во время французской революции, когда Французы хотели повернуть мир к лучшему, к порядку. И они придумали такой способ. Они очень тщательно измерили длину меридиана, проходящего через Париж и договорились, что 1 метр - это будет одна сорока миллионная длины Парижского меридиана. Французы взяли стержень, который имел довольно замысловатую форму, нанесли на него две риски, т.е две царапины и сказали, что это ровно метр. Понимаете, что когда вводится эталон, то обязательно вводится соглашение, о том, что мы договариваемся, что зафиксированное нами расстояние равно ровно одному метру. Не примерно одному, а точно одному. Это единственный предмет, точнее тело расстояние между метками на котором в точности равно одному метру. И такой эталон храниться и по сей день под Парижем в городке, который называется Севр. Но каков недостаток этого эталона? Он точный или нет? Он абсолютно точный, но у него есть один очень важный недостаток, он может потеряться. Ничто не вечно среди этого мира в мире макроскопических тел.
А есть ли все-таки во Вселенной какие-то объекты, которые во-первых не страшно потерять, а во-вторых они все одинаковые? Атом. Например, все атомы водорода абсолютно одинаковые. Электрон и протон. Все протоны абсолютно одинаковые. Все электроны на свете абсолютно одинаковые. И оказывается, если вы в ВУЗе будет изучать серьезно физику, то на старших курсах, то вы узнаете, что если бы один электрон можно было бы отличить от другого, то мир, просто бы, развалился. Например, не было бы магнитных явлений. А из-за того, что все электроны абсолютно одинаковые и все протоны абсолютно одинаковые, то и все атомы водорода абсолютно одинаковые, конечно, их можно приводить в разное состояние, но состояние, например, с наименьшей энергией у всех атомов водорода абсолютно одинаковое. И точно так же все атомы одного и того же химического элемента данного изотопа тоже абсолютно одинаковы. Значит, если мы хотим изготовить эталон, который не страшно потерять, который всегда можно воспроизвести, нужно основываться на свойствах атомов. И вот одно из свойств атомов - это при определенных условиях светиться. А свет - это волна. А волна характеризуется какой величиной? Волна характеризуется прежде всего длиной. И оказывается, что современные эталоны длины, опираются на длину волны излучения, которое испускается атомами при определенных условиях.
И так давайте запишем, что такое эталон длины в 1 метр.
Эталон 1 метра - это длина, которая равняется числу 1650763,73 умноженному на длину волны излучения оранжевой линии спектра изотопа криптона-86.
Точно так же как человечеству необходим эталон длины, точно так же нам необходим и эталон времени, но вот тут возникают сложности. Время в отличии от метра, который условно можно положить на стол перед собой, то время при этом все время течет. Тогда что же можно использовать, какое физическое явление можно использовать для создания эталона времени? Первое предложение: если у нас есть эталон длины и эталон скорости...об эталоне скорости мы поговорим в этой лекции чуть ниже...то можно сделать эталон времени. а если бы у нас не было эталона скорости, то можно было бы самостоятельно сделать эталон времени? Второе предложение: сделать часы с ценой деления 1 секунда. Хорошо, а как тогда сделать такие часы и что в этих часах самое главное? Предположим, что какие-то колебания. А что такое колебания? Это периодические изменения любой величины. А что такое периодические изменения? Да, мы должны каждое слово пояснить, так как мы еще в этой части не знаем, что такое периодические колебания, хотя в первой части этого курса мы уже с этим понятием знакомились, но сейчас сделаем допущение о том, что нам это не известно. И так еще раз что значит периодические колебания? Периодические колебания - это повторяющиеся колебания. Значит, для создания эталона времени нам необходимо использовать какие-то повторяющиеся явления. И вот одно из повторяющихся явлений, которое лежало в основе эталона времени в свое время - это было вращение Земного шара, но потом оказалось, что время одного оборота Земного шара меняется. Земля вращается все медленнее и медленнее, потому что, например, ее тормозит Луна - это так называемое, приливное трение. А как узнали, что вращение Земли замедляется? И построили другой эталон, более точный и в основе этого эталона опять-таки лежали процессы в атомах. И на этот раз в основе этого лежали процессы в атомах цезия. В качестве эталона времени используются электромагнитные колебания, которые происходят в атомах цезия. Опять-таки атомы цезия всегда можно получить, поэтому такой эталон можно всегда изготовить в нескольких экземплярах и все они будут давать одни и те же значения времени.
Еще можно в качестве эталона времени поговорить об атомных часах, которые можно изготовить очень небольшими и можно даже носить может быть на руке, но в этом нет особой необходимости и для повседневной жизни нам такая точность не нужна.
Но есть еще одна проблема - эталон массы. И проблема эталона массы до сих пор еще не решена. Дело в том, что до сих пор за эталон массы принят эталон хранящийся в Севре и масса этого эталона принята как один килограмм. Это цилиндрик из платино-иридиевого сплава, высота и диаметр, которого 39 мм.
И так мы посмотрели эталон времени, который оказывается пока самым неудачным эталоном. А что было бы более удачным эталоном, который бы было бы не страшно потерять. Какую идею можно было бы заложить для изготовления современного эталона массы? Снова взять атом чего-то...Потому что у каждого атома вполне определенная масса. А почему не берут атомы? Их очень трудно сосчитать. Но эталон будущего массы - это эталон о котором можно было бы сказать, что один килограмм - это масса, такого-то, такого-то определенного очень большого числа, атомов какого-то изотопа, какого-то химического элемента. И вот претендентом на изготовление эталона массы я является кремний. Вот, например, это не официальный, но более современный вариант эталона массы...
И так мы с вами разобрали основные эталоны: длины, времени и массы.
И еще...оказывается, если сравнивать точность эталона длины с точностью эталона времени, то условно "победит" эталон времени. Т.е эталон времени точнее, чем эталон длины. Т.е измерять время люди умеют с большей точностью, чем длину. Поэтому, если в природе существует какая-то скорость, значение которой абсолютно точно известно, то нам не нужен эталон длины. Зная эталон скорости и зная эталон времени мы можем получить любое значение длины. Что же является такой уникальной скоростью, которая неизменна? Вы, наверное, догадываетесь и эта скорость - скорость света. А как вообще можно сравнивать точность эталонов между собой? Давайте попробуем разобраться. Когда мы изготавливаем эталон мы можем сказать, что вот это метр, но если в атомах произойдут какие-то измерения, ну, например, если вдруг изменится сила тяжести Земли, то эталон будет работать чуть-чуть по-другому. И вот этот вопрос, кстати, очень хороший. Эталон не должен быть подвержен никаким изменениям. И, оказывается, что та же сила тяжести, и это экспериментально было доказано влияет на поведение атомов. Есть такой эффект Мёссбауэра за открытие которого была получена Нобелевская премия, и там использовалось то обстоятельство, что скорость протекания процессов у поверхности Земли, где сила тяжести чуть-чуть больше и на высоте нескольких десятков метров над Землей, она немного разная, это так называемая гравитационное красное смещение. Так вот самый точный эталон - это все-таки эталон времени. А самый точный эталон скорости - это эталон скорости света, но только обязательно нужно добавить, что это скорость света в вакууме. Скорость света в вакууме измерялась многократно. Как это делалось мы с вами будем изучать на более поздних лекциях и когда появилась теория относительности и было выяснено и экспериментально подтверждено, что скорость света в вакууме мало того, что она всегда постоянна, мало того, что это максимальная скорость распространения сигналов в природе, она еще и не зависит от того в какой системе отсчета находится наблюдатель. И скорость света в вакууме, в любой системе отсчета
C = 299792458 м/с. Точно!!!
Физики измеряли скорость, основываясь на измерениях длины и времени. Ну а потом решили, что давайте мы договоримся, что раз скорость света имеет абсолютно постоянное значение, так давайте договоримся о том, что оно будет ровно столько же. Т.е раньше в этом значении стояла, кроме фиксированной величины, плюс/минус 1,2 м/с (последнее значение). А в 1983 году на одной из международных встреч метрологи договорились, что раз скорость света всегда одна и та же и давайте тогда договоримся, что она равна вот ровно столько сколько у нас указано выше и тогда эталон длины у нас будет представлять собой комбинацию эталона скорости (скорость света - естественный, природный эталон) и эталона времени и тогда у нас получится эталон длины. Вот такова идея создания современных эталонов.
Физическую величину мы можем использовать, если только существует способ ее измерения. Способов может быть несколько. Давайте приведем такой шутливый пример: можно ли ввести такую физическую величину, как человеческая лень? Да, конечно, можно если мы придумаем способ измерения лени. Давайте предложим какой-нибудь способ измерения лени. Например, минимальное расстояние, которое лень пройти...ну тогда у нас лень будет измерятся в метрах. Хорошо. Еще способ. Время, которое нужно для того, чтобы уговаривать человека, чтобы вынести мусор. Значит, лень можно измерять в секундах. Как еще можно измерять лень? Например, минимальная работа, которую можно произвести не напрягаясь. Т.е лень можно измерять в джоулях. Так же можно лень измерять в "в тебях" взяв за основу какого-то другого ленивого человека, но это не очень удачный "эталон лени", потому что человек не вечен. Можно, например, измерять лень в разах. сколько раз нужно кого-то попросить для совершения того или иного действия. И отсюда какой можно сделать вывод, ведь мы не случайно привели такой пример.
Измерить лень можно разными способами, а значит можно использовать различные единицы для измерения лени, как и любой другой физической величины. Например, количество теплоты когда-то раньше измеряли в калориях. 1 калория - это количество теплоты, которое необходимо для того, чтобы 1 грамм чистой воды нагреть на один градус, например, Цельсия. Но в современности использую другую величину измерения теплоты - это джоуль, потому что разные способы измерения, количества теплоты. Точно так же существуют разные единицы длины: метр, фут, ярд, дюйм и т.д. и т.п.
Поэтому для того, чтобы физика развивалась во всем мире на одном языке была предложена международная система единиц.
И такая система единиц называется SI (Systeme International) - международная система. Мы по-русски произносим "система СИ". И в этой системе есть основные единицы и этих единиц семь. Мы пока будем иметь дело с тремя единицами: единица длины, единица времени и единица массы. И как раз международная система единиц происходит от метрической системы мер, которую придумали Французы. в основе этой системы лежит метр - эталон, которого есть у Французов, килограмм, который тоже есть у Французов и единица времени - это определенная часть по Французской системе в течении которого Земля совершает один оборот. Теперь это уже все другие эталоны. Но это первоначально были первые эталоны.
И пользуясь этими основными единицами мы можем получать производные единицы. Каким образом? Если у нас маленькая длина мы же не будем измерять ее в метрах? Мы ее будем измерять в сантиметрах, миллиметрах и вот как раз метрическая система мер в своей основе имеет какую-то единицу и ее производные, которые образуются с помощью десятичных приставок. Таким как милли, микро, санти, нано, пико - это если нужно измерить какие-то малые величины и наоборот для измерения больших величин - кило, гига, мега и т.д. Таким образом, в основе лежит какая-то одна единица и ее производные, которые образуются с помощью десятичных приставок, поэтому из лекции 3. Физические величины и единицы их измерения стоит повторить таблицу единичных приставок.
На этом мы эту лекцию закончим.
Если тебе понравилось, пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.