Практическая физика Ерин Константин Валерьевич профессор кафедры общей физики

Список рекомендуемой литературы: Основная 1. Ерин К.В., Шишлина М.В. Практическая физика. Учебно-методическое пособие. Ставрополь: СГУ, Кунце Х.И. Методы физических измерений. М.: Мир, Тейлор Дж. Введение в теорию ошибок. М.: Мир, Дополнительная 4. Сквайрс Дж. Практическая физика. М.: Мир, Налимов В.В. Теория эксперимента. М.: Наука, Рабинович С.Г. Погрешности измерений. Л.: Энергия, Зайдель А.Н. Ошибки измерений физических величин. Л.: Наука, 1974.

Лекция 1. Физические величины и единицы измерения План: 1. Предмет и задачи курса. 2. Понятие физической величины. 3. Измерение физических величин. Системы единиц измерения. 4.Эталоны. 5. Метод анализа размерностей

Предмет и задачи курса Предметом курса «Практическая физика» является изучение основ экспериментальной физики. Задачи курса: – научить планировать эксперимент так, чтобы точность измерений соответствовала поставленной цели; – научить учитывать ошибки измерений и принимать меры для их возможного уменьшения; – научить анализировать результаты эксперимента и делать правильные выводы; – научить оценивать точность окончательного результата; – научить вести запись измерений и расчетов четко, аккуратно и кратко.

Опыт Гипотеза Опыт Теория Опыт … Принцип физического познания природы Для объяснения какого-либо природного явления физики формулируют гипотезу, которая могла бы это явление объяснить. На основании гипотезы делают предсказание, которое проверяют экспериментально, производя измерения. Если число, полученное в результате эксперимента, согласуется с предсказанным, гипотеза получает ранг физической теории. В противном случае всё возвращается на вторую стадию: формулируется новая гипотеза, делается новое предсказание и ставится новый эксперимент. Только с помощью эксперимента можно проверить физическую модель. Важно, что результаты эксперимента, так же как и предсказания физической модели, как правило не качественные, а количественные. Сравнение чисел вполне однозначная процедура. Только благодаря этому физический эксперимент смог стать ключом, открывающим путь к пониманию мироздания.

Из истории физических экспериментов Александрийский астроном Эратосфен ( г. до н.э.) обратил внимание, что в начале лета в городе Сиене (город в верхнем Египте) в полдень солнце освещает дно глубокого колодца (точка С), т.е. находится в зените, в Александрии же (точка А) солнце в это время отклоняется в зените на некоторый угол a Эратосфен измерил этот угол и нашёл его равным 1/50 всей окружности (около 7 град.). Затем, зная расстояние от Сиены до Александрии (~800 км) и принимая, что они лежат на одном меридиане, Эратосфен определил длину большого круга земного шара; длина оказалась равной около км, т.е. радиус Земли примерно 6300 км).

Из истории физических экспериментов Галилео Галилей ( ) «Пространства, проходимые телом в равные промежутки времени, относятся между собой как последовательные нечетные числа» S 1 /S 2 =1/3; S 2 /S 3 =3/5 …. ?

История открытия рентгеновского излучения Вильгельм Конрад Рентген ( ) Катушка Румкорфа Рентгеновская трубка Одно из первых изображений, полученных при помощи рентгеновский лучей

Принципы физического эксперимента Эксперимент Цель: Зачем это нужно? Что ожидаем получить? Здравый смысл: Можно ли в принципе это измерить? Позволяет ли точность измерений получить результат? Подготовка: Что известно о таких экспериментах? Какие приборы и методы нужно использовать?

Понятие физической величины Свойства физических объектов и процессов, которые можно прямо или косвенно измерить называют физическими величинами. Основные физические величины – набор величин, не сводящихся одна к другой. Остальные физические величины называются производными. Настоящее время в качестве основных выбраны семь величин: длина, масса, время, сила электрического тока, количество вещества, сила света. Все остальные физические величины получаются комбинациями этих семи.

Измерение физических величин. Системы единиц измерения. Измерение физической величины: сравнение ее с эталоном или единицей измерения. Число, которое получается при измерениях называется численным значением величины Любая физическая величина равна произведению численного значения и единицы измерения Единица измерения [G] зависит от системы единиц измерения основных физических величин. В настоящее время (с 1961 г) в мире в качестве основной системы единиц измерения выбрана SI System International (в русской транскрипции – СИ).

Основные единицы системы СИ Физическая величина Обозначение Единица измерения Обозначение Длина l Метр м Масса m Килограмм кг Время t Секунда с Сила электрического тока I Ампер А Температура T Кельвин К Количество вещества Моль моль Сила света I Кандела кд

Единицы измерения Кратная единица – единица физической величины в целое число раз большая соответствующей основной или производной единицы (кА, МВ, ГГц и др.). Дольная единица – единица физической величины в целое число раз меньшая соответствующей основной или производной единицы (см, мА, мкс и др.). Кроме основных единиц измерения широко используют и производные единицы имеющие собственные названия: Ньютон, Джоуль, Вольт, Кулон, Фарад, Паскаль, Тесла Сименс, Генри и др. Множитель Приставка Обозначение приставки русское международное эксаЭЕ петаПР тераТТ 10 9 гигаГG 10 6 мегаММ 10 3 килокk 10 2 гектогh 10 1 декадаda децидd сантисc миллимm микро мк нанонn пикопp фемтофf аттоаa

Система СГС Система СГС (СGS) (сантиметр – грамм – секунда) базируется на трех основных величинах: длине, массе и времени. Существует две разновидности системы СГС: СГСЭ – система электростатических величин. СГСМ – система электромагнитных величин. СГС симметричная – объединяет СГСЭ и СГСМ При изучении электрических и магнитных явлений система СГС применяется несколько чаще, особенно в теоретических работах, чем система СИ. Это объясняется тем, что основные уравнения и значения физических величин в этой системе оказываются более удобными, хотя это удобство в достаточной мере субъективно. В системе СГС многие единицы не имеют собственных наименований и называются просто единицами СГСЭ (или СГСМ). Например, 1 Ом = 10 9 ед. СГС R 1 Вольт = 10 8 ед. СГСМ ε Некоторые единицы этой системы обладают собственными наименованиями: единица энергии – эрг; единица силы – дина; единица напряженности магнитного поля – эрстед.

Система МКГСС Система МКГСС (метр – килограмм – секунда) - эта система, в отличие от СИ и СГС, построена на основе трех физических величин: длины, силы и времени. Эта система оказалась удобной для применения в технике (стрелочные манометры проградуированы в единицах кгс/см 2, т.е. в атмосферах). Однако эта система редко используется в физике из-за того, что ее единицы не имеют кратного отношения с единицами СИ или СГС (например, 1 ед. массы(МКГС)=9,81 кг). В Европе единица измерения мощности 1 л.с. – 75 кгс м/с Кроме производных и основных единиц существуют внесистемные единицы физических величин: миллиметр ртутного столба, миля, фут, минута, сутки, световой год и др. Их использование связано с практическим удобством.

Эталоны Измерения основных единиц системы СИ произведены с большой точностью и их результаты закреплены в эталонах. Метр – длина равная ,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 р 10 и 5d 5 атома 86 Kr (эталон 1960 г.) Метр – длина отрезка, которую свет проходит в вакууме за 1/ долю секунды. (эталон 1983 г.) В 1997 г. Консультативный комитет по длине рекомендовал принять за новый эталон измерения длины длину волны излучения стабилизированного He-Ne/J 2 лазера =632, нм. Такой эталон позволяет определить метр с ошибкой, не превышающей 0,02 нм, т.е. с точностью до одного атомного слоя. Килограмм - эталоном килограмма служит цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия, хранящийся в международном бюро мер и весов в Париже, высота и диаметр которого равны 39 мм. Выразить величину эталонной массы через фундаментальные постоянные пока не удалось. Секунда – равна периодам излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия 133 Сs. Н.

Эталоны Кельвин – равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Моль – количество вещества, в котором содержится столько же частиц, сколько и в 0,012 кг изотопа углерода 12 С. Кандела – сила света источника, монохроматическое излучение которого частотой Гц излучаемое в телесный угол в 1 стерадиан имеет мощность 1/683 Вт. Частота Гц соответствует длине волны 555 нм – зеленый цвет. Ампер – равен силе постоянного электрического тока, который протекая по двум параллельным бесконечно длинным проводам с пренебрежимо малым круговым сечением, находящимися в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия Н.

Метод анализа размерностей Размерность физической величины показывает как связана данная величина с основными физическими величинами. Размерность основных физических величин в СИ обозначают прописными буквами: ДлинаL МассаM ВремяT Сила электрического токаI ТемператураΘ Количество веществаN Сила светаJ

Метод анализа размерностей Размерность произвольной физической величины G обозначают dim (G)= L α M β T I δ Θ λ N μ J η где – некоторые числа. Если все они равны 0, то величина G – безразмерная. Рассмотрим кинетическую энергию: Физическая величина и её размерность это не одно и тоже. Совершенно разные величины могут иметь одинаковые размерности. Размерность не содержит информации о том, является ли данная величина скаляром, вектором, или тензором. Однако размерность имеет большое значение для проверки правильности соотношений между физическими величинами.

Метод анализа размерностей Если предварительно известно, какие величины необходимо учитывать при анализе того или иного процесса, то путем анализа размерностей можно установить характер зависимости связывающей эти величины. Такой метод носит название метода анализа размерностей. Этот метод наиболее эффективен, когда нахождение искомой зависимости встречает значительные математические трудности. Пример: рассмотрим задачу об определении периода колебаний математического маятника. Необходимо найти формулу для вычисления периода колебаний, если известна длина маятника и ускорение свободного падения. Т.о. период колебаний не зависит от массы маятника