Предмет физики.
Физика – естественная наука, задача которой –изучение природы. Природа для нас это совокупность явлений окружающего мира, из взаимодействие. Мерилом справедливости научных выводов является опыт. Метод любой науки состоит в наблюдении, размышлении и опыте. Для физики, название которой означает «природоведение» существенным является установление закономерностей, которые наблюдаются в явления как живой, так и неживой природы. Эти закономерности выражаются или описываются теми или иными физическими законами.
В недалеком историческом прошлом все явления природы принято было делить на классы.: теплоты, электричества, механики, магнетизма, химических явлений, световых явлений, рентгеновских лучей, ядерных превращений. и т.д. Однако эта классификация явлений является отображением различных сторон одной физической картины мира.
Почему изучение физики так важно для человечества? Одним из существенных мотивов является необходимость применения физических, прежде всего экспериментальных методов для получения качественно новых сведений о явлениях из других областей науки. Это чисто прагматичный подход. Что касается самой физики, то в ней открытие новых явлений и осмысливание их позволяет усовершенствовать и построить более стройную картину миру, систему представлений о природе.
Пример прагматической ценности физических методов – создание микроскопа позволило исследовать множество микроскопических объектов и получить громадное количество знаний о живых микроскопических объектах в том числе в разделе клеточной биологии. Применение рентгено структурного анализа позволило расшифровать структуру ДНК. Собственные достижения физики – в прошлом веке было понято, что тепловые явления могут быть сведены к механическим. Теплота и температурные эффекты могут быть описаны с помощью законов механики.
При изучении любого ограниченного круга явлений важно установить закономерности или принципы с помощью которых объясняются все известные наблюдаемые явления рассматриваемого ряда. Установление этих принципов в дальнейшем предсказать некоторые новые явления.
Физика, будучи наукой естественной, не основывается на законах и принципах, которые могут быть получены, доказаны, рассмотрены чисто умозрительно. Всегда, любой физический закон является следствием и получен в результате обобщения набора опытных, экспериментальных фактов. Любой опыт ставится с помощью измерительных приборов. В процессе выполнения опыта измеряются те или иные результаты с некоторым погрешностями. Возникает вопрос о том, что те законы, которые подтверждаются данным опытом соблюдаются с некоторой точностью? Действительно, в некоторых случаях известные закономерности справедливы лишь в ограниченных пределах и с ограниченной точностью. С совершенствованием техники, измерительных методик и накоплением массивов опытных фактов возможно получать более точные результаты, либо опровергнуть ранее наблюдаемые с относительно большими погрешностями. В этом случае первично сформулированные принципы заменяются на новые. Этот процесс иллюстрирует собой методологию науки физики.
В качестве примера рассмотрим эволюцию Ньютоновской механики. Ньютоновской она называется потому, что Исаак Ньютон обощил и систематизировал семейство опытных фактов в «Математических началах натуральной философии»- 1642г. Ньютоновская механика с очень хорошей точностью описывает относительно медленные движения, справедлива вы нерелятивистском приближении. v << c и является, предельным случаем релятивистской механики при v/ c << 1 . Принципы Ньютоновской механики несправедливы при описании объектов микромира, в атомных, молекулярных масштабах. В этом случае правильное, подтверждаемое опытом описание достигается только на основе принципов квантовой механики.
Модель, теория, закон.
Модель – мысленный образ явления, опирающийся на известные понятия, и ограничивающийся при рассмотрении явления только наиболее существенными его сторонами. Модель позволяет построить полезное, возможно, математическое описание. Модель является отображением явления, в котором учитываются наиболее существенные его свойства. Пример: квазиклассическая планетарная модель атома Бора. Модельные предположения состоят в пренебрежении размерами ядра и электронов. Модель опускает вопросы устойчивости такого образования. Модель атома Бора правильно описывает спектр простейших водородоподобных атомов.
Теория. Иногда термин теория и модель являются синонимами. Чаще модель предполагает относительную простоту, по сравнению с теорией. Теория рассматривает более широкий круг явлений, изучает их более детально. Возможно, что теория строится на основе ряда моделей и т. образом привести решение задач с высокой математической точностью. Пример: атомно - молекулярная теория строения вещества.
Закон – краткие и общие утверждения относительно характера процессов. Например: импульс замкнутой системы сохраняется. Или, например, закон всемирного тяготения: сила пропорциональна произведению масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон устанавливает соотношение между физическими величинами, описывающими явление. Чтобы называться законом некоторое утверждение должно быть многократно подтверждено опытными фактами в широком диапазоне условий. Причем эта экспериментальная проверка должна давать всякий раз точный результат. Например закон сохранения энергии рассматриваемый в актах столкновения частиц гласит: энергия системы до столкновения равна энергии системы после столкновения. Знак равенства имеет место всегда, во множестве опытов, равенство выполняется с достижимой современными приборами точностью.
Системы единиц, размерности.
Физика – количественная наука. Любое измерение дает результат в виде числа. Измеренное число подразумевает, что введены некоторые масштабы (эталоны) , которые будут называться единицами измерений (стандарты).
Основы метрологии
учебное пособие
«Три пути ведут к познанию:
путь размышления – самый благородный;
путь подражания – самый легкий;
путь опыта – самый трудный»
Конфуций
С 32 Ю. П. Щербак Основы метрологии:
Учебное пособие для вузов.
Рассматриваются основные понятия и положения метрологии, основные понятия теории погрешностей, обработки результатов измерений, классификации сигналов и помех. Для студентов вузов, обучающихся по естественно-научным и техническим специальностям.
© Ю. П. Щербак, 2007
Глава 1 . Предмет и задачи метрологии……………………………………………………….4
1.1 Предмет метрология………………………………………………………………………....4
1.2 Роль измерений в развитии науки, промышленности…………………………………….4
1.3 Достоверность научного знания…………………………………………………………..16
Глава 2 . Основные положения метрологии………………………………………………....23
2.1 Физические величины……………………………………………………………………...23
2.2 Система физических величин и их единиц……………………………………………….30
2.3 Воспроизведение единиц физических величин и передача их размеров………………35
2.4 Измерение и его основные операции……………………………………………………..39
Глава 3 . Основные понятия теории погрешностей………………………………………....49
3.1 Классификация погрешностей…………………………………………………………….52
3.2 Систематические погрешности…………………………………………………………....58
3.3 Случайные погрешности…………………………………………………………………..62
3.3.1 Общие понятия…………………………………………………………………………...62
3.3.2 Основные законы распределения……………………………………………………….64
3.3.3 Точечные оценки параметров законов распределения………………………………...67
3.3.4 Доверительный интервал (доверительные оценки)…………………………………....69
3.3.5 Грубые погрешности и методы их исключения………………………………………..71
Глава 4 . Обработка результатов измерений………………………………………………....72
4.1 Однократные измерения…………………………………………………………………..72
4.2 Многократные равноточные измерения……………………………………………….....73
4.3 Косвенные измерения……………………………………………………………………..75
4.4 Некоторые правила выполнения измерений и представление результатов…………...77
Глава 5 . Измерительные сигналы…………………………………………………………...79
5.1 Классификация сигналов………………………………………………………………….79
5.2 Математическое описание сигналов. Параметры измерительных сигналов………….81
5.3 Дискретные сигналы……………………………………………………………………...86
5.4 Цифровые сигналы………………………………………………………………………..89
5.5 Помехи……………………………………………………………………………………..91
Литература……………………………………………………………………………………109
Глава 1. Предмет и задачи метрологии
Предмет метрология
Метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (ГОСТ 16263-70).
Греческое слово «метрология» состоит из 2-х слов «метрон» - мера и «логос» - учение.
Предметом метрологии – является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.
Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.
Без измерений не может обойтись ни одна наука.
Основное понятие метрологии – измерение.
Измерение – это нахождение значения физической величины (ФВ)
Опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70).
Измерения могут быть представлены тремя аспектами [Л.1]:
- Философский аспект измерения : измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов
- Научный аспект измерения : с помощью измерений (эксперимента) осуществляется связь теории и практики («практика – критерий истины»)
- Технический аспект измерений : измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля.
Роль измерения в развитии науки, промышленности.
Приведем высказывания известных ученых о роли измерений [Л.3].
В. Томпсон : «Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чем вы говорите и можете выразить это в числах, то вы кое-что знаете об этом; но когда вы не можете измерить это, не можете выразить это в числах, то ваши знания будут жалкого и неудовлетворительного рода; это может представлять собой начало знания, но в ваших мыслях вы едва придвинулись к тому, что заслуживает название науки, каков бы ни был предмет исследования» (Строение материи, 1895г.)
А. Ле Шателье : «Выучиться правильно измерять – одно из наиболее важных, но и наиболее трудно осуществимых этапов науки. Достаточно одного ложного измерения для того, чтобы помешать открытию закона и, что еще хуже, привести к установлению несуществующего закона. Таково было, например, происхождение закона о непредельных соединениях водорода и кислорода, основанных на экспериментальных ошибках в измерениях Бунзена» (Наука и промышленность, 1928г.).
Проиллюстрируем первую часть высказывания А. Ле Шателье примерами некоторых важных измерений в области механики и гравитации за последние ~ 300 лет и их влияние на развитие науки и техники.
- 1583 г. – Г. Галилей установил изохронность колебаний маятника.
Изохронность колебаний маятника явилась основой создания новых часов – хронометров, которые стали важнейшим инструментом навигации в эпоху великих географических открытий (измерение времени полудня в точке нахождения корабля по сравнению с портом отплытия давало возможность определить долготу, измерения высоты Солнца над горизонтом в полдень – широту …)
(Период колебаний маятника: - угловая скорость; период колебаний не зависит от массы и амплитуды колебаний – изохронность).
- 1604 г. – Г. Галилей установил равноускоренность движения тела по наклонной плоскости
- 1619 г. – И. Кеплер сформулировал на основе измерений III закон движения планет: Т 2 ~ R 3 (Т – период, R – радиус орбиты)
- 1657 г. – Х. Гюйгенс сконструировал маятниковые часы со спусковым механизмом (анкер)
- 1678 г. – Х. Гюйгенс измерил величину силы тяжести для Парижа (g = 979,9 см/с 2)
- 1798 г. – Г. Кавендиш измерил с помощью крутильных весов силу притяжения двух тел и определил гравитационную константу в законе Ньютона, определил среднюю плотность Земли (5,18 г/см 3)
Создание Х. Гюйгенсом точных часов со спусковым механизмом (анкер) стало основой измерительной техники; а измерение силы тяжести – основой баллистики.
В результате этих экспериментов были сформулированы 3-й закон движения планет И. Кеплера, закон всемирного тяготения (И. Ньютон) – основа всей современной деятельности человека, связанной с космосом.
- 1842 г. – Х. Доплер предположил влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера, в 1848 г. А. Физо распространил этот принцип на оптические явления)
Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника звука или света (Х. Доплер, А. Физо) явился основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл). Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) – решающее свидетельство справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».
Современные представления :
Первая («инфляционная») стадия расширения Вселенной продолжалась всего ~ 10 -35 секунды. За это время появившийся из абсолютного ничто «зародыш» Вселенной увеличился до 10 100 раз. Согласно современным представлениям рождение Вселенной из сингулярности в результате Большого взрыва обусловлено квантовой флуктуацией вакуума. При этом уже в момент Большого взрыва в квантовых флуктуациях вакуума были заложены разнообразные свойства и параметры, в т.ч. фундаментальные физические константы (ε, h, γ, k и т.д.)
Если бы к моменту Т 0 =1с скорость разлета вещества отличалась от реального значения на 10 -18 (10 -16 %) доли своей величины в ту или другую сторону, то Вселенная либо сколапсировалась в материальную точку, либо вещество полностью рассеялось.
Современное естествознание базируется на многократном наблюдении факта, повторение его в различных условиях – эксперименте, его количественном описании; создание модели этого факта, явления или процесса, установление формул, зависимостей, связей. Одновременно развиваются практические применения явления. Далее возникает (создается) фундаментальная теория. Такая теория предлагает обобщение и устанавливает связи данного явления с другими явлениями или процессами; в настоящее время часто проводится математическое моделирование явления. На основе фундаментальной теории возникают новые, более широкие применения.
На рис. 1.1 приведена условная схема методологии естествознания [Л.2]
|
Рис. 1.1
На примере экспериментально открытого Х. Доплером влияния относительного движения тел на частоту звука можно проследить этапы этой методологической схемы
1 этап .
Проблемы регистрации факта, точности измерений для последующего количественного описания, выбор единиц измерений. (Эксперимент)
Пример : Х. Доплер зафиксировал (измерил) в 1842 году влияние относительного движения тел на частоту звука (эффект Доплера).
2 этап .
Установление зависимости, формул, связей, включая анализ размерности величин, установление констант. (Модель)
Пример : На основании опытов Х. Доплера разработана модель явления:
звук – это продольные колебания воздуха; при движении источника изменяется число колебаний, принимаемых приемником в 1 с., т.е. меняется частота.
Этап.
Пример : Разработка приборов на эффекте Доплера: эхолокаторы, измерители скорости движущихся тел (локатор ГИБДД).
Этап.
Формулировка принципов и обобщения, создание фундаментальной теории, выяснение связей с другими явлениями, прогнозы (включая математическое моделирование). (Фундаментальная теория).
Пример : Сформулированы принципы относительности Галилея, затем Эйнштейна:
равноправие всех инерциальных систем отсчета.
Этап.
Анализ широкого круга явлений, поиск закономерностей в других областях физики. (Другие явления).
Пример : В 1848 году А. Физо распространил принцип Доплера на оптические явления:
Свет– это поперечные колебания электромагнитного поля, поэтому применим эффект Доплера и для света (эффект ФИЗО).
6 этап .
Создание новых устройств, применение в других областях. (Новые практические применения).
Пример :
§ Измерение расстояний в космологии по красному смещению излучения далеких Галактик
§ Сдвиг частоты из-за относительного движения источника и приемника излучения явилось основой для создания модели расширяющейся Вселенной (Э. Хаббл)
§ Измерение реликтового излучения (А. Пензиас и Р. Вильсон) явилось свидетельством справедливости модели расширяющейся Вселенной, начало которой имело форму «Большого взрыва».
Создание измерительного прибора или выработка метода измерений – важнейший шаг к обнаружению новых явлений и зависимостей. В наше время очень мало шансов открыть что-либо существенно новое, не прибегая к точной аппаратуре: все новое, ставшее известным за последнее время, не далось в результате простого невооруженного наблюдения над обыденным кругом явлений повседневной жизни, как это бывало у истоков науки.
Однако важно на первых этапах общего прощупывания не прибегать к чрезмерно тонкой технике эксперимента – излишнее усложнение вызывает задержки и уводит в густую чащу вспомогательных деталей, отвлекающих от основного.
Умение обходиться простыми средствами всегда ценится исследователями.
Каждый исследователь должен считаться с общепринятыми системами мер, должен хорошо разбираться в соотнесении производных единиц с принятыми за основные, т.е. в размерности. Понятие о системах единиц и о размерностях должно быть настолько ясным, чтобы были совершенно исключены такие «студенческие» случаи, когда размерности левой и правой частей уравнения различны, или величины – в разных системах единиц.
Когда принципиальный путь измерения установлен, стремятся повысить точность измерения. Каждый имеющий дело с измерениями должен быть знаком с приемами оценки точности результатов. Если исследователь неопытен, он редко умеет ответить на вопрос о том, какова точность произведенного им измерения, не отдает себе отчета ни в том, какой точности он должен в своей задаче добиваться, ни в том, что именно лимитирует его точность. Напротив, опытный исследователь умеет выразить в цифрах точность каждого своего измерения, а если получаемая точность оказывается ниже требуемой, он может заранее сказать – какой из элементов измерения окажется наиболее существенным улучшать.
Если не задают себе подобных вопросов, происходят неприятные случаи даже со сведущими людьми; например, профессор Московского университета Лейст на протяжении 20 лет строил карту магнитной аномалии, в которой измерения магнитного поля были точными, но координаты точек измерения не были соответственной точности, так что не оказалось возможности надежно определить градиенты составляющих напряженности поля, необходимые для оценки массы, залегающей под землей. В результате, всю работу пришлось повторить.
Как бы не стремился исследователь к точности измерения, все же он столкнется с неизбежными погрешностями результатов измерений.
Вот что говорил по этому поводу еще в 1903 году А. Пуанкаре («Гипотеза и наука»): «Представим себе, что мы измеряем некоторую длину неверным метром, например, слишком длинным по сравнению с нормальным. Получившееся число, выражающее измеряемую длину, всегда будет несколько менее истинного, и эта ошибка не устранится, сколько бы мы не повторяли измерение; это пример систематической ошибки. Но измеряя нашу длину верным метром, мы тем не менее не избежим ошибок, например от того, что неверно прочтем число делений; но эти ошибочные наблюдения могут быть и более или менее истинной величины, так что если мы произведем большое число наблюдений и возьмем среднее из них, то ошибка будет близка к нулю; вот пример случайных ошибок».
«Наиболее тяжелы систематические погрешности, источник происхождения которых еще неизвестен. Когда с ними сталкиваются в работе – это катастрофа. У одного ученого явилась мысль построить психрометр с помощью крысиного пузыря. Сжатие пузыря вызывало подъем ртути капиллярной трубке и отражало гидротермическое состояние воздуха. Было постановлено, чтобы все суда английского флота в течении года производили по всему свету соответствующие измерения. Таким путем надеялись построить полную психрометрическую карту всего мира. Когда работа была закончена, оказалось, что способность крысиного пузыря к сокращению сильно изменилась за год, причем изменялась неравномерно, в зависимости от климата, в котором он находился. И вся огромная работа пропала даром». (Ле Шателье, Наука и промышленность).
Этот пример показывает, что систематические ошибки могут представлять собой наложение незамеченного побочного явления на измеряемое – это разъясняет их характер и опасность.
Систематические погрешности присутствуют в любом эксперименте. Источников их множество – это неточность калибровки прибора, «сбитая» шкала, влияние прибора на объект исследования и мн. другое.
Пример , иллюстрирующий влияние прибора на исследуемую схему (рис.1.2).
Необходимо измерить с помощью
амперметра А ток в нагрузке.
Рис. 1.2
Реальный амперметр имеет внутреннее сопротивление r А. (Сопротивление рамки у амперметра магнитоэлектрической или электромагнитной системы).
Если мы знаем величину r А (она всегда приводится в технических характеристиках прибора) то систематическую погрешность легко рассчитать и учесть поправкой.
Пусть r А =1.Ом,
Тогда эквивалентная схема будет иметь вид:
В идеальной схеме (r А = 0)
В реальной схеме(с включенным
прибором)
I Нх = 
Рис 1.3
Погрешность измерения (абсолютная) равна:
Относительная систематическая погрешность равна: 
(!).
Если прибор (амперметр) имеет класс точности 1,0 % и мы не будем учитывать влияние прибора на точность эксперимента, то ошибка измерения будет почти на порядок превышать ожидаемую погрешность (обусловленную классом точности прибора). Вместе с тем, зная природу систематической погрешности, ее легко учесть (в главе 3 будут подробно рассмотрены причины появления систематических погрешностей и способы их компенсации).
В нашем примере, зная величину r А легко рассчитать эту погрешность
(
) и ввести в результат соответствующую поправку (D n = - D сист):
Iн = Iн х + D n = 2,73А +0,27А=3,00А
Совершенно иной характер имеют случайные ошибки, о которых говорил Пуанкаре.
Случайность в науке и технике обычно рассматривается как враг, как досадная помеха, препятствующая точному измерению. Люди давно вступили в борьбу со случайностью.
Долгое время считалось, что случайности связаны просто с нашим незнанием причин, их вызывающих. Характерно в этом смысле высказывание известного русского ученого К. А. Тимирязева.
«…Что такое случай? Пустое слово, которым прикрывается невежество, уловка ленивого ума. Разве случай существует в природе? Разве он возможен? Разве возможно действие без причины?» («Краткий очерк Теории Дарвина»).
Действительно, если выявить все причины случайного события, то можно случайность устранить. Но это – однобокое понятие, здесь случайность отождествляется с беспричинностью . Здесь и кроется заблуждение великого ученого.
Всякое событие имеет вполне определенную причину, в том числе и случайное событие. Хорошо, когда цепь причин и следствий проста, легко просматривается. В этом случае событие нельзя считать случайным. Например, на вопрос: упадет брошенная монета на пол или на потолок – можно ответить определенно, случайности здесь нет.
Если же цепь причин и следствий сложна и не поддается обозрению, то событие становится непредсказуемым и называется случайным .
Например: упадет ли подбрасываемая монета вверх цифрой или гербом – можно точно описать цепью причин и следствий. Но проследить такую цепь практически невозможно. Выходит, хотя причина и есть – предсказать результат мы не можем – он случаен.
«Никто не обнимет необъятного»
(К. Прутков)
Рассмотрим задачу, которая может служить отличным примером относительности наших знаний и хорошо иллюстрирует афоризм К. Пруткова.
Задача : На столе лежит знаменитое Ньютоновское яблоко.
Что нужно было бы принять во внимание, чтобы вычислить абсолютно точно ту силу, с которой яблоко в данный момент давит на стол?
Решение абстрактное :
Сила F , с которой яблоко давит на стол, равна весу яблока P:
Если яблоко весит 0,2 кг, то и F = 0,2 кг.с = 0,2 х 9,80665Н = 1,96133Н(система СИ).
Перечислим все причины, влияющие на давление яблока в данное мгновение на стол.
Итак: F = P = mg ., где m – масса яблока, g – ускорение свободного падения.
В итоге мы имеем 4 элемента, на которые могут влиять внешние факторы.
1 . Масса яблока m .
На него влияют:
§ Испарение воды под действием тепла, солнечных лучей;
§ Выделение и поглощение газов из-за продолжающихся химических реакций (созревание, гниение, фотосинтез);
§ Вылет электронов под действием солнечных лучей, рентгеновского и γ – излучений;
§ Поглощение электронов, протонов и др. квантов;
§ Поглощение радиоволн и мн. др.
2. Ускорение свободного падения g меняется и в пространстве, и во времени.
§ В пространстве : зависит от географической широты, высоты над уровнем моря (яблоко – несимметрично, от его положения – центр массы, т.е. высота; земной шар – неоднороден, и т.д.
§ Во времени : g меняется: непрерывное перемещение масс внутри Земли, перемещение морских волн, возрастание массы Земли за счет метеоритной пыли и т.д.
3. Если выражение P = mg – точное, но тогда неверно равенство F = P, т. к. кроме Земли, на яблоко действует Луна, Солнце, другие планеты, центробежные силы инерции, вызванные вращением Земли и т.д.
4. Верно ли равенство F = P ?
§ Нет, т.к. оно не учитывает, что яблоко «плавает» в воздухе и поэтому из Р нужно вычесть силу Архимеда, которая сама меняется вместе с атмосферным давлением;
§ Нет, потому что на яблоко действуют переменные силы конвекции нагретого и холодного воздуха;
§ Нет, потому что на яблоко давят солнечные лучи;
и т.д., и т.п.
Вывод:
Всякая физическая задача бесконечно сложна , потому что на всякое физическое тело действуют одновременно все законы физики, в том числе и еще не открытые!
Физическая задача может быть решена лишь приближенно . И в зависимости от той точности, которая требуется в конкретной ситуации.
Случайность можно исследовать и нужно. Именно поэтому еще в XVII в. были заложены основы теории вероятностей – наука о случайных событиях. Это и является вторым направлением в борьбе со случайностью. Оно имеет своей целью изучение закономерности в случайных событиях. Знание закономерностей дает возможность вести эффективную борьбу с непредсказуемостью случайных событий.
Итак, можно сказать:
Случайность – это, прежде всего, непредсказуемость, которая является результатом нашего невежества, результатом нашего незнания, результатом отсутствия необходимой информации.
С этой точки зрения Тимирязев совершенно прав.
Всякое событие (Б) является следствием малого или большого ряда причин (А 1 А 2 ,…)
Рис. 1.4
Если причин очень много – интересующее нас событие нельзя предсказать точно, оно станет случайным, непредсказуемым. Здесь случайность образуется за счет недостаточного знания.
Означает ли это, что в одно прекрасное время, когда мы станем уж очень умными, случайность исчезнет с нашей планеты? Вовсе нет. Этому будут препятствовать по крайней мере три обстоятельства, которые надежно защищают случайность.
«Единицы измерения» - Каждую весну Нил разливался и удобрят землю плодородным илом. Измерение углов. Как гривенник можно разменять на алтыны и гроши? Сравните 1 акр и 1 га. Эвм. По традиции и в настоящее время иногда пользуются старыми единицами. Старые единицы измерения. Знания постепенно накапливались, систематизировались.
«Измерения» - Английский ЯРД – единица измерения длины. В наше время так же используются: Но постоянно ездить в Париж сверяться с эталонным метром очень неудобно. Длина фута равна 30,48 см. Грамм. Наш предок располагал только собственным ростом, длиной рук и ног. Эталон. При некоторых различиях в деталях элементы системы одинаковы во всем мире.
«Единицы измерения площади» - Единицы измерения площадей. Вычислите площадь четырехугольника АВСД. Вычислите площадь четырехугольника MNPQ. Устно: Вычислите площадь фигуры. Площади полей измеряют в гектарах (га). Единицы измерения площадей: Вычислите площадь фигуры.
«Измерение углов» - Можно приложить транспортир по другому. Транспортир применяют для измерения углов. Острый угол. Транспортир применяют для построения углов. Прямой угол. Измерение углов. Развернутый угол. Острый, прямой, тупой, развернутый углы. Какой угол образует часовая и минутная стрелки часов: Тупой угол.
«Измерение силы тока» - Школьная магнитная доска. Комплект «ЕГЭ-ЛАБОРАТОРИЯ» по молекулярной физике. Состав мининабора по механике, молекулярной физике и оптике. Егэ-лаборатория. Для работы с набором «механика» вам потребуется: Электродинамика. Рекомендации по использованию оборудования L- микро в школе. Демонстрационное оборудование L-микро.
«Угол и его измерение» - Угол, больше прямого угла, называется тупым углом. На клетчатой бумаге. Транспортир происходит от латинского слова transportare – переносить перекладывать. С помощью треугольника. АОВ=1800. Единицы измерения углов. ОМР - прямой. Биссектриса угла. Прямой угол равен 900. РМN=900. Развернутый угол. Проведем на листе бумаги два луча АВ и АС с общим началом в точке А.
Измерение в науке означает выявление количественных характеристик изучаемых явлений. Цель измерения всегда заключается в получении информации о количественных признаках объектов, организмов или событий. Измеряется не сам объект, а только свойства или отличительные признаки объекта. В широком смысле измерение – это особая процедура, посредством которой числа (или порядковые величины) приписываются вещам по определенным правилам. Сами правила состоят в установлении соответствия между некоторыми свойствами чисел и некоторыми свойствами вещей. Возможность данного соответствия и обосновывает важность измерения в педагогике.
В процессе измерения исходят из предположения, что все существующее каким-то образом проявляется или на что-то действует. Общая задача измерения состоит в том, чтобы определить так называемую модальность одного показателя по сравнению с другим, измеряя его «вес».
Многообразие психических, физиологических и социальных явлений принято называть переменными, поскольку они отличаются индивидуальными величинами у отдельных индивидов или в разное время у одного и того же индивида. С позиции теории измерения следует различать два аспекта: а) количественная сторона - частота некоторого проявления, (чем оно чаще проявляется, тем выше значение свойства); б) интенсивность (величина или сила проявления).
Измерения можно проводить на четырех уровнях. Четырем уровням будут соответствовать четыре шкалы.
Шкала [< лат. scala – лестница] – инструмент для измерения непрерывных свойств объекта; представляет собой числовую систему, в которой отношения между различными свойствами объектов выражены свойствами числового ряда. Шкала есть способ упорядочивания объектов произвольной природы. В педагогике, психологии, социологии и других социальных науках различные шкалы используются для изучения различных характеристик педагогических и социально-психологических явлений.
Первоначально были выделены четыре типа числовых систем, которые определяют соответственно четыре уровня (или шкалы) измерения. Точнее три уровня, но третий уровень подразделяется еще на два подуровня. Их разделение осуществимо на основе тех математических преобразований, которые допускаются каждой шкалой.
1) Шкала наименований (номинальная).
2) Шкала порядка (ранговая, ординальная).
3) Метрические шкалы: а) шкала интервалов, б) шкала пропорций (пропорциональная, отношений).
Метрическая шкала бывает относительная (шкала интервалов) и абсолютная (шкала пропорций). В метрических шкалах носитель шкалы образует отношения строгого порядка, как, например, в шкалах времени, весов, температуры и др.
При абсолютном типе метрической шкалы за точку отсчета выбирается некоторая абсолютная отметка, например, измерение длины и расстояния в сравнении с эталоном (рост Пети 92 см, расстояние от одного города до другого 100 км).
В относительных шкалах точка отсчета привязана к чему-то другому. Например, Петя ростом с третьеклассника, длина удава равняется тридцати двум попугаям, летоисчисление на Западе привязывается к рождеству Христову, нулевая точка Московского времени служит ориентиром для всей территории Российской Федерации и Гринвичское нулевое время для Москвы.
Порядковая шкала не дает возможности изменить расстояние между объектами, проецируемыми на нее. С порядковыми шкалами связаны нечеткие шкалы, например, Петя выше Саши. Сначала было то-то, а потом то-то; также далеко, как …; давно, как … . Список учащихся в классном журнале также есть вид порядковой шкалы. Такие шкалы широко используются в моделировании рассуждений: если А больше, чем В , а С выше А , следовательно, С выше, чем В .
Различие уровней измерения какого-либо качества можно проиллюстрировать следующим примером. Если подразделить учащихся на справившихся и не справившихся с контрольной работой, то тем самым получим номинальную шкалу выполнивших задание. Если можно установить степень правильности выполнения контрольной работы, то строится шкала порядка (ординальная шкала). Если можно измерить насколько и во сколько раз грамотность одних больше грамотности других, то можно получить интервальную и пропорциональную шкалу грамотности выполнения контрольной работы.
Шкалы различаются не только своими математическими свойствами, но и разными способами сбора информации. В каждой шкале применяются строго определенные методы анализа данных.
В зависимости от типа задач, решаемых с помощью шкалирования, строят либо а) шкалы оценок, либо б) шкалы для измерения социальных установок.
Шкала оценок – методический прием, позволяющий распределять совокупность изучаемых объектов по степени выраженности общего для них свойства. Возможность построения шкалы оценок основывается на предположении, что каждый эксперт способен непосредственно давать количественные оценки изучаемым объектам. Простейшим примером такой шкалы является обычная школьная система баллов. Шкала оценок имеет от пяти до одиннадцати интервалов, которые могут быть обозначены цифрами, либо сформулированы вербально (словесно). Считается, что психологические возможности человека не позволяют ему производить классификацию объектов более чем по 11-13 позициям. К основным процедурам шкалирования с помощью шкалы оценок относятся парное сравнение объектов, отнесение их к категориям и др.
Шкалы для измерения социальных установок. Например, отношение учащихся к выполнению проблемного задания может варьироваться от отрицательного до творчески активного (рис.1). Расположив все промежуточные значения на шкале, мы получаем:
Используя принцип шкал, можно строить шкалы полярных профилей, измеряющие сразу несколько показателей.
Сама шкала точно определяет промежуточные значения измеряемой переменной:
7 – признак проявляется всегда,
6 – очень часто, почти всегда,
5 – часто,
4 – иногда, ни часто, ни редко,
3 – редко,
2 – очень редко, почти никогда,
1 – никогда.
Инвариант этой шкалы с заменой односторонней шкалы на двустороннюю может выглядеть следующим образом (см. рис. 2):
Шкалирование [< англ. scaling – определение масштаба, единицы измерения] – метод моделирования реальных процессов с помощью числовых систем. В социальных науках (педагогике, психологии, социологии и др.) шкалирование является одним из важнейших средств математического анализа изучаемого явления, а также способом организации эмпирических данных, получаемых с помощью наблюдения, изучения документов, анкетного опроса, экспериментов, тестирования. Большинство социальных объектов не могут быть строго фиксированы и не поддаются прямому измерению.
Общий процесс шкалирования состоит в конструировании по определенным правилам самой шкалы и включает в себя два этапа: а) на этапе сбора информации осуществляется изучение эмпирической системы исследуемых объектов и фиксирование типа отношений между ними; б) на этапе анализа данных строится числовая система, моделирующая отношения эмпирической системы объектов.
Существует два типа задач, решаемых с помощью метода шкалирования: а) числовое отображение совокупности объектов с помощью их усредненной групповой оценки; б) числовое отображение внутренних характеристик индивидов посредством фиксации их отношения к какому-либо социально-педагогическому явлению. В первом случае отображение осуществляется с помощью шкалы оценок, во втором – шкалы установок.
Разработка шкалы для измерения требует учета ряда условий: соответствие измеряемых объектов, явлений измерительному эталону; выявление возможности измерения интервала между различными проявлениями измеряемого качества или свойства личности; определение конкретных показателей различных проявлений измеряемых явлений.
В зависимости от уровня шкалы необходимо вычислять величину для обозначения главной тенденции. На номинальной шкале можно указать только модальную величину, т.е. наиболее часто встречающуюся величину. Порядковая шкала позволяет вычислить медиану, ту величину, по обе стороны от которой располагается равное количество величин. Шкала интервалов и шкала отношений делают возможным вычисление средней арифметической величины. От уровня шкалы зависят также величины корреляции.
Не только школьники, но даже взрослые иногда задаются вопросом: зачем нужна физика? Особенно эта тема актуальна для родителей учеников, получивших в свое время образование, далекое от физики и техники.
Но как помочь школьнику? Кроме того, учителя могут задать на дом сочинение, в котором нужно описать свои мысли по поводу необходимости изучения науки. Разумеется, лучше данную тему поручить одиннадцатиклассникам, которые имеют полное представление о предмете.
Что такое физика
Говоря простым языком, физика - это Конечно, в настоящее время физика все больше и больше отдаляется от нее, углубляясь в техносферу. Тем не менее предмет тесно связан не только с нашей планетой, но и с космосом.
Так зачем нужна физика? Ее задача - понять, как происходят те или иные явления, почему образуются те или иные процессы. Также желательно стремиться к созданию специальных расчетов, которые помогли бы предугадать те или иные события. Например, как Исаак Ньютон открыл закон всемирного тяготения? Он изучал предмет, падавший сверху вниз, наблюдал за механическими явлениями. Затем создал формулы, которые действительно работают.
Какие разделы есть у физики
Предмет имеет несколько разделов, которые обобщенно или углубленно изучаются в школе:
- механика;
- колебания и волны;
- термодинамика;
- оптика;
- электричество;
- квантовая физика;
- молекулярная физика;
- ядерная физика.
У каждого раздела есть подразделы, подробно изучающие различные процессы. Если не просто изучать теорию, параграфы и лекции, а научиться представлять, экспериментировать с тем, о чем идет речь, то наука покажется весьма интересной, а вы поймете, зачем нужна физика. Сложные науки, которые нельзя применить на практике, например физику атома и ядра, можно рассмотреть по-другому: почитать интересные статьи из научно-популярных журналов, посмотреть документальные фильмы про данную область.
Как помогает предмет в обычной жизни
В сочинении «Зачем нужна физика» рекомендуется приводить примеры, если они уместны. Допустим, если вы описываете, зачем нужно изучать механику, то следует упомянуть случаи из повседневной жизни. Таким примером может стать обычная поездка на автомобиле: от села до города нужно доехать по свободной трассе за 30 минут. Расстояние около 60 километров. Разумеется, нам нужно знать, с какой скоростью лучше перемещаться по дороге, желательно с запасом времени.
Также можно привести пример строительства. Допустим, при возведении дома нужно правильно рассчитать прочность. Нельзя выбирать хлипкий материал. Школьник может провести другой эксперимент, чтобы понять, зачем нужна физика, например, взять длинную доску, поставить по концам стулья. Доска будет располагаться на спинках мебели. Далее следует нагрузить центр доски кирпичами. Доска будет прогибаться. При уменьшении расстояния между стульями прогиб будет меньше. Соответственно, человек получает пищу для размышления.
Хозяйка при готовке ужина или обеда часто сталкивается с физическими явлениями: тепло, электричество, механическая работа. Чтобы понимать, как поступить правильно, нужно понимать законы природы. Зачастую многому учит опыт. А физика и есть наука опыта, наблюдений.
Профессии и специальности, связанные с физикой
А вот зачем нужно изучать физику тому, кто оканчивает школу? Конечно, тем, кто поступает в университет или колледж по гуманитарным специальностям, предмет практически не нужен. Но вот в очень многих сферах наука требуется. Давайте рассмотрим в каких:
- геология;
- транспорт;
- электроснабжение;
- электротехника и приборы;
- медицина;
- астрономия;
- строительство и архитектура;
- теплоснабжение;
- газоснабжение;
- водоснабжение и так далее.
Например, даже машинисту поезда нужно знать данную науку, чтобы понимать, как работает локомотив; строитель должен уметь проектировать прочные и долговечные здания.
Программисты, специалисты IT-сферы также должны знать физику, чтобы понимать, как работает электроника, оргтехника. Кроме того, им нужно создавать реалистичные объекты для программ, приложений.
Применяется практически всюду: рентгенография, ультразвук, стоматологическое оборудование, лазерная терапия.
С какими науками связана
Физика очень тесно взаимосвязана с математикой, так как при решении задач нужно уметь преобразовывать различные формулы, проводить расчеты и строить графики. Можно добавить данную идею в сочинение «Зачем нужно изучать физику», если речь пойдет о вычислениях.
Также эта наука связана с географией, чтобы понимать природные явления, уметь анализировать грядущие события, погоду.
Биология и химия тоже связаны с физикой. Например, ни одна живая клетка не сможет существовать без гравитации, воздуха. Также живые клетки должны перемещаться в пространстве.
Как написать сочинение ученику 7-го класса
А теперь давайте поговорим о том, что может написать семиклассник, частично изучивший некоторые разделы физики. Например, можно написать о той же гравитации либо привести пример с измерением расстояния, которое он прошел от одной точки до другой, чтобы вычислить скорость своей ходьбы. Ученик 7 класса сочинение «Зачем нужна физика» может дополнить различными опытами, которые проводились на уроках.
Как видите, творческую работу можно написать вполне интересной. Кроме того, она развивает мышление, дарит новые идеи, пробуждает любопытство к одной из главнейших наук. Ведь в будущем физика может помочь при любых жизненных обстоятельствах: в быту, при выборе профессии, при устройстве на хорошую работу, во время отдыха на природе.
