Реферат на тему «Примеры физических величин»

Введение

Андерс Цельсий в 1742 году предложил шкалу, где вода кипела при нуле, а замерзала при ста градусах. Перевернули её уже после его смерти. Мелочь, но хорошо показывает, что любая мера — это договорённость людей. А физические величины начинаются как раз с договорённости: что мерить, чем и в каких единицах записывать.

В прогнозе погоды «минус пятнадцать, ветер северо-западный, 5–7 м/с» — это значения двух величин, температуры и скорости, причём у скорости указано направление. Слова «холодно» и «дует» для расчёта не годятся: в Сочи и в Якутске они значат разное. Поэтому физика сравнивает свойство тела с эталоном и записывает результат числом с единицей.

В школьном курсе таких величин несколько десятков. Ошибаются в них часто и обидно: подставляют массу вместо веса, не переводят 72 км/ч в 20 м/с, и ответ получается в 3,6 раза больше. Разобраться в теме полезно перед ОГЭ, тем более что задания на перевод единиц там встречаются каждый год.

В реферате рассматривается, что такое физическая величина и её единица, как устроена Международная система единиц СИ, какие величины встречаются в механике, тепловых и электрических явлениях и как они связаны формулами. Объект работы — физические величины, предмет — их определения, единицы и примеры. Опора — учебники физики для 7–9 классов, справочные таблицы и определения единиц СИ.

Таблица 1 — Основные величины и единицы Международной системы единиц (СИ)

Глава 1. Основные физические величины

1.1 Основные понятия и определения

Физическая величина — свойство, общее для многих тел, но у каждого выраженное в своей мере. Длина есть у карандаша (около 17,5 см у нового) и у Волги (3530 км). Значение величины — число, которое получается при сравнении с единицей, и без единицы оно бессмысленно: «масса 5» может означать и 5 г, и 5 т.

Раньше каждая страна мерила по-своему: на Руси аршинами, вёрстами и пудами, в Англии футами и фунтами, и русский фунт (около 410 г) не совпадал с английским (около 454 г). Во Франции перед революцией насчитывали сотни местных мер, и в соседних городах «фунт» мог весить по-разному. Революционное правительство поручило астрономам Деламбру и Мешену измерить дугу меридиана от Дюнкерка до Барселоны. Мерили они с 1792 по 1798 год, среди войны и под подозрением в шпионаже, и из их данных вывели метр как одну десятимиллионную часть четверти меридиана.

Порядок навели не сразу. В 1875 году семнадцать государств, в их числе Россия, подписали Метрическую конвенцию. А в 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц, которую сокращённо называют СИ. Ею пользуется почти весь мир. Исключения известны: в США до сих пор считают в милях и галлонах.

Россия перешла на метры и килограммы постепенно. Менделеев, который заведовал Главной палатой мер и весов, добился, чтобы в 1899 году метрическую систему разрешили применять наравне с аршинами и пудами. Обязательной она стала только в 1918 году, декретом Совнаркома. На рынках старые меры держались ещё долго, и картошку там продавали «на пуды».

Величины в СИ бывают основные и производные. Основных семь, они перечислены в таблице 1. Остальные строятся из них по формулам. Скорость — путь, делённый на время, отсюда метр в секунду. Сила по второму закону Ньютона равна массе, умноженной на ускорение, поэтому один ньютон — это кг·м/с².

А как задать сами основные единицы? С метром и секундой справились давно, а вот килограмм до 2019 года был просто гирькой. Цилиндр из сплава платины и иридия хранился в подвале под Парижем, под тремя стеклянными колпаками. Копии раз в несколько десятилетий привозили сверять, и выяснилось неприятное: их массы расходились на десятки микрограммов. Кто из них «похудел», а кто «поправился», сказать было нельзя.

Решение нашли красивое. С 20 мая 2019 года все единицы СИ определяются через постоянные природы, килограмм — через постоянную Планка. Гирька превратилась в музейный экспонат. Зато теперь эталон килограмма в принципе может воспроизвести любая хорошо оснащённая лаборатория мира.

Ещё одно деление — на скалярные и векторные величины. Скалярной достаточно числа: 3 кг, 20 °C, 2 литра. Векторной нужно направление. «Машина едет со скоростью 60 км/ч» — а куда, к городу или от него? Скорость, сила, ускорение и перемещение — векторы, и на чертежах их рисуют стрелками.

Векторы складываются не так, как числа. Если лодка плывёт поперёк реки со скоростью 3 м/с, а течение сносит её со скоростью 4 м/с, то относительно берега она движется со скоростью 5 м/с, а не 7. Это обычный египетский треугольник со сторонами 3, 4 и 5.

1.2 Примеры физических величин

Усэйн Болт в 2009 году пробежал стометровку за 9,58 с. Делим путь на время: v = s / t = 100 / 9,58 ≈ 10,4 м/с, или около 37,6 км/ч, если умножить на 3,6. Это средняя скорость, на отдельных отрезках Болт бежал ещё быстрее. Обычный пешеход проходит примерно 1,4 м за секунду, то есть 5 км/ч, и обгоняет Болта разве что в терпении.

С массой и весом путаются даже взрослые. Весы в ванной показывают килограммы, хотя на самом деле мерят силу, с которой мы давим на них, а потом пересчитывают её в массу. Вес P = m·g, у Земли g ≈ 9,8 Н/кг, и школьник массой 50 кг давит на пол с силой около 490 Н. На Луне, где g ≈ 1,62 Н/кг, он весил бы всего 81 Н, а масса осталась бы прежней.

Плотность ρ = m / V. Брусок объёмом 0,001 м³ и массой 2,7 кг имеет плотность 2700 кг/м³, и, заглянув в таблицу, можно предположить, что он алюминиевый. По легенде, которую пересказывает Витрувий, Архимед так проверял золотую корону царя Гиерона: сравнивал, сколько воды вытесняют корона и слиток чистого золота той же массы. Ювелир, говорят, был уличён в подмешивании серебра.

Значения плотности для нескольких веществ приведены на рисунке 1. Лёд легче воды (917 против 1000 кг/м³), поэтому он плавает, а водоёмы промерзают сверху, и рыба зимует подо льдом. Объём воды при замерзании растёт примерно на 9 %, отсюда лопнувшие бутылки, забытые зимой на балконе.

Количество теплоты при нагревании Q = c·m·(t₂ − t₁). Удельная теплоёмкость воды c = 4200 Дж/(кг·°C), поэтому, чтобы нагреть 1,5 л воды в чайнике от 20 до 100 °C, нужно 4200 · 1,5 · 80 = 504 000 Дж, то есть 504 кДж. Чайник мощностью 2000 Вт, если бы не было потерь, справился бы за 252 с, чуть больше четырёх минут; на деле выходит минут пять, часть энергии уходит на нагрев самого чайника и воздуха.

Для электрической цепи главная формула — закон Ома: I = U / R. Возьмём лампу накаливания с сопротивлением нити 460 Ом (в горячем состоянии) и включим в розетку на 230 В: ток 0,5 А, мощность P = U·I = 115 Вт. В квитанции же энергию пишут в кВт·ч, 1 кВт·ч = 3,6 МДж. Лампа на 100 Вт, если оставить её на 10 часов, набегает ровно на 1 кВт·ч, а светодиодная на 10 Вт за то же время — на 0,1.

Температура в газовых законах — отдельная ловушка. Подставлять надо кельвины, T = t + 273,15, а не градусы Цельсия. Если вместо 293 К в формулу попадёт 20, результат разойдётся с правильным почти в пятнадцать раз, и проверяющий это сразу заметит. Сам абсолютный ноль, 0 К или −273,15 °C, недостижим, хотя физики подбирались к нему на миллиардные доли градуса.

Стоит упомянуть и величины, которые встречаются вне учебника. Давление в шинах велосипеда пишут на боковине покрышки, обычно в барах или в psi. Громкость измеряют в децибелах, и шум оживлённой улицы около 70 дБ. Для освещённости классной доски санитарные нормы требуют не менее 500 люкс.

Если свести всё вместе, у каждой величины есть буква, единица и прибор: s — метры и рулетка, t — секунды и секундомер, m — килограммы и весы, I — амперы и амперметр. Одни величины измеряют напрямую, другие (плотность, мощность, количество теплоты) вычисляют. Об этом — во второй главе, на примерах лабораторных работ 7–9 классов.