1. Wielkości fizyczne i ich pomiar.
Wielkość fizyczna - to właściwość fizyczna ciała, układu lub zjawiska, którą można określić (porównać ) ilościowo podczas pomiaru czyli zmierzyć.
Wielkości fizyczne dzielimy na:
Ekstensywne - wielkości, które zależą od wielkości danego układu. Są to: długość, masa, ilość materii.
Intensywne - wielkości które nie zależą od wielkości układu jego objętości. Są to: gęstość, temperatura
SI - (Systeme Internationale) międzynarodowy układ jednostek obowiązujący od 1960 roku.
Wielkości podstawowe i uzupełniające oraz ich jednostki w układzie SI |
||||
L.p. |
Wielkość fizyczna |
Jednostka |
Symbol |
Stosowane |
|
Wielkości podstawowe |
|
|
|
1 |
Długość |
metr |
m |
l, h, s, x, y, r |
2 |
masa |
kilogram |
kg |
m, M |
3 |
Czas |
sekunda |
s |
t, T, τ |
4 |
Natężenie prądu elektrycznego |
amper |
A |
I, i |
5 |
Temperatura termodynamiczna |
kelwin |
K |
T |
6 |
Światłość |
kandela |
cd |
I |
7 |
Liczność materii(ilość substancji) |
mol |
mol |
N, n |
|
Wielkości uzupełniające |
|
|
|
8 |
Kąt płaski |
radian |
rad |
α, β, γ, δ, φ |
9 |
Kąt bryłowy |
steradian |
sr |
Ω |
Dla uniknięcia posługiwania się bardzo wielkimi lub bardzo małymi liczbami stosuje się dodatkowo jednostki wtórne, które powstają poprzez dodanie do jednostki podstawowej odpowiedniego przedrostka, który zawsze oznacza liczbę, będącą pewną potęgą liczby 10. Poniższa tabela zawiera spis przedrostków. Przedrostki częściej używane zostały zaznaczone w tabeli innym kolorem.
Spis przedrostków |
|||
Nazwa |
Oznaczenie |
Mnożnik |
Mnożnik |
eksa |
E |
10 18 |
1 000 000 000 000 000 000 |
peta |
P |
10 15 |
1 000 000 000 000 000 |
tera |
T |
10 12 |
1 000 000 000 000 |
giga |
G |
10 9 |
1 000 000 000 |
mega |
M |
10 6 |
1 000 000 |
kilo |
k |
10 3 |
1 000 |
hekto |
h |
10 2 |
100 |
deka |
da |
10 1 |
10 |
- |
- |
10 0 |
1 |
decy |
d |
10 -1 |
0,1 |
centy |
c |
10 -2 |
0,01 |
mili |
m |
10 -3 |
0,001 |
mikro |
μ |
10 -6 |
0,000 001 |
nano |
n |
10 -9 |
0,000 000 001 |
piko |
p |
10 -12 |
0,000 000 000 001 |
femto |
f |
10 -15 |
0,000 000 000 000 001 |
atto |
a |
10 -18 |
0,000 000 000 000 000 001 |
Jednostki pochodne definiujemy za pomocą jednostek podstawowych np. 1N = 1kg* 1m/s2, długość = t * c ( czas * prędkość światła)
Wielkości fizyczne w zależności od swoich właściwości opisywane są za pomocą różnych obiektów materialnych: liczby bądź uporządkowane układy liczb.
Wielkości fizyczne dzielimy na:
Wielkości skalarne - opisane zwykłymi liczbami, (za pomocą jednej wielkości)
Np. energia, masa, czas, ładunek elektryczny, gęstość, praca, moc, temperatura
Wielkości wektorowe - opisywanymi albo przez kilka (najczęściej trójki liczb) lub więcej liczb, albo rysowanymi jako strzałki ( wielkości wektorowe)
Np. położenie, prędkość, przyspieszenie, siła, pęd, indukcja magnetyczna,
natężenie pola elektrycznego
Wielkości tensorowe - są rozszerzeniem pojęcia wektora, uporządkowaniem wielkości.
- skalar - tensor zerowego rzedu
- wektor - tensor pierwszego rzedu
Używa się ich do opisu odkształceń w ośrodkach, zachowania się bryły sztywnej, podczas obrotów w trzech wymiarach, w teorii pola (np. w ogólnej teorii względności Ensteina) i w wielu innych sytuacjach. |
|
W pewnym uproszczeniu tensor możemy sobie wyobrażać jako operator działający na wektor i produkujący z niego nowy wektor o innym zwrocie, kierunku i wartości. Jest to więc więcej niż mnożenie wektora przez liczbę (taka operacja nie zmienia kierunku wektora), więcej niż mnożenie wektorowe wektorów (bo wtedy otrzymujemy zawsze wektor prostopadły do płaszyczyzny wyznaczonej przez wektory wyjściowe) i coś zupełnie innego niż mnożenie skalarne wektorów, czy znajdowanie wartości wektora (bo z tych ostatnich operacji w wyniku otrzymujemy skalar).
A oto przykład sytuacji, do opisu której niezbędny jest tensor: wyobraźmy sobie, że chcemy opisywać siłę jaka działa zwrotnie (reakcja) po zadziałaniu naszą siłą na jakąś powierzchnię. My możemy działać siłą w kierunku A, ale ponieważ powierzchnia może być ustawiona pod kątem, może sprężynować, może być mniej lub bardziej śliska, więc reakcja tej powierzchni może być pod kątem do kierunku siły pierwotnej, może powodować poślizg, czy skręcenie pod jakimś innym kątem. |
Pomiar - jest to porównanie danej wielkości fizycznej z inna wielkością tego samego rodzaju, którą przyjęto za jednostkę.
Pomiar pośredni - np. temperatura - nie ma jednostki odniesienia, ma tylko przyrost objętości cieczy.
Fizyka zajmuje się materią, a ściślej mówiąc własnościami materii i to tylko tymi, które można zmierzyć i wyrazić ilościowo (czyli za pomocą liczb). Cechy takie nazywamy wielkościami fizycznymi. Wielkościami fizycznymi są więc między innymi długość, czas, masa, ciężar, objętość, ale na przykład kształt, zapach czy smak już wielkościami fizycznymi nie są.
Mierzenie jest głównym zajęciem fizyków. Czynność ta polega na przypisywaniu danej wielkości fizycznej pewnej wartości. Można to zrobić na przykład poprzez porównanie wartości mierzonej z pewnym wzorcem (pomiar bezpośredni) albo poprzez zmierzenie innych wielkości fizycznych, związanych z mierzoną wielkością, a następnie wyliczeniu końcowej wartości z pewnych zależności (pomiar pośredni).
Wielkości fizyczne muszą być dobrze zdefiniowane. Część wielkości fizycznych definiuje się poprzez podanie sposobu ich pomiaru. Takie wielkości nazywa się podstawowymi. Wszystkie inne wielkości można zdefiniować w oparciu o wielkości podstawowe i nazywamy je pochodnymi. Każda wielkość fizyczna musi mieć określoną jednostkę fizyczną, czyli wartość danej wielkości umownie przyjęta za równą jedności.
Przykład:
Jeśli długość mojej stopy przyjęto by za wzorzec długości i nazwano by go stopą, to jedna stopa byłaby właśnie jednostką długości, a każdy pomiar odległości wyrażano by w stopach. Pomiar długości na przykład boiska do piłki nożnej sprowadzałby się do określenia ile razy moja stopa mieści się w odległości pomiędzy dwoma bramkami.