Номер 10, страница 44, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Физика и мир, в котором мы живём. Параграф 10. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 10, страница 44.

Условие.

• Инструменты для измерения длины. От древности до наших дней.

Решение.

Ошибки измерений.

Измерение — это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Однако получить абсолютно точное значение измеряемой величины невозможно. Разница между результатом измерения и истинным (действительным) значением физической величины называется ошибкой измерения или погрешностью.

Ошибки измерений классифицируют по характеру их проявления и источникам возникновения:

1. Систематические ошибки — это составляющие ошибки измерения, которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. Их можно предсказать и, в большинстве случаев, исключить или уменьшить. Источники систематических ошибок:

• Инструментальные ошибки: связаны с несовершенством самого измерительного прибора (неправильная калибровка, износ деталей).

• Методические ошибки: обусловлены несовершенством метода измерения или использованием упрощенных теоретических моделей.

• Личностные (субъективные) ошибки: вызваны индивидуальными особенностями наблюдателя (например, систематическая ошибка параллакса — считывание показаний под одним и тем же углом, но не перпендикулярно шкале).

2. Случайные ошибки — это составляющие ошибки, которые изменяются случайным, непредсказуемым образом при повторных измерениях. Они обусловлены множеством неконтролируемых факторов (колебания температуры, вибрации, флуктуации в сети, ограничения разрешающей способности органов чувств человека). Случайные ошибки нельзя полностью устранить, но их влияние можно уменьшить путем многократного проведения измерений и последующей статистической обработки результатов (например, нахождения среднего арифметического).

3. Промахи (грубые ошибки) — это ошибки, которые значительно превышают ожидаемые при данных условиях измерения. Они обычно возникают из-за невнимательности экспериментатора (неправильно записанное показание, ошибка в расчетах) или кратковременного сбоя оборудования. Измерения, содержащие промахи, должны быть выявлены и исключены из рассмотрения.

Для количественной оценки ошибок используют следующие характеристики:

• Абсолютная ошибка (${\Delta}x$) — разница между измеренным значением $x_{изм}$ и истинным значением $x_{ист}$. Так как истинное значение, как правило, неизвестно, его заменяют наиболее вероятным значением, например, средним арифметическим $<\!x\!>$ по результатам многократных измерений: ${\Delta}x = |x_{изм} - <\!x\!>|$.

• Относительная ошибка (${\epsilon}$) — отношение абсолютной ошибки к истинному (или среднему) значению величины. Часто выражается в процентах. Она показывает, какую долю от измеряемой величины составляет ошибка, и является лучшей характеристикой качества измерения: ${\epsilon} = \frac{{\Delta}x}{|<\!x\!>|} \cdot 100\%$.

Понимание природы ошибок измерений и умение их оценивать — ключевой аспект любой экспериментальной деятельности в науке и технике, позволяющий судить о достоверности полученных результатов.

Ответ: Ошибка измерения (погрешность) — это отклонение измеренного значения физической величины от её истинного значения. Ошибки делятся на систематические (постоянные или закономерные, которые можно учесть и скорректировать), случайные (непредсказуемые, влияние которых уменьшается статистическими методами) и промахи (грубые ошибки из-за невнимательности, которые отбрасываются). Для количественной оценки используются абсолютная ошибка (разность между измеренным и истинным значением) и относительная ошибка (отношение абсолютной ошибки к истинному значению), которая лучше характеризует качество измерения.

Инструменты для измерения длины. От древности до наших дней.

История инструментов для измерения длины отражает эволюцию человеческого общества, науки и технологий, от использования частей тела до приборов, основанных на фундаментальных константах вселенной.

Древность

Первыми мерами длины служили части человеческого тела. Эти меры были удобны, так как всегда "под рукой", но неточны и не стандартизированы.

• Локоть — расстояние от локтевого сгиба до кончика среднего пальца (одна из главных мер в Древнем Египте, Вавилоне).

• Пядь — расстояние между концами растянутых большого и указательного (или мизинца) пальцев.

• Фут — длина ступни.

• Шаг — длина одного шага человека.

Появлялись и первые попытки стандартизации. Например, в Египте существовал "царский локоть" — эталон, высеченный из гранита, с которым сверяли рабочие инструменты.

Средние века и Новое время

С развитием ремесел, строительства и мореплавания потребовались более точные инструменты. По-прежнему использовались нестандартные единицы (аршин, сажень, ярд), но сами инструменты усложнялись.

• Циркуль-измеритель и мерные цепи стали незаменимыми в архитектуре, землемерии и картографии.

• В XVII веке Пьер Вернье изобрел шкалу-нониус, что привело к созданию штангенциркуля — инструмента, позволяющего измерять длину с точностью до долей миллиметра.

• В это же время был изобретен микрометр, который обеспечивал еще более высокую точность измерений благодаря винтовой паре.

Эпоха Просвещения и стандартизация

К концу XVIII века назрела необходимость в единой, универсальной системе мер. Во время Великой французской революции была создана метрическая система. За основу единицы длины — метра — была взята одна десятимиллионная часть расстояния от Северного полюса до экватора по парижскому меридиану. Был изготовлен платиновый эталон метра, что положило начало международной стандартизации измерений.

Наши дни: от эталона до фундаментальных констант

В XX и XXI веках точность измерений вышла на принципиально новый уровень. Физический эталон метра перестал удовлетворять требованиям науки и техники.

• С 1983 года метр определяется через скорость света в вакууме — одну из фундаментальных физических констант. Метр — это расстояние, которое свет проходит в вакууме за интервал времени, равный $1/299,792,458$ секунды. Такое определение позволяет воспроизвести эталон длины в любой точке мира с высочайшей точностью.

• Современные инструменты используют передовые технологии: лазерные дальномеры (измеряют расстояние по времени прохождения светового импульса), лазерные интерферометры (измеряют смещения с нанометровой точностью на основе интерференции света), спутниковые системы навигации (GPS, ГЛОНАСС) для измерения больших расстояний на поверхности Земли.

• На микро- и наноуровнях используются сканирующие туннельные и атомно-силовые микроскопы, которые позволяют не только "видеть" отдельные атомы, но и измерять межатомные расстояния.

Таким образом, эволюция инструментов для измерения длины прошла путь от антропометрических единиц до высокоточных приборов, основанных на неизменных законах природы.

Ответ: Инструменты для измерения длины эволюционировали от использования частей тела в древности (локоть, пядь, фут) к первым стандартизированным эталонам. В Новое время появились точные механические приборы, такие как штангенциркуль и микрометр. Ключевым моментом стало создание метрической системы и эталона метра в XVIII веке. Сегодня метр определяется через скорость света, а для измерений используются высокотехнологичные устройства: от лазерных дальномеров и GPS-систем до атомно-силовых микроскопов, способных измерять расстояния на уровне атомов.