Зачем в науке измерения. Измерение в науке

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.

Тема 1

« Предмет и метод физики. Измерения. Физические величины.»

Первые научные представления возникли давно - по-видимому, на самых ранних этапах истории человечества, отраженной в письменных источниках. Однако, физика как наука в своем современном виде берет начало со времен Галилео Галилея (1Галилей и его последователь Исаак Ньютон (1совершили революцию в научном познании. Галилей предложил в качестве основного метода исследования метод экспериментального познания, а Ньютон сформулировал первые законченные физические теории (классическая механика, классическая оптика, теория тяготения).

В своем историческом развитии физика прошла 3 этапа (смотри диаграмму).

Революционный переход от одного этапа к следующему связан со сломом старых базовых представлений об окружающем мире в связи с полученными новыми экспериментальными результатами.

Слово physis в буквальном переводе означает природа, то есть сущность, внутреннее основное свойство явления, какая-то скрытая закономерность, определяющая протекание, ход явления.

Физика - это наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих свойствах тел и явлений. Физика - фундамент естествознания.

Связь физики со всеми остальными науками представлена на диаграмме.

В основании физики (как и любой естественной науки) лежат утверждения о материальности мира и существовании объективных устойчивых причинно-следственных связей между явлениями. Физика объективна, так как изучает реальные природные явления, но одновременно и субъективна вследствие сущности процесса познания, как отражения действительности.

По современным представлениям все, что нас окружает, представляет собой комбинацию небольшого количества так называемых элементарных частиц, между которыми возможны 4 различных вида взаимодействий. Элементарные частицы характеризуются 4 числами (квантовыми зарядами), значения которых определяют в какой вид взаимодействия может вступать рассматриваемая элементарная частица (Таблица 1.1).

Заряды	Взаимодействия
массовый	гравитационное
электрический	электромагнтное
барионный
лептонный

Такая формулировка обладает двумя важными свойствами:

Адекватно описывает наши современные представления об окружающем мире;

Достаточно обтекаема и с вряд ли придет в противоречие с новыми экспериментальными фактами.

Дадим краткие пояснения незнакомым понятиям, используемым в этих утверждениях. Почему мы говорим о так называемых элементарных частицах? Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Однако, большинство известных элементарных частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку являются составными системами. Согласно модели Цвейга и Гелл-Мана структурными единицами таких частиц являются кварки . В свободном состоянии кварки не наблюдаются. Необычное название «кварки» было заимствовано из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается словосочетание «три кварка», которое слышится герою романа в кошмарном бреду. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, в основном нестабильных и их число постоянно растет.

Вы встречались с проявлением трех из этих взаимодействий, когда изучали явление радиоактивного распада (смотри схему внизу).

Вы ранее уже сталкивались с таким проявлением сильного взаимодействия как ядерные силы, удерживающие протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. В отличие от гравитационного и электромагнитного сильное взаимодействие является короткодействующим: его радиус

Характерные времена сильного взаимодействия

Краткая хронология изучения сильного взаимодействия

1911 – атомное ядро

1932 – протонно-нейтронное строение

(, В. Гейзенберг)

1935 – пи-мезон (Юкава)

1964 – кварки (М. Гелл-Манн, Г. Цвейг)

70-е XX века - квантовая хромодинамика

80-е XX века - теория великого объединения

https://pandia.ru/text/78/486/images/image007_3.gif" width="47 height=21" height="21">Слабое взаимодействие ответственно за распады элементарных частиц, стабильных относительно сильного и электромагнитного взаимодействий. Эффективный радиус слабого взаимодействия не превышает Поэтому на больших расстояния оно существенно слабее электромагнитного, которое в свою очередь до расстояний меньше 1 Ферми слабее сильного взаимодействия. На расстояниях, меньших слабые и электромагнитные взаимодействия образуют единое электрослабое взаимодействие. Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных элементарных частиц, времена жизни которых лежат в диапазоне Несмотря на малую величину слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. В частности процесс превращения протона в нейтрон, в результате которого 4 протона превращаются в ядро гелия (основной источник выделения энергии внутри Солнца) обусловлен слабым взаимодействием.

Может ли быть открыто пятое взаимодействие? Однозначного ответа не существует. Однако, по современным представлениям все четыре вида взаимодействия являются различными проявлениями одного единого взаимодействия. Это утверждение составляет суть теории великого объединения .

Теперь обсудим, как формируется научное знание об окружающем нас мире.

Знанием называют те сведения, опираясь на которые мы можем уверенно планировать нашу деятельность на пути к цели, и деятельность эта непременно приводит к успеху. Чем сложнее цель, тем больше знания требуется для ее достижения.

Научное знание формируется в результате синтеза двух присущих человеку элементов деятельности: творчества и регулярного освоения окружающего пространства с помощью метода проб и ошибок (смотри диаграмму).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image010_2.jpg" width="553" height="172 src=">

Физический закон - это долго живущая и «заслуженная» физическая теория. Только такие попадают в учебники и изучаются в общеобразовательных курсах.

Если опыт не подтвердил предсказание, то весь процесс необходимо начинать сначала.

« Хорошая » физическая теория должна удовлетворять следующим требованиям:

1) должна исходить из небольшого количества фундаментальных положений;

2) должна быть достаточно общей;

3) должна быть точной;

4) должна допускать возможность усовершенствования.

Ценность физической теории определяется тем насколько точно можно установить тот предел, за которым она несправедлива. Эксперимент не может подтвердить теорию, а может ее только опровергнуть .

Процесс познания может идти только через построение модели , что связано с субъективной стороной этого процесса (неполнота информации, многообразие любого явления, облегчение освоения с помощью конкретных образов).

Модель в науке - это не увеличенная или уменьшенная копия предмета, а картина явления, освобожденная от не существенных для поставленной задачи деталей.

Модели подразделяются на механические и математические.

Примеры: материальная точка, атом, абсолютно твердое тело.

Как правило, для большинства понятий процесс развития моделей идет путем постепенного усложнения от механических к математическим.

Рассмотрим этот процесс на примере понятия атома. Перечислим основные модели.

Шарик (атом древних и классической физики)

Шарик с крючком

Атом Томсона

Планетарная модель (Резерфорд)

Модель Бора

Уравнение Шредингера

https://pandia.ru/text/78/486/images/image012.gif" width="240" height="44">

Модель атома в виде твердого неделимого шарика при всей кажущейся с точки зрения сегодняшних представлений нелепости позволила, например, в рамках кинетической теории газов получить все основные газовые законы.

Открытие в 1897 году электрона привело к созданию Дж. Дж. Томпсоном модели, которую обычно называют «пудинг с изюмом» (смотри рисунок внизу).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image014.gif" width="204" height="246">

Согласно этой модели в положительно заряженном «тесте» плавают отрицательно заряженные изюминки – электроны. Модель объясняла электронейтральность атома, одновременное возникновение свободного электрона и положительно заряженного иона. Однако, результаты опыта Резерфорда по рассеянию альфа частиц принципиально изменили представление о строении атома.

На представленной ниже картинке изображена схема установки в опыте Резерфорда.

В рамках модели Томпсона было невозможно объяснить сильное отклонение траектории движения альфа частиц и, поэтому, возникло понятие атомного ядра . Проведенные расчеты позволили определить размеры ядра, они оказались порядка одного Ферми. Таким образом, на смену модели Томпсона пришла планетарная модель Резерфорда (смотри картинку внизу).

Это типично механическая модель, поскольку атом представляется как аналог солнечной системы: вокруг ядра – Солнца по круговым траекториям движутся планеты – электроны. Известный советский поэт Валерий Брюсов так отозвался об этом открытии

Еще быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объёме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

С момента возникновения планетарная модель подвергалась серьёзной критике в связи с её нестабильностью. Движущийся по замкнутой орбите электрон должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, упасть на ядро. Точные расчеты показывают, что максимальное время жизни атома в модели Резерфорда не больше 20 минут. Великий датский физик Нильс Бор для спасения идеи атомного ядра создал новую модель атома, носящую его имя. Она основана на двух основных положениях (постулатах Бора):

Атомы могут длительное время находится только в определенных, так называемых стационарных состояниях. Энергии стационарных состояний образуют дискретный спектр. Иначе говоря, возможны только круговые орбиты с радиусами, задаваемыми соотношением

https://pandia.ru/text/78/486/images/image018.gif" width="144" height="49">

где n – целое число.

При переходе из одного начального квантового состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта света (смотри рисунок).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image020.gif" width="240" height="238">

Дифференциал" href="/text/category/differentcial/" rel="bookmark">дифференциальное уравнение в частных производных относительно волновой функции Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который пропорционален вероятности нахождения частицы (электрона) в данной точке пространства. Иначе говоря, электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему, образуя электронное облако, плотность которого характеризует вероятности нахождения электрона в различных точках объема атома (смотри рисунки снизу).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image025_0.gif" width="379" height="205">

К сожалению, язык, которым мы пользуемся в нашей повседневной жизни, непригоден для описания процессов, происходящих в глубинах материи (применяются оень абстрактные модели). Физики «беседуют» с Природой на языке математики с помощью чисел, геометрических фигур и линий, уравнений, таблиц, функций и т. д. Такой язык обладает удивительной предсказательной силой: оперируя формулами, можно получить следствия (как в математике), оценить результат количественно и проверить затем опытом справедливость предсказания. За изучение явлений, которые нельзя описать на языке физики из-за неопределенности понятий, невозможности определить процесс измерения, физики просто не берутся.

История развития физики показала, что разумное использование математики неизменно приводило к мощному прогрессу в исследовании природы, а попытки абсолютизировать какой-то математический аппарат как единственно пригодный ведут к застою.

Физика как любая наука может ответить только на вопрос «Как?», но не на вопрос «Почему?».

Наконец, рассмотрим заключительную часть темы №1 о физических величинах.

Физическое понятие, отражающее какое-то свойство тел и явлений и выражаемое числом в процессе измерения называется физической величиной.

Физические величины в зависимости от способа их представления подразделяются на скалярные, векторные, тензорные и т. д. (смотри Таблицу 1.2).

Таблица 1.2

величины	примеры
скалярные	температура, объем, давление
векторные	скорость, ускорение, напряженность
тензорные	давление в двигающейся жидкости

https://pandia.ru/text/78/486/images/image027_0.gif" width="73" height="75 src=">

Вектором называется упорядоченный набор чисел (смотри иллюстрацию сверху). Тензорные физические величины записываются с помощью матриц.

Также все физические величины можно разделить на основные и производные от них. К основным относятся единицы измерения массы, электрического заряда (основные характеристики материи, обуславливающие гравитационное и электромагнитное взаимодействие), длины и времени (так как отражают фундаментальные свойства материи и ее атрибутов – пространства и времени), а также температуры, количества вещества и силы света. Для установления производных единиц используют физические законы, связывающие их с основными единицами.

В настоящее время обязательна к применению в научной и учебной литературе Международная система единиц (СИ ), где в качестве основных единиц используются килограмм, Ампер, метр, секунда, Кельвин, моль и Кандела. Причиной замены в качестве основной единицы Кулона (электрический заряд) на Ампер (сила электрического тока) чисто техническая: реализация эталона в 1 Кулон в отличие от 1 Ампера практически невозможна, а сами единицы связаны простым соотношением:

Зачем человеку нужны измерения

Измерения - одно из важнейших дел в современной жизни. Но не всегда

было так. Когда первобытный человек убивал медведя в неравном поединке он, конечно, радовался, если тот оказывался достаточно большим. Это обещало сытую жизнь ему и всему племени на долгое время. Но он не тащил тушу медведя на весы: в то время никаких весов не было. Не было особой нужды в измерениях когда человек делал каменный топор: технических условий на такие топоры не существовало и все определялось размером подходящего камня, который удавалась найти. Все делалось на глаз, так, как подсказывало чутье мастера.

Позднее люди стали жить большими группами. Начался обмен товарами, перешедшими потом в торговлю, возникли первые государства. Тогда появилась нужда в измерениях. Царские песцы должны были знать, какова площадь поля у каждого крестьянина. Этим определялось, сколько зерна он должен отдать царю. Надо было измерить урожай с каждого поля, а при продаже льняного мяса, вина и других жидкостей – объем проданного товара. Когда начали строить корабли, нужно было заранее наметить правильные размеры: иначе корабль затонул бы. И уж, конечно, не могли обойтись без измерений древние строители пирамид, дворцов и храмов, до сих пор поражают нас своей соразмерностью и красотой.

СТАРИННЫЕ РУССКИЕ МЕРЫ.

Русский народ создал свою собственную систему мер. Памятники X века говорят не только о существовании системы мер в Киевской Руси, но и государственном надзоре за их правильностью. Надзор этот был возложен на духовенство. В одном из уставов князя Владимира Святославовича говорится:

« …еже искони установлено есть и поручено есть епископам градские и везде всякие мерила и спуды и весы... блюсти без пакости, ни умножити, ни умалити...» (...издавна установлено и поручено епископам наблюдать за правильностью мер... не допускать ни умаления, ни увеличения их...). Вызвана была эта необходимость надзора потребностями торговли как внутри страны, так и со странами Запада (Византия, Рим, позднее германские города) и Востока (Средняя Азия, Персия, Индия). На церковной площади происходили базары, в церкви стояли лари для хранения договоров по торговым сделкам, при церквах находились верные весы и меры, в подвалах церквей хранились товары. Взвешивания производились в присутствии представителей духовенства, получавших за это пошлину в пользу церкви

Меры длины

Древнейшими из них являются локоть и сажень. Точной первоначальной длинны той и другой меры мы не знаем; некий англичанин, путешествовавший по России в 1554 году, свидетельствует, что русский локоть равнялся половине английского ярда. Согласно «Торговой книге», составленной для

Абсолютная система измерения физических величин

В последние два столетия в науке происходила бурная дифференциация научных дисциплин. В физике помимо классической динамики Ньютона появились электродинамика, аэродинамика, гидродинамика, термодинамика, физика различных агрегатных состояний, специальная и общая теории относительности, квантовая механика и многое другое. Произошла узкая специализация. Физики перестали понимать друг друга. Теорию суперструн, например, понимают лишь насколько сот человек во всем мире. Чтобы профессионально разбираться в теории суперструн, нужно заниматься только теорией суперструн, на остальное просто не хватит времени.

Но не следует забывать, что столь разные научные дисциплины изучают одну и ту же физическую реальность – материю. Наука, а особенно физика, вплотную подошла к тому рубежу, когда дальнейшее развитие возможно только путем интегрирования (синтеза) различных научных направлений. Рассматриваемая абсолютная система измерения физических величин – первый шаг в этом направлении.

В отличие от международной системы единиц СИ, имеющей 7 основных и 2 дополнительные единицы измерения, в абсолютной системе единиц измерения используется одна единица – метр (см. табл.). Переход к размерностям абсолютной системы измерения осуществляется по правилам:

Где: L, T и М – размерности длины, времени и массы соответственно в системе СИ.

Физическая сущность преобразований (1.1) и (1.2) состоит в том, что (1.1) отражает диалектическое единство пространства и времени, а из (1.2) следует, что массу можно измерять в квадратных метрах. Правда, />в (1.2) – это не квадратные метры нашего трехмерного пространства, а квадратные метры двумерного пространства. Двумерное пространство получается из трехмерного, если трехмерное пространство разогнать до скорости, близкой к скорости света. Согласно специальной теории относительности, из-за сокращения линейных размеров в направлении движения, куб превратится в плоскость.

Размерности всех остальных физических величин установлены на основании так называемой «пи-теоремы», утверждающей, что любая верная зависимость между физическими величинами с точностью до постоянного безразмерного множителя соответствует какому-либо физическому закону.

Чтобы ввести новую размерность какой-либо физической величины, нужно:

Подобрать формулу, содержащую эту величину, в которой размерности всех других величин известны;

Алгебраически найти из формулы выражение этой величины;

В полученное выражение подставить известные размерности физических величин;

Выполнить требуемые алгебраические действия над размерностями;

Принять полученный результат как искомую размерность.

«Пи-теорема» позволяет не только устанавливать размерности физических величин, но и выводить физические законы. Рассмотрим для примера задачу о гравитационной неустойчивости среды.

Известно, что как только длина волны звукового возмущения оказывается больше некоторого критического значения, силы упругости (давление газа) не в состоянии вернуть частицы среды в первоначальное состояние. Требуется установить зависимость между физическими величинами.

Имеем физические величины:

/>- длина фрагментов, на которые распадается однородная бесконечно протяженная среда;

/>- плотность среды;

A - скорость звука в среде;

G - гравитационная постоянная.

В системе СИ физические величины будут иметь размерность:

/>~ L; />~ />; a~/>; G ~ />

Из />/>, />и />составляем безразмерный комплекс:

где: />и /> - неизвестные показатели степеней.

Таким образом:

Так как П по определению величина безразмерная, то получаем систему уравнений:

Решением системы будет:

следовательно,

Откуда находим:

Формула (1.3) с точностью до постоянного безразмерного множителя описывает известный критерий Джинса. В точной формуле />.

Формула (1.3) удовлетворяет размерностям абсолютной системы измерения физических величин. Действительно, входящие в (1.3) физические величины имеют размерности:

/>~ />; />~ />; />~ />; />~ />

Подставив размерности абсолютной системы в (1.3), получим:

Анализ абсолютной системы измерения физических величин показывает, что механическая сила, постоянная Планка, электрическое напряжение и энтропия имеют одинаковую размерность: />. Это означает, что законы механики, квантовой механики, электродинамики и термодинамики – инвариантны.

Например, второй закон Ньютона и закон Ома для участка электрической цепи имеют одинаковую формальную запись:

/>~ />(1.4)

/>~ />(1.5)

При больших скоростях движения во второй закон Ньютона (1.4) вводится переменный безразмерный множитель специальной теории относительности:

Если такой же множитель ввести в закон Ома (1.5), то получим:

Согласно (1,6) закон Ома допускает появление сверхпроводимости, так как />при низких температурах может принимать значение, близкое к нулю. Если бы физика с самого начала применяла абсолютную систему измерения физических величин, то явление сверхпроводимости было бы предсказано вначале теоретически, а уже потом обнаружено экспериментально, а не наоборот.

Много разговоров ведется об ускоренном расширении Вселенной. Замерить ускорение расширения современные технические средства не могут. Применим для решения этой задачи абсолютную систему измерения физических величин.

PAGE_BREAK--

Вполне естественно предположить, что ускорение расширения Вселенной />зависит от расстояния между космическими объектами />и от скорости расширения Вселенной />. Решение задачи изложенным выше методом дает формулу:

Анализ физического смысла формулы (1.7) выходит за рамки обсуждаемой проблемы. Скажем лишь, что в точной формуле />.

Инвариантность физических законов позволяет уточнить физическую сущность многих физических понятий. Одно из таких «темных» понятий – понятие энтропия. В термодинамике механическому ускорению />~/>соответствует массовая плотность энтропии

где: S – энтропия;

m – масса системы.

Полученное выражение свидетельствует о том, что энтропию, вопреки существующему заблуждению, можно не только вычислить, но и измерить. Рассмотрим для примера металлическую спиральную пружину, которую можно считать механической системой атомов кристаллической решетки металла. Если сжать пружину, то кристаллическая решетка деформируется и создаст силы упругости, которые всегда можно измерить. Сила упругости пружины будет той самой механической энтропией. Если энтропию разделить на массу пружины, то получим массовую плотность энтропии пружины, как системы атомов кристаллической решетки.

Пружину можно представить и одним из элементов гравитационной системы, вторым элементом которой является наша Земля. Гравитационной энтропией такой системы будет сила притяжения, которую можно измерить несколькими способами. Разделив силу притяжения на массу пружины, получим гравитационную плотность энтропии. Гравитационная плотность энтропии – это ускорение свободного падения.

Наконец, в соответствии с размерностями физических величин в абсолютной системе измерения, энтропия газа – это сила, с которой газ давит на стенки сосуда, в который он заключен. Удельная газовая энтропия – это просто давление газа.

Важные сведения о внутреннем устройстве элементарных частиц можно получить, исходя из инвариантности законов электродинамики и аэро-гидродинамики, а инвариантность законов термодинамики и теории информации позволяет наполнить физическим содержанием уравнения теории информации.

Абсолютная система измерения физических величин опровергает широко распространенное заблуждение об инвариантности закона Кулона и закона всемирного тяготения. Размерность массы />~/>не совпадает с размерностью электрического заряда q ~/>, поэтому закон всемирного притяжения описывает взаимодействие двух сфер, или материальных точек, а закон кулона описывает взаимодействие двух проводников с током, или окружностей.

Используя абсолютную систему измерения физических величин, мы можем чисто формально вывести знаменитую формулу Эйнштейна:

/>~ />(1.8)

Между специальной теорией относительности и квантовой теорией нет непреодолимой пропасти. Формулу Планка можно получить тоже чисто формально:

Можно и далее демонстрировать инвариантность законов механики, электродинамики, термодинамики и квантовой механики, но рассмотренных примеров достаточно для того, чтобы понять, что все физические законы являются частными случаями некоторых общих законов пространственно-временных преобразований. Интересующиеся этими законами найдут их в книге автора « Теория многомерных пространств ». – М.: Ком Книга, 2007.

Переход от размерностей международной системы (СИ) к размерностям абсолютной системы (АС) измерения физических величин

1. Основные единицы

Наименование физической величины

Размерность в системе

Название физической величины

Килограмм

Сила электрического тока

Термодинамическая температура

Количество вещества

Сила света

2. Дополнительные единицы

Плоский угол