§5 Измерительные приборы
Измерительные приборы – специальные устройства для определения значений физических величин.
К измерительным приборам можно отнести линейку, термометр, мерный стакан, весы. Такими приборами мы пользуемся практически каждый день. C развитием физики появляются новые измерительные приборы и совершенствуются старые: рулетка, секундомер, амперметр, вольтметр, манометр, спидометр и др.
Измерительные приборы делятся на шкальные (аналоговые) и цифровые.
В цифровых измерительных приборах результат отображается в виде цифрового значения на специальном дисплее (электронный термометр, электронные весы).
В аналоговых приборах для отображения значения физической величины используется шкала.
Шкала – ряд штрихов с цифрами. Расстояние между штрихами называют делением шкалы, а значение наименьшего деления шкалы – ценой деления шкалы.
Прежде чем приступать к измерению, нужно определить цену деления шкалы прибора. Ведь именно цена деления определяет точность данного прибора.
Для определения цены деления шкалы прибора нужно:
- Найти два ближайших штриха, напротив которых указаны значения;
- Вычесть из большего значения меньшее;
- Полученное значение разделить на количество делений между взятыми значениями.
Цена деления обозначается символом C измеряется в “единицах измерениях прибора на одно деление“, например: \(\mathrm{\frac{м}{дел}}\), \(\mathrm{\frac{с}{дел}}\), \(\mathrm{\frac{мл}{дел}}\), \(\mathrm{\frac{кг}{дел}}\).
Помните, любое измерение можно выполнить с некоторой точностью.
Допускаемая неточность – это погрешность измерения. Погрешность измерения не может быть больше цены деления шкалы. Обычно её считают равной половине цены деления. Погрешность записывается после значения измерения со знаком «±». Погрешность измерений принято обозначать символом \(\mathrm{\Delta}\) (большая дельта), но чтоб не спутать погрешность с символом разности значений, например при записи промежутка времени \(\mathrm{\Delta t}\), мы будем обозначать её символом \(\mathrm{\delta}\) (маленькая дельта).
Рассмотрим примеры:
- Длина стола, измеренного мерной лентой с ценой деления \(\mathrm{1~мм}\), равна \(\mathrm{120~см \pm 0,5~мм}\). При этом, мерная лента обладает точностью \(\mathrm{\delta l=0,5~мм}\);
- Масса кота, измеренная на весах с ценой деления \(\mathrm{0,1~кг}\), равна \(\mathrm{4~кг \pm 0,05~кг}\). При этом, весы имеет точность \(\mathrm{\delta m=0,05~кг}\);
Помимо этого, каждый измерительный прибор имеет пределы измерения.
Пределами измерения называют максимальное и минимальное значения физической величины, которые могут быть измерены данным прибором . Эти значения называют верхним и нижним пределами измерения.
В качестве примера рассмотрим шкалу уличного термометра с минимальным и максимальным значениями на ней в \(\mathrm{-50^{\circ}C}\) и \(\mathrm{50^{\circ}C}\) соответственно, и ценой деления \(\mathrm{C=1 \frac{^{\circ}C}{дел}}\). Погрешность измерения для такого термометра составит \(\mathrm{\delta T=0,5^{\circ}C}\) , при этом нижний и верхний пределы измерения будут соответственно равны \(\mathrm{T_{min}=-50^{\circ}C}\) и \(\mathrm{T_{max}=50^{\circ}C}\).
Помните: перед тем, как проводить измерения данным прибором, проверьте – соответствует ли его верхний предел примерному значению физической величины, которую вы собираетесь измерять. Например, если попытаетесь использовать уличный термометр для измерения температуры кипящей воды, есть очень большая вероятность, что термометр выйдет из строя.
Если же вы желаете повысить точность измерений, необходимо использовать измерительный прибор с меньшей ценой деления. Например, для измерения толщины куска картона, вместо линейки лучше использовать штангенциркуль. В случае, если более точного прибора нет в наличии, для измерения малых физических величин можно применить метод рядов, который мы рассмотрим в следующем параграфе.
Немного практики. Давайте попробуем найти пределы измерения, цену деления и точность спидометра, изображённого на картинке. Кроме этого, определим – какую скорость показывает спидометр в данный момент.
Решение:
- Определим пределы измерения спидометра. Это очень просто сделать, нужно лишь посмотреть какая наименьшая и какая наибольшая цифра изображена на шкале прибора. В нашем случае это цифры 0 и 240. Важно не забыть записать их вместе с единицами измерения. В данном случае это км/ч.
\(\mathrm{ \upsilon_{min}=0~км/ч;~\upsilon_{max}=240~км/ч;}\)
- Далее, определим цену деления спидометра. Выберем любые соседние значения и без труда определим, что значения проставлены через каждый 20 км/ч. Но между этими значениями есть ещё один штрих, который делит деление пополам, а это значит, что цена одного деления составляет:
\(\mathrm{ C=10 \frac{км/ч}{дел};}\)
- Точность прибора (погрешность измерения данным прибором) найдём как половину цены деления,т.е.:
\(\mathrm{\delta \upsilon = 5~км/ч;}\)
- Наконец, найдём текущие показания спидометра. На рисунке, стрелка спидометра находится между штрихами со скоростью 230 км/ч (неподписанное деление) и 240 км/ч. Здесь мы поступаем очень просто: берём среднее значение между этими двумя штрихами. Таким образом получаем текущую скорость:
\(\mathrm{\upsilon = 235 \pm 5~км/ч;}\)
Обратите внимание! Погрешность данного спидометра не позволяет нам измерять скорость с точностью большей чем 5 км/ч. И пусть даже на глаз видно, что стрелка спидометра находится не строго посередине между делениями, но в данном случае мы не имеем права определить скорость точнее “на глаз”. Именно поэтому в значениях скорости мы указали погрешность в виде значения:
\(\mathrm{\pm 5~км/ч;}\)
Для того, чтобы повысить точность измерения скорости данного автомобиля, необходимо либо установить более точный спидометр, либо воспользоваться цифровым GPS-спидометром.
Для того, чтобы завершить урок, необходимо пройти небольшой тест. Для этого нажмите кнопку “ПРОЙТИ ТЕСТ“.