Bạn có quá quen thuộc với các phép đo vật lý?

Đừng làm điều bất chính trong việc xét đoán, đo lường, cân đo và đo lường… Kinh Thánh

Đo lường mọi thứ có thể đo lường được và làm cho những gì không thể đo lường được có thể tiếp cận được. Galileo Galilei

… những ngày mặt trời tự nhiên, được coi là bằng nhau trong phép đo thời gian thông thường, trên thực tế không bằng nhau. Isaac Newton

Mỗi đại lượng chỉ được biết đến trong phạm vi có thể đo lường được. William Thomson

Trong tự nhiên, thước đo và trọng lượng là công cụ chính của tri thức. Khoa học bắt đầu khi họ bắt đầu đo lường. Dmitry Mendeleev

Quá trình chuyển đổi từ các mối quan hệ định tính sang định lượng là giai đoạn quan trọng nhất của tư duy khoa học. Cả khái niệm đo lường và quá trình đo các đại lượng vật lý đều dựa trên nó. Leonid Mandelstam

Nhiều nhà vật lý nghĩ rằng định nghĩa duy nhất của bất kỳ khái niệm nào là cách đo lường nó. Richard Feynman

Lên cân… nhanh lên!

Văn hóa dân gian

?

Bạn có quá quen thuộc với các phép đo vật lý?

Các phép đo của các nhà khoa học xuất sắc đã có tầm quan trọng tối quan trọng biết bao! Thật vậy, các phép đo là một thuộc tính không thể thiếu của vật lý. Ngay từ những bước đầu tiên học ở trường, chúng tôi đã được làm quen với các thuật ngữ như đơn vị đo, giá trị chia, sai số, giải thích sự khác biệt giữa quy trình đo trực tiếp và gián tiếp và dạy chúng tôi cách chính thức hóa kết quả công việc trong phòng thí nghiệm. Đúng vậy, đối với một số người, công việc trong phòng thí nghiệm có vẻ không cần thiết và nhàm chán, nhưng đối với nhiều người, những người có xu hướng làm việc không chỉ bằng đầu mà còn bằng cả đôi tay, rõ ràng là không có đủ ở trường. Chúng ta hãy cố gắng, ít nhất một phần, bù đắp sự thiếu hụt này và thực hiện một số phép đo, đôi khi sử dụng cái được gọi là phương tiện ngẫu hứng. Có lẽ, bất chấp vẻ đơn giản rõ ràng, những hành động thiết thực này sẽ khuyến khích bạn tiến xa hơn trong việc nắm vững khái niệm “đo lường”. Vậy thì chúng tôi đang chờ đợi bạn trong số tiếp theo của Kính vạn hoa.

Bài toán-kích thước

1. Đầu tiên, đo chiều cao của bạn bằng thước kẻ, đánh dấu trên khung cửa, sau đó đo khoảng cách giữa các đầu ngón tay của bàn tay dang rộng của bạn bằng cách sử dụng bức tường. So sánh số đo của bạn. Bạn sẽ chú ý điều gì?

2. Mở rộng cánh tay thẳng của bạn về phía trước và xòe ngón trỏ và ngón giữa, tạo thành chữ V. Bằng cách này, các nhà thiên văn nghiệp dư có thể đo các góc quan tâm đối với họ. Tại sao? 3. Trên một chiếc bàn hình chữ nhật có một hộp diêm đóng kín. Bạn có thể dùng thước kẻ và bút chì để đo khoảng cách giữa hai điểm xa nhất của nó không? 4. Làm thế nào để xác định chu vi (và do đó là đường kính) của một quả bóng đá bằng thước gỗ? 5. Có thể tìm được thể tích của một hạt đậu cụ thể từ một đống nếu bạn chỉ có một cốc thủy tinh không? 6. Một chai hình chữ nhật có thành mỏng, kín, có đáy phẳng chứa đầy nước một phần. Làm thế nào bạn có thể xác định dung tích của nó mà không cần mở chai và chỉ có thước kẻ? 7. Cố gắng tìm thể tích bên trong của một chiếc bình có hình dạng bất thường bằng cách sử dụng cân và một bộ quả nặng. 8. Bạn (theo Archimedes) có thể cân được một con voi không? 9. Làm thế nào để xác định bằng lực kế khối lượng của một hình lập phương có khối lượng lớn hơn giới hạn đo của lực kế nhưng không quá hai lần?

10. Được biết, trọng lượng của một vật thể trên Mặt trăng nhẹ hơn trên Trái đất 6 lần. Bạn nên mang theo dụng cụ đo nào lên Mặt trăng để kiểm tra thực tế này bằng thực nghiệm? 11. Hai nhiệt kế gia dụng giống hệt nhau chỉ khác nhau về hình dạng hộp đựng: một hình cầu, một hình trụ. Nhiệt kế nào trong số này “phản ứng” nhanh hơn với sự thay đổi nhiệt độ và tại sao? 12. Làm thế nào để đo điện trở của một ampe kế đã cho nếu biết có một ampe kế khác có điện trở? 13. Làm thế nào để đo điện trở của một vôn kế nhất định nếu biết có một vôn kế khác có điện trở? 14. Làm thế nào bạn có thể dùng thước để xác định chiều cao của một tòa nhà hoặc một cái cây vào một ngày nắng mà không cần phải trèo lên?

Thật thú vị rằng…

… độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo đã được giám sát từ thời cổ đại. Vì vậy, trong hiến chương của Hoàng tử Vsevolod (thế kỷ XII) các hình phạt dành cho những người vi phạm sự thống nhất về các phép đo đã được đề cập, lên đến và bao gồm cả án tử hình. … cư dân của Ai Cập cổ đại có những sợi dây đo được bẻ thành nhiều mảnh để họ dùng làm thước kẻ và la bàn. Với sự giúp đỡ của họ, người Ai Cập có thể đo gần đúng chiều dài của bất kỳ đoạn nào hoặc kích thước của bất kỳ góc nào. … các phép đo khác nhau, mặc dù gần đúng, có thể được thực hiện theo nghĩa đen bằng tay trần, nếu bạn biết kích thước của chính mình: chiều rộng móng của một số ngón tay, chiều dài khớp giữa của ngón trỏ, khoảng cách giữa đầu ngón tay cái và ngón út của bàn tay dang ra, thước đo “của bạn” - từ đầu cánh tay dang ra đến mép của vai kia, v.v. … các phép đo nhiệt độ chính xác được thực hiện bởi J. Joule trong nhiều thí nghiệm đã giúp thiết lập mối liên hệ giữa công cơ học, sự thay đổi nhiệt và năng lượng mà từ lâu đã không rõ ràng. Tất cả các đại lượng vật lý này ngày nay đều có một đơn vị đo chung - joule.

… nhiệt kế và phong vũ biểu, ban đầu dựa trên các nguyên tắc vật lý giống nhau - phương trình trạng thái của khí - thực tế không thể phân biệt được với nhau. Nhân tiện, nhà hài hước nổi tiếng Mark Twain là người đầu tiên thu hút sự chú ý của các nhà vật lý về tình huống này. … theo thuyết tương đối, khi các vật thể chuyển động đều, chiều dài của chúng ngắn lại và nhịp độ mọi quá trình diễn ra chậm lại. Tuy nhiên, những thay đổi này chỉ có thể được đo bằng các dụng cụ ở trạng thái nghỉ. Ngay khi các công cụ bắt đầu di chuyển cùng với các đối tượng quan sát, chúng trở nên “bất lực” trong việc nhận thấy những thay đổi đó. … các phép đo tốc độ âm thanh trong không khí được thực hiện vào cuối thế kỷ 20 đòi hỏi phải có những sửa đổi quan trọng đối với sách tham khảo. Thực tế là trong các thí nghiệm trước đây, độ không đảm bảo được cho phép không tính đến các giá trị mới nhất của hằng số và tham số mô tả các tính chất của không khí, cũng như kết quả đáng ngờ khi chuyển đổi đơn vị đo từ hệ thống này sang hệ thống khác. … các phương pháp đo lường hiện đại đã mở rộng một cách bất thường phạm vi của các đại lượng được nghiên cứu. Do đó, ngày nay người ta có thể tìm thấy các khoảng cách khác nhau khoảng 40 bậc độ lớn - từ quy mô giữa các thiên hà đến kích thước của các hạt cơ bản.

Những gì cần đọc trong «Kvant» về các phép đo vật lý

(xuất bản những năm gần đây)

1. “Cân đòn bẩy” – 2015, Phụ lục số 3, tr. 52; 2. “Độ phân giải của dụng cụ đo” – 2015, Phụ lục số 3, tr. 191; 3. “Cách học sinh đo từ trường” - 2016, Phụ lục số 2, tr. 113; 4. “Sự ra đời của Thiên văn học Sóng Hấp dẫn” – 2018, Số 3, tr. 14; 5. “James Joule” – 2018, số 7, tr. 10; 6. “Giải thưởng Dụng cụ Laser” – 2019, số 3, tr.2.

Tài liệu do A. Leonovich chuẩn bị

34

KVAN T 2021/№7

Foucault. Trong hệ quy chiếu quán tính, mặt phẳng trong đó con lắc dao động không đổi, nhưng trên thực tế, chẳng hạn, nếu thí nghiệm được thực hiện ở Moscow, thì mặt phẳng dao động sẽ quay chậm. Một ví dụ khác là các con sông chảy ở bán cầu bắc cuốn trôi bờ phải. Và nếu hệ thống gắn liền với Trái đất là quán tính thì cả hai ngân hàng sẽ có quyền ngang nhau. Nhưng đây đều là những hiệu ứng khá tinh tế, được quan sát bằng các phép đo rất chính xác hoặc trong khoảng thời gian rất dài. Trong trường hợp của chúng tôi, hệ quy chiếu gắn liền với Trái đất có thể được coi là quán tính. Điều này có nghĩa là bất kỳ hệ quy chiếu nào khác chuyển động đều và thẳng so với Trái đất cũng có thể được coi là quán tính. Con thuyền của chúng tôi chỉ là một hệ quy chiếu như vậy. Và sau đó, theo nguyên lý tương đối của Galileo, tất cả các định luật vật lý trong hệ thống xuồng cứu sinh đều giống như trong hệ thống gắn liền với Trái đất. Và sau khi nhảy lên thuyền, bạn sẽ hạ cánh tại đúng điểm trên con thuyền mà bạn đã xuất phát, giống như khi ở trên bờ. Ở đây, một trong những người của chúng tôi phản đối rằng nếu trên mặt đất cứng, tức là trên bờ, bắn thẳng đứng lên trên, thì viên đạn sẽ không rơi ở điểm ban đầu, ngay cả khi không khí hoàn toàn bất động so với Trái đất. Đây là-

Quả thực là như vậy, nhưng đây là một trường hợp khác chứng tỏ tính phi quán tính của hệ quy chiếu Trái đất. Vì ảnh hưởng này không đáng kể nên có thể bỏ qua trong thí nghiệm của chúng tôi. Tuy nhiên, Lesha không bị thuyết phục bởi tất cả những lời giải thích này. Họ cũng trích dẫn cho anh ta lý luận của Galileo, người đã giải thích với những người cùng thời với anh ta rằng nếu một cuộc đấu tay đôi bằng súng lục diễn ra khi một con tàu đang di chuyển, thì không ai trong số những đấu thủ, cho dù anh ta nhìn từ đuôi tàu đến mũi tàu hay ngược lại, có lợi thế hơn. Và họ nhắc lại cách anh ấy, Lesha, đi trên chuyến tàu đến Biostation, chơi một quả bóng trong toa và quả bóng chuyển động so với toa xe giống như cách nó di chuyển trên một trái đất đứng yên với những cú đánh giống nhau. Nhưng nó không có ích gì. Lesha chắc chắn muốn nhảy, nhưng chúng tôi phản đối, vì chiếc thuyền có thể bị rò rỉ do va chạm. Nhưng cuối cùng họ đã nhượng bộ và Lesha đã nhảy xuống. Lẽ ra anh ta phải chìm xuống điểm xuất phát (và con thuyền lắc lư nhiều đến mức phải hứng một lượng nước nhất định). Lesha suy nghĩ rất lâu. Và có lẽ ông đã nhớ mãi nguyên lý tương đối của Galileo. Tôi sẽ nhân cơ hội này để chỉ ra những ví dụ về việc học sinh thường học bài một cách hời hợt như thế nào. Một ngày nọ, một sinh viên đang đi đến Trạm sinh học Biển Trắng. Anh ta đến Poyakonda bằng tàu hỏa, từ đó anh ta sẽ được đưa đến nơi bằng thuyền. Tôi vào bờ lúc ba giờ sáng (đêm trắng xóa), còn lâu lắm thuyền mới cập bến. Không một bóng người xung quanh. Anh đặt chiếc ba lô nặng nề của mình xuống đất và đi khám phá xung quanh. Và khi tôi quay lại, chiếc ba lô đã biến mất. Trộm cắp là điều không thể xảy ra - ngôi làng rất nhỏ và người dân thậm chí còn

35

“Lượng tử”

VÌ

TRẺ HƠN

cửa không khóa. Người học trò ngồi xuống một phiến đá và chìm đắm trong những suy nghĩ nặng nề về những thăng trầm của cuộc đời. “Cái gì trôi nổi trên biển vậy?” - cậu sinh viên nghĩ. “Không, nó không nổi, nhưng có lẽ nó đứng yên.” Tôi đã nhìn kỹ hơn. “Đúng, đây là ba lô của tôi!” – học sinh đoán. May mắn thay anh ấy đang đi ủng - anh ấy đi đến ba lô của mình ở vùng nước nông. Người sinh viên quên rằng biển có thủy triều. Nhưng anh ấy đã học điều này ở trường và có lẽ thậm chí còn đạt điểm A cho một bài học được ghi nhớ hoàn hảo. Nhưng thực tế của vấn đề là bạn có thể ghi nhớ nó và không nghĩ về nó. Một trường hợp khác lại xảy ra ở Biển Trắng. Một nhóm du khách đi dạo và một trong số họ, Sacha Codreanu, ở lại bên bếp lửa để pha trà. Anh là một cậu học sinh rất thông minh, vừa đạt giải nhất Olympic Toán toàn Liên đoàn. Anh ta đi đến cái giếng, và bên cạnh đó là biển - nước trong đó rất trong và vui đùa dưới ánh mặt trời. Và anh ta đổ đầy một xô nước biển. Anh ta quên rằng nước biển có vị mặn, nhưng có lẽ anh ta đã biết về điều đó. Nhưng đây là kiến ​​thức để lấy điểm chứ không phải để sống. Nước (mặn) vừa sôi vừa lúc đoàn người mệt mỏi quay về. Hóa ra kiến ​​thức ở trường có thể là vô ích. Điều này xảy ra nếu họ không kết nối với những quan sát cuộc sống. Một người phải có hai “trường học” - một trên đường phố và ở nhà, một ở trường và chúng phải được kết nối với nhau. Nhưng điều này không phải lúc nào cũng xảy ra. Đây là một người đàn ông đang đi dạo trong thành phố, anh ta mười lăm tuổi và có tầm nhìn một trăm phần trăm. Nhưng anh ấy không nhìn thấy gì cả. Anh ta không nhận thấy rằng chim bồ câu và quạ là những loài chim khác nhau. Tôi không để ý rằng xe đẩy có còi trên nóc (chúng được gọi một cách khoa học là cần tiếp điện). Anh chưa bao giờ nhìn thấy cầu vồng và cũng không để ý rằng các đám mây tích thường có bề mặt đáy phẳng. Tôi không bịa ra tất cả những điều này - đây là kết quả của những quan sát. Có lần tôi hỏi các thành viên trong nhóm của mình rằng liệu có phải Mặt trăng và Mặt trời có thể nhìn thấy trên bầu trời cùng một lúc hay không. Một người nói rằng anh ta đã nhìn thấy nó một lần, những người còn lại không nhận thấy điều gì tương tự, và một số thậm chí còn ngạc nhiên rằng Mặt trăng có thể được nhìn thấy vào ban ngày.

TRẺ EM HỌC SINH

Nhưng… hãy quay lại với những chú chim. Tôi luôn được dạy rằng sổ tay của Leonardo da Vinci chứa đầy những hiểu biết sâu sắc. Và gần đây tôi cuối cùng đã quyết định đọc những cuốn sách này, tất nhiên, đã được xuất bản từ lâu bởi các nhà xuất bản học thuật có uy tín. Trong “Tác phẩm chọn lọc” của Leonardo da Vinci (M.: Nhà xuất bản Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô, 1955) có một chương “Về chuyến bay và chuyển động của các vật thể trong không khí”. Đây là một nghiên cứu chi tiết với nhiều quan sát thú vị và những bức vẽ đẹp. Nhưng hiểu được nó thì rất khó, đôi khi là không thể. Suy cho cùng, Leonardo tự viết cho mình mà không quan tâm đến việc giải thích ý nghĩa của các thuật ngữ được sử dụng. Chương này bao gồm phần “Tại sao chim di cư bay ngược chiều gió?” Tôi không thể tìm ra nó trong văn bản này, nhưng kết luận rõ ràng là không chính xác. Những bức ảnh cho thấy cách chim cất cánh - thực sự là luôn ngược chiều gió. Và khi chúng đã ở trên cao, bạn không thể nhìn thấy gió thổi theo hướng nào. Có thể giả định rằng điều này đã dẫn đến lỗi. Cần lưu ý rằng Leonardo liên tục đề cập đến các định luật tĩnh học do Archimedes phát hiện (ông đã nghiên cứu Archimedes từ các tác phẩm hoàn chỉnh, như được biết đến từ sổ ghi chép của ông, đã có sẵn cho ông). Nhưng số liệu thống kê không đủ để nghiên cứu chuyến bay. Nhưng động lực học như một môn khoa học vẫn chưa tồn tại, và Leonardo, người còn thiếu kiến ​​​​thức, đã liên tục sử dụng những phỏng đoán trực quan. Vì vậy, cả đời ông đã cố gắng tạo ra một chiếc máy bay nhưng đã thất bại. Phải mất bốn thế kỷ phát triển khoa học và công nghệ, con người cuối cùng mới có thể bay lên không trung. Vì vậy, tôi nghĩ rằng tôi đã đoán được từ đâu mà các nhà sinh vật học lại có ý tưởng sai lầm rằng gió ngược ngăn cản chim bay. Nó bắt nguồn từ các tác phẩm của Leonardo da Vinci. Và ý tưởng này vẫn tồn tại trong đầu một số người bởi vì kiến ​​thức vật lý của họ những người này chưa vượt qua được thời đại của Galileo. Nhưng đừng trách Leonardo đã không đi trước thiên tài đi sau ông…