fizikzauglom

เกรด 7 · ฟิสิกส์และการวัด

เครื่องมือวัดและความแม่นยำ

หน่วย SI สเกล ค่าของหนึ่งช่องสเกล และการวัดโดยตรงกับการวัดทางอ้อม

22 นาที7 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

นักเรียนสองคนบอกความยาวของดินสอว่า 12 เหมือนกัน แต่คนหนึ่งใช้เซนติเมตร อีกคนใช้มิลลิเมตร เหตุใดตัวเลขเพียงอย่างเดียวจึงยังไม่ใช่ผลการวัดที่ครบถ้วน และเราวัดความยาวดินสอได้แม่นยำเพียงใด?

กำกับเฉพาะเซนติเมตรเต็ม01234см? смแบ่งแต่ละเซนติเมตรเป็นช่องเท่ากันหนึ่งช่องยาวกี่เซนติเมตร?
ไม้บรรทัดกำกับตัวเลขเฉพาะเซนติเมตรเต็ม ส่วนขีดย่อยไม่มีตัวเลข ค่าของหนึ่งช่องเล็กไม่ได้เขียนกำกับไว้โดยตรง

ตัวเลขพร้อมหน่วย

การเปรียบเทียบดินสอด้วยคำว่า “แท่งนี้ยาวกว่า” ยังไม่พอ เราต้องตกลงว่าจะใช้ความยาวมาตรฐานใดเป็นตัวเทียบ สมบัติที่วัดและแสดงด้วยตัวเลขกับหน่วยเรียกว่า ปริมาณทางกายภาพ ความยาว l บอกขนาดตามแนวยาวของวัตถุ หน่วย SI คือเมตร: 1 м = 100 см = 1000 мм ดังนั้น 12 mm กับ 12 m จึงต่างกันพันเท่า หน่วยบอกว่าเรานำช่วงความยาวมาตรฐานใดมาต่อกันในใจตามแนววัตถุ

12 — หน่วยอะไร?12 ммตะปู12 мรถบัส1 м = 100 см = 1000 мм
ตัวเลข 12 เดียวกันใช้บอกตะปูยาว 12 มิลลิเมตรและรถบัสยาว 12 เมตร หน่วยบอกว่าความยาวมาตรฐานใดถูกนำมาต่อกันสิบสองครั้ง ภาพทั้งสองใช้มาตราส่วนต่างกัน

นับช่องระหว่างขีด

บนไม้บรรทัดมีขีดย่อยระหว่าง 2 กับ 3 cm ช่วงทั้งหมดนี้ยาว 1 cm ถ้าแบ่งเป็นห้าช่องเท่า ๆ กัน แต่ละช่องจะยาวหนึ่งในห้าของเซนติเมตร ลองนับดู: ห้าช่องมีขีดคั่นรวมที่ปลายทั้งสองเป็นหกขีด จึงต้องนับช่อง ไม่ใช่นับขีด ยิ่งแบ่งช่วงเดิมเป็นช่องเท่า ๆ กันได้มาก ก็ยิ่งแยกความแตกต่างเล็ก ๆ ของค่าที่อ่านได้

2 см3 см0,2 см5 ช่อง
จาก 2 ถึง 3 cm มีช่องเท่ากันห้าช่อง ค่าของหนึ่งช่องคือ (3 − 2) / 5 = 0,2 см

ค่าของหนึ่งช่องสเกล

เราต้องการค่าของหนึ่งช่องสเกล c หาผลต่างของค่าที่กำกับไว้ x₂ − x₁ แล้วแบ่งเท่า ๆ กันให้ n ช่อง: c = (x₂ − x₁)/n ช่วงจาก 2 ถึง 3 cm ที่มีห้าช่องให้ c = 0,2 см ถ้าเพิ่มจำนวนช่องเป็นสองเท่าโดยผลต่างเท่าเดิม ค่าของหนึ่งช่องจะลดเหลือครึ่งหนึ่ง วิธีนี้ใช้กับสเกลที่แบ่งช่องสม่ำเสมอ และ c มีหน่วยเดียวกับค่าที่อ่านจากสเกล

1234n = 4 ช่องx₂ = 40 млx₁ = 20 млc =x₂ − x₁nc = (40 − 20) : 4c = 5 млส่วนหนึ่งของสเกล ไม่ใช่ทั้งภาชนะ
ภาพขยายส่วนหนึ่งของสเกลสม่ำเสมอแสดงสี่ช่องระหว่าง 20 กับ 40 ml นำผลต่างหารด้วยจำนวนช่อง จะได้หนึ่งช่องมีค่า 5 ml

อ่านค่าจากสเกล

วางปลายด้านหนึ่งของดินสอที่ขีดศูนย์ แล้วมองปลายอีกด้านตรงลงมาจากด้านบน การมองเฉียงทำให้ตำแหน่งที่เห็นคลาดไปจากขีดสเกล ถ้าขอบไม้บรรทัดเสียหายจะทำอย่างไร? เริ่มที่ขีดจำนวนเต็มอื่นก็ได้ ค่าที่ปลายอีกด้านจะรวมระยะเกินจากศูนย์ถึงจุดเริ่ม จึงต้องลบออก: l = x₂ − x₁ ลองเลื่อนดินสอทั้งแท่งไปตามไม้บรรทัด ค่าที่อ่านทั้งสองเปลี่ยน แต่ผลต่างซึ่งเป็นความยาวยังเท่าเดิม

01234l = 3 смсм
ปลายด้านหนึ่งของแท่งวัตถุตรงกับขีดศูนย์ อีกด้านอยู่ที่ 3 cm จึงวัดความยาวได้ 3 cm

ความแม่นยำมีจำกัด

ถ้าปลายดินสออยู่ระหว่างขีด เราควรบันทึกอย่างไร? เครื่องมือไม่ได้รองรับการเขียนตัวเลขละเอียดได้ไม่จำกัด จึงบันทึกค่าประมาณความยาวพร้อมความไม่แน่นอน เช่น (2,5 ± 0,5) см หมายถึงช่วงโดยประมาณจาก 2 ถึง 3 cm ข้อความนี้บอกว่าเรารู้ความยาวละเอียดเพียงใด ไม่ได้หมายความว่าดินสอเปลี่ยนความยาว สเกลที่ละเอียดขึ้นช่วยลดช่วงนี้ได้ ถ้าความไม่แน่นอนจากสาเหตุอื่นไม่เป็นตัวจำกัด

01234l ≈ (2,5 ± 0,5) см
ปลายวัตถุอยู่ระหว่างขีด 2 กับ 3 cm สเกลหยาบนี้ให้ประมาณความยาวได้ 2,5 cm โดยมีความไม่แน่นอนประมาณ 0,5 cm จึงไม่ควรเขียนละเอียดถึงทศนิยมตำแหน่งที่สอง

ความไม่แน่นอนมาจากไหน?

ลองนึกถึงไม้บรรทัดสองอันที่มีช่องสเกลเท่ากัน แต่อันหนึ่งมีขีดศูนย์คลาดตำแหน่ง สเกลละเอียดก็แก้ปัญหานี้ไม่ได้ ความไม่แน่นอนของความยาว Δl มีหน่วยเดียวกับความยาว และขึ้นกับทั้งเครื่องมือและวิธีวัด ในแบบฝึกหัดมักประมาณด้วยครึ่งหนึ่งของค่าต่อช่อง หากไม่ได้กำหนดวิธีอื่น แต่นี่เป็นเพียงการประมาณ ไม่ใช่ค่ารับประกันสำหรับทุกกรณี ต้องพิจารณาความหนาของขีด ตำแหน่งตา ขีดศูนย์ และสภาพเครื่องมือด้วย

อะไรทำให้อ่านค่าไม่แม่นยำ?ปลายอยู่ระหว่างขีดสเกลขอบชำรุดขีดศูนย์หายมองเฉียงอ่านค่าคลาดเคลื่อนครึ่งช่องเป็นเพียงค่าประมาณง่าย ๆΔl กับ l ใช้หน่วยเดียวกัน
ปลายวัตถุอาจอยู่ระหว่างขีด ขอบไม้บรรทัดอาจเสียหาย และการมองเฉียงอาจทำให้ค่าที่อ่านคลาดเคลื่อน ครึ่งหนึ่งของค่าต่อช่องเป็นเพียงค่าประมาณความไม่แน่นอนอย่างง่าย

วัดโดยตรงหรือคำนวณ

จะวัดความหนากระดาษที่บางกว่าหนึ่งช่องสเกลได้อย่างไร? วางกระดาษเหมือนกันหลายแผ่นซ้อนกันโดยไม่มีช่องว่างที่เห็นได้ชัด แล้ววัดความหนาของปึก ความหนารวมเป็นผลบวกของความหนาแต่ละแผ่น เมื่อหารด้วยจำนวนแผ่นจึงได้ความหนาเฉลี่ย การอ่านค่าจากเครื่องมือเรียกว่าการวัดโดยตรง ส่วนการคำนวณจากปริมาณที่วัดได้เป็นการวัดทางอ้อม การซ้อนกระดาษช่วยให้ไม้บรรทัดวัดความหนาเล็ก ๆ ได้ แต่ช่องว่างหรือการกดอัดมากเกินไปอาจทำให้ผลคลาดเคลื่อน

วัด → คำนวณHกระดาษเหมือนกัน N แผ่น: Nhh = H : Nไม่มีช่องว่าง · ขนาดเป็นภาพแทน
วัดความสูง H ของปึกโดยตรง แล้วหาความหนาเฉลี่ย h ของหนึ่งแผ่นทางอ้อม โดยหาร H ด้วยจำนวน N ของแผ่นที่เหมือนกันและวางซ้อนโดยไม่มีช่องว่าง

ความหนาของแผ่น

กระดาษเหมือนกัน 100 แผ่นวางซ้อนกันโดยไม่มีช่องว่าง ได้ปึกหนา 10 mm จงหาความหนาเฉลี่ยของกระดาษหนึ่งแผ่น

ปึกกระดาษที่แต่ละแผ่นเหมือนกัน100 แผ่น010ммN = 100 แผ่น, H = 10 ммความหนาเฉลี่ยต่อแผ่น h — ?
กระดาษเหมือนกันหนึ่งร้อยแผ่นวางซ้อนโดยไม่มีช่องว่าง วัดความสูงของปึกด้วยไม้บรรทัดได้ 10 mm จงหาความหนาเฉลี่ยของหนึ่งแผ่น

ลองดูตัวอย่าง · 1

กระดาษหนึ่งแผ่นบางเกินกว่าจะวัดด้วยไม้บรรทัดได้สะดวก การซ้อนเป็นปึกทำให้ความยาวที่ต้องวัดมากขึ้น 100 เท่า

วัดหนึ่งร้อยแผ่นพร้อมกัน100 แผ่นH =10 ммวัดความสูงของปึกได้สูงเป็น 100 เท่าของความหนาหนึ่งแผ่น
กระดาษหนึ่งแผ่นบางกว่าหนึ่งช่องไม้บรรทัด จึงอ่านความหนาไม่ได้ แต่หนึ่งร้อยแผ่นสูงรวม 10 mm ซึ่งไม้บรรทัดวัดได้

ลองดูตัวอย่าง · 2

หาร 10 mm ด้วย 100 ได้ 0,10 mm นี่คือความหนาเฉลี่ย ความแม่นยำของผลยังถูกจำกัดด้วยการวัดความหนาของปึก

หารความสูงด้วยจำนวนแผ่นN = 100H =10 ммh = H : N = 10 мм : 100h ≈ 0,10 мм
หารความสูงของปึก 10 mm ด้วยจำนวน 100 แผ่น ได้ความหนาเฉลี่ยต่อแผ่น 0,10 mm ความแม่นยำถูกจำกัดด้วยการวัดปึก

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

ความหนาเฉลี่ยของกระดาษหนึ่งแผ่นประมาณ 0,10 mm

ใจความสำคัญ · 1

การวัดคือการเปรียบเทียบสมบัติกับหน่วยที่เลือก ผลที่ไม่มีหน่วยจึงไม่ครบถ้วน

ใจความสำคัญ · 2

ค่าของหนึ่งช่องสเกลหาได้จากผลต่างของค่าที่กำกับหารด้วยจำนวนช่อง ส่วนความยาวเป็นผลต่างของค่าที่ปลายทั้งสอง

ใจความสำคัญ · 3

ความไม่แน่นอนบอกขอบเขตที่เราเชื่อถือค่าตัวเลขนั้นได้ การวัดกระดาษเป็นปึกช่วยวัดความหนาเล็ก ๆ แต่ต้องควบคุมช่องว่างระหว่างแผ่น

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

เครื่องมือช่วยศึกษาสิ่งที่เล็กเกินกว่าตาจะเห็นได้ ต่อไปเราจะพิจารณาว่าการสังเกตใดเป็นหลักฐานว่าสารประกอบด้วยอนุภาค

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

ปริมาณทางฟิสิกส์

สมบัติของวัตถุหรือปรากฏการณ์ที่วัดได้ โดยแสดงด้วยตัวเลขและหน่วยที่เลือก

ความยาว เวลา มวล และอุณหภูมิทำให้สามารถเปรียบเทียบวัตถุในเชิงปริมาณได้ และระบบ SI จะทำให้ทุกคนสามารถเข้าใจผลลัพธ์ได้

สเกลและค่าของหนึ่งช่องสเกล

สเกลประกอบด้วยขีดหลายขีดบนเครื่องมือวัด ค่าของหนึ่งช่องสเกลคือผลต่างของค่าที่ขีดสองขีดติดกัน

เมื่ออ่านเครื่องมือ ให้หาขีดที่มีตัวเลขกำกับสองขีด นำผลต่างของค่าหารด้วยจำนวนช่องระหว่างขีด แล้วใช้ค่าต่อช่องนั้นอ่านผลการวัด

ความแม่นยำและความไม่แน่นอน

ความไม่แน่นอนประมาณขอบเขตที่ผลการวัดอาจต่างจากค่าที่แทนปริมาณซึ่งวัดได้ดีที่สุด

การวัดโดยตรงอ่านค่าจากเครื่องมือ ส่วนการวัดทางอ้อมใช้การคำนวณ เมื่อต้องวัดวัตถุเล็ก ๆ ที่เหมือนกัน ให้วางต่อกันเป็นแถว วัดความยาวรวม แล้วหารด้วยจำนวนวัตถุ

ปริมาณทางฟิสิกส์

3 ปริมาณ

ความยาว

l

ความยาวของวัตถุหรือระยะห่างระหว่างจุดที่เลือก

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

ค่าของหนึ่งช่องสเกล

c

การเปลี่ยนแปลงค่าที่วัดได้ระหว่างเส้นสเกลที่อยู่ติดกัน

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

ความไม่แน่นอนของความยาว

\Delta l

การประเมินความเบี่ยงเบนที่เป็นไปได้ของผลการวัดความยาว

หน่วย: เมตร · \mathrm{м}

สูตรบทเรียน

1 สูตร

ค่าของหนึ่งช่องสเกล

c = \frac{x_2-x_1}{n}

หารผลต่างของค่าที่ระบุบนสเกลสองค่าด้วยจำนวนช่วงระหว่างค่านั้น

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ