Kas ir fizikālais lielums? Definīcija, piemēri un mērīšana
Fizikā fizikālais lielums ir jebkura fizikāla īpašība, ko var kvantificēt, t. i., izmērīt ar skaitļiem. Fizikālo lielumu piemēri ir masa, vielas daudzums, garums, laiks, temperatūra, elektriskā strāva, gaismas intensitāte, spēks, ātrums, blīvums un daudzi citi. Fizikālos lielumus var mērīt gan nedzīvos, gan dzīvos objektos un sistēmās — piemēram, augos, ķermeņos vai atmosfēras parādībās.
Fizikas pamatā ir fizikāli lielumi, ar kuru palīdzību tiek izteikti fizikas likumi. Tāpēc šie lielumi ir precīzi jāmēra. Fizikālos lielumus bieži iedala divās kategorijās: bāzes (pamatlielumi) un atvasinātie lielumi. Atvasinātie lielumi ir lielumi, kas atvasināti no citiem fizikālajiem lielumiem; piemēram, spēks, ātrums un paātrinājums ir atvasināti no masas, garuma un laika.
Bāzes lielumi un SI mērvienības
- Starptautiskā mērvienību sistēma (SI) definē septiņus bāzes lielumus. Bāzes lielumi un to SI mērvienības:
- garums — metrs (m)
- masa — kilograms (kg)
- laiks — sekunde (s)
- elektriskā strāva — ampērs (A)
- termodinamiskā temperatūra — kelvins (K)
- vielas daudzums — mols (mol)
- gaismas intensitāte — kandela (cd)
- Bāzes lielumi ir neatkarīgi — no tiem tiek atvasinātas visas pārējās mērvienības.
Atvasinātās vienības — piemēri
- Spēks — Ņūtons (N) = kg·m/s²
- Spiediens — Paskāls (Pa) = N/m² = kg/(m·s²)
- Energija — Džouls (J) = N·m
- Jauda — Vats (W) = J/s
- Elektriskais lādiņš — Kulons (C) = A·s
- Spriegums — Volts (V) = J/C
- Pretestība — Oms (Ω) = V/A
- Frekvence — Hercs (Hz) = 1/s
Skalāri un vektori
- Skalāri — fizikālie lielumi, kuriem ir tikai lielums (piem., masa, temperatūra, enerģija).
- Vektori — lielumiem ir gan lielums, gan virziens (piem., ātrums, paātrinājums, spēks). Vektoru aprakstam izmanto komponentes vai vektoru zīmējumu.
Mērīšana, precizitāte un nenoteiktība
- Mērījums dod vērtību un mērvienību. Lai mērījums būtu lietojams, jānorāda arī nenoteiktība (kļūdas robeža) un nepieciešamības gadījumā arī ticamības līmenis.
- Galvenās kļūdu kategorijas:
- Sistemātiskās kļūdas — pastāvīgas novirzes, ko izraisa nepareiza kalibrācija, mērīšanas metode vai instrumenta defekts; tās var labot vai kompensēt.
- Gadījuma (random) kļūdas — nejaušas svārstības mērījumu atkārtošanās laikā; samazina, veicot vairāk mērījumu un aprēķinot vidējo.
- Precizitāte (accuracy) — cik tuvu mērījums ir patiesajai vērtībai; precizitāte (precision) — mērījumu rezultātu saskaņa savā starpā. Abas īpašības jāvērtē atsevišķi.
- Signifikantās zīmes un mērapjoma rezolūcija nosaka, cik precīzi var prezentēt rezultātu.
Mērīšanas instrumenti — piemēri
- masa — svari (analītiskie, digitālie)
- garums — lineāls, mērlente, mikrometrs, skaitītājs (kalibrēts mērs)
- laiks — hronometrs, pulksteņi, osciloskops, atompulksteņi (lielai precizitātei)
- temperatūra — termometri, termopāri, RTD sensori
- elektriskā strāva — ampermetri, klemmmetri
- gaismas intensitāte — luksmetrs
- spēks — dinamometri
- blīvums — aprēķināts no masas un tilpuma mērījumiem
Dimensiju analīze un vienību pārveide
- Dimensiju analīze palīdz pārbaudīt formulu pareizību: vienību dimensijām vienādoties pa kreisi un pa labi.
- Vienību pārveidošana — bieži nepieciešama, piemēram, km/h uz m/s vai temperatūras pārvēršana starp °C, K un °F.
- SI prefiksi (kilo-, centi-, milli-, mikro-, nano- utt.) atvieglo ļoti lielu vai ļoti mazu vērtību izteikšanu.
Praktiski ieteikumi mērīšanā
- Izvēlieties atbilstošu instrumentu un pārliecinieties par tā kalibrāciju.
- Veiciet vairākus neatkarīgus mērījumus un aprēķiniet vidējo un standartnovirzi.
- Vienmēr norādiet mērvienību un novērtējiet mērījuma nenoteiktību.
- Izmantojiet SI mērvienības, izņemot, ja konkrētā joma prasa citus standartus.
- Dokumentējiet mērīšanas apstākļus (temperatūru, spiedienu, instrumenta modeļus), jo tie var ietekmēt rezultātu.
Apkopojot: fizikālais lielums ir kvantitatīvs fizikālais raksturojums, kas prasa skaitlisku vērtību un mērvienību. Sapratne par to, kādi lielumi pastāv, kā tie tiek klasificēti un kā pareizi mērīt un interpretēt mērījumus, ir pamats ticamiem eksperimentiem un fizikas likumu lietojumam.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fizikāls lielums?
A: Fizikāls lielums ir jebkura fizikāla īpašība, ko var noteikt un izmērīt ar skaitļiem.
J: Vai fizikālos lielumus var izmērīt dzīvos organismos?
A: Nē, fizikālos lielumus mēra tikai nedzīviem dabas objektiem (nedzīviem objektiem).
J: Kādi ir daži fizikālo lielumu piemēri?
A: Fizikālo lielumu piemēri ir masa, vielas daudzums, garums, laiks, temperatūra, elektriskā strāva, gaismas intensitāte, spēks, ātrums, blīvums un daudzi citi.
J: Kāpēc fizikālie lielumi ir būtiski fizikas pamatā?
A: Fizikas pamatu veido fizikālie lielumi, ar kuru palīdzību tiek izteikti fizikas likumi.
J: Kā būtu jāmēra fizikālie lielumi?
A: Fizikālie lielumi ir precīzi jāmēra, jo tie ir būtiski fizikas pamatam.
J: Kas ir bāzes lielumi?
A: Bāzes lielumi ir fizikāli lielumi, kurus nevar atvasināt no citiem fizikāliem lielumiem. Tie ir neatkarīgi lielumi, un tie jāmēra tieši.
J: Kas ir atvasinātie lielumi?
A: Atvasinātie lielumi ir fizikāli lielumi, kas ir atvasināti no citiem fizikāliem lielumiem. Atvasināto lielumu piemēri ir spēks, ātrums, paātrinājums utt.
