ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ: БАЗОВЫЕ

Величины– всё то, что можно

измерить и исчислить.

В предыдущей статье было отмечено, что совокупность терминов «материя», «пространство», «время», «объекты», «явления» и «взаимодействие» составляют базовую полную систему понятий, объединяющих всё, изучаемое физикой.  Там же были рассмотрены базовые качественные характеристики объектов и явлений. В настоящей статье рассмотрим их базовые количественные характеристики – физические величины.

Каждый объект, каждое явление могут быть охарактеризованы с помощью нескольких физических величин, но из их числа, как правило, можно выделить одну-две наиболее существенные, назовем их базовыми величинами.

При изучении физики физические величины вводятся последовательно по разделам и темам. Общие правила их определения и работы с ними обычно не разбираются. Рассмотрим основные физические величины, опираясь на базовые положения картины мира.

Всё существует в пространстве и благодаря взаимодействию происходит во времени. Поэтому все характеристики, в том числе физические величины, так или иначе с вязаны с характеристиками (величинами) пространства, времени и взаимодействия.

Пространство.

Все физические величины можно разделить на две неравные по количеству группы. Величины первой группы определяют, опираясь на совокупность результатов наблюдений и жизненный опыт исследователей, и формулируют текстом, описывающим измерительный инструмент и процедуру (способ) их измерения. Такое определение физической величины называют процедурным или инструментальным. Для измерений в пространстве в эту группу входят расстояние и угол.

Первая физическая величина, для которой дается словесное определение в наиболее распространенном учебнике физики для 7 класса – путь. «Длина траектории, по которой движется тело в течение некоторого промежутка времени, называется путем» [1]. Длина траектории (молекулы газа) определяется при этом как сумма длин всех отрезков ломаной линии. Но в этом определении присутствуют две величины – длина и промежуток времени, определения которым ранее дано не было. 

Ещё два определения физической величины «путь». «Путь — это расстояние, пройденное телом вдоль траектории». [2] «Результирующее расстояние, которое проходит точка, двигаясь из начального положения в конечное, определяет положительная скалярная величина – путь». [3]

Почти одновременно в 7 классе в геометрии изучается тема «Измерение отрезков и углов». При этом термин «длина отрезка» вводится через процедуру измерения отрезка с использованием инструмента – линейки. В учебнике геометрии находим определение: «длина отрезка – это расстояние между концами этого отрезка» [4]. Концы отрезка – точки, так что процедура измерения длины отрезка фактически является процедурой измерения расстояния между двумя точками.

Величины: длина, ширина, толщина, высота, глубина и т. п. – это расстояния между точками, выбранными на объекте по правилу, определенному с какой-либо практической целью. Так, например, длина, ширина, толщина – характеристики тела, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда. Это расстояния между соседними его углами от наибольшего до наименьшего. Глубина и высота – расстояния, измеряемые по вертикали между точками на исходной поверхности и на дне или на вершине соответственно.

Расстояние – базовая физическая величина, определяемая инструментально (процедурно). Базовый инструмент – линейка измерительная. Все остальные инструменты для измерения линейных размеров – лишь разновидности (иногда довольно сложные) обычной линейки.

Взаимное расположение объектов в пространстве определяется не только расстоянием между ними, но и направлением. Термин «направление» обычно строго не определяется, а характеризуется величиной «угол».

Угол – физическая величина, определяемая инструментально (процедурно). Базовый инструмент для измерения углов – транспортир. Основной современный прибор для измерения углов на местности – теодолит, сложный оптический прибор.

Время.

Базовая величина при описании длительности явлений – промежуток времени (временной интервал). На практике слово «промежуток» часто опускается. Мы говорим «время движения поезда» вместо «промежуток времени, в течение которого поезд двигался». Но когда мы говорим «время по моим часам – 9 часов 15 минут», мы имеем в виду момент времени. Понятие «момент времени» при описании времени как формы материи сродни понятию «точка» при описании пространства – не соответствует какому-либо реальному объекту или явлению. В школьной практике термин «время» чаще всего используется именно в смысле «промежуток времени».

Промежуток времени – базовая физическая величина, определяемая инструментально (процедурно). Базовый инструмент – часы.

Взаимодействие.

Основная физическая величина, характеризующая взаимодействие – сила. В учебнике Перышкина приводится формулировка «Сила является мерой взаимодействия тел» [1]. Но эта формулировка не является определением физической величины «сила». Затем в § 28 этого же учебника описывается устройство и действие инструмента для измерения силы – динамометра. Фактически это и есть описание инструментального определения физической величины «сила». Подробное описание инструментального определения физической величины «сила» есть в учебнике [5].

Для оценки способности тел к взаимодействию введены специальные физические величины: для гравитации – масса, для электромагнетизма – электрический заряд. Сила взаимодействия прямо пропорциональна этим величинам.

Инструментов (датчиков), реагирующих непосредственно на массу и электрический заряд тела, не существует. Все приборы для измерения этих величин основаны на измерении (сравнении) сил, чаще всего тяжести (рычажные весы) и упругости (пружинные весы), или на явлениях, происходящих под действием внешних сил: пьезоэффект, магнитострикция. Приборы для измерения массы микрочастиц (например, камера Вильсона) основаны на искривлении траекторий этих частиц под действием электрических и магнитных сил. Измерение электрических, магнитных и световых величин (начиная с величины электрического заряда) также производится через сравнение сил, возникающих в соответствующих явлениях.

Сила – базовая физическая величина, может быть определена инструментально (процедурно).

Итак: базовые физические величины: расстояние, промежуток времени, сила; угол.

Источники.

1. Физика. 7 кл. : учебник / А. В. Перышкин. М. : Дрофа, 2019. – (Российский учебник). 
2. Пурышева Н.С. Физика. 10 кл. Базовый и профильный уровни: учебник / Н.С.Пурышева, Н.Е.Важеевская, Д.И.Исаев; под ред.Н.С.Пурышевой. –М.: Просвещение, 2020-23. -271 с.
3. Касьянов, В. А. Физика. Углубленный уровень. 10 класс : учебник /  В. А. Касьянов. – М. : Дрофа, 2020.
4.  https://resh.edu.ru/subject/lesson/7281/conspect/250469/
5. Физика. 10 класс : учеб. для общеобразоват. учреждений / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Парфентьевой. М. : Просвещение, 2019.