РОЗДІЛ VIII · ТЕОРЕТИЧНИЙ ДОВІДНИК ТА ЗАДАЧНИК

Довідник фізичних сталих CODATA, одиниць системи СІ та похибок лабораторних вимірювань

Сучасна Міжнародна система одиниць СІ спирається на фіксовані числові значення семи фундаментальних констант природи. Цей розділ містить довідникові таблиці для роз'зування задач і алгоритм обробки прямих та непрямих вимірювань у віртуальному і реальному практикумі.

1. Фундаментальні фізичні та фізико-хімічні сталі (редакція СІ / CODATA)

З 20 травня 2019 року визначення всіх семи основних одиниць СІ (секунди с, метра м, кілограма кг, ампера А, кельвіна К, моля моль і кандели кд) зафіксовані через точні числові значення швидкості світла у вакуумі c, сталої Планка h, елементарного електричного заряду e, сталої Больцмана k_B та сталої Авогадро N_A. Завдяки цьому зазначені константи в системі СІ не мають експериментальної невизначеності.

Фізична стала Позначення Чисельне значення у системі СІ Примітка
Швидкість світла у вакуумі c 299 792 458 м/с Точне визначальне значення СІ
Стала Планка та зведена стала Дірака h,   ℏ = h/(2π) 6.626 070 15 × 10⁻³⁴ Дж·с,   1.054 571 817 × 10⁻³⁴ Дж·с Точне визначальне значення СІ
Елементарний електричний заряд e 1.602 176 634 × 10⁻¹⁹ Кл Точне визначальне значення СІ
Стала Больцмана k_B 1.380 649 × 10⁻²³ Дж/К Точне визначальне значення СІ
Стала Авогадро N_A 6.022 140 76 × 10²³ моль⁻¹ Точне визначальне значення СІ
Універсальна газова стала R = N_A k_B 8.314 462 618 Дж/(моль·К) Добуток точних сталих
Стала Фарадея F = N_A e 96 485.332 12 Кл/моль Заряд одного моля одновалентних іонів
Гравітаційна стала Ньютона G 6.674 30 × 10⁻¹¹ Н·м²/кг² Відносна похибка 2.2 × 10⁻⁵
Електрична та магнітна сталі вакууму ε₀,   μ₀ 8.854 187 81 × 10⁻¹² Ф/м,   1.256 637 06 × 10⁻⁶ Гн/м З'зані тотожністю ε₀μ₀c² = 1
Маси спокою електрона та протона m_e,   m_p 9.109 383 7 × 10⁻³¹ кг,   1.672 621 9 × 10⁻²⁷ кг Відношення m_p / m_e ≈ 1836.15
Стандартне прискорення вільного падіння g_n 9.806 65 м/с² (у навчальних задачах 9.81 м/с²) Конвенційне значення на рівні моря
Молярний о'м ідеального газу за н. у. V_m 22.413 969 л/моль (при 273.15 К і 101.325 кПа) При 100 кПа (STP ІЮПАК): 22.711 л/моль

2. Розмірність основних похідних величин та перевірка однорідності формул

Будь-яке фізично коректне аналітичне співвідношення мусить бути розмірнісно однорідним: ліва й права частини рівняння, а також усі доданки алгебраїчної суми мають однакову розмірність через основні одиниці L (довжина), M (маса), T (час), I (сила струму), Θ (температура) і N (кількість речовини). Аргументи трансцендентних функцій (експоненти exp(x), логарифмів ln x, тригонометричних функцій sin x, cos x) завжди є строго безрозмірними комбінаціями, як-от показник Арреніуса −E_a / (RT) або фаза біжучої хвилі (kx − ωt).

Похідна величина та одиниця СІ Символ Вираз через інші одиниці Вираз через основні одиниці СІ
Сила (ньютон) Н кг·м/с² м·кг·с⁻²
Тиск і механічна напруга (паскаль) Па Н/м² = Дж/м³ м⁻¹·кг·с⁻²
Енергія, робота, кількість теплоти (джоуль) Дж Н·м = Кл·В = Вт·с м²·кг·с⁻²
Потужність і потік енергії (ват) Вт Дж/с = В·А м²·кг·с⁻³
Електрична напруга, потенціал, ЕРС (вольт) В Дж/Кл = Вт/А м²·кг·с⁻³·А⁻¹
Електрична ємність (фарад) Ф Кл/В м⁻²·кг⁻¹·с⁴·А²
Магнітна індукція (тесла) Тл Вб/м² = Н/(А·м) кг·с⁻²·А⁻¹

3. Оцінювання похибок прямих і непрямих лабораторних вимірювань

Для серії з n незалежних прямих вимірювань величини x₁, x₂, ..., x_n найкращою незміщеною оцінкою істинного значення є середнє арифметичне ⟨x⟩ = (1/n) ∑ xᵢ, а середньоквадратичне відхилення середнього обчислюється за формулою Бесселя s_{⟨x⟩} = √[ ∑(xᵢ − ⟨x⟩)² / (n(n − 1)) ]. Повна абсолютна похибка поєднує випадкову складову (множник Стьюдента t_{α, n−1}) та приладову похибку шкали Δ_прил: Δx = √[(t_{α,n−1} s_{⟨x⟩})² + Δ_прил²].

Якщо шукана величина обчислюється непрямо за степеневою формулою виду Y = C · x^a · y^b / z^c, відносна похибка результату ε_Y = ΔY / |Y| у лінійному наближенні для незалежних вхідних величин визначається квадратичним додаванням зважених відносних похибок:

ε_Y = ΔY / Y = √[ (a · Δx / x)² + (b · Δy / y)² + (c · Δz / z)² ]

4. Приклад розрахунку похибки непрямого вимірювання

Задача. Визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника

Під час лабораторної роботи довжина нитки математичного маятника виміряна міліметровою лінійкою і становить L = 0.995 ± 0.002 м, а час N = 50 повних коливань за секундоміром дорівнює t = 100.1 ± 0.3 с. Обчисліть експериментальне значення g та його абсолютну й відносну похибки.

Роз'зання. Період одного коливання становить T = t / N = 100.1 / 50 = 2.002 с, а відносна похибка періоду збігається з відносною похибкою повного часу: ΔT / T = Δt / t = 0.3 / 100.1 = 0.0030 (0.30 %). Із формули Гюйгенса T = 2π√(L / g) виражаємо g = 4π²L / T². Підстановка середніх значень дає g = 4 · (3.14159)² · 0.995 / (2.002)² = 39.281 / 4.0080 = 9.801 м/с². Відносна похибка довжини становить ΔL / L = 0.002 / 0.995 = 0.0020 (0.20 %). Оскільки період входить у квадраті (b = 2), його внесок подвоюється: ε_g = √[ (0.0020)² + (2 · 0.0030)² ] = √[ 4×10⁻⁶ + 36×10⁻⁶ ] = √(40×10⁻⁶) ≈ 0.0063 (0.63 %). Абсолютна похибка становить Δg = 9.801 · 0.0063 ≈ 0.06 м/с².

Відповідь. g = (9.80 ± 0.06) м/с² (відносна похибка 0.63 %).