Понятие физической величины - общее в физике и метрологии и применяется для описания материальных систем объектов.
Физическая величина, как указывалось выше, - это характеристика, общая в качественном отношении для множества объектов, процессов, явлений, а в количественном - индивидуальная для каждого из них. Например, все тела обладают собственной массой и температурой, но числовые значения этих параметров для разных тел различны. Количественное содержание этого свойства в объекте является размером физической величины, числовую оценку ее размеров называют значением физической величины .
Физическая величина, выражающая одно и то же в качественном отношении свойство, называется однородной (одноименной ).
Основная задача измерений - получение информации о значениях физической величины в виде некоторого количества принятых для нее единиц.
Значения физических величин подразделяются на истинные и действительные.
Истинное значение - это значение, идеальным образом отражающее качественно и количественно соответствующие свойства объекта.
Действительное значение - это значение, найденное экспериментально и настолько приближенное к истинному, что может быть принято вместо него.
Физические величины классифицируют по ряду признаков. Различают следующие классификации :
1) по отношению к сигналам измерительной информации физические величины бывают: активные - величины, которые без использования вспомогательных источников энергии могут быть преобразованы в сигнал измерительной информации; пассив ные - величины, которые нуждаются в использовании вспомогательных источников энергии, посредством которых создается сигнал измерительной информации;
2) по признаку аддитивности физические величины разделяются на: аддитивные , или экстенсивные, которые можно измерять по частям, а также точно воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер; не аддитивные, или интенсивные, которые непосредственно не измеряются, а преобразуются в измерение величины или измерение путем косвенных измерений. (Аддитивность (лат. additivus - прибавляемый) - свойство величин, состоящее в том, что значение величины, соответствующее целому объекту, равно сумме значений величин, соответствующих его частям).
Эволюция развития систем физических единиц.
Метрическая система мер - первая система единиц физических величин
была принята в 1791 г. Национальным собранием Франции. Она включала в себя единицы длины, площади, объема, вместимости и веса , в основу которых были положены две единицы - метр и килограмм . Она отличалась от системы единиц, используемой сейчас, и еще не была системой единиц в современном понимании.
Абсолютная система единиц физических величин .
Методику построения системы единиц как совокупности основных и производных единиц разработал и предложил в 1832 г. немецкий математик К. Гаусс, назвав ее абсолютной системой. За основу он взял три независимые друг от друга величины - массу, длину, время .
За основные единицы измерения этих величин он принял миллиграмм, миллиметр, секунду , предполагая, что остальные единицы можно определить с их помощью.
Позднее появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, и базирующихся на метрической системе мер, но различающихся основными единицами.
В соответствии с предложенным принципом Гаусса основными системами единиц физических величин являются:
Система СГС , в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени; была установлена в 1881 г.;
Система МКГСС . Применение килограмма как единицы веса, а позднее как единицы силы вообще привело в конце XIX в. к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм - сила - единица силы, секунда - единица времени;
5. Система МКСА - основными единицами являются метр, килограмм, секунда и ампер. Основы этой системы предложил в 1901 г. итальянский ученый Дж. Джорджи.
Международные отношения в области науки и экономики требовали унификации единиц измерения, создания единой системы единиц физических величин, охватывающей различные отрасли области измерений и сохраняющей принцип когерентности, т.е. равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами.
Система СИ . В 1954 г. комиссия по разработке единой Международной
системы единиц предложила проект системы единиц, который был утвержден в 1960 г . XI Генеральной конференцией по мерам и весам. Международная система единиц (сокращенно СИ) свое название взяла от начальных букв французского наименования Система Интернешнл.
Международная система единиц (СИ) включает в себя семь основных (табл. 1), две дополнительные и ряд внесистемных единиц измерения.
Таблица 1 - Международная система единиц
|
Физические величины, имеющие официально утвержденный эталон |
Единица измерения |
Сокращенное обозначение единицы физической величины |
|
|
международное |
|||
|
килограмм | |||
|
Сила электрического тока | |||
|
Температура | |||
|
Единица освещенности | |||
|
Количество вещества | |||
Источник: Тюрин Н.И. Введение в метрологию. М.: Издательство стандартов, 1985.
Основные единицы измерения физических величин в соответствии с решениями Генеральной конференции по мерам и весам определяются следующим образом:
метр - длина пути, который проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды;
килограмм равен массе международного прототипа килограмма;
секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Сs 133 ;
ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия;
кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего ионохранические излучения, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1 / 683 Вт/ср;
кельвин равен 1 /273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды;
моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в С 12 массой 0,012 кг 2 .
Дополнительные единицы Международной системы единиц для измерения плоского и телесного углов:
радиан (рад) - плоский угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17"48" 3 ;
стерадиан (ср) - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.
Дополнительные единицы СИ применяются для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Радиан и стерадиан используются для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практики значений углов в радианах выражаются трансцендентными числами.
Внесистемные единицы:
За логарифмическую единицу принята десятая доля бела - децибел (дБ);
Диоптрия - сила света для оптических приборов;
Реактивная мощность-вар (ВА);
Астрономическая единица (а.е.) - 149,6 млн км;
Световой год - расстояние, которое проходит луч света за 1 год;
Вместимость - литр (л);
Площадь - гектар (га).
Логарифмические единицы подразделяются на абсолютные, которые представляют собой десятичный логарифм отношения физической величины к нормированному значению, и относительные, образующиеся как десятичный логарифм отношения любых двух однородных (одноименных) величин.
К единицам, не входящим в СИ, относятся градус и минута. Остальные единицы являются производными.
Производные единицы СИ образуются с помощью простейших уравнений, которые связывают величины и в которых числовые коэффициенты равны единице. При этом производная единица называется когерентной.
Размерность является качественным отображением измеряемых величин. Значение величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением из мерения: Q = q * [ Q ]
где Q - значение величины; q - числовое значение измеряемой величины в условных единицах; [Q] - выбранная для измерения единица.
Если в определяющее уравнение входит числовой коэффициент, то для образования производной единицы в правую часть Уравнения следует подставлять такие числовые значения исходных величин, чтобы числовое значение определяемой производной единицы было равно единице.
(Например, за единицу измерения массы жидкости принят 1мл.,поэтому на упаковке обозначается: 250мл., 750 и т.д., но если за ед. измерения принять 1л., тогда то же кол-во жидкости будет обозначено 0,25л., 075л. соответственно).
Как один из способов образования кратных и дольных единиц используется десятичная кратность между большими и меньшими единицами, принятая в метрической системе мер. В табл. 1.2 приводятся множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования.
Таблица 2 - Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименования
|
Множитель |
Приставка |
Обозначение приставки |
|
|
международное |
|||
(Эксаба́йт - единица измерения количества информации, равная 1018 или 260 байтам. 1 ЭэВ (эксаэлектронвольт) = 1018 электронвольт = 0.1602 джоуля)
Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочтения в зависимости оттого, куда добавляется приставка. Например, 1 м 2 можно использовать как 1 квадратный метр и как 100 квадратных сантиметров, что далеко не одно и то же, потому что 1 квадратный метр это 10 000 квадратных сантиметров.
Согласно международным правилам, кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок. Например, 1 км 2 = 1 (км) 2 = (10 3 м) 2 == 10 6 м 2 .
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Единство измерений достигается хранением, точным воспроизведением установленных единиц физических величин и передачей их размеров всем рабочим средствам измерений с помощью эталонов и образцовых средств измерений.
Эталон - средство измерения, обеспечивающее хранение и воспроизведение узаконенной единицы физической величины, а также передачу ее размера другим средствам измерения.
Создание, хранение и применение эталонов, контроль их состояния подчиняются единым правилам, установленным ГОСТ «ГСИ. Эталоны единиц физических величин. Порядок разработки, утверждения, регистрации, хранения и применения».
По подчиненности эталоны подразделяются на первичные и вторичные и имеют следующую классификацию.
Первичный эталон обеспечивает хранение, воспроизведение единицы и передачу размеров с наивысшей в стране точностью, достижимой в данной области измерений:
- специальные первичные эталоны - предназначены для воспроизведения единицы в условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью технически неосуществима, например для малых и больших напряжений, СВЧ и ВЧ. Их утверждают в качестве государственных эталонов. Ввиду особой важности государственных эталонов и для придания им силы закона на каждый государственный эталон утверждается ГОСТ. Создает, утверждает, хранит и применяет государственные эталоны Государственный комитет по стандартам.
Вторичный эталон воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет при этих условиях первичный эталон. Он создается и утверждается для обеспечения наименьшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны в свою очередь делятся по назначению :
Эталоны-копии - предназначены для передачи размеров единиц рабочим эталонам;
Эталоны сравнения - предназначены для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты;
Эталоны-свидетели - применяются для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом;
Рабочие эталоны - воспроизводят единицу от вторичных эталонов и служат для передачи размера эталону более низкого разряда. Вторичные эталоны создают, утверждают, хранят и применяют министерства и ведомства.
Эталон единицы - одно средство или комплекс средств измерений, обеспечивающих хранение и воспроизведение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненных по особой спецификации и официально утвержденных в установленном порядке в качестве эталона.
Воспроизведение единиц в зависимости от технико-экономических требований производится двумя способами :
- централизованным - с помощью единого для всей страны или группы стран государственного эталона. Централизованно воспроизводятся все основные единицы и большая часть производных;
- децентрализованным - применим к производным единицам, размер которых не может передаваться прямым сравнением с эталоном и обеспечивать необходимую точность.
Стандартом установлен многоступенчатый порядок передачи размеров единицы физической величины от государственного эталона всем рабочим средствам измерения данной физической величины с помощью вторичных эталонов и образцовых средств измерения различных разрядов от наивысшего первого к низшим и от образцовых средств к рабочим.
Передача размера осуществляется различными методами поверки, преимущественно известными методами измерений. Передача размера ступенчатым способом сопровождается потерей точности, однако многоступенчатость позволяет сохранять эталоны и передавать размер единицы всем рабочим средствам измерения.
ВВЕДЕНИЕ
Физическая величина - характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.
Индивидуальность понимается в том смысле, что значение величины или размер величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого.
Значение физической величины - оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по принятой для нее шкале. Например, 120 мм - значение линейной величины; 75 кг - значение массы тела.
Различают истинное и действительное значения физической величины. Истинное значение - значение, идеально отражающее свойство объекта. Действительное значение - значение физической величины, найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению, которое можно использовать вместо него.
Измерение физической величины – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, заключающееся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.
Различают три вида физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам.
К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношения типа "мягче", "тверже", "теплее", "холоднее" и т.д.
К величинам такого рода относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела; температура, как степень нагретости тела и т.п.
Существование таких соотношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие-либо объекты.
Для второго вида физических величин отношение порядка и эквивалентности имеет место как между размерами, так и между разностями в парах их размеров.
Характерный пример – шкала интервалов времени. Так, разности интервалов времени считаются равными, если расстояния между соответствующими отметками равны.
Третий вид составляют аддитивные физическиевеличины.
Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания
К таким величинам относятся, например, длина, масса, сила тока и т.п. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер.
Сумма масс двух тел - это масса такого тела, которое уравновешивается на равноплечных весах первые два.
Размеры любых двух однородных ФВ или два любых размера одной и той же ФВ можно сравнивать между собой, т. е. находить, во сколько раз один больше (или меньше) другого. Чтобы сравнить между собой m размеров Q", Q", ... , Q (m) , необходимо рассмотреть С m 2 их отношений. Легче сравнить каждый их них с одним размером [Q] однородной ФВ, если принять его за единицу размера ФВ, (сокращенно - за единицу ФВ). В результате такого сравнения получаем выражения размеров Q", Q", ... , Q (m) в виде некоторых чисел n", n", .. . ,n (m) единиц ФВ: Q" = n" [Q]; Q" = n"[Q]; ...; Q (m) = n (m) [Q]. Если сравнение выполняется экспериментально, то потребуется всего m экспериментов (вместо C m 2), а сравнение размеров Q", Q", ... , Q (m) между собой может быть выполнено только путем вычислений типа
где n (i) /n (j) – отвлеченные числа.
Равенство типа
называют основным уравнением измерения, где n [Q] – значение размера ФВ (сокращенно - значение ФВ). Значение ФВ представляет собой именованное число, составленное из числового значения размера ФВ, (сокращенно - числового значения ФВ) и наименования единицы ФВ. Например, при n = 3,8 и [Q] = 1 грамм размер массы Q = n [Q] = 3,8 грамма, при n = 0,7 и [Q] =1 ампер размер силы тока Q = n [Q] = 0,7 ампера. Обычно вместо «размер массы равен 3,8 грамма», «размер силы тока равен 0,7 ампера» и т. п. говорят и пишут более кратко: «масса равна 3,8 грамма», «сила тока равна 0,7 ампера» и т. п.
Размеры ФВ чаще всего узнают в результате их измерения. Измерение размера ФВ (сокращенно - измерение ФВ) состоит в том, что опытным путем с помощью специальных технических средств находят значение ФВ и оценивают близость этого значения к значению, идеально отображающему размер этой ФВ. Найденное таким образом значение ФВ будем называть номинальным.
Один и тот же размер Q может быть выражен разными значениями с различными числовыми значениями в зависимости от выбора единицы ФВ (Q = 2 часа = 120 минут = 7200 секунд = = 1/12 суток). Если взять две различные единицы и , то можно написать Q = n 1 и Q = n 2 , откуда
n 1 /n 2 = /,
т. е. числовые значения ФВ обратно пропорциональны ее единицам.
Из того что размер ФВ не зависит от выбранной ее единицы, вытекает условие однозначности измерений, заключающееся в том, что отношение двух значений некоторой ФВ не должно зависеть от того, какие единицы использовались при измерении. Например, отношение скоростей автомобиля и поезда не зависит от того, выражены ли эти скорости в километрах в час или в метрах в секунду. Это условие, кажущееся на первый взгляд непреложным, к сожалению, пока еще не удается соблюсти при измерении некоторых ФВ (твердости, светочувствительности и др.).
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 Понятие о физической величине
Вес объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство - категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина - это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.
Анализ величин позволяет разделить (рис. 1) их на два вида: величины материального вида (реальные) и величины идеальных моделей реальности (идеальные), которые относятся главным образом к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.
Реальные величины, в свою очередь, делятся на физические и нефизические. Физическая величина в самом общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим величинам следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и т.п.
Рис. 1. Классификация величин.
Документ РМГ 29-99 трактует физическую величину как одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого.
Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования таких единиц является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины - упорядоченная совокупность значений величины, служащая исходной основой для измерения данной величины.
Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.
Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп. Возможные классификации ФВ приведены на рис. 2.
По видам явлений ФВ делятся на:
Вещественные, т.е. величины, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда эти ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются;
Энергетические, т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными.
Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;
Характеризующие протекание процессов во времени, К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и другие параметры.
1.2. Физические величины
1.2.1. Физические величины как объект измерений
Величина – это свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.
Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные. Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий (см. рис.1.1)
Реальные величины делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и др.
 |
Рис.1.1 Классификация величин
Рекомендации РМГ 29-99 трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для данного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем у другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.
Физические величины бывают:
· измеряемые;
· оцениваемые.
Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения . Физические величины, для которых по тем или иным причинная не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оценивают при помощи шкал.
Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.
Для более детального изучения физических величин необходимо классифицировать и выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.
По видам явлений физические величины делятся на следующие группы :
· вещественные , т. е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные физические величины называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать дополнительный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;
· энергетические , т. е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;
· характеризующие протекание процессов во времени . К этой группе относятся различного рода спектральные характеристики, корреляционные функции и др.
По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся:
· пространственно-временные;
· механические;
· тепловые;
· электрические;
· магнитные;
· акустические;
· световые;
· физико-химические;
· ионизирующих излучений;
· атомной и ядерной физики.
По степени условной независимости от других величин
· основные (условно не зависимые),
· производные (условно зависимые),
· дополнительные.
В настоящее время в системе SI используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный угол.
Единица физической величины – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице. Единица физической величины применяется для количественного выражения однородных физических величин.
Значение физической величины – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц (Q) .
Числовое значение физической величины (q) – это отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины.
Уравнение Q= q[ Q] называют основным уравнением измерения . Суть простейшего измерения состоит в сравнении физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[ Q] . В результате сравнения устанавливают, что q[Q] ‹ Q ‹ (q+1)[Q].
1.2.2. Системы единиц физических величин
Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.
Первой системой единиц считается метрическая система , где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса – 1 см3 химически чистой воды при температуре около +40оС. В 1799 году были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своем первоначальном варианте включала еще и единицы площади (ар - площадь квадрата со стороной 10 м), объема (стер - объем куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). В метрической системе еще не было четкого разделения единиц на основные и производные.
Рис.1.2. Классификация физических величин
Понятие системы единиц, как совокупности основных и производных, впервые было предложено немецким ученым Гауссом в 1832 г. В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины – миллиметр, единица массы – миллиграмм, единица времени – секунда. Эту систему назвали абсолютной .
В 1881 г. была принята система СГС (сантиметр-грамм-секунда), в начале ХХ века существовала и система итальянского ученого Джорджи – МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер). Существовали и другие системы единиц. Даже в настоящее время некоторые страны не отошли от исторически сложившихся единиц измерения. В Великобритании, США, Канаде единицей массы является фунт, причем его размер различен.
Наиболее широкое распространение в мире получила Международная система единиц SI – Systeme International.
Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях : метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, свеча. В последствии система была дополнена одной основной, дополнительными и производными единицами. Кроме того, были разработаны определения основных единиц.
Единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/ долю секунды.
Единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма.
Единица времени – секунда – продолжительность периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей.
Единица силы электрического тока – ампер - сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположенными на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2·10-7 Н на каждый метр длины.
Единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия.
Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг.
Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср2.
Приведенные определения довольно сложны и требуют достаточного уровня знаний, прежде всего в физике. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц.
Международная система SI является наиболее совершенной и универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных единиц в системе SI есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного угла – радиан и стерадиан, соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений (таблица 1.2.) Единая международная система единиц была принята ХІ Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году. На территории нашей страны система единиц SI действует с 1 января 1982 года в соответствии с ГОСТ 8.417-81. Система SI является логическим развитием предшествовавших ей систем СГС и МКГСС. К достоинствам и преимуществам системы SI относятся:
· универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;
· унификация всех областей и видов измерений;
· когерентность величин;
· возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением;
· упрощение записи формул в связи с отсутствием переводных коэффициентов;
· уменьшение числа допускаемых единиц;
· единая система кратных и дольных единиц;
Таблица 1.1
Основные и дополнительные единицы физических величин
|
Величина | |||||
|
Обозначение |
|||||
|
Наименование |
Размерность |
Наименование |
Международное |
||
|
Основные |
|||||
|
килограмм | |||||
|
Сила электрического тока | |||||
|
Термодинамическая температура | |||||
|
Количество вещества | |||||
|
Сила света | |||||
|
Дополнительные |
|||||
|
Плоский угол | |||||
|
Телесный угол |
стерадиан |
Производная единица – это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Производные единицы системы SI, имеющие собственное название, приведены в таблице 1.2.
Для установления производных единиц следует:
· выбрать физические величины, единицы которых принимаются в качестве основных;
· установить размер этих единиц;
· выбрать определяющее уравнение, связывающее величины, измеряемые основными единицами, с величиной, для которой устанавливается производная единица. При этом символы всех величин, входящих в определяющее уравнение, должны рассматриваться не как сами величины, а как их именованные числовые значения;
· приравнять единице (или другому постоянному числу) коэффициент пропорциональности k, входящий в определяющее уравнение. Это уравнение следует записать в виде явной функциональной зависимости производной величины от основных величин.
Установленные таким образом производные единицы могут быть использованы для введения новых производных величин.
Единицы физических величин делятся на системные и внесистемные. Системная единица – единица физической величины, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица – это единица физической величины, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам системы SI разделяют на четыре вида:
Таблица 1.2.
Производные единицы системы SI, имеющие специальное название
|
Величина | |||
|
Название |
Наименование |
Обозначение |
Выражение через единицы SI |
|
Сила. Вес | |||
|
Давление, механическое напряжение |
м-1·кг·с-2 |
||
|
Энергия. Работа, количество теплоты | |||
|
Мощность | |||
|
Количество электричества | |||
|
Электрическое напряжение, электродвижущая сила |
м2·кг·с-3·А-1 |
||
|
Электрическая емкость |
м-2·кг-1·с4·А2 |
||
|
Электрическое сопротивление |
м2·кг·с-3·А-2 |
||
|
Электрическая проводимость |
м-2·кг-1·с3·А2 |
||
|
Поток магнитной индукции |
м2·кг·с-2·А-1 |
||
|
Магнитная индукция |
кг·с-2·А-1 |
||
|
Индуктивность |
м2·кг·с-2·А-2 |
||
|
Световой поток | |||
|
Освещенность |
м-2·кд·ср |
||
|
Активность радионуклида |
беккерель | ||
|
Поглощенная доза ионизирующего излучения | |||
|
Эквивалентная доза излучения |
· допускаемые наравне с единицами SI, например, единицы массы – тонна; плоского угла – градус, минута, секунда; объема – литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами SI, приведены в таблице 1.3;
· допускаемые к применению в специальных областях, например, астрономическая единица - парсек, световой год – единицы длины в астрономии; диоптрия – единица оптической силы в оптике; электрон-вольт – единица энергии в физике и т. д.;
· временно допускаемые к применению наравне с единицами SI, например, морская миля – в морской навигации; карат – единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;
· изъятые из употребления, например, миллиметр ртутного столба – единица давления; лошадиная сила – единица мощности и некоторые другие.
Таблица 1.3
Внесистемные единицы, допускаемые к применению
наравне с единицами SI
|
Наименование величины | ||
|
Наименование |
Обозначение |
|
|
атомная единица массы | ||
|
Плоский угол | ||
|
астрономическая единица | ||
|
световой год | ||
|
Оптическая сила |
диоптрия | |
|
электрон-вольт | ||
|
Полная мощность |
вольт-ампер | |
|
Реактивная мощность |
Различают кратные и дольные единицы физических величин.
Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Дольная единица – это единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Приставки для образования кратных и дольных единиц приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4
Приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований
|
Множитель |
Приставка |
Обозначение приставки |
Множитель |
Приставка |
Обозначение приставки |
||
|
народное |
Народное | ||||||
Введение
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности .
Наука, экономика, промышленность и коммуникации не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся миллионы измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения качества и технического уровня выпускаемой продукции, безопасности и безаварийной работы транспорта, обоснования медицинских диагнозов, анализа информационных потоков. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов и развития медицинской техники.
Требования к точности, надежности, эффективности функционирования технических систем различного назначения постоянно повышаются. Обеспечить указанные показатели не возможно без измерения большого количества параметров и характеристик разнообразных устройств, систем и процессов. Поскольку по результатам измерений принимаются весьма ответственные решения, то должна быть уверенность в точности и достоверности результатов измерения. В медицине особенно важна точность измерений, так как живой организм является сложной системой, которую очень трудно изучить, и от точности зависит жизнь человека и его здоровье.
Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундаментом является метрология.
Физическая величина и ее измерение
Физическая величина
Объектом метрологии являются физические величины. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты - объекты познания - выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих для ряда объектов в качественном отношении, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин .
Физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Физические величины используются для характеристики различных объектов, явлений и процессов. Разделяют основные и производные от основных величины. Семь основных и две дополнительных величины установлены в Международной системе единиц. Это длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света и сила электрического тока, дополнительные единицы - это радиан и стерадиан.
Метрология изучает и имеет дело только с измерениями физических величин, т.е. величин, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая единица величины. Однако нередко к измерениям неправомерно относят различного рода оценивания таких свойств, которые формально хотя и попадают под приведенное определение физической величины, но не позволяют реализовать соответствующую единицу. Так, широко распространенную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта; оценку качества продукции - измерением качества. И хотя в этих процедурах частично используются метрологические идеи и методы, они не могут квалифицироваться как измерения в том смысле, как это принято в метрологии. Таким образом, в дополнении к приведенному определению, подчеркнем, что возможность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».
Качественная определенность физической величины называется родом физической величины . Соответственно, физические величины одного рода называются однородными , разного рода - неоднородными . Так, длина и диаметр детали - однородные величины, длина и масса детали - неоднородные.
Количественно физическая величина характеризуется размером, который выражается ее значением.
Размер физической величины - количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Чтобы оценить значение размера физической величины, необходимо его выразить понятным и удобным образом. Поэтому размер данной физической величины сравнивают с некоторым размером однородной с ней физической величины, принятым за единицу, т.е. вводят единицу измерения данной физической величины.
Единица измерения физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Введение единицы измерения данной физической величины позволяет определить ее значение.
Значение физической величины - выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Значение физической величины включает числовое значение физической величины и единицу измерения. Нахождение значения физической величины является целью измерения и его конечным результатом.
Нахождение истинного значения измеряемой величины является центральной проблемой метрологии. Стандарт определяет истинное значение как значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойства объекта. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно. Поэтому в практике оперируют понятием действительного значения.
Действительное значение - значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Физическая величина
Физи́ческая величина́ - физическое свойство материального объекта, физического явления , процесса, которое может быть охарактеризовано количественно.
Значение физической величины - одно или несколько (в случае тензорной физической величины) чисел, характеризующих эту физическую величину, с указанием единицы измерения , на основе которой они были получены.
Размер физической величины - значения чисел, фигурирующих в значении физической величины .
Например, автомобиль может быть охарактеризован с помощью такой физической величины , как масса. При этом, значением этой физической величины будет, например, 1 тонна, а размером - число 1, или же значением будет 1000 килограмм, а размером - число 1000. Этот же автомобиль может быть охарактеризован с помощью другой физической величины - скорости. При этом, значением этой физической величины будет, например, вектор определённого направления 100 км/ч, а размером - число 100.
Размерность физической величины
- единица измерения , фигурирующая в значении физической величины
. Как правило, у физической величины много различных размерностей: например, у длины - нанометр, миллиметр, сантиметр, метр, километр, миля, дюйм, парсек, световой год и т. д. Часть таких единиц измерения (без учёта своих десятичных множителей) могут входить в различные системы физических единиц - СИ , СГС и др.
Часто физическая величина может быть выражена через другие, более основополагающие физические величины. (Например, сила может быть выражена через массу тела и его ускорение). А значит, соответственно, и размерность такой физической величины может быть выражена через размерности этих более общих величин. (Размерность силы может быть выражена через размерности массы и ускорения). (Часто такое представление размерности некоторой физической величины через размерности других физических величин является самостоятельной задачей, которая в некоторых случаях имеет свой смысл и назначение.) Размерности таких более общих величин часто уже являются основными единицами той или другой системы физических единиц, то есть такими, которые сами уже не выражаются через другие, ещё более общие величины.
Пример.
Если физическая величина мощность записывается как
Вт - это сокращённое обозначение одной из единиц измерения этой физической величины (ватт). Литера к является обозначением десятичного множителя «кило » Международной системы единиц (СИ) .
Размерные и безразмерные физические величины
- Размерная физическая величина - физическая величина, для определения значения которой нужно применить какую-то единицу измерения этой физической величины. Подавляющее большинство физических величин являются размерными.
- Безразмерная физическая величина - физическая величина, для определения значения которой достаточно только указания её размера. Например, относительная диэлектрическая проницаемость - это безразмерная физическая величина.
Аддитивные и неаддитивные физические величины
- Аддитивная физическая величина - физическая величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга. Например, физическая величина масса - аддитивная физическая величина.
- Неаддитивная физическая величина - физическая величина, для которой суммирование, умножение на числовой коэффициент или деление друг на друга её значений не имеет физического смысла. Например, физическая величина температура - неаддитивная физическая величина.
Экстенсивные и интенсивные физические величины
Физическая величина называется
- экстенсивной, если величина её значения складывается из величин значений этой физической величины для подсистем, из которых состоит система (например, объём , вес);
- интенсивной , если величина её значения не зависит от размера системы (например, температура , давление).
Некоторые физические величины, такие как момент импульса , площадь , сила , длина , время , не относятся ни к экстенсивным, ни к интенсивным.
От некоторых экстенсивных величин образуются производные величины:
- удельная величина - это величина, делённая на массу (например, удельный объём);
- молярная величина - это величина, делённая на количество вещества (например, молярный объём).
Скалярные, векторные, тензорные величины
В самом общем случае можно сказать, что физическая величина может быть представлена посредством тензора определённого ранга (валентности) .
Система единиц физических величин
Система единиц физических величин - совокупность единиц измерений физических величин, в которой существует некоторое число так называемых основных единиц измерений, а остальные единицы измерения могут быть выражены через эти основные единицы. Примеры систем физических единиц - Международная система единиц (СИ) , СГС .
Символы физических величин
Литература
- РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения.
- Бурдун Г. Д., Базакуца В. А. Единицы физических величин . - Харьков : Вища школа, .
