151072 (Физические величины и их 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 физические величины.

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_m² 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_m²), 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

Q = n [Q] (1.1)

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 [Q₁] и [Q₂], то можно написать Q = n₁ [Q₁] и Q = n₂ [Q₂], откуда

n₁/n₂ = [Q₁]/[Q₂],

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.

По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, электрические и магнитные, тепловые, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

Рис. 2. Классификации физических величин

По степени условной независимости от других величин данной группы все ФВ делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используются семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным ФВ относятся плоский и телесный углы. По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.

1.2 Метрическая система мер

Отсутствие рациональных обоснований при выборе единиц ФВ привело к их большому разнообразию не только в разных странах, но даже в разных местностях одной страны. Это создавало большие трудности, особенно в международных отношениях. Возникла метрическая система мер, т.е. совокупность единиц ФВ, рекомендованных вместо применявшихся ранее.

Были приняты единицы: длины – метр (м), массы – килограмм (кг), объема – литр (л), времени - секунда (с).

Были также введены десятичные кратные и дольные единицы ФВ, т. е. единицы ФВ, в 10 в целой степени раз большие и меньшие, и установлены простые правила присвоения наименований кратным и дольным единицам ФВ применением приставок: кило, гекто, дека, деци, санти и милли [например, сантиметр (см), миллиметр (мм), декалитр (дал) и т. п.]

Это давало единицам метрической системы (метрическим единицам ФВ) существенное преимущество перед существовавшими в то время другими. Кроме того, метрические единицы ФВ позволяли не применять составные именованные числа (например, длина 8 саженей 3 фута 5 дюймов) и значительно облегчали расчеты.

1.3 Системы единиц физических величин

Построение единиц и систем единиц. Раньше единицы различных ФВ устанавливались, как правило, независимо друг от друга. Исключениями были лишь единицы длины, площади и объема. Основной особенностью современных единиц ФВ является то, что между ними устанавливают зависимости. При этом произвольно выбирают несколько основных единиц ФВ, а все остальные — производные единицы ФВ получают при помощи зависимостей (законов и определений), связывающих различные ФВ, т.е. определяющих уравнений.

Физические величины, единицы которых приняты в качестве основных, называются основными ФВ, а единицы которых являются производными, называются производными ФВ.

Совокупность основных и производных единиц ФВ, охватывающая все или некоторые области физики, называется системой единиц ФВ.

Рассмотрим примеры установления производных единиц ФВ при выбранных в качестве основных ФВ длины L, массы М и времени Т, т.е. при выбранных основных единицах ФВ [L], [М] и [Т].

Пример 1. Установление единицы площади. Выберем какую-либо простую геометрическую фигуру, например круг. Размер площади s круга пропорционален второй степени размера его диаметра d: s = k_S d², где k_S — коэффициент пропорциональности. Это уравнение и возьмем в качестве определяющего. Положив размер диаметра круга равным единице длины, т. е. d = [L], получим [s] = k_S [L]². Выбор коэффициента пропорциональности k_S произволен Пусть k_S = l, тогда [s] = [L]², т. е. за единицу площади выбрана площадь круга, диаметр которого равен единице длины. Если [L] = 1 м, то [s] = 1 м². Площадь круга в этом случае нужно вычислять по формуле s = d², а площадь квадрата со стороной b — по формуле s = (4/)b².