Перечислить значения физической величины. и дольных единиц и их наименований

Физика, как мы уже установили, изучает общие закономерности в окружающем нас мире. Для этого ученые проводят наблюдения физических явлений. Однако при описании явлений принято использовать не повседневный язык, а специальные слова, имеющие строго определенный смысл, - термины. Некоторые физические термины уже встречались вам в предыдущем параграфе. Многие термины вам только предстоит узнать и запомнить их значения.

Кроме того, физикам необходимо описывать различные свойства (характеристики) физических явлений и процессов, причем характеризовать их не только качественно, но и количественно. Приведем пример.

Исследуем зависимость времени падения камня с высоты, с которой он падает. Опыт показывает: чем больше высота, тем больше время падения. Это качественное описание, оно не позволяет подробно описать результат эксперимента. Чтобы понять закономерность такого явления, как падение, нужно знать, например, что при увеличении высоты в четыре раза время падения камня обычно увеличивается в два раза. Это и есть пример количественных характеристик свойств явления и взаимосвязи между ними.

Для того чтобы количественно описывать свойства (характеристики) физических объектов, процессов или явлений, используют физические величины. Примеры известных вам физических величин - длина, время, масса, скорость.

Физические величины количественно описывают свойства физических тел, процессов, явлений.

С некоторыми величинами вам доводилось сталкиваться раньше. На уроках математики, решая задачи, вы измеряли длины отрезков, определяли пройденный путь. При этом вы пользовались одной и той же физической величиной - длиной. В других случаях вы находили продолжительность движения различных объектов: пешехода, автомобиля, муравья - и также использовали для этого только одну физическую величину - время. Как вы уже заметили, для разных объектов одна и та же физическая величина принимает различные значения. Например, длины разных отрезков могут быть неодинаковы. Поэтому одна и та же величина может принимать разные значения и быть использована для характеристики самых разных объектов и явлений.

Необходимость введения физических величин заключается еще и в том, что с их помощью записывают законы физики.

В формулах и при расчетах физические величины обозначают буквами латинского и греческого алфавитов. Есть общепринятые обозначения, например длина - l или L, время - t, масса - m или M, площадь - S, объем - V и т. п.

Если вы запишете значение физической величины (ту же самую длину отрезка, получив ее в результате измерения), то заметите: это значение - не просто число. Сказав, что длина отрезка равна 100, обязательно нужно уточнить, в каких единицах она выражена: в метрах, сантиметрах, километрах или в чем-то еще. Поэтому говорят, что значение физической величины - именованное число. Его можно представить как число, за которым указано наименование единицы этой величины.

Значение физической величины = Число * Единица величины.

Единицы многих физических величин (например, длины, времени, массы) первоначально возникли из потребностей обыденной жизни. Для них в разные времена разными народами были придуманы различные единицы. Интересно, что названия многих единиц величин у разных народов совпадают, потому что при выборе этих единиц использовались размеры тела человека. Например, единица длины, называемая «локоть», использовалась в Древнем Египте, Вавилоне, арабском мире, Англии, России.

Но длину измеряли не только локтями, но и в вершках, футах, лье и т. п. Следует сказать, что даже при одинаковых названиях единицы одной и той же величины у разных народов были разными. В 1960 г. ученые разработали Международную систему единиц (СИ, или SI). Эта система принята многими странами, в том числе и Россией. Поэтому использование единиц этой системы является обязательным.
Принято различать основные и производные единицы физических величин. В СИ основные механические единицы - длина, время и масса. Длину измеряют в метрах (м), время - в секундах (с), массу - в килограммах (кг). Производные единицы образуют из основных, используя соотношения между физическими величинами. Например, единица площади - квадратный метр (м 2) - равна площади квадрата с длиной стороны один метр.

При измерениях и вычислениях часто приходится иметь дело с физическими величинами, численные значения которых во много раз отличаются от единицы величины. В таких случаях к названию единицы добавляют приставку, означающую умножение или деление единицы на некоторое число. Очень часто используют умножение принятой единицы на 10, 100, 1000 и т. д. (кратные величины), а также деление единицы на 10, 100, 1000 и т. д. (дольные величины, т. е. доли). Например, тысяча метров - это один километр (1000 м = 1 км), приставка - кило-.

Приставки, означающие умножение и деление единиц физических величин на десять, сто и тысячу, приведены в таблице 1.
Итоги

Физическая величина является количественной характеристикой свойств физических объектов, процессов или явлений.

Физическая величина характеризует одно и то же свойство самых разных физических объектов и процессов.

Значение физической величины - именованное число.
Значение физической величины = Число * Единица величины.

Вопросы

1. Для чего служат физические величины? Приведите примеры физических величин.
2. Какие из перечисленных ниже терминов являются физическими величинами, а какие - нет? Линейка, автомобиль, холод, длина, скорость, температура, вода, звук, масса.
3. Как записывают значения физических величин?
4. Что такое СИ? Для чего она нужна?
5. Какие единицы называют основными, а какие производными? Приведите примеры.
6. Масса тела равна 250 г. Выразите массу этого тела в килограммах (кг) и миллиграммах (мг).
7. Выразите расстояние 0,135 км в метрах и в миллиметрах.
8. На практике часто используют внесистемную единицу объема - литр: 1 л = 1 дм 3 . В СИ единица объема носит название кубический метр. Сколько литров в одном кубическом метре? Найдите, какой объем воды содержит кубик с ребром 1 см, и выразите этот объем в литрах и кубических метрах, используя необходимые приставки.
9. Назовите физические величины, которые необходимы для описания свойств такого физического явления, как ветер. Используйте сведения, полученные на уроках естествознания, а также результаты ваших наблюдений. Запланируйте физический эксперимент с целью измерения этих величин.
10. Какие старинные и современные единицы длины и времени вы знаете?

Физической величиной называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), которое является общим в качественном отношении для многих - физических объектов, отличаясь при этом количественным значением.

Целью измерений является определение значения физической величины - некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания -12 м и др.).

В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины.

Это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному значению.

Это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

9. Классификация измерений по зависимости измеряемой величины от времени и по совокупностям измеряемых величин.

По характеру изменения измеряемой величины - статические и динамические измерения.

Динамическое измерение - измерение величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размера измеряемой величины требует ее измерения с точнейшим определением момента времени. Например, измерение расстояния до уровня поверхности Земли с воздушного шара или измерение постоянного напряжения электрического тока. По существу динамическое измерение является измерением функциональной зависимости измеряемой величины от времени.

Статическое измерение - измерение величины, которая принимается в соответствии с поставленной измерительной задачей за неизменяющуюся на протяжении периода измерения. Например, измерение линейного размера изготовленного изделия при нормальной температуре можно считать статическим, поскольку колебания температуры в цехе на уровне десятых долей градуса вносят погрешность измерений не более 10 мкм/м, несущественную по сравнению с погрешностью изготовления детали. Поэтому в этой измерительной задаче можно считать измеряемую величину неизменной. При калибровке штриховой меры длины на государственном первичном эталоне термостатирование обеспечивает стабильность поддержания температуры на уровне 0,005 °С. Такие колебания температуры обусловливают в тысячу раз меньшую погрешность измерений - не более 0,01 мкм/м. Но в данной измерительной задаче она является существенной, и учет изменений температуры в процессе измерений становится условием обеспечения требуемой точности измерений. Поэтому эти измерения следует проводить по методике динамических измерений.

По сложившимся совокупностям измеряемых величин на электрические (сила тока, напряжение, мощность), механические (масса, количество изделий, усилия);, теплоэнергетические (температура, давление);, физические (плотность, вязкость, мутность); химические (состав, химические свойства, концентрация) , радиотехнические и т. д.

Классификация измерений по способу получения результата (по виду).

По способу получения результатов измерений различают: прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят непосредственно из опытных данных.

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение измеряемой величины находят на основании известной зависимости между измеряемой величиной и величинами, определяемыми с помощью прямых измерений.

Совокупными называют измерения, при которых одновременно измеряются несколько одноименных величин и определяемое значение находят, решая систему уравнений, которую получают на основании прямых измерений одноименных величин.

Совместными называют измерения двух или более неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Классификация измерений по условиям, определяющим точность результата и по количеству измерений для получения результата.

По условиям, определяющим точность результата, измерения делятся на три класса:

1. Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники.

К ним относятся в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин, и, кроме того, измерения физических констант, прежде всего универсальных (например, абсолютного значения ускорения свободного падения, гиромагнитного отношения протона и др.).

К этому же классу относятся и некоторые специальные измерения, требующие высокой точности.

2. Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения.

К ним относятся измерения, выполняемые лабораториями государственного надзора за внедрением и соблюдением стандартов и состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями, которые гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения.

3. Технические измерения, в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений.

Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на машиностроительных предприятиях, на щитах распределительных устройств электрических станций и др.

По количеству измерений измерения делятся на однократные и многократные.

Однократное измерение - это измерение одной величины, сделанное один раз. Однократные измерения на практике имеют большую погрешность, в связи с этим рекомендуется для уменьшения погрешности выполнять минимум три раза измерения такого типа, а в качестве результата брать их среднее арифметическое.

Многократные измерения - это измерение одной или нескольких величин, выполненное четыре и более раз. Многократное измерение представляет собой ряд однократных измерений. Минимальное число измерений, при котором измерение может считаться многократным, - четыре. Результатом многократного измерения является среднее арифметическое результатов всех проведенных измерений. При многократных измерениях снижается погрешность.

Классификация случайных погрешностей измерений.

Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины случайным образом.

1)Грубая- не превышает допустимую погрешность

2)Промах- грубая погрешность, зависит от человека

3)Ожидаемая- полученная в результате эксперимента при созд. условиях

Понятие о метрологии

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Она базируется на комплексе терминов и понятий, наиболее главные из которых приведены ниже.

Физическая величина – свойство, в качественном отношении общее многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуально для каждого объекта. Физическими величинами являются длина, масса, плотность, сила, давление и др.

Единицей физической величины считается та величина, которой по определению присвоено значение равное 1.Например, масса 1кг, сила 1Н, давление 1Па. В различных системах единиц единицы одной и той же величины могут отличаться по размеру. Например, для силы 1кгс ≈ 10Н.

Значение физической величины – численная оценка физической величины конкретного объекта в принятых единицах. Например, значение массы кирпича 3,5 кг.

Техническое измерение – определение значений различных физических величин специальными техническими методами и средствами. В ходе лабораторных испытаний определяют значения геометрических размеров, массы, температуры, давления, силы и др. Все технические измерения должны отвечать требованиям единства и точности.

Прямое измерение – экспериментальное сравнение данной величины с другой, принятой за единичную, посредством отсчета по шкале прибора. Например, измерение длины, массы, температуры.

Косвенные измерения – результаты, полученные с использованием результатов прямых измерений путем вычислений по известным формулам. Например, определение плотности, прочности материала.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо, для того чтобы возможно было сопоставить результаты измерений, выполненных в различных местах, в различное время, с использованием разнообразных приборов.

Точность измерений – качество измерений, отражающее близость полученных результатов к истинному значению измеряемой величины. Различают истинное и действительное значение физических величин.

Истинное значение физической величины в идеале отражает в качественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта. Истинное значение свободно от ошибок измерения. Так как все значения физической величины находятся опытным путем и они содержат ошибки измерений, то истинное значение остается неизвестным.

Действительное значение физической величины находят экспериментальным путем. Оно настолько приближено к истинному значению, что для определенных целей может быть использовано вместо него. При технических измерениях значение физической величины, найденное с допустимой техническими требованиями погрешностью, принимают за действительное значение.

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике лишь приближенно оценивают погрешность измерений, сравнивая результаты измерения со значением этой же величины, полученным с точностью в несколько раз более высокой. Так погрешность измерения размеров образца линейкой, которая составляет ± 1мм, можно оценить, измерив образец штангенциркулем с погрешностью не более ±0,5мм.

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины.

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Средства измерения делятся на меры и измерительные приборы.

Мера – средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря – мера массы.

Измерительный прибор – средство измерений, которое служит для воспроизведения измерительной информации в форме, доступной для восприятия наблюдателем. Простейшие измерительные приборы называют измерительным инструментом. Например, линейка, штангенциркуль.

Основными метрологическими показателями измерительных приборов являются:

Цена деления шкалы – разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы;

Начальное и конечное значение шкалы – соответственно наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, указанные на шкале;

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности.

Погрешность измерения –результат взаимного наложения ошибок, вызываемых различными причинами: погрешностью самих измерительных приборов, погрешностями, возникающими при пользовании прибором и считывании результатов измерений и погрешностей от несоблюдения условий измерения. При достаточно большом числе измерений среднее арифметическое результатов измерений приближается к истинному значению, а погрешность уменьшается.

Систематическая погрешность - погрешность, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях и возникает по вполне известным причинам. Например, смещение шкалы прибора.

Случайная погрешность – погрешность, в появлении которой не наблюдается закономерной связи с предыдущими или последующими ошибками. Ее появление вызывается множеством случайных причин, влияние которых на каждое измерение не может быть учтено заранее. К причинам, приводящим к появлению случайной погрешности можно отнести, например, неоднородность материала, нарушения при отборе проб, погрешность в показаниях прибора.

Если при проведении измерений появляется так называемая грубая погрешность , которая существенно повышает погрешность, ожидаемую при данных условиях, то такие результаты измерений исключают из рассмотрения как недостоверные.

Единство всех измерений обеспечивается установлением единиц измерений и разработкой их эталонов. С 1960 г. действует Международная система единиц (СИ), которая заменила сложную совокупность систем единиц и отдельных внесистемных единиц, сложившихся на основе метрической системы мер. В России система СИ принята в качестве стандартной, а области строительства ее применение регламентировано с1980г.

Лекция 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1 Физические величины и шкал

2.2 Единицы физических величины

2.3. Международная система единиц (система СИ

2.4 Физические величины технологических процессов

производства продуктов питания

2.1 Физические величины и шкалы

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Индивидуальное в количественном отношении следует понимать так, что одно и то же свойство для одного объекта может быть в определенное число раз больше или меньше, чем для другого.

Как правило, термин "физическая величина" применяется в отношении свойств или характеристик, которые можно оценить количественно. К физическим величинам относятся масса, длина, время, давление, температура и т. д. Все они определяют общие в качественном отношении физические свойства, количественные характеристики их могут быть различными.

Физические величины целесообразно различать на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ.

Однако существуют такие свойства, как вкус, запах и т. д., для которых не могут быть введены единицы измерения. Такие величины могут быть оценены. Величины оценивают при помощи шкал.

По точности результата различают три вида значений физических величин: истинное, действительное, измеренное.

Истинное значение физической величины (истинное значение величины) – значение физической величины, которое в качественном и количественном отношениях идеальным образом отражало бы соответствующее свойство объекта.

К постулатам метрологии относят

Истинное значение определенной величины существует и оно постоянно

Истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

Истинное значение физической величины может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Для каждого уровня развития измерительной техники мы можем знать только действительное значение физической величины, которое применяется вместо истинного.

Действительное значение физической величины – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что для поставленной измерительной задачи может его заменить. Характерным примером, иллюстрирующим развитие измерительной техники, является измерение времени. В свое время единицу времени – секунду определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток с погрешностью 10-7 . В настоящее время определяют секунду с погрешностью 10-14 , т. е. на 7 порядков приблизились к истинному значению определения времени на эталонном уровне.

За действительное значение физической величины обычно принимают среднее арифметическое ряда значений величины, полученных при равноточных измерениях, или арифметическое среднее взвешенное при неравноточных измерениях.

Измеренное значение физической величины – значение физической величины, полученное с применением конкретной техники.

По видам явлений ФВ делят на следующие группы:

- вещественные , т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ. Материалов и изделий из них. К ним относятся масса, плотность, и тп. Это ФВ пассивные, т.к. для их измерения необходимо использовать вспомогательные источники энергии, с помощью которых формируется сигнал измерительной информации.

- энергетические – описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии (энергия, напряжение, мощность. Эти величины активные. Они могут преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;

- характеризующие протекания процессов времени . К этой группе относятся различного рода спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

По степени условной зависимости от других величин ФВ делят на основные и производные

Основная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве не зависящей от других величин этой системы.

Выбор физических величин, принимаемых за основные, и их количество осуществляется произвольно. В качестве основных прежде всего были выбраны величины, характеризующие основные свойства материального мира: длина, масса, время. Остальные четыре основные физические величины выбраны таким образом, чтобы каждая из них представляла один из разделов физики: сила тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света.

Каждой основной физической величине системы величин присваивается символ в виде строчной буквы латинского или греческого алфавита: длина – L, масса – М, время – Т, сила электрического тока – I, температура – O, количество вещества – N, сила света – J. Эти символы входят в название системы физических величин. Так, система физических величин механики, основными величинами которой являются длина, масса и время, называется "система LMT".

Производная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.

1.3 Физические величины и их измерения

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. Можно сказать также, что физическая величина - это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии.

Слово «величина » часто применяется в двух смыслах: как вообще свойство, к которому применимо понятие больше или меньше, и как количество этого свойства. В последнем случае приходилось бы говорить о «величине величины», поэтому в дальнейшем речь будет идти о величине именно как свойстве физического объекта, во втором же смысле  как о значении физи-ческой величины.

В последнее время все большее распространение получает подразделение величин на физические и нефизические , хотя следует отметить, что пока нет строгого критерия для такого деления величин. При этом под физическими понимают величины, которые характеризуют свойства физического мира и применяются в физических науках и технике. Для них существуют единицы измерения. Физические величины в зависимости от правил их измерения подразделяются на три группы:

Величины, характеризующие свойства объектов (длина, масса);

величины, характеризующие состояние системы (давление,

температура);

Величины, характеризующие процессы (скорость, мощность).

К нефизическим относят величины, для которых нет единиц измерения. Они могут характеризовать как свойства материального мира, так и понятия, используемые в общественных науках, экономике, медицине. В соответствии с таким разделением величин принято выделять измерения физических величин и нефизические измерения . Другим выражением такого подхода являются два разных понимания понятия измерения:

измерение в узком смысле как экспериментальное сравнение

одной измеряемой величины с другой известной величиной того

же качества, принятой в качестве единицы;

измерение в широком смысле как нахождение соответствий

между числами и объектами, их состояниями или процессами по

известным правилам.

Второе определение появилось в связи с широким распространением в последнее время измерений нефизических величин, которые фигурируют в медико-биологических исследованиях, в частности, в психологии, в экономике, в социологии и других общественных науках. В этом случае правильнее было бы говорить не об измерении, а об оценивании величин , понимая оценивание как установление качества, степени, уровня чего-либо в соответствии с установленными правилами. Другими словами, это операция по приписыванию путем вычисления, нахождения или определения числа величине, характеризующей качество какого-либо объекта, по установленным правилам. Например, определение силы ветра или землетрясения, выставление оценки фигуристам или оценок знаний учащихся по пятибалльной шкале.

Понятие оценивание величин не следует путать с понятием оценки величин, связанным с тем, что в результате измерений мы фактически получаем не истинное значение измеряемой величины, а лишь его оценку, в той или иной степени близкую к этому значению.

Рассмотренное выше понятие «измерение », предполагающее наличие единицы измерения (меры), соответствует понятию измерения в узком смысле и является более традиционным и классическим. В этом смысле оно и будет пониматься ниже - как измерение физических величин.

Ниже приведены основные понятия , относящиеся к физической величине (здесь и далее все основные понятия по метрологии и их определения приводятся по упомянутой выше рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99):

- размер физической величины - количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу;

- значение физической величины - выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц;

- истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину (может быть соотнесено с понятием абсолютной истины и получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений);

действительное значение физической величины  значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него;

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;

система физических величин  совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие определяются как функции этих независимых величин;

основная физическая величина– физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

производная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы;

система единиц физических единиц  совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу .

Иногда возражают против широкого применения слова «размер», утверждая, что оно относится только к длине. Однако заметим, что каждое тело обладает определенной массой, вследствие чего тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас физической величи­ны (массы). Рассматривая предметы А иВ, можно, например, утверждать, что по длине или размеру длины они отличаются друг от друга (например,А > В). Более точная оценка может быть получена лишь после измерений длины этих предметов.

Часто в словосочетании «размер величины» слово «размер» опускают или за­меняют его на словосочетание «значение величины».

В машиностроении широко применяют термин «размер», подразумевая под ним значение физической величины - длины, свойственной какой-либо детали. Это значит, что для выражения одного понятия «значение физической величины» приме­няются два термина («размер» и «значение»), что не может способствовать упорядоче­нию терминологии. Строго говоря, необходимо уточнить понятие «размер» в маши­ностроении так, чтобы оно не противоречило понятию «размер физической величи­ны», принятому в метрологии. В ГОСТ 16263-70 дано четкое разъяснение по этому вопросу.

Количественная оценка конкретной физической величины, вы­раженная в виде некоторого числа единиц данной величины, на­зывается «значением физической величины».

Отвлеченное число, входящее в «значение» величины, называется числовым значением.

Между размером и значением величины есть принципиальная разница. Размер величины существует реально, независимо от то­го, знаем мы его или нет. Выразить размер величины можно при помощи любой из единиц данной величины, другими словами, при помощи числового значения.

Для числового значения характерно, что при применении дру­гой единицы оно изменяется, тогда как физический размер вели­чины остается неизменным.

Если обозначить измеряемую величину через x, единицу вели­чины - черезx 1 , а отношение их-через q 1 , то x = q 1 x 1  .

Размер величины xне зависит от выбора единицы, чего нель­зя сказать о числовом значении q , которое целиком определяется выбором единицы. Если для выражения размера величиныxвме­сто единицыx 1  применить единицуx 2  , то неизменившийся размерxбудет выражен другим значением:

x = q 2 x 2  , гдеn 2 n 1 .

Если в приведенных выражениях применять q= 1, то размеры единиц

x 1 = 1x 1 иx 2 = 1x 2 .

Размеры разных единиц одной и той же величины различны. Так, размер килограмма отличается от размера фунта; размер метра-от размера фута и т. п.

1.6. Размерность физических величин

Размерность физических величин- это соотношение между единицами величин, входящих в уравнение, свя­зывающее данную величину с другими величинами, через которые она выражается.

Размерность физической величины обозначается dimA (от лат. dimension –размерность ). Допустим, что физическая величинаА связана сX, Yуравнением A= F(Х, Y). Тогда величиныX, Y, А можно представить в виде

Х = х  [Х]; Y = y  [Y]; A = а  [A],

где А, X, Y - символы, обозначающие физическую вели­чину;а, х, y - числовые значения величин (безразмер­ные);[A]; [X]; [Y] - соответствующие единицы данных физических величин.

Размерности значений физических величин и их еди­ниц совпадают. Например:

A = X/Y; dim (a) = dim (X/Y) = [ Х ]/[Y].

Размерность - качественная характеристика физиче­ской величины, дающая представление о виде, природе величины, о соотношении ее с другими величинами, еди­ницы которых принимаются за основные.

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

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

· 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

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

Изучение физических явлений и их закономерностей, а также использование этих закономерностей в практической деятельности человека связано с измерением физических величин.

Физическая величина - это свойство, в качественном отношении общее многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Физической величиной является например, масса. Массой обладают разные физические объекты: все тела, все частицы вещества, частицы электромагнитного поля и др. В качественном отношении все конкретные реализации массы, т. е. массы всех физических объектов, одинаковы. Но масса одного объекта может быть в определенное число раз больше или меььше, чем масса другого. И в этом количественном смысле масса есть свойство, индивидуальное для каждого объекта. Физическими величинами являются также длина, температура, напряженность электрического поля, период колебаний и др.

Конкретные реализации одной и той же физической величины называются однородными величинами. Например, расстояние между зрачками ваших глаз и высота Эйфелевой башни есть конкретные реализации одной и той же физической величины - длины и потому являются однородными величинами. Масса данной книги и масса спутника Земли «Космос-897» также однородные физические величины.

Однородные физические величины отличаются друг от друга размером. Размер физической величины - это

количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина».

Размеры однородных физических величин различных объектов можно сравнивать между собой, если определить значения этих величин.

Значением физической величины называется оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц (см. с. 14). Например, значение длины некоторого тела, 5 кг - значение массы некоторого тела и т. д. Отвлеченное число, входящее в значение физической величины (в наших примерах 10 и 5), называется числовым значением. В общем случае значение X некоторой величины можно выразить в виде формулы

где числовое значение величины, ее единица.

Следует различать истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины - это значение величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Действительное значение физической величины есть значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Нахождение значения физической величины опытным путем при помощи специальных технических средств называется измерением.

Истинные значения физических величин, как правило, неизвестны. Например, никто не знает истинных значений скорости света, расстояния от Земли до Луны, массы электрона, протона и других элементарных частиц. Мы не знаем истинного значения своего роста и массы своего тела, не знаем и не можем узнать истинного значения температуры воздуха в нашей комнате, длины стола, за которым работаем, и т. д.

Однако, пользуясь специальными техническими средствами, можно определить действительные

значеиия всех этих и многих других величин. При этом степень приближения этих действительных значений к истинным значениям физических величин зависит от совершенства применяемых при этом технических средств измерения.

К средствам измерений относятся меры, измерительные приборы и др. Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря - мера массы, линейка с миллиметровыми делениями - мера длины, измерительная колба - мера объема (вместимости), нормальный элемент - мера электродвижущей силы, кварцевый генератор - мера частоты электрических колебаний и др.

Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдением. К измерительным приборам относятся динамометр, амперметр, манометр и др.

Различают измерения прямые и косвенные.

Прямым измерением называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относятся, например, измерение массы на равноплечных весах, температуры - термометром, длины - масштабной линейкой.

Косвенное измерение - это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между ней и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенными измерениями являются, например, нахождение плотности тела по его массе и геометрическим размерам, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Измерения физических величин основываются на различных физических явлениях. Например, для измерения температуры используется тепловое расширение тел или термоэлектрический эффект, для измерения массы тел взвешиванием - явление тяготения и т.д. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называют принципом измерения. Принципы измерений не рассматриваются в данном пособии. Изучением принципов и методов измерений, видов средств измерений, погрешностей измерений и других вопросов, связанных с измерениями, занимается метрология.