Действительное значение физической величины. Физическая величина как объект метрологии
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 - черезx 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 единицыx 1 применить единицуx 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 = 1x 1 иx 2 = 1x 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.
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, .
8. Истинное, действительное и измеренное значение физической величины.
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.
Истинное значение 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.
Действительное значение физической величины - это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Измеренное значение физической величины - 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
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.
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.
