Вентиляция
Что является основным признаком физической величины. Лекция Свойство

Что является основным признаком физической величины. Лекция Свойство

Измерение – совокупность преимущественно экспериментальных операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить

искомое значение величины. Это значение называют результатом измерения.

Для установления различия в количественном значении отображаемого объекта введено понятие физической величины.

Физической величиной (ФВ) называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (рис. 4.1).

Например, плотность, напряжение, показатель преломления и пр.

Так, используя измерительный прибор, например вольтметр постоянного электрического тока, мы измеряем напряжение в вольтах той или иной электрической цепи, сравнивая положение указателя (стрелки) с единицей электрического напряжения, хранимой шкалой вольтметра. Найденное значение напряжения как некоторое число вольт представляет результат измерения.

Рис. 4.1.

Отличительным признаком величины может быть единица измерения, методика выполнения измерения, стандартный образец или их комбинация.

При практической необходимости измерить можно не только физическую величину, но и любой физический и нефизический объект.

Если масса какого-либо тела составляет 50 кг, то речь идет о размере физической величины.

Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту (явлению, процессу).

Истинный размер физической величины является объективной реальностью, которая не зависит от того, измеряют соответствующую характеристику свойств объекта или нет. Действительное значение физической величины находится экспериментальным путем. От истинного значения оно отличается величиной погрешности.

Размер величины зависит от того, какая единица принята при измерениях величины.

Размер может выражаться в виде отвлеченного числа, без указания единицы измерения, что соответствует числовому значению физической величины. Количественная оценка физической величины, представленная числом с указанием единицы этой величины, называется значением физической величины.

Можно говорить о размерах разных единиц данной физической величины. В этом случае размер, например, килограмма отличается от размера фунта (1 ф. = 32 лотам = = 96 золотникам = 409,512 г), пуда (1 п. = 40 ф. = 1280 лотам = = 16,3805 кг) и т.д.

Следовательно, разные толкования физических величин в разных странах должны быть учтены, иначе это может привести к непреодолимым затруднениям, даже к катастрофам.

Так, в 1984 г. канадский пассажирский самолет Boeing-647 произвел вынужденную посадку на автомобильный полигон после того, как при полете на высоте 10 тыс. м отказали двигатели по причине израсходованного горючего. Объяснением этого происшествия явилось то, что на самолете приборы были градуированы в литрах, а приборы канадской авиакомпании, заправлявшей самолет, были градуированы в галлонах (примерно 3,8 л). Таким образом, горючего было заправлено почти в четыре раза меньше, чем требовалось.

Итак, если имеется некоторая величина X, принятая для нее единица измерения равна [X], то значение конкретной физической величины может быть вычислено по формуле

Х = q [Х ], (4.1)

где q – числовое значение физической величины; [X ] – единица физической величины.

Например, длина трубы l = 5м, где l – значение длины, 5 – ее числовое значение, м – принятая в данном случае единица длины.

Уравнение (4.1) называется основным уравнением измерений, показывающим, что числовое значение величины зависит от размера принятой единицы измерения.

В зависимости от области сопоставления величины могут быть однородные и неоднородные. Например, диаметр, длина окружности, длина волны, как правило, рассматриваются как однородные величины, относящиеся к величине, называемой длиной.

В рамках одной системы величин однородные величины имеют одинаковую размерность. Однако величины одинаковой размерности не всегда являются однородными. Например, момент силы и энергия не являются однородными величинами, но имеют одинаковую размерность.

Система величин представляет собой совокупность величин вместе с совокупностью непротиворечивых уравнений, связывающих эти величины.

Основная величина представляет собой величину, которая условно выбирается для данной системы величин и входит в набор основных величин. Например, основные величины системы СИ. Основные величины не связаны друг с другом.

Производная величина системы величин определяется через основные величины этой системы. Например, в системе величин, где основными величинами являются длина и масса, массовая плотность является производной величиной, которая определяется как частное от деления массы на объем (длина в третьей степени).

Кратная единица получается путем умножения данной единицы измерения на целое число, большее, чем единица. Например, километр есть десятичная единица, кратная метру; а час есть недесятичная единица, кратная секунде.

Дольная единица получается путем деления единицы измерения на целое число, большее, чем единица. Например, миллиметр есть десятичная единица, дольная от метра.

Внесистемная единица измерения не принадлежит к данной системе единиц. Например, день, час, минута – это внесистемные единицы измерения по отношению к системе СИ.

Введем еще одно важное понятие – измерительное преобразование.

Под ним понимается процесс установления взаимно однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой величины (входной) и преобразованной в результате измерения (входной).

Множество размеров входной величины, подвергаемой преобразованию с помощью технического устройства – измерительного преобразователя, называется диапазоном преобразования.

Измерительное преобразование может осуществляться различным образом в зависимости от видов физических величин, которые принято подразделять на три группы.

Первая группа представляет величины, на множестве размеров которых определены только их отношения в виде сопоставлений "слабее – сильнее", "мягче – тверже", "холоднее – теплее" и др.

Указанные отношения устанавливаются на основе теоретических или экспериментальных исследований и называются отношениями порядка (отношениями эквивалентности).

К величинам первой группы относятся, например, сила ветра (слабый, сильный, умеренный, шторм и т.д.), твердость, характеризуемая способностью исследуемого тела сопротивляться вдавливанию или царапанию.

Вторая группа представляет величины, для которых отношения порядка (эквивалентности) определяются не только между размерами величин, но также между разностями величин в парах их размеров.

К ним относятся, например, время, энергия, температура, определяемая по шкале жидкостного термометра.

Возможность сравнения разностей размеров этих величин заключена в определении величин второй группы.

Так, при использовании ртутного термометра разности температур (например, в пределах от +5 до +10°С) считаются равными. Таким образом, в данном случае имеет место как отношение порядка величин (25 "теплее", чем 10°С), так и отношение эквивалентности между разностями в парах размеров величин: разность пары (25–20°С) соответствует разности пары (10–5°С).

В обоих случаях отношение порядка однозначно устанавливается с помощью средства измерений (измерительного преобразователя), каким является упомянутый жидкостной термометр.

Нетрудно сделать вывод, что температура относится к величинам и первой, и второй групп.

Третья группа величин характеризуется тем, что на множестве их размеров (кроме указанных отношений порядка и эквивалентности, свойственных величинам второй группы) возможно выполнение операций, подобных сложению или вычитанию (свойство аддитивности).

К величинам третьей группы относится значительное число физических величин, например, длина, масса.

Так, два тела массой каждое 0,5 кг, поставленные на одну из чашек равноплечных весов, уравновешиваются гирей массой 1 кг, помещенной на другую чашу.

Качество измерений

Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками. Поэтому, основное понятие метрологии - измерение. Согласно ГОСТ 16263 - 70, измерение - это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.

Возможность измерения обуславливается предварительным изучением заданного свойства объекта измерений, построением абстрактных моделей как самого свойства, так и его носителя - объекта измерения в целом. Поэтому, место измерения определяется среди методов познания, обеспечивающих достоверность измерения. С помощью метрологических процедур решаются задачи формирования данных (фиксации результатов познания). Измерение с этой точки зрения представляет собой метод кодирования сведений и регистрации полученной информации.

Измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля, без которой невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий и эффективного управления объектом. Все это составляет технический аспект измерений.

До 1918 г. метрическая система внедрялась в России факультативно, наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами. Значительные изменения в метрологической деятельности стали происходить после подписания Советом народных комиссаров РСФСР декрета "О введении международной метрической системы мер и весов". Внедрение метрической системы в России происходило с 1918 по 1927 г. После Великой Отечественной войны и до сего времени метрологическая работа в нашей стране проводится под руководством Государственного комитета по стандартам (Госстандарт).

В 1960 г. ХI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц ФВ - систему СИ. Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира.

В настоящее время на базе Главной палаты мер и весов существует высшее научное учреждение страны - Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ). В лабораториях института разрабатываются и хранятся государственные эталоны единиц измерений, определяются физические константы и свойства веществ и материалов. Тематика работ института охватывает линейные, угловые, оптические и фотометрические, акустические, электрические и магнитные измерения, измерения массы, плотности, силы, давления, вязкости, твердости, скорости, ускорения и ряда других величин.

В 1955 г. под Москвой был создан второй метрологический центр страны - ныне Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ). Он разрабатывает эталоны и средства точных измерений в ряде важнейших областей науки и техники: радиоэлектронике, службе времени и частоты, акустике, атомной физике, физике низких температур и высоких давлений.

Третьим метрологическим центром России является Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС) - головная организация в области прикладной и законодательной метрологии. На него возложена координация и научно-методическое руководство метрологической службой страны. Кроме перечисленных существует ряд региональных метрологических институтов и центров.

К международным метрологическим организациям относится и Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ), образованная в 1956 г. При МОЗМ в Париже работает Международное бюро законодательной метрологии. Его деятельностью руководит Международный комитет законодательной метрологии. Некоторые вопросы метрологии решает Международная организация по стандартизации (ИСО).

Физические свойства и величины. Классификация физических величин.

Шкалы измерений

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами.

Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления или процесса), которая обусловливает его различие или общность с другими объектами, и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство - категория качественная. Для количественного описания различных свойств физических тел, явлений и процессов вводится понятие величины.

Величина - это мера объекта (явления, процесса или чего-либо другого), мера того, 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.

Таким образом, понятие величина, это понятие большей общности, чем качество (свойство, атрибут) и количество.

Физические свойства и величины

Существует два вида величин: реальные и идеальные .

Идеальные величины (числовые значения величин, графики, функции, операторы и т.п.) главным образом относятся к математике и являются обобщением (математической моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины , в свою очередь, подразделяются, как физические и нефизические . При этом, физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (телам, процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим величинам следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.п.

Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину , как численное выражение конкретного свойства физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном, абсолютно индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении здесь понимается в том смысле, что свойство может быть для одного объекта больше, в определенное число раз, или меньше, чем для другого.

Таким образом, физические величины - это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены .

Физические величины (ФВ) целесообразно дополнительно классифицировать, как измеряемые и оцениваемые .

Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования единиц измерения, является важным отличительным признаком измеряемых ФВ.

Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениваниемв таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал.

Нефизические величины, для которых единицы измерения и шкалы в принципе не может быть введены, могут быть только оценены.

Классификация физических величин

Для более детального изучения ФВ необходимо их классифицировать, выявив общие метрологические особенности их отдельных групп. Возможные классификации ФВ показаны на рис. 2.2.

По видам явлений они 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 ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются;

· энергетические , т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;

·
характеризующие протекание процессов во времени. К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

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

По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количества вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.

По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.

Физические объекты обладают неограниченным числом свойств, которые проявляются с бесконечным разнообразием. Это затрудняет их отражение совокупностями чисел с ограниченной разрядностью, возникающее при их измерении. Среди множества специфических проявлений свойств есть и несколько общих. Н.Р. Кэмпбелл установил для всего разнообразия свойств Х физического объекта наличие трех наиболее общих проявлений в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности. Эти отношения в математической логике аналитически описываются простейшими постулатами.

При сравнении величин выявляется отношение порядка (больше, меньше или равно), т.е. определяется соотношение между величинами. Примерами интенсивных величин являются твердость материала, запах и др.

Интенсивные величины могут быть обнаружены, классифицированы по интенсивности, подвергнуты контролю, количественно оценены монотонно возрастающими или убывающими числами.

На основании понятия "интенсивная величина" вводятся понятия физической величины и ее размера. Размер физической величины - количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию ФВ.

Шкалы измерений

В практической деятельности необходимо проводить измерения различных физических величин, характеризующих свойства тел, веществ, явлений и процессов. Некоторые свойства проявляются только качественно, другие - количественно. Разнообразные проявления (количественные или качественные) того, или иного свойства объекта исследования, образуют множество, отображения элементов которого на упорядоченное множество чисел, или, в, более общем случае, условных знаков, образуют шкалу измерения этого свойства. Шкала измерений количественного свойства конкретной физической величины является шкалой этой физической величины. Таким образом, шкала физической величины - это упорядоченная последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Термины и определения теории шкал измерений изложены в документе МИ 2365-96.

В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений.

1. Шкала наименований (шкала классификации) . Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен. В шкалах наименований, в которых отнесение отражаемого свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с использованием органов чувств человека, наиболее адекватен результат, выбранный большинством экспертов. При этом большое значение имеет правильный выбор классов эквивалентной шкалы - они должны надежно различаться наблюдателями, экспертами, оценивающими данное свойство. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: "не приписывай одну и ту же цифру разным объектам". Числа, приписанные объектам, могут быть использованы для определения вероятности или частоты появления данного объекта, но их нельзя использовать для суммирования и других математических операций.

Поскольку данные шкалы характеризуются только отношениями эквивалентности, то в них отсутствует понятия нуля, "больше" или "меньше" и единицы измерения. Примером шкал наименований являются широко распространенные атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.

2. Шкала порядка (шкала рангов) . Если свойство данного эмпирического объекта проявляет себя в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для него может быть построена шкала порядка. Она является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нет возможности судить во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свойства.

В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы порядка. Условная шкала - это шкала ФВ, исходные значения которой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости Энглера, 12-бальная шкала Бофорта для силы морского ветра.

Широкое распространение получили шкалы порядка с нанесенными на них реперными точками. К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости: тальк - 1; гипс - 2; кальций - 3; флюорит - 4; апатит - 5; ортоклаз - 6; кварц - 7; топаз - 8; корунд - 9; алмаз - 10. Отнесение минерала к той или иной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья.испытуемого минерала кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) - не остается, то твердость испытуемого материала составляет более б, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно.

В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами данной величины не соответствуют одинаковые размерности чисел, отображающих размеры. С помощью этих чисел можно найти вероятности, моды, медианы, квантили, однако их нельзя использовать для суммирования, умножения и других математических операций.

Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным, о чем свидетельствует рассмотренный пример.

3. Шкала интервалов (шкала разностей) . Эти шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало - нулевую точку. К таким шкалам относится летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов.

На шкале интервалов определены действия сложения и вычитания интервалов. Действительно, по шкале времени интервалы можно суммировать или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого, но складывать даты каких-либо событий просто бессмысленно.

4. Шкала отношений . Эти шкалы описывают свойства эмпирических объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода - аддитивные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода - пропорциональные). Их примерами являются шкала массы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода).

В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений, установленная по соглашению. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все арифметические действия, что имеет важное значение при измерении ФВ.

Шкалы отношений - самые совершенные. Они описываются уравнением , где Q - ФВ, для которой строится шкала, [Q] - ее единица измерения, q - числовое значение ФВ. Переход от одной шкалы отношений к другой происходит в соответствии с уравнением q 2 = q 1 /.

5. Абсолютные шкалы . Некоторые авторы используют понятие абсолютных шкал, под которыми понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.

Отметим, что шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений - метрическими (материальными). Абсолютные и метрические шкалы относятся к разряду линейных. Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения.

М. В. Ломоносов

Оглянитесь вокруг себя. Какое многообразие предметов вас окру-жает: это люди, животные, деревья. Это телевизор, автомобиль, яблоко, камень, лампочка, карандаш и др. Все невозможно перечислить. В физике любой предмет называют физическим телом.

Чем отличаются физические тела? Очень многим. Например, у них могут быть различные объемы и формы. Они могут состоять из разных веществ. Серебряная и золотая ложки имеют одинаковые объем и форму. Но состоят они из разных веществ: серебра и золота. Деревянные кубик и цилиндр имеют разные объем и форму. Это разные физические тела, но изготовлены из одного и того же вещества - древесины.

Кроме физических тел, есть еще физические поля. Поля существуют независимо от нас. Их не всегда можно обнаружить с помощью органов чувств человека. Например, поле вокруг магнита , поле вокруг заряженного тела . Но их легко обнаружить с помощью приборов.

Опыт показывает положение силовых линий электрического поля от двух противоположных электрических зарядов.

С физическими телами и полями могут происходить разнообразные изменения. Ложка, опущенная в горячий чай, нагревается. Вода в луже испаряется, а в холодный день замерзает. Лампа излучает свет , девушка и собака бегут (движутся) . Магнит размагничивается, и его магнитное поле ослабевает. Нагревание, испарение, замерзание, излучение, движение, размагничивание и т. д. - все эти изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями.

Изучая физику, вы познакомитесь со многими физическими явлениями.

Для описания свойств физических тел и физических явлений вводятся физические величины. Например, описать свойства деревянных шара и кубика можно с помощью таких физических величин, как объем, масса. Физическое явление - движение (девочки, автомобиля и др.) - можно описать, зная такие физические величины, как путь, скорость, промежуток времени. Обратите внимание на основной признак физической величины: ее можно измерить с помощью приборов или вычислить по формуле . Объем тела можно измерить мензуркой с водой , а можно, измерив длину а, ширину b и высоту с линейкой , вычислить по формуле

V= a · b · с.

Объем тела можно измерить мензуркой с водой, а можно, измерив длину а, ширину b и высоту с линейкой, вычислить по формуле

Все физические величины имеют единицы измерения. О некоторых единицах измерения вы слышали много раз: килограмм, метр, секунда, вольт, ампер, киловатт и т. д. Более подробно с физическими величинами вы будете знакомиться в процессе изучения физики.

Подумайте и ответьте

Что называют физическим телом? Физическим явлением?
Каков основной признак физической величины? Назовите известные вам физические величины.
Из приведенных понятий назовите те, которые относятся к: а) физическим телам; б) физическим явлениям; в) физическим величинам: 1) капля; 2) нагревание; 3) длина; 4) гроза; 5) кубик; 6) объем; 7) ветер; 8) сонливость; 9) температура; 10) карандаш; 11) промежуток времени; 12) восход Солнца; 13) скорость; 14) красота.

Домашнее задание

У нас в организме есть «измерительное устройство». Это сердце, с помощью которого можно измерять (с не очень высокой точностью) промежуток времени. Определите по пульсу (числу ударов сердца) промежуток времени наполнения стакана водой из-под крана. Считайте время одного удара примерно равным одной секунде. Сравните это время с показаниями часов. На сколько различны полученные результаты?

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.

Если бы я захотел читать, еще не
зная букв, это было бы бессмыслицей.
Точно так же, если бы я захотел судить
о явлениях природы, не имея никаких
представлений о началах вещей, это
было бы такой же бессмыслицей.
М. В. Ломоносов

Оглянитесь вокруг себя. Какое многообразие предметов вас окружает: это люди, животные, деревья. Это телевизор, автомобиль, яблоко, камень, лампочка, карандаш и др. Все невозможно перечислить. В физике любой предмет называют физическим телом .

Рис. 6

Чем отличаются физические тела? Очень многим. Например, у них могут быть различные объемы и формы. Они могут состоять из разных веществ. Серебряная и золотая ложки (рис. 6) имеют одинаковые объем и форму. Но состоят они из разных веществ: серебра и золота. Деревянные кубик и шарик (рис. 7) имеют разные объем и форму. Это разные физические тела, но изготовлены из одного и того же вещества - древесины.

Рис. 7

Кроме физических тел, есть еще физические поля. Поля существуют независимо от нас. Их не всегда можно обнаружить с помощью органов чувств человека. Например, поле вокруг магнита (рис. 8), поле вокруг заряженного тела (рис. 9). Но их легко обнаружить с помощью приборов.

Рис. 8

Рис. 9

С физическими телами и полями могут происходить разнообразные изменения. Ложка, опущенная в горячий чай, нагревается. Вода в луже испаряется, а в холодный день замерзает. Лампа (рис. 10) излучает свет, девочка и собака бегут (движутся) (рис. 11). Магнит размагничивается, и его магнитное поле ослабевает. Нагревание, испарение, амерзание, излучение, движение, размагничивание и т. д. - все эти изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями .

Рис. 10

Изучая физику, вы познакомитесь со многими физическими явлениями.

Рис. 11

Для описания свойств физических тел и физических явлений вводятся физические величины . Например, описать свойства деревянных шара и кубика можно с помощью таких физических величин, как объем, масса. Физическое явление - движение (девочки, автомобиля и др.) - можно описать, зная такие физические величины, как путь, скорость, промежуток времени. Обратите внимание на основной признак физической величины: ее можно измерить с помощью приборов или вычислить по формуле . Объем тела можно измерить мензуркой с водой (рис. 12, а), а можно, измерив длину a, ширину b и высоту c линейкой (рис. 12, б), вычислить по формуле

V = a . b . c.

Рис. 12

Подумайте и ответьте

Что называют физическим телом? Физическим явлением?
Каков основной признак физической величины? Назовите известные вам физические величины.
Из приведенных понятий назовите те, которые относятся к: а) физическим телам; б) физическим явлениям; в) физическим величинам: 1) капля; 2) нагревание; 3) длина; 4) гроза; 5) кубик; 6) объем; 7) ветер; 8) сонливость; 9) температура; 10) карандаш; 11) промежуток времени; 12) восход Солнца; 13) скорость; 14) красота.

Домашнее задание