Физические величины. Физические величины и их измерения

Введение

В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время.

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности .

Наука, экономика, промышленность и коммуникации не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся миллионы измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения качества и технического уровня выпускаемой продукции, безопасности и безаварийной работы транспорта, обоснования медицинских диагнозов, анализа информационных потоков. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов и развития медицинской техники.

Требования к точности, надежности, эффективности функционирования технических систем различного назначения постоянно повышаются. Обеспечить указанные показатели не возможно без измерения большого количества параметров и характеристик разнообразных устройств, систем и процессов. Поскольку по результатам измерений принимаются весьма ответственные решения, то должна быть уверенность в точности и достоверности результатов измерения. В медицине особенно важна точность измерений, так как живой организм является сложной системой, которую очень трудно изучить, и от точности зависит жизнь человека и его здоровье.

Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундаментом является метрология.

Физическая величина и ее измерение

Физическая величина

Объектом метрологии являются физические величины. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты - объекты познания - выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих для ряда объектов в качественном отношении, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин .

Физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Физические величины используются для характеристики различных объектов, явлений и процессов. Разделяют основные и производные от основных величины. Семь основных и две дополнительных величины установлены в Международной системе единиц. Это длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света и сила электрического тока, дополнительные единицы - это радиан и стерадиан.

Метрология изучает и имеет дело только с измерениями физических величин, т.е. величин, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая единица величины. Однако нередко к измерениям неправомерно относят различного рода оценивания таких свойств, которые формально хотя и попадают под приведенное определение физической величины, но не позволяют реализовать соответствующую единицу. Так, широко распространенную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта; оценку качества продукции - измерением качества. И хотя в этих процедурах частично используются метрологические идеи и методы, они не могут квалифицироваться как измерения в том смысле, как это принято в метрологии. Таким образом, в дополнении к приведенному определению, подчеркнем, что возможность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».

Качественная определенность физической величины называется родом физической величины . Соответственно, физические величины одного рода называются однородными , разного рода - неоднородными . Так, длина и диаметр детали - однородные величины, длина и масса детали - неоднородные.

Количественно физическая величина характеризуется размером, который выражается ее значением.

Размер физической величины - количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Чтобы оценить значение размера физической величины, необходимо его выразить понятным и удобным образом. Поэтому размер данной физической величины сравнивают с некоторым размером однородной с ней физической величины, принятым за единицу, т.е. вводят единицу измерения данной физической величины.

Единица измерения физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Введение единицы измерения данной физической величины позволяет определить ее значение.

Значение физической величины - выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Значение физической величины включает числовое значение физической величины и единицу измерения. Нахождение значения физической величины является целью измерения и его конечным результатом.

Нахождение истинного значения измеряемой величины является центральной проблемой метрологии. Стандарт определяет истинное значение как значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойства объекта. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно. Поэтому в практике оперируют понятием действительного значения.

Действительное значение - значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.

Во времени живя, мы времени не знаем
Тем самым мы себя не понимаем
В такое время мы, однако, родились?
Какое время нам прикажет: «Удались»!
И как нам распознать, что наше время значит?
И что за будущее наше время прячет?
Но время – это мы! Никто иной!
Мы с вами!

П.Флеминг

Среди многочисленных физических величин существуют основные базовые, через которые выражаются все остальные с помощью определенных количественных соотношений. Это – длина, время и масса. Рассмотрим подробнее эти величины и их единицы измерения.

1. ДЛИНА. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

Длина – мера для измерения расстояния . Она характеризует протяженность в пространстве. Попытки субъективных измерений длины отмечались более 4000 лет назад: в III веке в Китае изобрели прибор для измерения расстояний: легкая тележка имела систему зубчатых передач, соединенную с колесом и барабаном. Каждое ли (576 м) отмечалось ударом барабана. С помощью этого изобретения министр Пей Сю создал «Региональный атлас» на 18 листах и большую карту Китая на шелке, которая была так велика, что одному человеку было трудно ее развернуть.
Существуют интересные факты измерения длины. Так, например, моряки измеряли свой путь трубками , т. е. расстоянием, которое проходит судно за время, за которое моряк выкуривает трубку. В Испании похожей единицей была сигара , а в Японии – лошадиный башмак (соломенная подошва, заменявшая подкову). Были и шаги (у древних римлян), и аршины (?71 см), и пяди (?18 см). Поэтому неоднозначность результатов измерений показала необходимость введения согласованной единицы. Действительно, дюйм (2,54 см, введенный как длина большого пальца, от глагола «дюйм») и фут (30 см, как длина ступни от английского «фут» – ступня) было трудно сравнивать.

Рис.1. Метр как эталон длины с 1889 по 1960г

С 1889 по 1960 г в качестве единицы длины использовалась одна десятимиллионная часть расстояния, измеренного вдоль Парижского меридиана от Северного полюса до экватора, – метр (от греч. metron – мера) (рис.1).
В качестве эталона длины использовался стержень из платиново-ириадиевого сплава, хранился он в Севре, около Парижа. До 1983 г метр считался равным 1650763,73 длины волны оранжевой спектральной линии, излучаемой криптоновой лампой.
Открытие лазера (в 1960 году в США) позволило измерить скорость света с большей степенью точности (?с=299 792 458 м/с) по сравнению с криптоновой лампой.
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит свет в вакууме за время? 99 792 458 с.

Диапазон измерения размера объектов в природе приведен на рисунке 2.

Рис.2. Диапазон измерения размера объектов в природе

Методы измерения расстояний. Для измерения сравнительно небольших расстояний и размеров тел применяют рулетку, линейку, метр. Если измеряемые объемы малы и требуется большая точность, то измерения проводят микрометром, штангельциркулем. При измерении больших расстояний используют разные методы: триангуляцию, радиолокацию. Например, расстояние до любой звезды или Луны измеряют методом триангуляции (рис.3).

Рис.3. Метод триангуляции

Зная базу – расстояние l между двумя телескопами, расположенными в точках А и В на Земле, и углы а1 и а2 , под которыми они направлены на Луну, – можно найти расстояния АС и ВС:

При определении расстояния до звезды в качестве базы можно использовать диаметр орбиты Земли, вращающейся вокруг Солнца (рис. 4).

Рис.4. Определение расстояния до звезды

В настоящее время расстояние ближайших к Земле планет измеряется методом лазерной локации . Луч лазера, посланный, например, в сторону Луны, отражается и, возвращаясь на Землю, принимается фотоэлементом (Рис. 5).

Рис. 5. Измерение расстояний методом лазерной локации

Измеряя промежуток времени t0, через который возвращается отраженный луч, и зная скорость света «с», можно найти расстояние до планеты: .

Для измерения малых расстояний с помощью обычного микроскопа можно разделить метр на миллион частей и получить микрометр , или микрон . Однако продолжать таким образом деление невозможно, так как предметы, размеры которых меньше 0,5 микрона, нельзя увидеть в обычный микроскоп.

Рис.6. Фотография атомов углерода в графите, сделанная с помощью ионного микроскопа

Ионный микроскоп (рис. 6) позволяет проводить измерения диаметра атомов и молекул порядка 10~10м. Расстояние между атомами - 1,5?10~10м. Внутриатомное пространство практически пустое, с крошечным ядром в центре атома. Наблюдение рассеяния частиц высокой энергии при прохождении сквозь слой вещества позволяет зондировать вещество вплоть до размера атомных ядер (10–15м).

2. ВРЕМЯ. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ

Время – мера измерение разных промежутков времени . Это мера скорости, с которой происходят какие-либо изменения, т.е. мера скорости развития событий. В основу измерения временем положены периодические, повторяющиеся циклические процессы.
Считают, что первыми часами был гномон , изобретенный в Китае в конце XVI века. Время измеряли по длине и направлению тени от вертикального шеста (гномона), освещенного солнцем. Этот указатель тени и служил первыми часами.
Давно замечено было: максимальной устойчивостью и повторяемостью обладают астрономические явления; день сменяется ночью регулярно чередуются времена года. Эти все явления связаны с движением Солнца на небесной сфере. На их основе и создан календарь.
Измерения небольших промежутков времени (порядка 1 час) долго оставалось трудной задачей, с которой блестяще справился голландский ученый Христиан Гюйгенс (рис.7).

Рис.7. Христиан Гюйгенс

Он в 1656 г сконструировал маятниковые часы, колебания в которых поддерживала гиря и погрешность которых составляла 10 с в сутки. Но, несмотря на постоянное совершенствование часов и увеличение точности измерения времени, секунду (определенную как 1/86400 суток) нельзя было использовать в качестве постоянного эталона времени. Это объясняется незначительным замедлением скорости вращения Земли вокруг своей оси и соответственно увеличением периода обращения, т.е. длительности суток.
Получение стабильного эталона времени оказалось возможным в результате исследований спектров излучения разных атомов и молекул, что позволило измерить время с уникальной точностью. Период электромагнитных колебаний, излучаемых атомами, измеряется с относительной погрешностью порядка 10–10 с (рис.8).

Рис.8. Диапазон измерения времени объектов Вселенной

В 1967 г был введен новый эталон секунды. Секунда – эта единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения изотопа атома цезия – 133.

Излучение цезия – 133 легко воспроизводится и измеряется в лабораторных условиях. Погрешность таких «атомных часов» за год составляет 3*10-7 с.
Для измерения большего промежутка времени используется периодичность иного рода. Многочисленные исследования радиоактивных (распадающихся со временем) изотопов показали, что время, за которое их число уменьшается в 2 раза (период полураспада), является постоянной величиной. Это означает, что период полураспада позволяет выбирать масштаб времени.
Выбор изотопа для измерения времени зависит от того, какой ориентировочно интервал времени измеряется. Период полураспада должен быть соизмерим с предполагаемым интервалом времени (табл. 1).

Таблица 1

Период полураспада некоторых изотопов

При археологических исследованиях наиболее часто измеряют содержание изотопа углерода 14С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Возраст древней рукописи оценивается в 5730 лет, если содержание 14С в ней в 2 раза меньше первоначального (которое известно). При уменьшении содержания 14С в 4 раза по сравнению с первоначальным, возраст объекта кратен двум периодам полураспада, т. е. равен 11 460 годам. Для измерения еще большего интервала времени используются другие радиоактивные изотопы, имеющие больший период полураспада. Изотоп урана 238U (период полураспада 4,5 млрд. лет) в результате распада превращается в свинец. Сравнение содержания урана и свинца в горных породах и воде океанов позволило установить примерный возраст Земли, который составляет около 5,5 млрд. лет.

3. МАССА

Если длина и время – фундаментальные характеристики времени и пространства, то масса является фундаментальной характеристикой вещества. Массой обладают все тела: твердые, жидкие, газообразные; разные по размерам (от 10–30 до 1050 кг), указанные на рис 9.

Рис.9. Диапазон измерения массы объектов Вселенной

Масса характеризует равные свойства материи.

О массе тел человек вспоминает в самых разных ситуациях: при покупке продуктов, в спортивных играх, строительстве… – во всех видах деятельности найдется повод поинтересоваться массой того или иного тела. Масса не менее загадочная величина, чем время. Эталоном массы 1 кг, начиная с 1884 г., является платиново-иридиевый цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и весов близ Парижа. Национальные палаты мер и весов имеют копии такого эталона.
Килограмм – единица массы, равная массе международного эталона килограмма.
Килограмм (от французских слов kilo – тысяча и gramme – мелкая мера). Килограмм приблизительно равен массе 1 л чистой воды при 15 0 С.
Работа с реальным эталоном массы требует особой тщательности, так как прикосновение щипцов и даже воздействие атмосферного воздуха может привести к изменению массы эталона. Определение массы объектов, имеющих объем, соизмеримый с объемом эталона массы, можно проводить с относительной погрешностью порядка 10–9кг.

4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Для проведения разного рода исследований и экспериментов применяют физические приборы. По мере развития физики они совершенствовались и усложнялись (см. Приложение ).
Некоторые физические приборы очень просты, например линейка (рис.10), отвес (груз, подвешенный на нити), позволяющий проверять вертикальность конструкций, уровень, термометр, секундомер, источник тока; электрический двигатель, реле и др.

Рис.10. Линейка

В научных экспериментах часто используют сложные приборы и установки, которые совершенствовались и усложнялись по мере развития науки и техники. Так, для изучения свойств элементарных частиц, входящих в состав какого-либо вещества, используют ускорители - огромные, сложнейшие установки, снабженные множеством различных измерительных и регистрирующих приборов. В ускорителях частицы разгоняются до огромных скоростей, близких к скорости света, и становятся «снарядами», бомбардирующими вещество, помещенное в специальных камерах. Происходящие при этом явления позволяют сделать выводы о строении атомных ядер и элементарных частиц. Созданный в 1957 г. большой ускоритель в г. Дубне под Москвой имеет диаметр 72 м, а ускоритель в г. Серпухове имеет диаметр 6 км (рис 11).

Рис.11. Ускоритель

При выполнении астрономически наблюдений используют различные приборы. Основным астрономическим прибором является телескоп. Он позволяет получить изображение солнца, Луны, планет.

5. МЕТРИЧЕСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ «СИ»

Измеряют все: медики определяют температуру тела, объем легких, рост, пульс пациентов; продавцы взвешивают продукты, отмеряют метры тканей; портные снимают мерку с модниц; музыканты строго выдерживают ритм и темп, считая такты; фармацевты взвешивают порошки и отмеряют в склянки необходимое количество микстуры; учителя физкультуры не расстаются с рулеткой и секундомером, определяя выдающиеся спортивные достижения школьников... Все жители планеты измеряют, прикидывают, оценивают, сверяют, отсчитывают, различают, отмеряют, измеряют и считают, считают, считают...
Каждый из нас, без сомнения, знает, что, прежде чем измерять, нужно установить «единицу, с которой вы будете сравнивать измеряемый отрезок пути или промежуток времени, или массу».
Ясно и другое: о единицах нужно договариваться всем миром, иначе возникнет невообразимая путаница. В играх и то возможны недоразумения: у одного шаг намного короче, у другого – длиннее (Пример: «Будем бить пенальти с семи шагов»). Ученые всего мира предпочитают работать с согласованной и логически последовательной системой единиц измерения. На Генеральной конференции мер и весов в 1960 г. было достигнуто соглашение о международной системе единиц –.Systems International d"Unite"s (сокращенно – «единицы измерения СИ»). Эта система включает семь основных единиц измерения, а все остальные единицы измерения производные выводятся из основных умножением или делением одной единицы на другую без числовых пересчетов (Табл. 2).

Таблица 2

Основные единицы измерения «Си»

Международная система единиц является метрической . Это значит, что кратные и дольные единицы образуются из основных всегда одним и тем же способом: умножением или делением на 10. Это удобно, в особенности при записи очень больших и очень малых чисел. Например, расстояние от Земли до Солнца, приблизительно равное 150.000.000 км, можно записать так: 1,5 *100.000.000 км. Теперь заменим число 100.000.000 на 108. Таким образом, расстояние до Солнца записывается в виде:

1,5 * 10 8 км = l,5 * 10 8 * 10 3 M = l,5 * 10 8 + 3 м = l,5 * 10 11 м.

Другой пример.
Диаметр молекулы водорода равен 0,00000002 см.
Число 0,00000002 = 2/100.000.000 = 2/10 8 . Для кратности число 1/10 8 пишут в виде 10 –8 . Итак, диаметр молекулы водорода равен 2*10 –8 см.
Но в зависимости от диапазона измерений, удобно использовать единицы, большие или меньше по величине. Эти кратные и дольные единицы отличаются от основных на порядки величин. Название основной величины является корнем слова, а приставка характеризует соответствующее отличие в порядке.

Например, приставка «кило-» означает введение единицы в тысячу раз (на 3 порядка) большей, чем основная: 1 км = 10 3 м.

В таблице 3 приведены приставки для образования кратных и дольных единиц.

Таблица 3

Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Введенные таким образом кратные и дольные единицы часто по порядку величины характеризуют физические объекты.
Многие физические величины являются постоянными - константами (от латинского слова constans - постоянный, неизменный) (табл.4). Например, постоянны в данных условиях температура таяния льда и температура кипения воды, скорость распространения света, плотности различных веществ. Константы тщательно измеряют в научных лабораториях и заносят в таблицы справочников и энциклопедий. Справочными таблицами пользуются ученые и инженеры.

Таблица 4

Фундаментальные константы

6. НЕМЕТРИЧЕСКИЕ РУССКИЕ ЕДИНИЦЫ

Они приведены в таблице 5.

Таблица 5

Неметрические русские единицы

* Наименование русских единиц силы и веса совпадали с наименованиями русских единиц массы.

7. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Практически, любой опыт, любое наблюдение в физике сопровождается измерением физических величин. Физические величины измеряют с помощью специальных приборов. Многие из этих приборов вам уже известны. Например, линейкой (рис. 7). Можно измерить линейные размеры тел: длину, высоту и ширину; часами или секундомером – время; с помощью рычажных весов определяют массу тела, сравнивая ее с массой гири, принятой за единицу массы. Мензурка позволяет измерять объемы жидких или сыпучих тел (веществ).

Обычно прибор имеет шкалу со штрихами. Расстояния между двумя штрихами, около которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены на несколько делений, не обозначенных числами. Деления (промежутки между штрихами) и числа – это и есть шкала прибора. На шкале прибора, как правило, проставлена единица величины (наименование), в которой выражается измеряемая физическая величина. В случае, когда числа стоят не против каждого штриха, возникает вопрос: как узнать числовое значение измеряемой величины, если его нельзя прочитать по шкале? Для этого нужно знать цену деления шкалы прибора – значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.

Отбирая приборы для проведения измерений, важно учитывать пределы измерений. Чаще всего встречаются приборы только с одним – верхним пределом измерений. Иногда встречаются двухпредельные приборы. У таких приборов нулевое деление находится внутри шкалы.

Представим себе, что едем в автомобиле, и стрелка его спидометра остановилась против деления «70». Можно ли быть уверенными в том, что скорость автомобиля равна точно 70 км/ч? Нет, так как спидометр имеет погрешность. Можно, конечно, сказать, что скорость автомобиля равна приблизительно 70 км/ч, но этого бывает недостаточно. Напимер, тормозной путь автомобиля зависит от скорости, и ее «приблизительность» может привеси к аварии. Поэтому на заводе-изготовителе определяют наибольшую погрешность спидометра и указывает ее в паспорте этого прибора. Значение погрешности спидометра позволяет определить, в каких пределах находится истинное значение скорости автомобиля.

Пусть погрешность спидометра, указанная в паспорте, равна 5 км/ч. Найдем в нашем примере разность и сумму показания спидометра и его погрешности:

70 км/ч – 5 км/ч = 65км/ч.
70 км/ч + 5 км/ч = 75 км/ч.

Не зная истинного значения скорости, мы может быть уверены, что скорость автомобиля не меньше 65 км/ч и не более 75 км/ч. Этот результат можно записать с использованием знаков «< » (меньше или равно) и «> » (больше или равно): 65 км/ч < скорости автомобиля < 75 км/ч.

То, что при показании спидометра 70 км/ч истинная скорость может оказаться равной 75 км/ч, надо обязательно учитывать. Например, исследования показали, что если легковой автомобиль движется по мокрому асфальту со скоростью 70 км/ч, его тормозной путь не превосходит 46 м, а при скорости 75 км/ч тормозной путь возрастает до 53 м.
Приведенный пример позволяет сделать следующий вывод: все приборы имеют погрешность, в результате измерения нельзя получить истинное значение измеряемой величины. Можно лишь указать интервал в виде неравенства, которому принадлежит неизвестное значение физической величины.
Для прохождения границ этого неравенства необходимо знать погрешность прибора.

Х – пр < х < Х + пр.

Погрешность измерения х никогда не бывает меньше погрешности прибора пр.
Часто указатель прибора не совпадает со штрихом шкалы. Тогда определить расстояние от штриха до указателя очень трудно. Вот другая причина возникновения погрешности, называемой погрешностью отсчета . Эта погрешность отсчета, например, для спидометра, не превосходит половины цены деления.

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

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

(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.

В науке и технике используются единицы измерения физических величин, образующие определенные системы. В основу совокупности единиц, устанавливаемой стандартом для обязательного применения, положены единицы Международной системы (СИ). В теоретических разделах физики широко используются единицы систем СГС: СГСЭ, СГСМ и симметричной Гауссовой системы СГС. Определенное применение находят также единицы технической системы МКГСС и некоторые внесистемные единицы.

Международная система (СИ) построена на 6 основных единицах (метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, кандела) и 2 дополнительных (радиан, стерадиан). В окончательной редакции проекта стандарта “Единицы физических величин” приведены: единицы системы СИ; единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: тонна, минута, час, градус Цельсия, градус, минута, секунда, литр, киловатт–час, оборот в секунду, оборот в минуту; единицы системы СГС и другие единицы, применяемые в теоретических разделах физики и астрономии: световой год, парсек, барн, электронвольт; единицы, временно допускаемые к применению такие, как: ангстрем, килограмм–сила, килограмм–сила–метр, килограмм–сила на квадратный сантиметр, миллиметр ртутного столба, лошадиная сила, калория, килокалория, рентген, кюри. Важнейшие из этих единиц и соотношения между ними приведены в табл.П1.

Сокращенные обозначения единиц, приведенные в таблицах, применяются только после числового значения величины или в заголовках граф таблиц. Нельзя применять сокращенные обозначения вместо полных наименований единиц в тексте без числового значения величин. При использовании как русских, так и международных обозначений единиц используется прямой шрифт; обозначения (сокращенные) единиц, названия которых даны по именам ученых (ньютон, паскаль, ватт и т.д.) следует писать с заглавной буквы (Н, Па, Вт); в обозначениях единиц точку как знак сокращения не применяют. Обозначения единиц, входящих в произведение, разделяются точками как знаками умножения; в качестве знака деления применяют обычно косую черту; если в знаменатель входит произведение единиц, то оно заключается в скобки.

Для образования кратных и дольных единиц используются десятичные приставки (см. табл. П2). Особенно рекомендуется применение приставок, представляющих собой степень числа 10 с показателем, кратным трем. Целесообразно использовать дольные и кратные единицы, образованные от единиц СИ и приводящие к числовым значениям, лежащим между 0,1 и 1000 (например: 17 000 Па следует записать как 17 кПа).

Не допускается присоединять две или более приставок к одной единице (например: 10 –9 м следует записать как 1 нм). Для образования единиц массы приставку присоединяют к основному наименованию “грамм” (например: 10 –6 кг= =10 –3 г=1 мг). Если сложное наименование исходной единицы представляет собой произведение или дробь, то приставку присоединяют к наименованию первой единицы (например кН∙м). В необходимых случаях допускается в знаменателе применять дольные единицы длины, площади и объема (например В/см).

В табл.П3 приведены основные физические и астрономические постоянные.

Таблица П1

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В СИСТЕМЕ СИ

И ИХ СООТНОШЕНИЕ С ДРУГИМИ ЕДИНИЦАМИ

Продолжение табл.П1

Продолжение табл.П1

Окончание табл.П1

Физическая величина - свойство физических объектов, общее в качественном отношении многим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Качественная сторона понятия "физическая величина" определяет ее род (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества), а количественная - ее "размер" (значение электрического сопротивления конкретного проводника, например R = 100 Ом). Числовое значение результата измерения зависит от выбора единицы физической величины.

Физическим величинам присвоены буквенные символы, используемые в физических уравнениях, выражающих связи между физическими величинами, существующие в физических объектах.

Размер физической величины - количественная определенность величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины - оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения. Числовое значение физической величины - отвлеченное число, выражающее отношение значения физической величины к соответствующей единице данной физической величины (например, 220 В - значение амплитуды напряжения, причем само число 220 и есть числовое значение). Именно термин "значение" следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. Неправильно говорить и писать "величина тока", "величина напряжения" и т. д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (правильным будет применение терминов "значение силы тока", "значение напряжения").

При выбранной оценке физической величины ее характеризуют истинным, действительным и измеренным значениями.

Истинным значением физической величины называют значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения.

Это понятие опирается на два основных постулата метрологии:

§ истинное значение определяемой величины существует и оно постоянно;

§ истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

На практике оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к истинному значению зависит от точности средства измерения и погрешности самих измерений.

Действительным значением физической величины называют ее значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для определенной цели может быть использовано вместо него.

Под измеренным значением понимают значение величины, отсчитанное по индикаторному устройству средства измерения.

Единица физической величины - величина фиксированного размера, которой условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице..

Единицы физических величин делят на основные и производные и объединяют в системы единиц физических величин . Единица измерения устанавливается для каждой из физических величин с учетом того, что многие величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэтому лишь часть физических величин и их единиц определяются независимо от других. Такие величины называют основными . Остальные физические величины - производные и их находят с использованием физических законов и зависимостей через основные. Совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин . Единица основной физической величины является основной единицей системы.

Международная система единиц (система СИ; SI - франц. Systeme International ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г.

В основу системы СИ положены семь основных и две дополнительные физические единицы. Основные единицы: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (табл. 1).

Таблица 1. Единицы Международной системы СИ

Метр равен расстоянию, проходимому светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм - единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего цилиндр из сплава платины и иридия.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего энергетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133.

Ампер - сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 210 -7 Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 м.

Кельвин - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, т. е. температуры, при которой три фазы воды - парообразная, жидкая и твердая - находятся в динамическом равновесии.

Моль - количество вещества, содержащего столько структурных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг.

Кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010 12 Гц (длина волны около 0,555 мкм), чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср - стерадиан).

Дополнительные единицы системы СИ предназначены только для образования единиц угловой скорости и углового ускорения. К дополнительным физическим величинам системы СИ относят плоский и телесный углы.

Радиан (рад ) - угол между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна этому радиусу. В практических случаях часто используют такие единицы измерения угловых величин:

градус - 1 _ = 2р/360 рад = 1,745310 -2 рад;

минута - 1" = 1 _ /60 = 2,9088 10 -4 рад;

секунда - 1"= 1"/60= 1 _ /3600 = 4,848110 -6 рад;

радиан - 1 рад = 57 _ 17"45" = 57,2961 _ = (3,4378 10 3)" = (2,062710 5)".

Стерадиан (ср ) - телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы с помощью плоских углов и расчета

где б - телесный угол; ц - плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.

Производные единицы системы СИ образуют из основных и дополнительных единиц.

В области измерений электрических и магнитных величин имеется одна основная единица - ампер (А). Через ампер и единицу мощности - ватт (Вт), единую для электрических, магнитных, механических и тепловых величин, можно определить все остальные электрические и магнитные единицы. Однако на сегодняшний день нет достаточно точных средств воспроизведения ватта абсолютными методами. Поэтому электрические и магнитные единицы основываются на единицах силы тока и производной от ампера единицы емкости - фарада.

К производным от ампера физическим величинам также относятся:

§ единица электродвижущей силы (ЭДС) и электрического напряжения - вольт (В);

§ единица частоты - герц (Гц);

§ единица электрического сопротивления - ом (Ом);

§ единица индуктивности и взаимной индуктивности двух катушек - генри (Гн).

В табл. 2 и 3 приведены производные единицы, наиболее употребляемые в телекоммуникационных системах и радиотехнике.

Таблица 2. Производные единицы СИ

Таблица 3. Единицы СИ, применяемые в практике измерений

Сокращенные обозначения единиц как международных, так и русских, названных в честь великих ученых, пишутся с заглавных букв, например ампер - А; ом - Ом; вольт - В; фарад - Ф. Для сравнения: метр - м, секунда - с, килограмм - кг.

На практике применение целых единиц не всегда удобно, так как в результате измерений получают очень большие или очень малые их значения. Поэтому в системе СИ установлены ее десятичные кратные и дольные единицы, которые образуются с помощью множителей. Кратные и дольные единицы величин пишутся слитно с наименованием основной или производной единицы: километр (км), милливольт (мВ); мегаом (МОм).

Кратная единица физической величины - единица, большая в целое число раз системной, например килогерц (10 3 Гц). Дольная единица физической величины - единица, меньшая в целое число раз системной, например микрогенри (10 -6 Гн).

Наименования кратных и дольных единиц системы СИ содержат ряд приставок, соответствующих множителям (табл. 4).

Таблица 4. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц СИ