1.2. Физические величины

1.2.1. Физические величины как объект измерений

Величина – это свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные. Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий (см. рис.1.1)

Реальные величины делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и др.

Рис.1.1 Классификация величин

Рекомендации РМГ 29-99 трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для данного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем у другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины бывают:

· измеряемые;

· оцениваемые.

Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения . Физические величины, для которых по тем или иным причинная не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оценивают при помощи шкал.

Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Для более детального изучения физических величин необходимо классифицировать и выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.

По видам явлений физические величины делятся на следующие группы :

· вещественные , т. е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные физические величины называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать дополнительный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;

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

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

По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся:

· пространственно-временные;

· механические;

· тепловые;

· электрические;

· магнитные;

· акустические;

· световые;

· физико-химические;

· ионизирующих излучений;

· атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин

· основные (условно не зависимые),

· производные (условно зависимые),

· дополнительные.

В настоящее время в системе SI используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный угол.

Единица физической величины – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице. Единица физической величины применяется для количественного выражения однородных физических величин.

Значение физической величины – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц (Q) .

Числовое значение физической величины (q) – это отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины.

Уравнение Q= q[ Q] называют основным уравнением измерения . Суть простейшего измерения состоит в сравнении физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[ Q] . В результате сравнения устанавливают, что q[Q] ‹ Q ‹ (q+1)[Q].

1.2.2. Системы единиц физических величин

Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.

Первой системой единиц считается метрическая система , где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса – 1 см3 химически чистой воды при температуре около +40оС. В 1799 году были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своем первоначальном варианте включала еще и единицы площади (ар - площадь квадрата со стороной 10 м), объема (стер - объем куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). В метрической системе еще не было четкого разделения единиц на основные и производные.

Рис.1.2. Классификация физических величин

Понятие системы единиц, как совокупности основных и производных, впервые было предложено немецким ученым Гауссом в 1832 г. В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины – миллиметр, единица массы – миллиграмм, единица времени – секунда. Эту систему назвали абсолютной .

В 1881 г. была принята система СГС (сантиметр-грамм-секунда), в начале ХХ века существовала и система итальянского ученого Джорджи – МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер). Существовали и другие системы единиц. Даже в настоящее время некоторые страны не отошли от исторически сложившихся единиц измерения. В Великобритании, США, Канаде единицей массы является фунт, причем его размер различен.

Наиболее широкое распространение в мире получила Международная система единиц SI – Systeme International.

Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях : метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, свеча. В последствии система была дополнена одной основной, дополнительными и производными единицами. Кроме того, были разработаны определения основных единиц.

Единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/ долю секунды.

Единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма.

Единица времени – секунда – продолжительность периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей.

Единица силы электрического тока – ампер - сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположенными на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2·10-7 Н на каждый метр длины.

Единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия.

Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг.

Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср2.

Приведенные определения довольно сложны и требуют достаточного уровня знаний, прежде всего в физике. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц.

Международная система SI является наиболее совершенной и универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных единиц в системе SI есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного угла – радиан и стерадиан, соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений (таблица 1.2.) Единая международная система единиц была принята ХІ Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году. На территории нашей страны система единиц SI действует с 1 января 1982 года в соответствии с ГОСТ 8.417-81. Система SI является логическим развитием предшествовавших ей систем СГС и МКГСС. К достоинствам и преимуществам системы SI относятся:

· универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;

· унификация всех областей и видов измерений;

· когерентность величин;

· возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением;

· упрощение записи формул в связи с отсутствием переводных коэффициентов;

· уменьшение числа допускаемых единиц;

· единая система кратных и дольных единиц;

Таблица 1.1

Основные и дополнительные единицы физических величин

Производная единица – это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Производные единицы системы SI, имеющие собственное название, приведены в таблице 1.2.

Для установления производных единиц следует:

· выбрать физические величины, единицы которых принимаются в качестве основных;

· установить размер этих единиц;

· выбрать определяющее уравнение, связывающее величины, измеряемые основными единицами, с величиной, для которой устанавливается производная единица. При этом символы всех величин, входящих в определяющее уравнение, должны рассматриваться не как сами величины, а как их именованные числовые значения;

· приравнять единице (или другому постоянному числу) коэффициент пропорциональности k, входящий в определяющее уравнение. Это уравнение следует записать в виде явной функциональной зависимости производной величины от основных величин.

Установленные таким образом производные единицы могут быть использованы для введения новых производных величин.

Единицы физических величин делятся на системные и внесистемные. Системная единица – единица физической величины, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица – это единица физической величины, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам системы SI разделяют на четыре вида:

Таблица 1.2.

Производные единицы системы SI, имеющие специальное название

· допускаемые наравне с единицами SI, например, единицы массы – тонна; плоского угла – градус, минута, секунда; объема – литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами SI, приведены в таблице 1.3;

· допускаемые к применению в специальных областях, например, астрономическая единица - парсек, световой год – единицы длины в астрономии; диоптрия – единица оптической силы в оптике; электрон-вольт – единица энергии в физике и т. д.;

· временно допускаемые к применению наравне с единицами SI, например, морская миля – в морской навигации; карат – единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;

· изъятые из употребления, например, миллиметр ртутного столба – единица давления; лошадиная сила – единица мощности и некоторые другие.

Таблица 1.3

Внесистемные единицы, допускаемые к применению

наравне с единицами SI

Различают кратные и дольные единицы физических величин.

Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Дольная единица – это единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Приставки для образования кратных и дольных единиц приведены в таблице 1.4.

Таблица 1.4

Приставки для образования десятичных кратных

и дольных единиц и их наименований

Физика как наука, изучающая явления природы, использует стандартную методику исследования. Основными этапами можно назвать: наблюдение, выдвижение гипотезы, проведение эксперимента, обоснование теории. В ходе наблюдения устанавливаются отличительные черты явления, ход его течения, возможные причины и последствия. Гипотеза позволяет пояснить ход явления, установить его закономерности. Эксперимент подтверждает (или не подтверждает) справедливость гипотезы. Позволяет установить количественное соотношение величин в ходе опыта, что приводит к точному установлению зависимостей. Подтвержденная в ходе опыта гипотеза ложится в основу научной теории.

Ни одна теория не может претендовать на достоверность, если не получила полного и безоговорочного подтверждения в ходе эксперимента. Проведение последнего сопряжено с измерениями физических величин, характеризующих процесс. - это основа измерений.

Что это такое

Измерение касается тех величин, которые подтверждают справедливость гипотезы о закономерностях. Физическая величина - это научная характеристика физического тела, качественное отношение которой является общим для множества аналогичных тел. Для каждого тела такая количественная характеристика сугубо индивидуальна.

Если обратиться к специальной литературе, то в справочнике М. Юдина и др. (1989 года издания) читаем, что физическая величина это: “характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта”.

Словарь Ожегова (1990 года издания) утверждает, что физическая величина это - "размер, объем, протяженность предмета".

К примеру, длина - физическая величина. Механика длину трактует как пройденное расстояние, электродинамика использует длину провода, в термодинамике аналогичная величина определяет толщину стенок сосудов. Суть понятия не меняется: единицы величин могут быть одинаковыми, а значение - различным.

Отличительной чертой физической величины, скажем, от математической, является наличие единицы измерения. Метр, фут, аршин - примеры единиц измерения длины.

Единицы измерения

Чтобы измерить физическую величину, ее следует сравнить с величиной, принятой за единицу. Вспомните замечательный мультфильм «Сорок восемь попугаев». Чтобы установить длину удава, герои измеряли его длину то в попугаях, то в слонятах, то в мартышках. В этом случае длину удава сравнивали с ростом других героев мультфильма. Результат количественно зависел от эталона.

Величины - мера ее измерения в определенной системе единиц. Путаница в этих мерах возникает не только вследствие несовершенства, разнородности мер, но иногда и из-за относительности единиц.

Русская мера длины - аршин - расстояние между указательным и большим пальцами руки. Однако руки у всех людей разные, и аршин, измеренный рукой взрослого мужчины, отличается от аршина на руке ребенка или женщины. Такое же несоответствие мер длины касается сажени (расстояние между кончиками пальцев расставленных в стороны рук) и локтя (расстояние от среднего пальца до локтя руки).

Интересно, что в лавки приказчиками брали мужчин небольшого роста. Хитрые купцы экономили ткань при помощи несколько меньших мерил: аршин, локоть, сажень.

Системы мер

Такое разнообразие мер существовало не только в России, но и в других странах. Введение единиц измерения зачастую было произвольным, иногда эти единицы вводились только вследствие удобства их измерения. Например, для измерения атмосферного давления ввели мм ртутного столба. Известный в котором использовалась трубка, заполоненная ртутью, позволил ввести такую необычную величину.

Мощность двигателей сравнивали с (что практикуется и в наше время).

Различные физические величины измерение физических величин делали не только сложными и недостоверными, но и усложняющими развитие науки.

Единая система мер

Единая система физических величин, удобная и оптимизированная в каждой промышленно развитой стране, стала насущной необходимостью. За основу была принята идея выбора как можно меньшего количества единиц, с помощью которых в математических соотношениях можно было бы выразить и другие величины. Такие основные величины не должны быть связаны друг с другом, их значение определяется однозначно и понятно в любой экономической системе.

Эту проблему решить пытались в различных странах. Создание единой СГС, МКС и другие) предпринималось неоднократно, но эти системы были неудобны либо с научной точки зрения, либо в бытовом, промышленном применении.

Задачу, поставленную в конце 19 века, решить получилось только в 1958 году. На заседании Международного комитета законодательной метрологии была представлена унифицированная система.

Унифицированная система мер

1960 год ознаменовался историческим заседанием Генеральной конференции по мерам и весам. Уникальная система, названная «Systeme internationale d"unites» (сокращенно SI) была принята решением этого почетного собрания. В российской версии эта система названа Система интернациональная (аббревиатура СИ).

За основу приняты 7 основных единиц и 2 дополнительных. Их численное значение определяется в виде эталона

Таблица физических величин СИ

Сама система не может состоять только из семи единиц, поскольку разнообразие физических процессов в природе требует введения все новых и новых величин. В самой структуре предусмотрено не только внедрение новых единиц, но и их взаимосвязь в виде математических соотношений (их чаще называют формулами размерностей).

Единица физической величины получается с применением умножения, и деления основных единиц в формуле размерностей. Отсутствие числовых коэффициентов в таких уравнениях делает систему не только удобной во всех отношениях, но и когерентной (согласованной).

Производные единицы

Единицы измерения, которые формируются из семи основных, получили название производных. Кроме основных и производных единиц, возникла необходимость введения дополнительных (радиан и стерадиан). Их размерность принято считать нулевой. Отсутствие измерительных приборов для их определения делает невозможным их измерение. Их введение обусловлено применением в теоретических исследованиях. Например, физическая величина «сила» в этой системе измеряется в ньютонах. Поскольку сила - мера взаимного действия тел друг на друга, являющаяся причиной варьирования скорости тела определенной массы, то определить ее можно как произведение единицы массы на единицу скорости, деленную на единицу времени:

F = k٠M٠v/T, где k - коэффициент пропорциональности, M - единица массы, v - единица скорости, T - единица времени.

СИ дает следующую формулу размерностей: Н = кг٠м/с 2 , где использованы три единицы. И килограмм, и метр, и секунда отнесены к основным. Коэффициент пропорциональности равен 1.

Возможно введение безразмерных величин, которые определяются в виде соотношения однородных величин. К таковым можно отнести как известно, равный отношению силы трения к силе нормального давления.

Таблица физических величин, производных от основных

Внесистемные единицы

Использование исторически сложившихся величин, не входящих в СИ или отличающихся только числовым коэффициентом, допускается при измерении величин. Это внесистемные единицы. Например, мм ртутного столба, рентген и другие.

Числовые коэффициенты используются для введения дольных и кратных величин. Приставки соответствуют определенному числу. Примером могут служить санти-, кило-, дека-, мега- и многие другие.

1 километр = 1000 метров,

1 сантиметр = 0,01 метра.

Типология величин

Попытаемся указать несколько основных признаков, которые позволяют установить тип величины.

1. Направление. Если действие физической величины напрямую связано с направлением, ее называют векторной, иные - скалярные.

2. Наличие размерности. Существование формулы физических величин дает возможность называть их размерными. Если в формуле все единицы имеют нулевую степень, то их называют безразмерными. Правильнее было бы назвать их величинами с размерностью, равной 1. Ведь понятие безразмерной величины нелогично. Основное свойство - размерность - никто не отменял!

3. По возможности сложения. Аддитивная величина, значение которой можно складывать, вычитать, умножать на коэффициент и т. д. (например, масса) - физическая величина, являющаяся суммируемой.

4. По соотношению с физической системой. Экстенсивная - если ее значение можно составить из значений подсистемы. Примером может служить площадь, измеряемая в метрах квадратных. Интенсивная - величина, значение которой не зависит от системы. К таковым можно отнести температуру.

Физические величины

Физическая величина – это характеристика физических объектов или явлений материального мира, общая для множества объектов или явлений в качественном отношении, но индивидуальная в количественном отношении для каждого из них . Например, масса, длина, площадь, температура и т.д.

Каждая физическая величина имеет свои качественную и количественную характеристики .

Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "прочность" в количественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как количественное значение прочности для каждого из них совершенно разное

Для выявления количественного различия содержания свойства в каком-либо объекте, отображаемого физической величиной, вводится понятие размера физической величины . Этот размер устанавливается в процессе измерения - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (ФЗ «Об обеспечении единства измерений»

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.). Между размерами каждой физической величины существуют отношения в виде числовых форм (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и т.п.), которые могут служить моделью этой величины.

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

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

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

Измеренное значение физической величины - это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

При планировании измерений следует стремиться к тому, чтобы номенклатура измеряемых величин соответствовала требованиям измерительной задачи (например, при контроле измеряемые величины должны отражать соответствующие показатели качества продукции).

Для каждого параметра продукции должны соблюдаться требования:

Корректность формулировки измеряемой величины, исключающая возможность различного толкования (например, необходимо четко определять, в каких случаях определяется "масса" или "вес" изделия, "объем" или "вместимость" сосуда и т.д.);

Определенность подлежащих измерению свойств объекта (например, "температура в помещении не более...°С " допускает возможность различного толкования. Необходимо так изменить формулировку требования, чтобы было ясно, установлено ли это требование к максимальной или к средней температуре помещения, что будет в дальнейшем учтено при выполнении измерений);

Использование стандартизованных терминов.

Физические единицы

Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называетсяединицей физической величины.

Многие единицы физических величин воспроизводятся мерами, применяемыми для измерений (например, метр, килограмм). На ранних стадиях развития материальной культуры (в рабовладельческих и феодальных обществах) существовали единицы для небольшого круга физических величин - длины, массы, времени, площади, объёма. Единицы физических величин выбирались вне связи друг с другом, и притом различные в разных странах и географических районах. Так возникло большое количество часто одинаковых по названию, но различных по размеру единиц - локтей, футов, фунтов.

По мере расширения торговых связей между народами и развития науки и техники количество единиц физических величин увеличивалось и всё более ощущалась потребность в унификации единиц и в создании систем единиц. О единицах физических величин и их системах стали заключать специальные международные соглашения. В 18 в. во Франции была предложена метрическая система мер, получившая в дальнейшем международное признание. На её основе был построен целый ряд метрических систем единиц. В настоящее время происходит дальнейшее упорядочение единиц физических величин на базе Международной системы единиц (СИ).

Единицы физических величин делятся на системные, т. е. входящие в какую-либо систему единиц, и внесистемные единицы (например, мм рт. ст., лошадиная сила, электрон-вольт).

Системные единицы физических величин подразделяются на основные , выбираемые произвольно (метр, килограмм, секунда и др.), и производные , образуемые по уравнениям связи между величинами (метр в секунду, килограмм на кубический метр, ньютон, джоуль, ватт и т. п.).

Для удобства выражения величин, во много раз больших или меньших единиц физических величин, применяются кратные единицы (например, километр - 10 3 м, киловатт - 10 3 Вт) и дольные единицы (например, миллиметр - 10 -3 м, миллисекунда - 10-3 с)..

В метрических системах единиц кратные и дельные единицы физических величин (за исключением единиц времени и угла) образуются умножением системной единицы на 10 n , где n - целое положительное или отрицательное число. Каждому из этих чисел соответствует одна из десятичных приставок, принятых для образования кратных и дельных единиц.

В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ) была принята Международная системаединиц (SI).

Основными единицами в международной системе единиц являются: метр (м) – длина, килограмм (кг) – масса, секунда (с) – время, ампер (А) – сила электрического тока, кельвин (К) – термодинамическая температура, кандела (кд) – сила света, моль – количество вещества.

Наряду с системами физических величин в практике измерений по-прежнему используются так называемые внесистемные единицы. К их числу относятся, например: единицы давления – атмосфера, миллиметр ртутного столба, единица длины – ангстрем, единица количество теплоты – калория, единицы акустических величин – децибел, фон, октава, единицы времени – минута и час и т. п. Однако в настоящее время наметилась тенденция к их сокращению до минимума.

Международная система единиц имеет целый ряд достоинств: универсальность, унификация единиц для всех видов измерений, когерентность (согласованность) системы (коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях безразмерны), лучшее взаимопонимание между различными специалистами в процессе научно-технических и экономических связей между странами.

В настоящее время применение единиц физических величин в России узаконено Конституцией РФ (ст. 71) (стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени находятся в ведении Российской Федерации) и федеральным законом "Об обеспечении единства измерений". Статья 6 Закона определяет применение в Российской Федерации единиц величин Международной системы единиц, принятых Генеральной конференцией по мерам и весам и рекомендованные к применению Международной организацией законодательной метрологии. В то же время в Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин СИ внесистемные единицы величин, наименование, обозначения, правила написания и применения которых устанавливаются Правительством Российской Федерации.

В практической деятельности следует руководствоваться единицами физических величин, регламентированных ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».

Стандартом наряду с обязательным применением основных и производных единиц Международной системы единиц, а также десятичных кратных и дольных этих единиц допускается применять некоторые единицы, не входящие в СИ, их сочетания с единицами СИ, а также некоторые нашедшие широкое применение на практике десятичные кратные и дольные перечисленных единиц.

Стандарт определяет правила образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ с помощью множителей (от 10 –24 до 10 24) и приставок, правила написания обозначений единиц, правили образования когерентных производных единиц СИ

Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ приведены в табл.

Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ

Когерентные производные единицы Международной системы единиц, как правило, образуют с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых числовые коэффициенты равны 1. Для образования производных единиц обозначения величин в уравнениях связи заменяют обозначениями единиц СИ.

Если уравнение связи содержит числовой коэффициент, отличный от 1, то для образования когерентной производной единицы СИ в правую часть подставляют обозначения величин со значениями в единицах СИ, дающими после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное 1.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Значение физической величины = Число * Единица величины.

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

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

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

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

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

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

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

Вопросы

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

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.