Физические величины и единицы их измерения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

 высшего профессионального  образования

«Чувашский государственный университет имени И.Н.Ульянова»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

по метрологии, стандартизации и сертификации на тему:

«Физические величины и единицы их измерения»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Выполнил:

               

               Проверил:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары

2010

 

Оглавление

 

Оглавление

 

Введение

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

Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Все отрасли техники не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукций. Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Измеряемыми величинами, с которыми имеет дело метрология, являются физические величины, т. е. величины, входящие в уравнения опытных наук (физика, химия и др.), занимающихся познанием мира эмпирическим (т. е. опытным) путем. Метрология проникает во все науки и дисциплины, имеющие дело с измерениями, и является для них единой наукой.

 

Физическая величина

Физическая величина – характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношений для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта (т. е. значение физической величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого). Например: длина, время, сила электрического тока [1].

Следует понимать, что термин «величина» применим в отношении тех свойств, которые можно оценить количественно. Вместе с тем термин «физическая величина» шире, чем термин «измеряемая величина». В настоящее время под измеряемой величиной понимается параметр или функционал параметра модели объекта измерений, отражающий то его свойство, количественную оценку которого необходимо получить в результате измерения. Измеряемая величина всегда имеет размерность определенной физической величины, но представляет собой некоторую ее конкретизацию, обусловленную поставленной целью измерения [2].

 

Термины и определения

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.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи.

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

Значение физической величины – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Числовое значение физической величины – отвлеченное число, входящее в значение величины.

Истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.

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

Физический параметр – физическая величина, рассматриваемая при измерении данной физической величины как вспомогательная.

Влияющая физическая величина – физическая величина, оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.

Система физических величин – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.

** В названии системы величин применяют символы величин, принятых за основные. Так система величин механики, в которой в качестве основных приняты длина L, масса M и время T, должна называться системой LMT. Система основных величин, соответствующая Международной системе единиц (СИ), должна обозначаться символами LMTIΘNJ, обозначающими соответственно символы основных величин – длины L, массы M, времени T, силы электрического тока I, температуры Θ, количества вещества N и силы света J.

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

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

** Примеры производных величин механики системы LMT: скорость v поступательного движения, определяемая (по модулю) уравнением v = dl / dt , где l – путь, t – время; сила F, приложенная к материальной точке, определяемая (по модулю) уравнением F = ma , где m – масса точки, a – ускорение, вызванное действием силы F.

Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1.

** Степени символов основных величин, входящих в одночлен, в зависимости от связи рассматриваемой физической величины с основными, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными. Понятие размерность распространяется и на основные величины. Размерность основной величины в отношении самой себя равна единице, то есть формула размерности основной величины совпадает с ее символом.

В соответствии с международным стандартом ИСО 31/0, размерность величин следует обозначать знаком dim. В системе величин LMT размерность величины Х будет: dim X = LlM mT t , где L, M, T – символы величин, принятых за основные (соответственно длины, массы, времени).

Показатель размерности физической величины – показатель степени, в которую возведена размерность основной физической величины, входящая в размерность производной физической величины.

** Показатели степени l, m, t называют показателями размерности производной физической величины Х. Показатель размерности основной физической величины в отношении самой себя равен единице.

Размерная физическая величина – физическая величина, в размерности которой хотя бы одна из основных физических величин возведена в степень, не равную нулю.

** Сила F в системе LMTIΘNJ является размерной величиной.

Безразмерная физическая величина – физическая величина, в размерность которой основные физические величины входят в степени, равной нулю.

** Безразмерная величина в одной системе величин может быть размерной в другой системе. Например, электрическая постоянная ε0 в электростатической системе являетс безразмерной величиной, а в системе величин СИ имеет размерность dimε0 = L-3 M -1T4 I2 .

Уравнение связи между величинами – уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в котором под буквенными символами понимают физические величины.

** Уравнение v = l / t отражает существующую зависимость скорости v от пути l и времени t.

Уравнение связи между величинами в конкретной измерительной задаче часто называют уравнением измерений.

Род физической величины – качественная определенность физической величины.

** Длина и диаметр детали – однородные величины. Длина и масса детали–

неоднородные величины.

Аддитивная физическая величина – физическая величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга.

** К аддитивным величинам относятся длина, масса, сила, давление, время, скорость и др.

Неаддитивная физическая величина – физическая величина, для которой суммирование, умножение на числовой коэффициент или деление друг на друга ее значений не имеет физического смысла.

** Термодинамическая температура [6].

 

Классификация физических величин с учетом различных признаков

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 [5]:

• вещественные, то есть 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 вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;

• энергетические, то есть величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использовании энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналыизмерительной 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 на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины делятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные.

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

По наличию размерности физические величины делятся на размерные, то есть имеющие размерность, и безразмерные.

Уравнение Q = q[Q] называют основным уравнением измерений. 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].

 

Единица физической величины

Единица физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемое для количественного выражения однородных физических величин. Например: 1 м – единица длины, 1 с – времени, 1А – силы электрического тока.

 

Термины и определения

Размер единицы физической величины – количественная определенность единицы физической величины, воспроизводимой или хранимой средством измерений. Размер основных единиц СИ устанавливается определением этих единиц Генеральными конференциями по мерам и весам (ГКМВ). Так, в соответствии с решением XIII ГКМВ, единица термодинамической температуры, кельвин, установлена равной 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Воспроизведение единиц осуществляется национальными метрологическими лабораториями при помощи национальных эталонов. Отличие размера единицы, воспроизводимой национальным эталоном от размера единицы по определению ГКМВ устанавливается при международных сличениях эталонов.

Размер единицы, хранимой образцовым (ОСИ) или рабочим (РСИ) средствами измерений, может быть установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть несколько ступеней сравнения (через вторичные эталоны и ОСИ).

Основная единица физической величины – единица основной физической величины в данной системе единиц.

** Основные единицы Международной системы единиц (СИ): метр (м),

килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль) и кандела (кд).

Дополнительная единица системы физических величин

** Термин «дополнительная единица» был введен в 1960 г.

Дополнительными единицами являлись «радиан» и «стерадиан». В 1995 г. XIX Генеральной конвенцией по мерам и весам (ГКМВ) класс дополнительных единиц исключен.

Производная единица системы единиц физических величин –единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными.

** 1 м/с – единица скорости, образованная из основных единиц СИ – метра