Физические единицы и их измерение

 

 

Физические  единицы и их измерение

СОДЕРЖАНИЕ:

 

Введение ………………………………………………………………………………………………………………………………. 3

1. Физические величины ………………………………………………………………………………………… 5
2. Понятие о системе физических величин ……………………………………………………… 7
3. Шкалы величин ………………………………………………………….……………………………………….. 11
4. Случайная погрешность …………………………………………………………………………………... 14
5. Основные понятия об эталонах ……………..……………………………………………………… 20
6. Эталоны основных единиц СИ ………………………………………………………..…………….. 22

Заключение ……………………………………………………………………………………………………………………….. 30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ.

 

Метрология – это наука, об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Наука и промышленность не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся многие миллиарды измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения качества и технического уровня выпускаемой продукции, обеспечения безопасной и безаварийной работы транспорта, для медицинских и экологических диагнозов и других важных целей. Практически нет ни одной сферы деятельности, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Для их получения задействованы многие миллионы человек и большие финансовые средства.

Диапазон измеряемых величин и их количество непрерывно растет, что вызывает адекватное возрастание сложности измерений. Измерения, по сути, перестают быть одноактными действиями и превращаются в сложную процедуру подготовки и проведения измерительного эксперимента, обработки и интерпретации полученной информации. Поэтому следует говорить об измерительных технологиях, понимаемых как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации требуемого качества.

Другой причиной важности измерений является их значимость. Основа любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля и регулирования – достоверная исходная информация, которая может быть получена лишь путем измерения требуемых физических величин, параметров и показателей. Современная наука и техника позволяют выполнять многочисленные и точные измерения, однако затраты на них становятся соизмеримыми с затратами на исполнительные операции.

Важной задачей  метрологии является создание эталонов физических величин, привязанных к  физическим константам и имеющих диапазоны, необходимые для современной науки и техники. Стоимость поддержания мировой системы эталонов весьма велика.

Индивидуальность  в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может  быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены. Мы оперируем такими физическими величинами как длина, время, температура, сила, давление, скорость и т.д. Все они определяют общие в качественном отношении физические свойства, количественные же характеристики их могут быть совершенно различными. Получение сведений о количественных отношениях величин и является задачей измерений.

С древних времен люди пользовались различными единицами  для количественного оценивания расстояния, массы тел, продолжительности  дня и т.д.

Самые древние  из единиц относятся к антропометрическим, т.е. те, которые отождествлялись  с названиями частей человеческого тела.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Физические величины.

Технологическая деятельность человека связана с  измерением различных физических величин.

Физическая  величина – это характеристика одного из свойств физического объекта (явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Значение  физической величины – это оценка ее величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по принятой для нее шкале. Например, 120 мм – значение линейной величины; 75 кг – значение массы тела, НВ 190 – число твердости по Бринеллю.

Измерением  физической величины называют совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, заключающихся в сравнении (в явном или в неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

В теории измерений  принято, в основном, пять типов шкал: наименования, порядка, интервалов, отношений и абсолютная.

Практическая  реализация шкал конкретных свойств  достигается путем стандартизации единиц измерений, шкал и (или) способов и условий их однозначного воспроизведения. Понятие неизменной для любых точек шкалы единиц измерений имеет смысл только для шкал отношений и интервалов (разностей). В шкалах порядка можно говорить только о числах, приписанных конкретным проявлениям свойства. Говорить о том, что такие числа отличаются в такое-то число раз или на столько-то процентов, нельзя. Для шкал отношений и разностей иногда не достаточно установить только единицу измерений. Так, даже для таких величин, как время, температура, сила света (и другие световые величины), которым в Международной системе единиц (SI) соответствуют основные единицы – секунда, Кельвин и кандела, практические системы измерений опираются так же на специальные шкалы. Кроме того, сами единицы SI в ряде случает базируются на фундаментальных физических константах.

В этой связи можно выделить три вида физических величин, измерение которых осуществляется по различным правилам.

К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношение типа «мягче», «тверже», «теплее», «холоднее».

К величинам  такого рода относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновения  в него другого тела; температура  как степень нагретости тела и  т.п.

Существование таких отношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие либо объекты.

Для второго  вида физических величин отношение  порядка и эквивалентности имеет место как между размерами, так и между разностями в парах их размеров. Так, разности интервалов времени считаются равными, если расстояние между соответствующими отметками равны.

Третий вид  составляют аддитивные физические величины.

Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания. К таким величинам относятся длина, масса, сила тока. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер. Например, сумма масс двух тел – это масса такого тела, которое уравновешивает на равноплечих весах первые два.

 

2. Понятие о системе физических величин.

Множество физических величин представляет собой некоторую  систему, в которой отдельные  величины связаны между собой  системой уравнений.

Система физических величин – это совокупность взаимосвязанных физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются функциями независимых величин. Система физических величин содержит основные физические величины, условно принятые в качестве независимых от других величин этой системы, и производные физические величины, определяемые через основные величины этой системы.

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

Производная единица системы единиц – единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами.

Производная единица называется когерентной, если в этом уравнении числовой коэффициент принят равным единице. Соответственно, система единиц, состоящая из основных единиц и когерентных производных, называется когерентной системой единиц физических величин.

Для каждой физической величины должна быть установлена единица  измерения.

Единица физической величины – физическая величин фиксированного размера, которой условно присвоено значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.

Кроме основных и производных физических величин  различают кратные, дольные, когерентные, системные и несистемные единицы.

Число независимых  установленных величин равно  разности числа величин, входящих в  систему, и числа независимых  уравнений связи между величинами.

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

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

Размерности широко используют при образовании производных  единиц и проверки однородности уравнений. Если все показатели степени размерности равны нулю, то такая физическая величина называется безразмерной. Все относительные величины (отношения одноименных величин) являются безразмерными.

Систему единиц как совокупности основных и производных единиц впервые в 1832г. предложил немецкий ученый К. Гаусс. Он построил систему единиц, где за основу принял единицы длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда), и назвал ее абсолютной системой.

Многообразие  единиц измерения физических величин и систем единиц осложняло их применение. Одни и те же уравнения между величинами имели различные коэффициенты пропорциональности. Свойства материалов, процессов выражались различными числовыми значениями. Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разработке единой Международной системы единиц. Комиссия разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Принятая система была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ.

Учитывая необходимость  охвата Международной системой единиц всех областей науки  и техники, в  ней в качестве основных выбрать  семь единиц. В механике такими являются единицы длины, массы и времени, в электричестве добавляется единица силы электрического тока, в теплоте – единица термодинамической температуры, в оптике – единица силы света, в молекулярной физике, термодинамике и химии – единица количества вещества. Эти семь единиц соответственно: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела и моль – и выбраны в качестве основных единиц СИ.

Единица длины (метр) – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/ 299792458 долю секунды.

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

Единица времени (секунда) – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единица силы электрического тока (ампер) – сила неизменяющего тока, который, проходя по двум нормальным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2*10^-7 Н на каждый метр длины.

Единица термодинамической температуры (Кельвин) – 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается использовать также шкалу Цельсия.

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

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

Международная система единиц содержит также две  дополнительные единицы: для плоского угла – радиан и для телесного  угла – стерадиан.

Радиан (рад0 – единица плоского угла, равная углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу. В градусном исчислении 1 рад = 57⁰17’44, 8”.

Стерадиан (ср) – единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

В международной  системе единиц, как и в других системах единиц физических единиц, важную роль играет размерность.

Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение зависимости производных величин (или единиц) от основных. Размерность служит качественной характеристикой величины и выражается произведением степеней основных величин, через которые может быть определена.

 

3. Шкалы величин. Шкала наименований (шкала классификаций).

Исторически измерения  возникли как процесс количественного  сравнения оцениваемого свойства предмета с установленной мерой данного свойства. Это было естественно, так как количество оцениваемых свойств было невелико, а основные, наиболее практически востребованные из них (длина, масса, объем) допускали изготовление довольно простых, наглядных и практически удобных мер (в России: мера длины – фут, аршин, сажень; мера массы – золотник, фунт, пуд; мера объема – бутылка, ведро, бочка). Однако уже в то время были в ходу меры, не имевшие материального выражения (меры площади, меры длины большого размера – верста).