4 Физические величины и их шкалы

Объектом измерения являются физические величины. Физическая величина это свойство общее в качественном отношении многим физическим системам, но в количественном отношении индивидуальное для каждой из них.

Количественное содержание в измеряемом объекте некоторого свойства характеризуется размером физической величины, соответствующей данному свойству. Размер величины представляет собой оценку ее в виде некоторого числа единиц измерения. Следовательно, для определения значения физической величины необходимо условиться об единицах. Процесс выбора единиц измерения является историческим и связан с развитием материальной культуры. В настоящее время единицы измерения регламентируются международными соглашениями. Выбор единицы измерения зависит от принятой шкалы измерений.

4.1 Понятие шкалы реперов измеряемой величины

Шкала измерения – это упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая основой для ее измерения. На шкале значения измеряемой величины расставлены в последовательный ряд по признаку «больше - меньше». Необходимым условием использования шкалы является фиксация некоторых значений последовательного ряда величин в качестве опорных (реперных) точек. Например, при измерении температуры по шкале Цельсия в качестве реперных точек взяты температура плавления льда и температура кипения воды на уровне моря. Интервал между реперными точками условно разбит на 100 частей и одна часть взята за единицу измерения температуры – градус Цельсия.

В температурной шкале Фаренгейта в качестве реперных точек взята температура таяния смеси льда и поваренной соли и нормальная температура здорового человека. Этот межреперный диапазон разбит на девяносто шесть частей (градусов). По этой шкале температура таяния льда равна +32⁰F, а температура кипения воды +212⁰F.

В практике измерений используют несколько типов шкал: шкалы наименований, шкалы порядка, шкалы интервалов и шкалы отношений.

Шкала наименований не содержит количественных (численных) реперов и единиц измерения. Она представляет собой качественный сравнительный ряд, где измеряемой свойство оценивается по отношению к условным образцам данного свойства. Примером может быть шкала (атлас) цветов. Результат измерения определяется экспертной оценкой оператора и в известной степени субъективен.

Шкала порядка предполагает оценку измеряемой величины в условных баллах. В качестве примера можно привести шкалу Бофорта для измерения силы ветра [0 баллов – штиль, скорость ветра (0,9-2,4 м/с); 12 баллов – ураган, скорость ветра (35-40) м/с] или минералогическую шкалу твердости горных пород [0 баллов – мягче талька, 10 баллов – тверже алмаза]. Количество информации, получаемой в результате измерения по шкале Бофорта, равно I = log₂13 = 3,7 бит, а при измерении по шкале твердости I = log₂11 = 3,5 бит. Здесь 13 и 11 – число интервалов соответствующей шкалы.

Таким образом, вышеописанные шкалы не предполагают наличие постоянной единицы измерения. Такие шкалы называют иногда натуральными шкалами. Измерение по натуральным шкалам имеет оценочный характер.

Шкала интервалов (разностей) имеет условные нулевые значения, а интервалы (единицы) устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкала времени и шкала длины. При измерении времени и длины при каждом конкретном измерении начало отсчета выбирается свое.

Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерения устанавливается по согласованию. Сюда относится большинство шкал для измерения технических, в том числе электрических, величин. Примером такой шкалы может являться шкала массы: она всегда начинается с нулевого значения массы, а цена деления может быть различной в зависимости от требуемой точности взвешивания (мг, г, кг и т.д.).