85

Основи метрології

Вступ. Поняття про метрологію та її завдання. Фізичні величини, їх місце в науці та техніці. Основні характеристики фізичних величин

Метрологією (грец. metron – міра і logos – поняття, вчення) називають науку про вимірювання фізичних величин і про способи забезпечення єдиності і необхідної точності цих вимірювань.

До основних розділів метрології належить загальна теорія вимірювань фізичних величин, одиниці фізичних величин та їх системи, методи і засоби вимірювань, метрологічне забезпечення, суттєву частину якого становлять еталони і зразкові засоби вимірювань, а також методи передачі розмірів одиниць робочим засобам вимірювань.

Метрологію поділяють на теоретичну і законодавчу.

Основними питаннями теоретичної метрології є розвиток загальної теорії вимірювань фізичних величин, розробка теоретичних питань побудови систем фізичних величин та їх одиниць, теоретичне обґрунтування створення та використання еталонів одиниць, розробка оптимальних засобів і способів передачі розмірів одиниць в практику вимірювань, вдосконалення методів обробки результатів фізичних експериментів.

Законодавча метрологія розробляє положення і правила метрологічного забезпечення, які вимагають регламентації з боку уряду та державних структур.

Основним поняттям у фізиці є поняття величини. Величини є складовими частинами змісту багатьох наук: математики, фізики, астрономії, біології тощо. Без величин вивчення природи обмежувалося б лише спостереженнями і залишалося б на описовому рівні.

Величини не існують самі по собі як деякі субстанції, відірвані від матеріальних об’єктів і їх властивостей. З іншого боку величини в деякій мірі ідеалізують властивості об’єктів і явищ. Тому величини – це не сама реальність, а її відображення.

Г. С. Лансберг у передмові до першого тому “Елементарного підручника фізики” писав, що будь-яка властивість, яка вводиться у фізиці, дістає конкретний зміст тільки тоді, коли з нею пов’язується прийом спостереження й вимірювання, без якого ця властивість не може застосовуватися в дослідженні реальних фізичних явищ.

Отже, вимірювання роблять властивості фізичних об’єктів такими, що до них можна застосувати кількісні методи. Властивості стають величинами. Що ж таке фізична величина?

Фізична величина – це властивість, спільна в якісному відношенні для багатьох фізичних об’єктів ( фізичних систем, їхніх станів та процесів, що в них відбуваються ), але в кількісному відношенні – індивідуальна для кожного об’єкта.

Фізичними величинами є, наприклад, маса, енергія, температура, електричний заряд, густина, і інші. Наприклад, всі фізичні тіла, всі частини речовини, кванти електромагнітного поля мають масу, В якісному відношенні маси всіх фізичних об’єктів однакові, вони характеризують інертні і гравітаційні властивості цих об’єктів. Але в кількісному відношенні маса кожного об’єкта – властивість індивідуальна, різна. Наприклад, маса протона наближено в 1836 разів більша маси електрона.

Термін “величина” застосовується до властивостей або їхніх характеристик, які можна оцінювати кількісно, тобто вимірювати. Є багато властивостей, які ми ще не вміємо оцінювати кількісно, наприклад колір, запах, смак. Поки ми їх не вміємо вимірювати, не називаємо їх величинами, а називаємо властивостями.

Дати означення фізичної величини – це означає встановити:

а) яку реальну властивість фізичного об’єкта повинна характеризувати величина, що вводиться

б) з якими раніше введеними величинами вона пов’язана і яка формула виражає цей зв’язок

в) як виміряти величину.

Відповідно, розкриваючи поняття тієї або іншої фізичної величини, треба показати:

1. властивість фізичного об’єкта

2. спільність цієї властивості для багатьох фізичних об’єктів

3. важливість даної властивості для дослідження фізичних об’єктів

4. можливість порівняння властивостей, тобто вказати, як можна встановити, де ця властивість більша, а де - менша

5. такий метод визначення: на скільки властивість одного об’єкта більша чи менша від такої самої властивості іншого об’єкта. Для цього вказується одиниця вимірювання

6. основні методи вимірювання фізичної величини

7. засоби вимірювання даної фізичної величини.

В навчальній і методичній літературі з фізики можна зустріти різні визначення поняття величини. В більшості з них відмічають два моменти:

1. фізична величина є деяка характеристика тіла, явища чи процесу;

2. фізична величина може бути виміряна.

У фізиці велике значення надасться розкриттю фізичної суті тієї чи іншої фізичної величини. Наприклад, маса характеризує інертні і гравітаційні властивості матерії. В цьому її фізична суть. Для його розуміння потрібно знати, чим пояснюється властивість інертності і гравітації. Це справедливо і для інших величин. Тому введенню тієї чи іншої величини передує вивчення тих властивостей об’єктів, які ці величини відображають. В багатьох випадках розкрити фізичний зміст величин допомагає досвід, експеримент.

Всі фізичні величини можна розділити на два великих класи: постійні і змінні фізичні величини. В свою чергу постійні фізичні величини діляться на декілька груп і можуть бути розмірні чи безрозмірні.

До першої групи належать постійні фізичні величини, які входять у фундаментальні фізичні закони або є характеристиками елементарних частинок і процесів мікросвіту. Вони називаються фундаментальними константами. До них належать: гравітаційна стала G, швидкість світла у вакуумі c, постійна Планка h, елементарний електричний заряд e, маса електрона m і інші.

До другої групи належать постійні фізичні величини, які мають зміст констант фізичних теорій ( наприклад, постійна Авогадро N_А, постійна Больцмана k, постійна Фарадея F і інші).

До третьої групи відносяться специфічні постійні величини, що характеризують певні властивості явищ, фізичних систем або окремих речовин, але які мають в теоріях власний характер ( наприклад, червона межа фотоефекту, критична температура, температура потрійної точки води або іншої речовини, межа міцності і ін.)

І до четвертої групи відносять різні коефіцієнти, які мають розміри і безрозмірні ( коефіцієнт тертя, коефіцієнт лінійного розширення, температурний коефіцієнт, коефіцієнт опору і ін.)

Фізичні величини розрізняють за родом, розміром, розмірністю, їм установлюють найменування, літерні позначення. Залежно від області фізичних явищ фізичні величини об’єднують у системи, в яких кожна із них займає цілком певне місце. Деякі з фізичних величин вибирають за основні, інші називають похідними. Все це регламентується державними стандартами та іншими нормативними документами державної системи забезпечення єдиності вимірювань.

Родом фізичної величини називають її якісну означеність.

За родом розрізняють однорідні та неоднорідні величини. Однорідні величини відображають одну і ту ж властивість об’єкта. Вони відрізняються тільки числовими значеннями. Неоднорідні величини відображають різні властивості об’єктів. Однойменні величини мають однакову розмірність, а різнойменні – різну. Однорідні величини, як правило, позначаються однаковими літерами. Хоча с- швидкість світла. Неоднорідні величини позначаються різними літерами (в межах однієї теми). У фізиці розрізняють також однойменні і різнойменні величини.

Всі однорідні величини є одночасно і однойменними. Неоднорідні величини можуть бути однойменними і різнойменними.

Розміром фізичної величини називається кількісний вміст у даному матеріальному об’єкті властивості, що відповідає поняттю “фізична величина”. Слід зауважити, що не правильно використовують термін “величина” як кількісну характеристику даної властивості. Наприклад, вживаючи термін “величина маси”, “величина напруги”, ми стикаємося із звичайною тавтологією, оскільки і маса, і напруга самі по собі є величинами. Потрібно казати “значення напруги”. Розмір величини не залежить від вибраної одиниці. Числове значення фізичної величини визначається вибором одиниці вимірювання.

Системою фізичних величин називається сукупність величин, пов’язаних між собою певними залежностями. В такій системі кілька величин вибираються як незалежні, їх називають основними. Фізична величина, яка входить у систему величин і визначається через її основні величини називається похідною.

Розмірністю фізичної величини називається вираз, який в умовних позначеннях відображає її зв’язок з основними величинами системи.

Розмірність похідної величини х у системі, розмірність основних величин якої А₁, А₂,…, А_n у загальному вигляді виражається так: .

Наприклад, . Фізичні величини можуть бути розмірними і безрозмірними. Безрозмірною називається величина, у виразі розмірності якої всі показники степенів рівні нулю.

При встановленні основних одиниць дуже важливою є можливість забезпечення сталості одиниці, її перевірки, відтворення, а у випадку втрати – відновлення. Тому виникло прагнення пов’язувати одиниці з величинами, які зустрічаються у природі.