6 Основные понятия о физических величинах. Измерение. Размер. Классификация физических величин и единиц. Международная система единиц (си)

Физическая величина - это одно из свойств физического объекта, явления, процесса, общих качественных отношений для многих, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Измерение - это совокупность операций выполняемых с помощью технических средств хранящего единицу величины, позволяющую сопоставить измеряемую величину с её единицей и получить искомое значение величины и это называется - результатом измерения.

Единство измерений - состояние измерений при котором их результаты выражены в законных единицах, а погрешности известны заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

Первым условием обеспечения единства измерений является представление результатов измерений в законных единицах, которые были бы одними и теми же всюду где проводятся измерения и используются их значения.

Необходимо выполнить их так, чтобы сопровождающие измерения погрешности были бы известны и не выходили с заданной вероятностью за установленные пределы.

Размер физической величины это количественная определённость физической величины присущая конкретному объекту, изменению, процессу.

X=q[x], основное уравнение измерения. q-числовое значение x

U=q [U] =220[1B] =220 B

Физическая величина это свойство общее в качественном отношении для множества объектов, но индивидуальные в количественном отношении для каждого из них.

Отражение качественного различия измерительных величин, является их размерность. Согласно ИСО размерность обозначается dim. Качественная сторона определяет её род. Размер физической величины это количественная определённость физической величины присущая конкретному предмету, явлению, процессу. Размерность физической величины выражается в форме степенного одночлена выражающего связь данной величины с основными физическими величинами, коэффициент пропорциональности принят равный единице.

dimQ=L^α*M^β*T^γ, где L,M,T-условные обозначения основной физической величины данной системы.

α, β, γ - Целые или дробные, положительные или отрицательные вещественные числа..

В зависимости от степени приближения к данному значению различают истинные, действительные и измеренное значение физической величины.

Истинное значение физической величины, это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Действительное значение физической величины – это значение найденное экспертным путём и на столько приближённое к истинному что для данной цели может быть использовано вместо него.

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

Выявляя общие метрологические особенности отдельных групп физических величин, их классифицируют по следующим признакам (рисунок 6.1):

1) по видам явлений (I группа): на вещественные, энергетические и характеризующие протекание процессов во времени;

2) по принадлежности к различным группам физических процессов (II группа): на пространственно-временные, механические, тепло-вые, электрические, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики;

3) по степени условной независимости от других величин (III группа): на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные;

4) по наличию (размерности) физических величин (IV группа): на имеющие размерность (размерные) и безразмерные..

Физические величины

По видам явлений		По принадлежности к различным группам физических процессов		По степени условной независмости от других величин		По наличию размерности физических величин
1. Вещественные (пассивные)		1. Пространственно-временные		1. Основные		1. Размерные
				2. Производные		2. Безразмерные
2. Энергетические (активные)		2. Механические		3. Дополнительные
		3. Тепловые
3. Характеризующие процессы		4. Электрические и магнитные
		5. Акустические
		6. Световые
		7. Ионизирующих излучений
		8. Физико-химические
		9. Атомной и ядерной физики

Рисунок 6.1 - Классификация физических величин

Как известно, существуют основные и производные физические величины. В качестве основных выбирают величины, которые харак-теризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника – на четырех, вся физика – на семи: длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Основная физическая величина (base quantity) – физическая вели-чина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве не-зависимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина (derived quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основ-ные величины этой системы.

Применяемая в настоящий момент Международная система единиц СИ (Systeme International d Unitas - SI) утверждена в 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417- 2000 ГСИ. Единицы величин. По этой системе предусмотрено семь основных единиц и две дополнительные (табл.1).

- L  длина. Единица измерения – метр - длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды;

- M  масса. Единица измерения – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма;

- T – время. Единица измерения – секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений со стороны внешних полей;

- I – сила электрического тока. Единица измерения – ампер – сила, неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 m один от другого, создает на каждом участке проводника длиной 1 m силу взаимодействия равную 210^-7 Н;

-  – термодинамическая температура. Единица измерения – кельвин (градус Кельвина до 1967 г.) – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды;

- N – количество вещества. Единица измерения – моль – количество вещества системы, содержащее столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде  12 массой 0,012 кг (при применении понятия моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами и другими частицами);

- J – сила света. Единица измерения – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 54010¹² Hz, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 W/sr (Вт/ср²).

Таблица 6.2 - Основные и дополнительные единицы системы SI

Величина			Единица
Наименование	Размер-ность	Наимено-вание		Обозначение
				русское	международное
Основные
Длина	L	метр		м	m
Масса	М	кило-грамм		кг	kg
Время	Т	секунда		с	s
Сила электрического тока	I	ампер		А	F
Термодинамическая температура		кельвин		К	R
Количество вещества	N	моль		моль	mol
Сила света	J	кандела		кд	cd
Дополнительные
Плоский угол	-	радиан		рад	rad
Телесный угол	-	стерадиан		ср	cr

Сложность приведенных формулировок отражает развитие современной науки, позволяющей представить основные единицы, с одной стороны, как достоверные и точные, а с другой, как объяснимые и понятные для всех стран мира. Именно это и делает рассматриваемую систему подлинно международной.

В системе СИ в 1960 г. введены две дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов – радиан и стерадиан, соответственно.

Плоский угол. Единица измерения – радиан – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Телесный угол. Единица измерения – стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Все остальные физические величины могут быть получены как производные основных. Например единица измерения силы – ньютон – это производная единица, образованная основными единицами – килограммом, метром и секундой. Используя второй закон Ньютона: ( ), находим размерность единицы измерения силы:

.

Производные единицы системы СИ, имеющие специальные наименования, также могут быть использованы для образования других производных единиц. Например паскаль – эта производная единица образована производными единицами – ньютоном и метром квадратным.

Единицы, не входящие в принятую систему носят название внесистемных и делятся на четыре вида:

- допускаемые наравне с единицами СИ (тонна, минута, градус, секунда, литр и т.д.);

- допускаемые к применению в специальных областях (в астрономии – парсек, световой год; в оптике – диоптрия; в физике – электрон-вольт и т.д.);

- временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ (миля, карат и т. д.), но подлежащие изъятию из обращения;

- изъятые из употребления (миллиметр ртутного столба, лошадиная сила и т.д.).

Применение первой группы внесистемных единиц допускается в силу их удобства и распространенности в конкретных жизненных ситуациях (прошедшие проверку временем), например: тонна, атомная единица массы, час, градус и д.р. Вторую и третью группы составляют специфичные, традиционные для конкретной области своего применения, единицы.