888

Истинное значение физической величины (истинное значение величины, истинное значение) представляет собой значение физической величины, которое идеальным образом характеризовало бы в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.

Истинное значение физической величины может быть получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений. Для каждого уровня развития измерительной техники можно знать только действительное значение физической величины, которое применяется вместо истинного значения физической величины. Понятие истинного значения физической величины необходимо как теоретическая основа развития теории измерений.

В результате измерений получают значение физической величины, близкое к истинному значению, которое называют

действительным значением физической величины. Его определяют как значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. За действительное значение физической величины обычно принимают среднее арифметическое значение из ряда значений величины, полученных при равноточных измерениях, или арифметическое среднее взвешенное при неравноточных измерениях.

Физические величины могут быть постоянными и переменными во времени. При измерении постоянной во времени величины достаточно определить одно ее мгновенное значение. Переменные во времени величины могут иметь квазидетерминированный случайный характер измерения.

Квазидетерминированная физическая величина – величина, для которой известен вид зависимости от времени, но неизвестен измеряемыйпараметр этой зависимости.

Случайная физическая величина – величина, размер которой изменяется во времени случайным образом.

Физические величины делятся на активные и пассивные. Активные величины, например, механическая сила, ЭДС источника электрического тока, способны без вспомогательных источников энергии создавать сигнал измерительной информации. Пассивные величины, например, масса, электрическое сопротивление, индуктивность, сами не могут создавать сигналы измерительной информации. Для этого их нужно активизировать с помощью вспомогательных источников энергии,

например, при измерении сопротивления резистора через него должен протекать ток. В зависимости от объектов исследования говорят об электрических, магнитных или неэлектрических величинах.

Физический параметр (параметр) – физическая величина,

рассматриваемая при измерении данной физической величины как вспомогательная. Например, при измерении напряжения переменного тока, амплитуду и частоту рассматривают как параметры напряжения. Иногда

термин «физический параметр» понимают во множественном числе: «параметр электрических цепей». В этом случае обычно понимают наиболее существенные физические величины, которые характеризуют электрические цепипеременноготока.

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

Род физической величины – качественная определенность физической величины. Например, длина и диаметр являются величинами одного рода, или однородными, а длина и масса одной и той же детали – разнородными величинами.

Переменная величина – физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения. В этом случае как антоним выступает постоянная величина, под которой понимают физическую величину, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать неизменяющимся.

Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, заключающихся в сравнении размера измеряемой величины с её единицей с целью получения значения физической величины в форме, наиболее удобной для использования.

Единица измерения физической величины (единица физической величины, единица измерения, единица величины, единица) – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Числовое значение – это отвлеченное число, равное отношению измеряемой величины к единице ее измерения.

Единицу измерения физической величины можно получить тремя способами:

1. Выбрать произвольно, независимо. Такая единица называется

независимой единицей измерения (метр, килограмм, градус).

2.Найти при помощи формул, выражающих количественную зависимость между физическими величинами. Такие единицы называются производными единицами измерения (единица скорости – метр в секунду, единица давления – паскаль на квадратный метр).

3.Путем умножения или деления независимой или производной единицы измерения на целое число 10n, где n – 1, 2, 3… Единицы, в целое число раз больше основных или производных

единиц, называют кратными (например, килограмм, мегагерц). Единицы, в целое число раз меньше основной или производной

единицы, называются дольными (например, миллиметр, наносекунда). Условия, соблюдение которых является обязательным при выполнении измерений, определяются исходя из метрологической практики. Измерения возможны при условии установления качественной определенности свойства, позволяющей отличить его от других свойств (т.е. при выполнении физической величины среди других), определения единицы для измерения величины, наличия возможности материализации (воспроизведения или хранения) единицы и сохранения неизменным её размера (в пределах установленной точности) в течение срока проведения измерений. Если нарушается

хотя бы одно из этих условий, измерения невыполнимы. Измерения классифицируют:

–по характеристике точности: равноточные и неравноточные;

–по числу измерений в серии: однократные и многократные;

–по отношению к измерению измеряемой величины: статические и динамические;

–по метрологическому назначению: техническиеи метрологические;

–по выражению результатаизмерений:абсолютныеи относительные;

–по общим приемам получения результатов измерений: прямые,

косвенные, совместимые, совокупные.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерения в одних и тех же условиях.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз.

Многократное измерение – измерение одной и той же физической величины, результат которого получают из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. измерение, состоящее из ряда однократных измерений.

Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемое в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

Динамическое измерение – измерение физической величины, размер которой изменяется с течением времени.

Технические измерения – измерения при помощи рабочих средств измерений.

Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин при передаче их размера рабочим средствам измерений.

Абсолютное измерение – измерение, приводящее к значению измеряемой величины, выраженному в её единицах.

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерения величины по принимаемой за исходную.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины получают непосредственно.

Косвенное измерение – измерение, при котором значение физической величины получают на основании результатов прямых измерений других физических величин.

Совокупные измерения – измерения нескольких однородных величин в различных их сочетаниях, значения которых определяют путем решения системы уравнений.

Совместные измерения – одновременное измерение двух или нескольких однородных величин для установления зависимости между ними.

2.2. Системы единиц физических величин

Первоначально единицы измерения выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом. Это создавало большие неудобства и трудности. Развитие метрической системы мер в различных отраслях науки и техники происходило разобщенно и привело к появлению многих систем единиц физических величин и большого количества

внесистемных единиц. Появилось большое число произвольных единиц для одной и той же величины, что затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями.

2.2.1. Система Гаусса

Первой системой единиц физических величин считается метрическая система мер, принятая Национальным собранием Франции в 1791 г. Эта система включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимости и веса, в основу которых были положены две

единицы: метр и килограмм. В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику повторения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц магнитных величин, получившую название абсолютной системы единиц. За основу были приняты три основные единицы – длины, массы, времени (миллиметр, миллиграмм, секунда).

Позже метрическая система мер усовершенствовалась, менялись основные единицы, вводились и отвергались другие системы единиц физических величин, построенные по методике, предложенной Гауссом, и базирующиеся на метрической системе мер, но отличающиеся друг от друга основными единицами. Приведем некоторые их них.

2.2.2.Система СГС

Вшестидесятых годах XIX столетия по предложению В. Томсона Комитет по электрическим эталонам Британской ассоциации для развития наук, в состав которого кроме Томсона входили Максвелл, Джоуль, Сименс и др., разработал систему СГС с основными единицами: сантиметр, грамм, секунда. В 1881 г. система СГС получила признание на I Международном конгрессе электриков и оказалась удобной для физических исследований. Конгресс установил систему СГС по принципам, предложенным Гауссом, и ввел название для двух важнейших производных единиц: дина – для единицы силы и эрг – для единицы работы. Для измерения мощности

всистеме СГС применяется эрг в секунду, для измерения кинематической вязкости – стокс, динамической – пуаз.

Давление в системе СГС измеряют в динах на квадратный

сантиметр. Эта единица в прошлом называлась бар, однако в связи с преобразованием в бар единицы давления, равной 105 Н/м2, для единиц давления СГС иногда применяю наименование барий.

В области механических измерений система СГС опирается на три основные единицы, из которых остальные образуются как производные.

На основе системы СГС для электрических и магнитных измерений возникло семь систем единиц электрических и магнитных величин: СГСЭ, СГСМ, СГС (симметричная), СГСε0, СГСμ0, СГСФ, СГСБ.

Система СГСЭ получила название абсолютной электростатической системы единиц, она построена на трех основных единицах – сантиметре, грамме, секунде. Диэлектрическая проницаемость вакуума принята равной безразмерной величине.

Система СГСМ называется абсолютной электромагнитной системой единиц, построена на таких же основных единицах, что и система СГСЭ: сантиметре, грамме, секунде. Магнитная проницаемость вакуума принята равной безразмерной величине.

Систему СГС еще называются симметричной системой СГС. В ней электрические единицы совпадают с электрическими единицами СГСЭ, а магнитные – с магнитными единицами СГСМ.

Системы СГСε0,СГСμ0,СГСФ, СГСБ построены на четырех основных единицах – сантиметре, грамме, секунде и единице электрической величины. С системе СГСε0 единицей электрической величины является электрическая постоянная ε0, в системе СГСμ0 – магнитная постоянная, в системе СГСФ – электростатическая единица электрического заряда – франклин (Фр), в системе СГСБ – электромагнитная единица силы тока – био (Би).Система СГС была допущена к применению государственными стандартами СССР, однако большинство единиц этой системы имеет неудобные размеры

ив практике не применяется.

2.2.3.Система МКГСС

Впериод установления метрической системы мер, в конце XVIII столетия, килограмм был принят как единица веса. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы привело в конце XIX в. к формированию системы МКГСС – системы механических единиц физических величин с тремя основными единицами: метр – единица длины, килограмм-сила – единица силы и секунда – единица времени. Килограмм-сила (кгс) – это сила, которая сообщает массе, равной массе международного прототипа

килограмма, ускорение 9,80665 м/с2 (нормальное ускорение свободного падения). Эта система единиц широко распространилась в механике и технике, получив неофициальное наименование «техническая».

Одной из причин распространения системы МКГСС явилось удобство выражения сил в единицах веса и удобный размер основной единицы силы – килограмм-силы. Широко применялись в технике единицы работы и энергии МКГСС – килограмм-сила-метр и единица мощности – килограмм-сила-метр в секунду.

В некоторых странах (например, Бельгии) система МКГСС была названа метрической, исходя из того, что первоначально, при установлении метрической системы мер, килограмм служит не единицей массы, а единицей веса. Однако наряду с распространением системы МКГСС в технике все больше выявлялись ее недостатки, связанные с использованием в качестве основной единицы силы, а не массы.

Первый недостаток состоит в том, что нарушается принцип выбора в качестве основной единицы той, которая может наиболее точно воспроизводиться. Единица силы воспроизводится менее точно, чем единица массы.

Второй недостаток заключается в сходности наименования единицы силы – килограмм-силы и метрической единицы массы – килограмма, что часто приводит к путанице. Частичным решением этого вопроса явилось принятие в отдельных странах (Австрия, ГДР, ФРГ) нового наименования килограмм-силы: килопонд.

Третьим недостатком системы МКГСС является ее некогерентность (несогласованность) с единицами электрических и магнитных величин. Если единицей работы и энергии в системе МКГСС служит килограмм-сила-метр, то в системе практических электрических единиц работа и энергия измеряется джоулями, поэтому при переходе в расчетах от механических величин к электрическим, а также к тепловым, световым, требуется переходный множитель.

За единицу массы в системе МКГСС принята масса тела, получающего ускорение 1 м/с2 под действием приложенной силы 1 кгс. Эта единица (килограмм-сила-секунда в квадрате на метр) иногда называется технической единицей массы (т. е. м.) или инертной,хотя оба

эти наименования не установлены ни в одной из рекомендаций на единицы физических величин. Единица массы МКГСС– кгс · с2/м ≈ 9,81 кг – единица массы Международной системы (СИ). Государственным стандартом ГОСТ 8.417 – 2002 применение системы МКГСС в РФ не предусмотрено.

2.2.4. Система МТС

Эта система единиц впервые появилась во Франции в 1919 г., где была принята в законоположении о единицах измерений. Ее основными единицами являются: единица длины – метр, единица массы – тонна и единица времени – секунда. В 1927 – 1933 гг. система МТС была рекомендована советскими стандартами на механические единицы. Система МТС была принята в СССР и в соответствии с государственным стандартом применялась более двадцати лет (1933 – 1955 гг.).

Единица массы этой системы – тонна –по своему размеру оказалась удобной в ряде отраслей производства, имеющих дело со сравнительно большими массами. Система МТС имела и другие преимущества. Во-первых, числовые значения плотности вещества при выражении ее в системе МТС совпадали с числовыми значениями плотности при выражении ее в системе СГС (например, в системе СГС плотность железа 7,8 г/см3, в системе МТС – 7,8 т/м3). Во-вторых, единица работы системы МТС – килоджоуль – имела простое соотношение с единицей работы Практической системы электрических единиц (1 кДж=1000 Дж).

В системе МТС единицей силы служит стен (сн), равный силе,

сообщающей массе 1 т ускорение 1м/с2, единицей давления – пьеза –

1сн/м2.

Выбор тонны в качестве основной единицы массы казался удачным, так как достигалось соответствие между единицами длины и объема, с одной стороны, и единицей массы – с другой (с точностью, достаточной для большинства технических расчетов, 1 т соответствует массе 1 м3 воды).

Однако размер производных единиц подавляющего большинства физических величин в системе МТС оказался неудачным для практики. Поэтому система МТС не получила распространения. В

СССР она была отменена в 1955 г.

2.2.5.Международная система единиц физических величин

В1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам поступили предложения принять единую систему единиц для всех стран мира. В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела). Возможность устранения многообразия применяемых единиц появилась после разработки Единой универсальной системы единиц, охватывающей все отрасли науки и техники. Эта система единиц была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. и получила наименование – «Международная система единиц» – СИ (SI от франц. – система интернациональная).

В1963 г. в СССР был введен ГОСТ 9867 – 61 «Международная система единиц». С 1982 г. введен ГОСТ 8.417 – 81 «Единицы физических величин». В 1971 г. XIV Генеральная конференция приняла седьмую основную единицу СИ - единицу количества вещества – моль, и к семи основным были добавлены две дополнительные единицы: единица плоского угла – радиан и единица телесного угла - стерадиан. С 01.09.2003 введен в действие ГОСТ 8.417-2002 «Единицы величин», в котором установлены единицы физических величин: наименования, обозначения, определения и правила применения этих единиц [3].

Важнейшими достоинствами Международной системы единиц физических величин являются:

1. Универсальность – охват всех областей науки, техники и народного хозяйства.

2. Унификация единиц для всех видов измерений; так, вместо ряда единиц давления, например, атмосферы, миллиметры ртутного столба, миллиметры водяного столба в СИ применяется единая единица давления – паскаль, вместо ряда единиц работы и энергии – одна единица для измерения работы и всех видов энергии (в том числе и теплоты) – джоуль.

3. Применение удобных для практики основных и большинства производных единиц (например, площади – метр квадратный, объема– метр кубический, электрического напряжения– вольт и др.).

4. Когерентность (связность, согласованность) системы; коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях,

определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице.

5.Четкое разграничение в СИ единицы массы (килограмм) и силы (ньютон).

6. Лучшее взаимопонимание при дальнейшем развитии научнотехнических и экономических связей между различными странами.

Международная система единиц является предпочтительной во всех областях науки, техники, торговли, преподавания. Применяемые в России единицы представлены в ГОСТ 8.417 – 2002. В нем указаны единицы, подлежащие обязательному применению, допускаемые к применению наравне с обязательными и временно допускаемые к применению. Образовательный процесс по дисциплине «Физические основы измерений» построен на применении единиц физических величин в соответствии с табл. 1, 2, прил. Б, В.

Международные обозначения единиц используют: при договорно-правовых отношениях в области сотрудничества с зарубежными странами; при указании единиц величин на табличках, шкалах и щитках средств измерений.

Международные, либо русские обозначения единиц, но одинаковые во всей работе, используют: в нормативных, конструкторских, технологических и других технических