ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Э.И.Медякова

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Письменные лекции

Учреждено редакционно-издательским советом университета в качестве письменных лекций

Санкт-Петербург

2005

Предисловие

Инженер-метролог должен знать физические основы измерений. Физика – это наука о свойствах и законах движения материальных частиц, вещества и поля, о строении атомов, о гравитационных, электрических, магнитных и др. взаимодействиях и о молекулярных процессах. Измерение как процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств всегда опирается на законы физики, устанавливающиеся на основе обобщения опытных фактов и выражающие объективные закономерности, существующие в природе.

1.Физический континуум

1.1.Материя и движение

[1], с. 17…20; [2], с. 17… 20; [8]

Материя – это объективная реальность, существующая вне и независимо от человеческого сознания и отражаемая им. Материя охватывает бесконечное множество реально существующих объектов и систем мира, является субстанциональной основой всевозможных свойств и форм движения; не существует иначе, как только в бесчисленном множестве конкретных форм, различных объектов и систем. Она несотворима и неуничтожаема, вечна во времени и бесконечна в пространстве. Субстанциональность, всеобщность и абсолютность материи характеризуют материальное единство мира. Материю нельзя сводить к определенным ее конкретным формам, например веществу или атомам, так как существуют невещественные виды материи – электромагнитные и гравитационные поля, нейтрино различных типов, обладающие весьма сложной структурой.

Основные формы существования материи:

1)системы неживой природы (элементарные частицы и поля, атомы, 3

2)биологические системы (вся биосфера - от микроорганизмов до человека);

3)социально организованные системы.

Но материя не сводится только к этим формам, т.к. в бесконечном мире существуют и качественно иные виды материи как объективной реальности, например кварки или другие возможные микрообъекты в структуре элементарных частиц.

Фундаментальные физические понятия: пространство, время,

движение, взаимодействие и др. были рассмотрены при изучении дисциплины «Философия».

Время и пространство – основные формы существования материи. Материализм подчеркивает объективный характер времени и пространства, которые неотделимы от материи, чем проявляется их универсальность и всеобщность. Пространство выражает порядок расположения одновременно сосуществующих объектов. Время же – последовательность существования сменяющих друг друга явлений. Время необратимо, так как всякий материальный процесс развивается в одном направлении – от прошлого к будущему.

Движение – важнейший атрибут, способ существования материи, и оно включает в себя все происходящие в природе и обществе процессы. В самом общем виде движение – это изменение вообще, всякое взаимодействие материальных объектов и смена их состояний. В мире нет материи без движения так же, как не может быть и движения без материи. Движение материи абсолютно, тогда как всякий покой относителен и представляет собой один из моментов движения. Движение материи многообразно по своим проявлениям и существует в различных формах.

Взаимодействие – это процесс взаимного влияния тел друг на друга путем переноса материи и движения, универсальная форма изменения состояний тел. Взаимодействие определяет существование и структурную

4

организацию всякой материальной системы, ее свойства, ее объединение наряду с другими телами в систему большего порядка. Без способности к взаимодействию материя не могла бы существовать. Во всякой целостной системе взаимодействие сопровождается взаимным отражением телами свойств друг друга, в результате чего они могут меняться.

Единство и многообразие мира заключается в его материальности, в том, что все предметы и явления в мире представляют собой различные состояния и свойства движущейся материи.

1.2. Элементы современной физической картины мира

[8],с. 218... 219; 253... 254

Корпускулярно-волновой дуализм (КВД) - специфическое качество микрообъектов, описываемое квантовой механикой и выражающееся в наличии у этих объектов противоположных корпускулярных и волновых свойств. Точная формулировка этого качества впервые была дана в уравнениях де Бройля. В КВД отображается связь макро- и микромира, особенности их единства. Одним из следствий специфики микропроцессов, выраженной в кванте действия и КВД, явилось открытие соотношения неопределенностей. В интерпретации КВД, в расшифровке механизма связи этих противоположных свойств квантовая механика столкнулась с большими трудностями. При механистическом рассмотрении противоположные, корпускулярные и волновые, свойства отрывались друг от друга, становились характеристикой различных объектов.

В материалистическом понимании микрочастица не корпускула и не волна, а их синтез, а математическая формулировка этого единства дана в понятии волновой функции.

Макро- и микромир – две специфические области объективной реальности, различающиеся уровнем структурной организации материи. Сфера макроявлений – это обычный мир, в котором живет и действует

человек (планеты, земные тела, кристаллы, большие молекулы и др.). 5

Качественно иную область представляет микромир (атом, ядра, элементарные частицы и др.), где размеры объектов менее миллиардных долей сантиметра. Каждый из этих миров характеризуется своеобразием строения материи, пространственно-временных и причинных отношений, закономерностей движения. Так, в макромире материальные объекты имеют четко выраженную прерывистую, корпускулярную или непрерывную, волновую природу и их движение подчиняется динамическим законам классической механики.

Для явлений микромира, напротив, характерна тесная связь корпускулярных и волновых свойств, которая находит свое выражение в статистических законах квантовой механики. Своеобразная граница раздела макро- и микромира была установлена в связи с открытием постоянной Планка. Существенным аспектом этой константы явилась «конечность взаимодействия», означавшая, что любые взаимодействия между объектами в микромире (в том числе между прибором и микрочастицей) не могут быть меньше значения кванта действия.

Макромир характеризуется типовыми свойствами: тепловыми, электромагнитными и др.

Физика – это наука о свойствах и законах движения материальных частиц, вещества и поля, о строении атомов, о гравитационных, электрических, магнитных и т.п. взаимодействиях и о молекулярных процессах. Это учение о закономерностях движения тел (механика), о причинах звуковых (акустика), тепловых, электрических и магнитных явлений. В XIX в. было установлено, что механические, тепловые и электромагнитные процессы связаны взаимными переходами для сохранения количественной меры всех этих видов движения – энергии.

1.3. Физические величины и их единицы

[2], с. 17...20; [3], с. 6, ... 10; 18...22.

Общепринятые или установленные законодательным путем

6

характеристики (меры) различных свойств, общих в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальных для каждого из них, называются физическими величинами (ФВ.). Это длина, время, температура, масса, давление, скорость и т.д. Если рассматривать Солнце и Мировой океан как физические объекты, то температура на поверхности Солнца и средняя температура на поверхности Мирового Океана являются физической величиной, общей в качественном отношении для обоих объектов, но в количественном отношении разной (порядка 6000 К на поверхности Солнца и порядка 300 К на поверхности Мирового Океана).

Числовые значения измеряемых ФЗ зависят от того, какие используются единицы измерений. Если допустить произвол в выборе единиц, то результаты измерений окажутся несопоставимы между собой. т.е. нарушится единство измерений. Чтобы этого не произошло, единицы измерений устанавливаются по определенным правилам и закрепляются законодательным путем.

Совокупность единиц измерений основных и производных величин называется системой единиц.

XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. приняла Международную систему единиц ФВ, получившую у нас в стране сокращенное обозначение СИ.

Основными единицами СИ являются:

-метр (единица длины);

-килограмм (единица массы);

-секунда (единица времени);

-ампер (единица силы электрического тока);

-кельвин (единица термодинамической температуры);

-кандела (единица силы света);

-моль (единица количества вещества).

7