Какую величину называют единицей физической величины. Время
1.2. Физические величины
1.2.1. Физические величины как объект измерений
Величина – это свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.
Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные. Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий (см. рис.1.1)
Реальные величины делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и др.
 |
Рис.1.1 Классификация величин
Рекомендации РМГ 29-99 трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для данного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем у другого. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.
Физические величины бывают:
· измеряемые;
· оцениваемые.
Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения . Физические величины, для которых по тем или иным причинная не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оценивают при помощи шкал.
Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.
Для более детального изучения физических величин необходимо классифицировать и выявить общие метрологические особенности их отдельных групп.
По видам явлений физические величины делятся на следующие группы :
· вещественные , т. е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные физические величины называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать дополнительный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;
· энергетические , т. е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;
· характеризующие протекание процессов во времени . К этой группе относятся различного рода спектральные характеристики, корреляционные функции и др.
По принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся:
· пространственно-временные;
· механические;
· тепловые;
· электрические;
· магнитные;
· акустические;
· световые;
· физико-химические;
· ионизирующих излучений;
· атомной и ядерной физики.
По степени условной независимости от других величин
· основные (условно не зависимые),
· производные (условно зависимые),
· дополнительные.
В настоящее время в системе SI используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный угол.
Единица физической величины – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице. Единица физической величины применяется для количественного выражения однородных физических величин.
Значение физической величины – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц (Q) .
Числовое значение физической величины (q) – это отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины.
Уравнение Q= q[ Q] называют основным уравнением измерения . Суть простейшего измерения состоит в сравнении физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[ Q] . В результате сравнения устанавливают, что q[Q] ‹ Q ‹ (q+1)[Q].
1.2.2. Системы единиц физических величин
Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.
Первой системой единиц считается метрическая система , где за основную единицу длины был принят метр, за единицу веса – 1 см3 химически чистой воды при температуре около +40оС. В 1799 году были изготовлены первые прототипы (эталоны) метра и килограмма. Кроме этих двух единиц метрическая система в своем первоначальном варианте включала еще и единицы площади (ар - площадь квадрата со стороной 10 м), объема (стер - объем куба с ребром 10 м), вместимости (литр, равный объему куба с ребром 0,1 м). В метрической системе еще не было четкого разделения единиц на основные и производные.
Рис.1.2. Классификация физических величин
Понятие системы единиц, как совокупности основных и производных, впервые было предложено немецким ученым Гауссом в 1832 г. В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины – миллиметр, единица массы – миллиграмм, единица времени – секунда. Эту систему назвали абсолютной .
В 1881 г. была принята система СГС (сантиметр-грамм-секунда), в начале ХХ века существовала и система итальянского ученого Джорджи – МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер). Существовали и другие системы единиц. Даже в настоящее время некоторые страны не отошли от исторически сложившихся единиц измерения. В Великобритании, США, Канаде единицей массы является фунт, причем его размер различен.
Наиболее широкое распространение в мире получила Международная система единиц SI – Systeme International.
Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) в 1954 г. определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях : метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, свеча. В последствии система была дополнена одной основной, дополнительными и производными единицами. Кроме того, были разработаны определения основных единиц.
Единица длины – метр – длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/ долю секунды.
Единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма.
Единица времени – секунда – продолжительность периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей.
Единица силы электрического тока – ампер - сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого круглого сечения, расположенными на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2·10-7 Н на каждый метр длины.
Единица термодинамической температуры – кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается также применение шкалы Цельсия.
Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг.
Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср2.
Приведенные определения довольно сложны и требуют достаточного уровня знаний, прежде всего в физике. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц.
Международная система SI является наиболее совершенной и универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных единиц в системе SI есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного угла – радиан и стерадиан, соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений (таблица 1.2.) Единая международная система единиц была принята ХІ Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году. На территории нашей страны система единиц SI действует с 1 января 1982 года в соответствии с ГОСТ 8.417-81. Система SI является логическим развитием предшествовавших ей систем СГС и МКГСС. К достоинствам и преимуществам системы SI относятся:
· универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;
· унификация всех областей и видов измерений;
· когерентность величин;
· возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением;
· упрощение записи формул в связи с отсутствием переводных коэффициентов;
· уменьшение числа допускаемых единиц;
· единая система кратных и дольных единиц;
Таблица 1.1
Основные и дополнительные единицы физических величин
|
Величина | |||||
|
Обозначение |
|||||
|
Наименование |
Размерность |
Наименование |
Международное |
||
|
Основные |
|||||
|
килограмм | |||||
|
Сила электрического тока | |||||
|
Термодинамическая температура | |||||
|
Количество вещества | |||||
|
Сила света | |||||
|
Дополнительные |
|||||
|
Плоский угол | |||||
|
Телесный угол |
стерадиан |
Производная единица – это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Производные единицы системы SI, имеющие собственное название, приведены в таблице 1.2.
Для установления производных единиц следует:
· выбрать физические величины, единицы которых принимаются в качестве основных;
· установить размер этих единиц;
· выбрать определяющее уравнение, связывающее величины, измеряемые основными единицами, с величиной, для которой устанавливается производная единица. При этом символы всех величин, входящих в определяющее уравнение, должны рассматриваться не как сами величины, а как их именованные числовые значения;
· приравнять единице (или другому постоянному числу) коэффициент пропорциональности k, входящий в определяющее уравнение. Это уравнение следует записать в виде явной функциональной зависимости производной величины от основных величин.
Установленные таким образом производные единицы могут быть использованы для введения новых производных величин.
Единицы физических величин делятся на системные и внесистемные. Системная единица – единица физической величины, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица – это единица физической величины, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам системы SI разделяют на четыре вида:
Таблица 1.2.
Производные единицы системы SI, имеющие специальное название
|
Величина | |||
|
Название |
Наименование |
Обозначение |
Выражение через единицы SI |
|
Сила. Вес | |||
|
Давление, механическое напряжение |
м-1·кг·с-2 |
||
|
Энергия. Работа, количество теплоты | |||
|
Мощность | |||
|
Количество электричества | |||
|
Электрическое напряжение, электродвижущая сила |
м2·кг·с-3·А-1 |
||
|
Электрическая емкость |
м-2·кг-1·с4·А2 |
||
|
Электрическое сопротивление |
м2·кг·с-3·А-2 |
||
|
Электрическая проводимость |
м-2·кг-1·с3·А2 |
||
|
Поток магнитной индукции |
м2·кг·с-2·А-1 |
||
|
Магнитная индукция |
кг·с-2·А-1 |
||
|
Индуктивность |
м2·кг·с-2·А-2 |
||
|
Световой поток | |||
|
Освещенность |
м-2·кд·ср |
||
|
Активность радионуклида |
беккерель | ||
|
Поглощенная доза ионизирующего излучения | |||
|
Эквивалентная доза излучения |
· допускаемые наравне с единицами SI, например, единицы массы – тонна; плоского угла – градус, минута, секунда; объема – литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами SI, приведены в таблице 1.3;
· допускаемые к применению в специальных областях, например, астрономическая единица - парсек, световой год – единицы длины в астрономии; диоптрия – единица оптической силы в оптике; электрон-вольт – единица энергии в физике и т. д.;
· временно допускаемые к применению наравне с единицами SI, например, морская миля – в морской навигации; карат – единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;
· изъятые из употребления, например, миллиметр ртутного столба – единица давления; лошадиная сила – единица мощности и некоторые другие.
Таблица 1.3
Внесистемные единицы, допускаемые к применению
наравне с единицами SI
|
Наименование величины | ||
|
Наименование |
Обозначение |
|
|
атомная единица массы | ||
|
Плоский угол | ||
|
астрономическая единица | ||
|
световой год | ||
|
Оптическая сила |
диоптрия | |
|
электрон-вольт | ||
|
Полная мощность |
вольт-ампер | |
|
Реактивная мощность |
Различают кратные и дольные единицы физических величин.
Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Дольная единица – это единица физической величины, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Приставки для образования кратных и дольных единиц приведены в таблице 1.4.
Таблица 1.4
Приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований
|
Множитель |
Приставка |
Обозначение приставки |
Множитель |
Приставка |
Обозначение приставки |
||
|
народное |
Народное | ||||||
Во времени живя, мы времени не знаем
Тем самым мы себя не понимаем
В такое время мы, однако, родились?
Какое время нам прикажет: «Удались»!
И как нам распознать, что наше время значит?
И что за будущее наше время прячет?
Но время – это мы! Никто иной!
Мы с вами!П.Флеминг
Среди многочисленных физических величин существуют основные базовые, через которые выражаются все остальные с помощью определенных количественных соотношений. Это – длина, время и масса. Рассмотрим подробнее эти величины и их единицы измерения.
1. ДЛИНА. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ
Длина
–
мера
для измерения расстояния
. Она
характеризует протяженность в пространстве.
Попытки субъективных измерений длины отмечались
более 4000 лет назад: в III веке в Китае изобрели
прибор для измерения расстояний: легкая тележка
имела систему зубчатых передач, соединенную с
колесом и барабаном. Каждое ли (576 м) отмечалось
ударом барабана. С помощью этого изобретения
министр Пей Сю
создал «Региональный атлас»
на 18 листах и большую карту Китая на шелке,
которая была так велика, что одному человеку было
трудно ее развернуть.
Существуют интересные факты измерения длины.
Так, например, моряки измеряли свой путь трубками
,
т. е. расстоянием, которое проходит судно за
время, за которое моряк выкуривает трубку. В
Испании похожей единицей была сигара
,
а в Японии – лошадиный башмак
(соломенная подошва, заменявшая подкову). Были и шаги
(у древних римлян), и аршины
(?71 см), и
пяди (?18 см). Поэтому неоднозначность результатов
измерений показала необходимость введения
согласованной единицы. Действительно, дюйм
(2,54 см, введенный как длина большого пальца, от
глагола «дюйм») и фут
(30 см, как
длина ступни от английского «фут» – ступня) было
трудно сравнивать.
Рис.1. Метр как эталон длины с 1889 по 1960г
С 1889 по 1960 г в качестве единицы длины
использовалась одна десятимиллионная часть
расстояния, измеренного вдоль Парижского
меридиана от Северного полюса до экватора, – метр
(от греч. metron – мера) (рис.1).
В качестве эталона длины использовался стержень
из платиново-ириадиевого сплава, хранился он в
Севре, около Парижа. До 1983 г метр считался равным
1650763,73 длины волны оранжевой спектральной линии,
излучаемой криптоновой лампой.
Открытие лазера (в 1960 году в США) позволило
измерить скорость света с большей степенью
точности (?с=299 792 458 м/с) по сравнению с
криптоновой лампой.
Метр
– единица длины, равная
расстоянию, которое проходит свет в вакууме за
время? 99 792 458 с.
Диапазон измерения размера объектов в природе приведен на рисунке 2.
Рис.2. Диапазон измерения размера объектов в природе
Методы измерения расстояний. Для измерения сравнительно небольших расстояний и размеров тел применяют рулетку, линейку, метр. Если измеряемые объемы малы и требуется большая точность, то измерения проводят микрометром, штангельциркулем. При измерении больших расстояний используют разные методы: триангуляцию, радиолокацию. Например, расстояние до любой звезды или Луны измеряют методом триангуляции (рис.3).
Рис.3. Метод триангуляции
Зная базу – расстояние l между двумя телескопами, расположенными в точках А и В на Земле, и углы а1 и а2 , под которыми они направлены на Луну, – можно найти расстояния АС и ВС:
При определении расстояния до звезды в качестве базы можно использовать диаметр орбиты Земли, вращающейся вокруг Солнца (рис. 4).
Рис.4. Определение расстояния до звезды
В настоящее время расстояние ближайших к Земле планет измеряется методом лазерной локации . Луч лазера, посланный, например, в сторону Луны, отражается и, возвращаясь на Землю, принимается фотоэлементом (Рис. 5).
Рис. 5. Измерение расстояний методом лазерной локации
Измеряя промежуток времени t0, через который возвращается отраженный луч, и зная скорость света «с», можно найти расстояние до планеты: .
Для измерения малых расстояний с помощью обычного микроскопа можно разделить метр на миллион частей и получить микрометр , или микрон . Однако продолжать таким образом деление невозможно, так как предметы, размеры которых меньше 0,5 микрона, нельзя увидеть в обычный микроскоп.
Рис.6. Фотография атомов углерода в графите, сделанная с помощью ионного микроскопа
Ионный микроскоп (рис. 6) позволяет проводить измерения диаметра атомов и молекул порядка 10~10м. Расстояние между атомами - 1,5?10~10м. Внутриатомное пространство практически пустое, с крошечным ядром в центре атома. Наблюдение рассеяния частиц высокой энергии при прохождении сквозь слой вещества позволяет зондировать вещество вплоть до размера атомных ядер (10–15м).
2. ВРЕМЯ. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ
Время – мера измерение разных
промежутков времени
. Это мера скорости, с
которой происходят какие-либо изменения, т.е.
мера скорости развития событий. В основу
измерения временем положены периодические,
повторяющиеся циклические процессы.
Считают, что первыми часами был гномон
,
изобретенный в Китае в конце XVI века. Время
измеряли по длине и направлению тени от
вертикального шеста (гномона), освещенного
солнцем. Этот указатель тени и служил первыми
часами.
Давно замечено было: максимальной устойчивостью
и повторяемостью обладают астрономические
явления; день сменяется ночью регулярно
чередуются времена года. Эти все явления связаны
с движением Солнца на небесной сфере. На их
основе и создан календарь.
Измерения небольших промежутков времени
(порядка 1 час) долго оставалось трудной задачей,
с которой блестяще справился голландский ученый Христиан
Гюйгенс
(рис.7).
Рис.7. Христиан Гюйгенс
Он в 1656 г сконструировал маятниковые часы,
колебания в которых поддерживала гиря и
погрешность которых составляла 10 с в сутки. Но,
несмотря на постоянное совершенствование часов
и увеличение точности измерения времени, секунду
(определенную как 1/86400 суток) нельзя было
использовать в качестве постоянного эталона
времени. Это объясняется незначительным
замедлением скорости вращения Земли вокруг
своей оси и соответственно увеличением периода
обращения, т.е. длительности суток.
Получение стабильного эталона времени оказалось
возможным в результате исследований спектров
излучения разных атомов и молекул, что позволило
измерить время с уникальной точностью. Период
электромагнитных колебаний, излучаемых атомами,
измеряется с относительной погрешностью порядка
10–10 с (рис.8).
Рис.8. Диапазон измерения времени объектов Вселенной
В 1967 г был введен новый эталон секунды. Секунда – эта единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения изотопа атома цезия – 133.
Излучение цезия – 133 легко воспроизводится и
измеряется в лабораторных условиях. Погрешность
таких «атомных часов» за год составляет 3*10-7 с.
Для измерения большего промежутка времени
используется периодичность иного рода.
Многочисленные исследования радиоактивных
(распадающихся со временем) изотопов показали,
что время, за которое их число уменьшается в 2
раза (период полураспада),
является
постоянной величиной. Это означает, что период
полураспада позволяет выбирать масштаб времени.
Выбор изотопа для измерения времени зависит от
того, какой ориентировочно интервал времени
измеряется. Период полураспада должен быть
соизмерим с предполагаемым интервалом времени
(табл. 1).
Таблица 1
Период полураспада некоторых изотопов
При археологических исследованиях наиболее часто измеряют содержание изотопа углерода 14С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Возраст древней рукописи оценивается в 5730 лет, если содержание 14С в ней в 2 раза меньше первоначального (которое известно). При уменьшении содержания 14С в 4 раза по сравнению с первоначальным, возраст объекта кратен двум периодам полураспада, т. е. равен 11 460 годам. Для измерения еще большего интервала времени используются другие радиоактивные изотопы, имеющие больший период полураспада. Изотоп урана 238U (период полураспада 4,5 млрд. лет) в результате распада превращается в свинец. Сравнение содержания урана и свинца в горных породах и воде океанов позволило установить примерный возраст Земли, который составляет около 5,5 млрд. лет.
3. МАССА
Если длина и время – фундаментальные характеристики времени и пространства, то масса является фундаментальной характеристикой вещества. Массой обладают все тела: твердые, жидкие, газообразные; разные по размерам (от 10–30 до 1050 кг), указанные на рис 9.
Рис.9. Диапазон измерения массы объектов Вселенной
Масса характеризует равные свойства материи.
О массе тел человек вспоминает в самых разных
ситуациях: при покупке продуктов, в спортивных
играх, строительстве… – во всех видах
деятельности найдется повод поинтересоваться
массой того или иного тела. Масса не менее
загадочная величина, чем время. Эталоном массы 1
кг, начиная с 1884 г., является платиново-иридиевый
цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и
весов близ Парижа. Национальные палаты мер и
весов имеют копии такого эталона.
Килограмм – единица массы, равная массе
международного эталона килограмма.
Килограмм
(от французских слов kilo
– тысяча и gramme – мелкая мера). Килограмм
приблизительно равен массе 1 л чистой воды при 15 0 С.
Работа с реальным эталоном массы требует особой
тщательности, так как прикосновение щипцов и
даже воздействие атмосферного воздуха может
привести к изменению массы эталона. Определение
массы объектов, имеющих объем, соизмеримый с
объемом эталона массы, можно проводить с
относительной погрешностью порядка 10–9кг.
4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
Для проведения разного рода
исследований и экспериментов применяют
физические приборы. По мере развития физики они
совершенствовались и усложнялись (см. Приложение
).
Некоторые физические приборы
очень просты, например линейка
(рис.10), отвес (груз, подвешенный на нити),
позволяющий проверять вертикальность
конструкций, уровень, термометр, секундомер,
источник тока; электрический двигатель, реле и
др.
Рис.10. Линейка
В научных экспериментах часто используют сложные приборы и установки, которые совершенствовались и усложнялись по мере развития науки и техники. Так, для изучения свойств элементарных частиц, входящих в состав какого-либо вещества, используют ускорители - огромные, сложнейшие установки, снабженные множеством различных измерительных и регистрирующих приборов. В ускорителях частицы разгоняются до огромных скоростей, близких к скорости света, и становятся «снарядами», бомбардирующими вещество, помещенное в специальных камерах. Происходящие при этом явления позволяют сделать выводы о строении атомных ядер и элементарных частиц. Созданный в 1957 г. большой ускоритель в г. Дубне под Москвой имеет диаметр 72 м, а ускоритель в г. Серпухове имеет диаметр 6 км (рис 11).
Рис.11. Ускоритель
При выполнении астрономически наблюдений используют различные приборы. Основным астрономическим прибором является телескоп. Он позволяет получить изображение солнца, Луны, планет.
5. МЕТРИЧЕСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ «СИ»
Измеряют все: медики определяют температуру
тела, объем легких, рост, пульс пациентов;
продавцы взвешивают продукты, отмеряют метры
тканей; портные снимают мерку с модниц; музыканты
строго выдерживают ритм и темп, считая такты;
фармацевты взвешивают порошки и отмеряют в
склянки необходимое количество микстуры;
учителя физкультуры не расстаются с рулеткой и
секундомером, определяя выдающиеся спортивные
достижения школьников... Все жители планеты
измеряют, прикидывают, оценивают, сверяют,
отсчитывают, различают, отмеряют, измеряют и
считают, считают, считают...
Каждый из нас, без сомнения, знает, что, прежде чем
измерять, нужно установить «единицу, с которой вы
будете сравнивать измеряемый отрезок пути или
промежуток времени, или массу».
Ясно и другое: о единицах нужно договариваться
всем миром, иначе возникнет невообразимая
путаница. В играх и то возможны недоразумения: у
одного шаг намного короче, у другого – длиннее
(Пример: «Будем бить пенальти с семи шагов»).
Ученые всего мира предпочитают работать с
согласованной и логически последовательной
системой единиц измерения. На Генеральной
конференции мер и весов в 1960 г. было достигнуто
соглашение о международной системе единиц –.Systems
International d"Unite"s (сокращенно – «единицы измерения
СИ»). Эта система включает семь основных
единиц
измерения, а все остальные
единицы измерения производные
выводятся
из основных умножением или делением одной
единицы на другую без числовых пересчетов (Табл.
2).
Таблица 2
Основные единицы измерения «Си»
Международная система единиц является метрической . Это значит, что кратные и дольные единицы образуются из основных всегда одним и тем же способом: умножением или делением на 10. Это удобно, в особенности при записи очень больших и очень малых чисел. Например, расстояние от Земли до Солнца, приблизительно равное 150.000.000 км, можно записать так: 1,5 *100.000.000 км. Теперь заменим число 100.000.000 на 108. Таким образом, расстояние до Солнца записывается в виде:
1,5 * 10 8 км = l,5 * 10 8 * 10 3 M = l,5 * 10 8 + 3 м = l,5 * 10 11 м.
Другой пример.
Диаметр молекулы водорода равен 0,00000002 см.
Число 0,00000002 = 2/100.000.000 = 2/10 8 . Для кратности
число 1/10 8 пишут в виде 10 –8 . Итак,
диаметр молекулы водорода равен 2*10 –8 см.
Но в зависимости от диапазона измерений, удобно
использовать единицы, большие или меньше по
величине. Эти кратные
и дольные
единицы
отличаются от основных на порядки величин.
Название основной величины является корнем
слова, а приставка характеризует
соответствующее отличие в порядке.
Например, приставка «кило-» означает введение единицы в тысячу раз (на 3 порядка) большей, чем основная: 1 км = 10 3 м.
В таблице 3 приведены приставки для образования кратных и дольных единиц.
Таблица 3
Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц
Степень |
Приставка |
Символ |
Примеры |
Степень |
Приставка |
Символ |
Примеры |
эксаджоуль, ЭДж |
децибел, дБ |
||||||
петасекунда, Пс |
сантиметр, см |
||||||
терагерц, ТГц |
миллиметр, мм |
||||||
гигавольт, ГВ |
микрограмм, мкг |
||||||
мегаватт, МВт |
нанометр, нм |
||||||
килограмм, кг |
10 –12 |
пикофарад, пФ |
|||||
гектопаскаль, гПа |
10 –15 |
фемтометр, фм |
|||||
декатесла, даТл |
10 –18 |
аттокулон, аКл |
Введенные таким образом кратные и дольные
единицы часто по порядку величины характеризуют
физические объекты.
Многие физические величины являются постоянными
- константами
(от латинского слова
constans
- постоянный, неизменный) (табл.4).
Например, постоянны в данных условиях
температура таяния льда и температура кипения
воды, скорость распространения света, плотности
различных веществ. Константы тщательно измеряют
в научных лабораториях и заносят в таблицы
справочников и энциклопедий. Справочными
таблицами пользуются ученые и инженеры.
Таблица 4
Фундаментальные константы
Константа |
Обозначение |
Значение |
Скорость света в вакууме |
2,998 * 10 8 м/с |
|
Постоянная Планка |
6,626 * 10 –34 Дж*с |
|
Заряд электрона |
1,602 * 10 –19 Кл |
|
Электрическая постоянная |
8,854 * 10 –12 Кл 2 /(Н * м2) |
|
Постоянная Фарадея |
9,648 * 10 4 Кл/моль |
|
Магнитная проницаемость вакуума |
4 * 10 –7 Вб/(А*м) |
|
Атомная единица массы |
1,661 * 10 –27 кг |
|
Постоянная Больцмана |
1,38 * 10 –23 Дж/К |
|
Постоянная Авогадро |
6,02 * 10 23 моль–1 |
|
Молярная газовая постоянная |
8,314 Дж/(моль*К) |
|
Гравитационная постоянная |
6,672 * 10 –11 Н * м2/кг2 |
|
Масса электрона |
9,109 * 10 –31 кг |
|
Масса протона |
1,673 * 10 –27 кг |
|
Масса нейтрона |
1,675 * 10 –27 кг |
6. НЕМЕТРИЧЕСКИЕ РУССКИЕ ЕДИНИЦЫ
Они приведены в таблице 5.
Таблица 5
Неметрические русские единицы
Величины |
Единицы |
Значение в единицах СИ, кратных и дольных от них |
| миля (7 верст) | ||
| верста (500 саженей) | ||
| сажень (3 аршина; 7 фунтов; 100 соток) | ||
| сотка | ||
| аршин (4 четверти; 16 вершков; 28 дюймов) | ||
| четверть (4 вершка) | ||
| вершок | ||
| фут (12 дюймов) | 304,8 мм (точно) |
|
| дюйм (10 линий) | 25,4 мм (точно) |
|
| линия (10 точек) | 2,54 мм (точно) |
|
| точка | 254 мкм (точно) |
|
| квадратная верстка | ||
| десятина | ||
| квадратная сажень | ||
| кубическая сажень | ||
| кубический аршин | ||
| кубический вершок | ||
Вместимость |
ведро | |
| четверть (для сыпучих тел) | ||
| четверик (8 гарнцев; 1/8 четверти) | ||
| гарнец | ||
| берковец (10 пудов) | ||
| пуд (40 фунтов) | ||
| фунт (32 лота; 96 золотников) | ||
| лот (3 золотника) | ||
| золотник (96 долей) | ||
| доля | ||
Сила, вес |
берковец (163,805 кгс) | |
| пуд (16,3805 кгс) | ||
| фунт (0,409512 кгс) | ||
| лот (12,7973 гс) | ||
| золотник (4,26575 гс) | ||
| доля (44,4349 мгс) |
* Наименование русских единиц силы и веса совпадали с наименованиями русских единиц массы.
7. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Практически, любой опыт, любое наблюдение в физике сопровождается измерением физических величин. Физические величины измеряют с помощью специальных приборов. Многие из этих приборов вам уже известны. Например, линейкой (рис. 7). Можно измерить линейные размеры тел: длину, высоту и ширину; часами или секундомером – время; с помощью рычажных весов определяют массу тела, сравнивая ее с массой гири, принятой за единицу массы. Мензурка позволяет измерять объемы жидких или сыпучих тел (веществ).
Обычно прибор имеет шкалу со штрихами. Расстояния между двумя штрихами, около которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены на несколько делений, не обозначенных числами. Деления (промежутки между штрихами) и числа – это и есть шкала прибора. На шкале прибора, как правило, проставлена единица величины (наименование), в которой выражается измеряемая физическая величина. В случае, когда числа стоят не против каждого штриха, возникает вопрос: как узнать числовое значение измеряемой величины, если его нельзя прочитать по шкале? Для этого нужно знать цену деления шкалы прибора – значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.
Отбирая приборы для проведения измерений, важно учитывать пределы измерений. Чаще всего встречаются приборы только с одним – верхним пределом измерений. Иногда встречаются двухпредельные приборы. У таких приборов нулевое деление находится внутри шкалы.
Представим себе, что едем в автомобиле, и стрелка его спидометра остановилась против деления «70». Можно ли быть уверенными в том, что скорость автомобиля равна точно 70 км/ч? Нет, так как спидометр имеет погрешность. Можно, конечно, сказать, что скорость автомобиля равна приблизительно 70 км/ч, но этого бывает недостаточно. Напимер, тормозной путь автомобиля зависит от скорости, и ее «приблизительность» может привеси к аварии. Поэтому на заводе-изготовителе определяют наибольшую погрешность спидометра и указывает ее в паспорте этого прибора. Значение погрешности спидометра позволяет определить, в каких пределах находится истинное значение скорости автомобиля.
Пусть погрешность спидометра, указанная в паспорте, равна 5 км/ч. Найдем в нашем примере разность и сумму показания спидометра и его погрешности:
70 км/ч – 5 км/ч = 65км/ч.
70 км/ч + 5 км/ч = 75 км/ч.
Не зная истинного значения скорости, мы может быть уверены, что скорость автомобиля не меньше 65 км/ч и не более 75 км/ч. Этот результат можно записать с использованием знаков «< » (меньше или равно) и «> » (больше или равно): 65 км/ч < скорости автомобиля < 75 км/ч.
То, что при показании спидометра 70 км/ч истинная
скорость может оказаться равной 75 км/ч, надо
обязательно учитывать. Например, исследования
показали, что если легковой автомобиль движется
по мокрому асфальту со скоростью 70 км/ч, его
тормозной путь не превосходит 46 м, а при скорости
75 км/ч тормозной путь возрастает до 53 м.
Приведенный пример позволяет сделать следующий
вывод: все приборы имеют погрешность, в
результате измерения нельзя получить истинное
значение измеряемой величины. Можно лишь указать
интервал в виде неравенства, которому
принадлежит неизвестное значение физической
величины.
Для прохождения границ этого неравенства
необходимо знать погрешность прибора.
Х – пр < х < Х + пр.
Погрешность измерения х
никогда не бывает меньше
погрешности прибора пр.
Часто указатель прибора не совпадает со штрихом
шкалы. Тогда определить расстояние от штриха до
указателя очень трудно. Вот другая причина
возникновения погрешности, называемой погрешностью
отсчета
. Эта погрешность отсчета,
например, для спидометра, не превосходит
половины цены деления.
Необходимо проверить качество перевода и привести статью в соответствие со стилистическими правилами Википедии. Вы можете помочь … Википедия
Эта статья или раздел нуждается в переработке. Пожалуйста, улучшите статью в соответствии с правилами написания статей. Физическая … Википедия
Физическая величина это количественная характеристика объекта или явления в физике, либо результат измерения. Размер физической величины количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе,… … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Фотон (значения). Фотон Символ: иногда … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Борн. Макс Борн Max Born … Википедия
Примеры разнообразных физических явлений Физика (от др. греч. φύσις … Википедия
Фотон Символ: иногда Излученные фотоны в когерентном луче лазера. Состав: Семья … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Масса (значения). Масса Размерность M Единицы измерения СИ кг … Википедия
CROCUS Ядерный реактор это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в … Википедия
Книги
- Гидравлика. Учебник и практикум для академического бакалавриата , Кудинов В.А.. В учебнике изложены основные физико-механические свойства жидкостей, вопросы гидростатики и гидродинамики, даны основы теории гидродинамического подобия и математического моделирования…
- Гидравлика 4-е изд., пер. и доп. Учебник и практикум для академического бакалавриата , Эдуард Михайлович Карташов. В учебнике изложены основные физико-механические свойства жидкостей, вопросы гидростатики и гидродинамики, даны основы теории гидродинамического подобия и математического моделирования…
Физические величины
Физическая величина – это характеристика физических объектов или явлений материального мира, общая для множества объектов или явлений в качественном отношении, но индивидуальная в количественном отношении для каждого из них . Например, масса, длина, площадь, температура и т.д.
Каждая физическая величина имеет свои качественную и количественную характеристики .
Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "прочность" в количественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как количественное значение прочности для каждого из них совершенно разное
Для выявления количественного различия содержания свойства в каком-либо объекте, отображаемого физической величиной, вводится понятие размера физической величины . Этот размер устанавливается в процессе измерения - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (ФЗ «Об обеспечении единства измерений»
Целью измерений является определение значения физической величины - некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания -12 м и др.). Между размерами каждой физической величины существуют отношения в виде числовых форм (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и т.п.), которые могут служить моделью этой величины.
В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины .
Истинное значение физической величины - это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному значению.
Действительное значение физической величины - это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.
Измеренное значение физической величины - это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.
При планировании измерений следует стремиться к тому, чтобы номенклатура измеряемых величин соответствовала требованиям измерительной задачи (например, при контроле измеряемые величины должны отражать соответствующие показатели качества продукции).
Для каждого параметра продукции должны соблюдаться требования:
Корректность формулировки измеряемой величины, исключающая возможность различного толкования (например, необходимо четко определять, в каких случаях определяется "масса" или "вес" изделия, "объем" или "вместимость" сосуда и т.д.);
Определенность подлежащих измерению свойств объекта (например, "температура в помещении не более...°С " допускает возможность различного толкования. Необходимо так изменить формулировку требования, чтобы было ясно, установлено ли это требование к максимальной или к средней температуре помещения, что будет в дальнейшем учтено при выполнении измерений);
Использование стандартизованных терминов.
Физические единицы
Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называетсяединицей физической величины.
Многие единицы физических величин воспроизводятся мерами, применяемыми для измерений (например, метр, килограмм). На ранних стадиях развития материальной культуры (в рабовладельческих и феодальных обществах) существовали единицы для небольшого круга физических величин - длины, массы, времени, площади, объёма. Единицы физических величин выбирались вне связи друг с другом, и притом различные в разных странах и географических районах. Так возникло большое количество часто одинаковых по названию, но различных по размеру единиц - локтей, футов, фунтов.
По мере расширения торговых связей между народами и развития науки и техники количество единиц физических величин увеличивалось и всё более ощущалась потребность в унификации единиц и в создании систем единиц. О единицах физических величин и их системах стали заключать специальные международные соглашения. В 18 в. во Франции была предложена метрическая система мер, получившая в дальнейшем международное признание. На её основе был построен целый ряд метрических систем единиц. В настоящее время происходит дальнейшее упорядочение единиц физических величин на базе Международной системы единиц (СИ).
Единицы физических величин делятся на системные, т. е. входящие в какую-либо систему единиц, и внесистемные единицы (например, мм рт. ст., лошадиная сила, электрон-вольт).
Системные единицы физических величин подразделяются на основные , выбираемые произвольно (метр, килограмм, секунда и др.), и производные , образуемые по уравнениям связи между величинами (метр в секунду, килограмм на кубический метр, ньютон, джоуль, ватт и т. п.).
Для удобства выражения величин, во много раз больших или меньших единиц физических величин, применяются кратные единицы (например, километр - 10 3 м, киловатт - 10 3 Вт) и дольные единицы (например, миллиметр - 10 -3 м, миллисекунда - 10-3 с)..
В метрических системах единиц кратные и дельные единицы физических величин (за исключением единиц времени и угла) образуются умножением системной единицы на 10 n , где n - целое положительное или отрицательное число. Каждому из этих чисел соответствует одна из десятичных приставок, принятых для образования кратных и дельных единиц.
В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ) была принята Международная системаединиц (SI).
Основными единицами в международной системе единиц являются: метр (м) – длина, килограмм (кг) – масса, секунда (с) – время, ампер (А) – сила электрического тока, кельвин (К) – термодинамическая температура, кандела (кд) – сила света, моль – количество вещества.
Наряду с системами физических величин в практике измерений по-прежнему используются так называемые внесистемные единицы. К их числу относятся, например: единицы давления – атмосфера, миллиметр ртутного столба, единица длины – ангстрем, единица количество теплоты – калория, единицы акустических величин – децибел, фон, октава, единицы времени – минута и час и т. п. Однако в настоящее время наметилась тенденция к их сокращению до минимума.
Международная система единиц имеет целый ряд достоинств: универсальность, унификация единиц для всех видов измерений, когерентность (согласованность) системы (коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях безразмерны), лучшее взаимопонимание между различными специалистами в процессе научно-технических и экономических связей между странами.
В настоящее время применение единиц физических величин в России узаконено Конституцией РФ (ст. 71) (стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени находятся в ведении Российской Федерации) и федеральным законом "Об обеспечении единства измерений". Статья 6 Закона определяет применение в Российской Федерации единиц величин Международной системы единиц, принятых Генеральной конференцией по мерам и весам и рекомендованные к применению Международной организацией законодательной метрологии. В то же время в Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин СИ внесистемные единицы величин, наименование, обозначения, правила написания и применения которых устанавливаются Правительством Российской Федерации.
В практической деятельности следует руководствоваться единицами физических величин, регламентированных ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».
Стандартом наряду с обязательным применением основных и производных единиц Международной системы единиц, а также десятичных кратных и дольных этих единиц допускается применять некоторые единицы, не входящие в СИ, их сочетания с единицами СИ, а также некоторые нашедшие широкое применение на практике десятичные кратные и дольные перечисленных единиц.
Стандарт определяет правила образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ с помощью множителей (от 10 –24 до 10 24) и приставок, правила написания обозначений единиц, правили образования когерентных производных единиц СИ
Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ приведены в табл.
Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ
| Десятичный множитель | Приставка | Обозначение приставки | Десятичный множитель | Приставка | Обозначение приставки | ||
| межд. | рус | межд. | русс | ||||
| 10 24 | иотта | Y | И | 10 –1 | деци | d | д |
| 10 21 | зетта | Z | З | 10 –2 | санти | c | с |
| 10 18 | экса | E | Э | 10 –3 | милли | m | м |
| 10 15 | пета | P | П | 10 –6 | микро | µ | мк |
| 10 12 | тера | T | Т | 10 –9 | нано | n | н |
| 10 9 | гига | G | Г | 10 –12 | пико | p | п |
| 10 6 | мега | M | М | 10 –15 | фемто | f | ф |
| 10 3 | кило | k | к | 10 –18 | атто | a | а |
| 10 2 | гекто | h | г | 10 –21 | зепто | z | з |
| 10 1 | дека | da | да | 10 –24 | иокто | y | и |
Когерентные производные единицы Международной системы единиц, как правило, образуют с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых числовые коэффициенты равны 1. Для образования производных единиц обозначения величин в уравнениях связи заменяют обозначениями единиц СИ.
Если уравнение связи содержит числовой коэффициент, отличный от 1, то для образования когерентной производной единицы СИ в правую часть подставляют обозначения величин со значениями в единицах СИ, дающими после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное 1.
Введение
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются измерения таких величин, как длина, объем, вес, время.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности .
Наука, экономика, промышленность и коммуникации не могут существовать без измерений. Каждую секунду в мире производятся миллионы измерительных операций, результаты которых используются для обеспечения качества и технического уровня выпускаемой продукции, безопасности и безаварийной работы транспорта, обоснования медицинских диагнозов, анализа информационных потоков. Практически нет ни одной сферы деятельности человека, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля. Особенно возросла роль измерений в век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космических полетов и развития медицинской техники.
Требования к точности, надежности, эффективности функционирования технических систем различного назначения постоянно повышаются. Обеспечить указанные показатели не возможно без измерения большого количества параметров и характеристик разнообразных устройств, систем и процессов. Поскольку по результатам измерений принимаются весьма ответственные решения, то должна быть уверенность в точности и достоверности результатов измерения. В медицине особенно важна точность измерений, так как живой организм является сложной системой, которую очень трудно изучить, и от точности зависит жизнь человека и его здоровье.
Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент, обеспечивающий на практике высокое качество измерений, независимо от того, где и с какой целью они производятся. Таким фундаментом является метрология.
Физическая величина и ее измерение
Физическая величина
Объектом метрологии являются физические величины. Существуют различные физические объекты, обладающие разнообразными физическими свойствами, количество которых неограниченно. Человек в своем стремлении познать физические объекты - объекты познания - выделяет некоторое ограниченное количество свойств, общих для ряда объектов в качественном отношении, но индивидуальных для каждого из них в количественном отношении. Такие свойства получили название физических величин .
Физическая величина - одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
Физические величины используются для характеристики различных объектов, явлений и процессов. Разделяют основные и производные от основных величины. Семь основных и две дополнительных величины установлены в Международной системе единиц. Это длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света и сила электрического тока, дополнительные единицы - это радиан и стерадиан.
Метрология изучает и имеет дело только с измерениями физических величин, т.е. величин, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая единица величины. Однако нередко к измерениям неправомерно относят различного рода оценивания таких свойств, которые формально хотя и попадают под приведенное определение физической величины, но не позволяют реализовать соответствующую единицу. Так, широко распространенную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта; оценку качества продукции - измерением качества. И хотя в этих процедурах частично используются метрологические идеи и методы, они не могут квалифицироваться как измерения в том смысле, как это принято в метрологии. Таким образом, в дополнении к приведенному определению, подчеркнем, что возможность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».
Качественная определенность физической величины называется родом физической величины . Соответственно, физические величины одного рода называются однородными , разного рода - неоднородными . Так, длина и диаметр детали - однородные величины, длина и масса детали - неоднородные.
Количественно физическая величина характеризуется размером, который выражается ее значением.
Размер физической величины - количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Чтобы оценить значение размера физической величины, необходимо его выразить понятным и удобным образом. Поэтому размер данной физической величины сравнивают с некоторым размером однородной с ней физической величины, принятым за единицу, т.е. вводят единицу измерения данной физической величины.
Единица измерения физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Введение единицы измерения данной физической величины позволяет определить ее значение.
Значение физической величины - выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Значение физической величины включает числовое значение физической величины и единицу измерения. Нахождение значения физической величины является целью измерения и его конечным результатом.
Нахождение истинного значения измеряемой величины является центральной проблемой метрологии. Стандарт определяет истинное значение как значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойства объекта. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно. Поэтому в практике оперируют понятием действительного значения.
Действительное значение - значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Гармонические колебания Физика формула частоты колебаний