Физические величины, их классификация

Измерение – совокупность преимущественно экспериментальных операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины, позволяющего сопоставить измеряемую величину с ее единицей и получить

искомое значение величины. Это значение называют результатом измерения.

Для установления различия в количественном значении отображаемого объекта введено понятие физической величины.

Физической величиной (ФВ) называется одно из свойств физического объекта (явления, процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта (рис. 4.1).

Например, плотность, напряжение, показатель преломления и пр.

Так, используя измерительный прибор, например вольтметр постоянного электрического тока, мы измеряем напряжение в вольтах той или иной электрической цепи, сравнивая положение указателя (стрелки) с единицей электрического напряжения, хранимой шкалой вольтметра. Найденное значение напряжения как некоторое число вольт представляет результат измерения.

Классификация физических величин

Рис. 4.1. Классификация физических величин

Отличительным признаком величины может быть единица измерения, методика выполнения измерения, стандартный образец или их комбинация.

При практической необходимости измерить можно не только физическую величину, но и любой физический и нефизический объект.

Если масса какого-либо тела составляет 50 кг, то речь идет о размере физической величины.

Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту (явлению, процессу).

Истинный размер физической величины является объективной реальностью, которая не зависит от того, измеряют соответствующую характеристику свойств объекта или нет. Действительное значение физической величины находится экспериментальным путем. От истинного значения оно отличается величиной погрешности.

Размер величины зависит от того, какая единица принята при измерениях величины.

Размер может выражаться в виде отвлеченного числа, без указания единицы измерения, что соответствует числовому значению физической величины. Количественная оценка физической величины, представленная числом с указанием единицы этой величины, называется значением физической величины.

Можно говорить о размерах разных единиц данной физической величины. В этом случае размер, например, килограмма отличается от размера фунта (1 ф. = 32 лотам = = 96 золотникам = 409,512 г), пуда (1 п. = 40 ф. = 1280 лотам = = 16,3805 кг) и т.д.

Следовательно, разные толкования физических величин в разных странах должны быть учтены, иначе это может привести к непреодолимым затруднениям, даже к катастрофам.

Так, в 1984 г. канадский пассажирский самолет Boeing-647 произвел вынужденную посадку на автомобильный полигон после того, как при полете на высоте 10 тыс. м отказали двигатели по причине израсходованного горючего. Объяснением этого происшествия явилось то, что на самолете приборы были градуированы в литрах, а приборы канадской авиакомпании, заправлявшей самолет, были градуированы в галлонах (примерно 3,8 л). Таким образом, горючего было заправлено почти в четыре раза меньше, чем требовалось.

Итак, если имеется некоторая величина X, принятая для нее единица измерения равна [X], то значение конкретной физической величины может быть вычислено по формуле

Х = q [Х], (4.1)

где q – числовое значение физической величины; [X] – единица физической величины.

Например, длина трубы l = 5м, где l – значение длины, 5 – ее числовое значение, м – принятая в данном случае единица длины.

Уравнение (4.1) называется основным уравнением измерений, показывающим, что числовое значение величины зависит от размера принятой единицы измерения.

В зависимости от области сопоставления величины могут быть однородные и неоднородные. Например, диаметр, длина окружности, длина волны, как правило, рассматриваются как однородные величины, относящиеся к величине, называемой длиной.

В рамках одной системы величин однородные величины имеют одинаковую размерность. Однако величины одинаковой размерности не всегда являются однородными. Например, момент силы и энергия не являются однородными величинами, но имеют одинаковую размерность.

Система величин представляет собой совокупность величин вместе с совокупностью непротиворечивых уравнений, связывающих эти величины.

Основная величина представляет собой величину, которая условно выбирается для данной системы величин и входит в набор основных величин. Например, основные величины системы СИ. Основные величины не связаны друг с другом.

Производная величина системы величин определяется через основные величины этой системы. Например, в системе величин, где основными величинами являются длина и масса, массовая плотность является производной величиной, которая определяется как частное от деления массы на объем (длина в третьей степени).

Кратная единица получается путем умножения данной единицы измерения на целое число, большее, чем единица. Например, километр есть десятичная единица, кратная метру; а час есть недесятичная единица, кратная секунде.

Дольная единица получается путем деления единицы измерения на целое число, большее, чем единица. Например, миллиметр есть десятичная единица, дольная от метра.

Внесистемная единица измерения не принадлежит к данной системе единиц. Например, день, час, минута – это внесистемные единицы измерения по отношению к системе СИ.

Введем еще одно важное понятие – измерительное преобразование.

Под ним понимается процесс установления взаимно однозначного соответствия между размерами двух величин: преобразуемой величины (входной) и преобразованной в результате измерения (входной).

Множество размеров входной величины, подвергаемой преобразованию с помощью технического устройства – измерительного преобразователя, называется диапазоном преобразования.

Измерительное преобразование может осуществляться различным образом в зависимости от видов физических величин, которые принято подразделять на три группы.

Первая группа представляет величины, на множестве размеров которых определены только их отношения в виде сопоставлений "слабее – сильнее", "мягче – тверже", "холоднее – теплее" и др.

Указанные отношения устанавливаются на основе теоретических или экспериментальных исследований и называются отношениями порядка (отношениями эквивалентности).

К величинам первой группы относятся, например, сила ветра (слабый, сильный, умеренный, шторм и т.д.), твердость, характеризуемая способностью исследуемого тела сопротивляться вдавливанию или царапанию.

Вторая группа представляет величины, для которых отношения порядка (эквивалентности) определяются не только между размерами величин, но также между разностями величин в парах их размеров.

К ним относятся, например, время, энергия, температура, определяемая по шкале жидкостного термометра.

Возможность сравнения разностей размеров этих величин заключена в определении величин второй группы.

Так, при использовании ртутного термометра разности температур (например, в пределах от +5 до +10°С) считаются равными. Таким образом, в данном случае имеет место как отношение порядка величин (25 "теплее", чем 10°С), так и отношение эквивалентности между разностями в парах размеров величин: разность пары (25–20°С) соответствует разности пары (10–5°С).

В обоих случаях отношение порядка однозначно устанавливается с помощью средства измерений (измерительного преобразователя), каким является упомянутый жидкостной термометр.

Нетрудно сделать вывод, что температура относится к величинам и первой, и второй групп.

Третья группа величин характеризуется тем, что на множестве их размеров (кроме указанных отношений порядка и эквивалентности, свойственных величинам второй группы) возможно выполнение операций, подобных сложению или вычитанию (свойство аддитивности).

К величинам третьей группы относится значительное число физических величин, например, длина, масса.

Так, два тела массой каждое 0,5 кг, поставленные на одну из чашек равноплечных весов, уравновешиваются гирей массой 1 кг, помещенной на другую чашу.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >