Какие существуют физические величины. Физические величины и их измерения

ВВЕДЕНИЕ

Физическая величина - характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта.

Индивидуальность понимается в том смысле, что значение величины или размер величины может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого.

Значение физической величины - оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц или числа по принятой для нее шкале. Например, 120 мм - значение линейной величины; 75 кг - значение массы тела.

Различают истинное и действительное значения физической величины. Истинное значение - значение, идеально отражающее свойство объекта. Действительное значение - значение физической величины, найденное экспериментально, достаточно близкое к истинному значению, которое можно использовать вместо него.

Измерение физической величины – это совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу, или воспроизводящую шкалу физической величины, заключающееся в сравнении (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей или шкалой с целью получения значения этой величины в форме, наиболее удобной для использования.

Различают три вида физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам.

К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения порядка и эквивалентности. Это отношения типа "мягче", "тверже", "теплее", "холоднее" и т.д.

К величинам такого рода относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела; температура, как степень нагретости тела и т.п.

Существование таких соотношений устанавливается теоретически или экспериментально с помощью специальных средств сравнения, а также на основе наблюдений за результатами воздействия физической величины на какие-либо объекты.

Для второго вида физических величин отношение порядка и эквивалентности имеет место как между размерами, так и между разностями в парах их размеров.

Характерный пример – шкала интервалов времени. Так, разности интервалов времени считаются равными, если расстояния между соответствующими отметками равны.

Третий вид составляют аддитивные физическиевеличины.

Аддитивными физическими величинами называются величины, на множестве размеров которых определены не только отношения порядка и эквивалентности, но операции сложения и вычитания

К таким величинам относятся, например, длина, масса, сила тока и т.п. Их можно измерять по частям, а также воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании отдельных мер.

Сумма масс двух тел - это масса такого тела, которое уравновешивается на равноплечных весах первые два.

Размеры любых двух однородных ФВ или два любых размера одной и той же ФВ можно сравнивать между собой, т. е. находить, во сколько раз один больше (или меньше) другого. Чтобы сравнить между собой m размеров Q", Q", ... , Q (m) , необходимо рассмотреть С m 2 их отношений. Легче сравнить каждый их них с одним размером [Q] однородной ФВ, если принять его за единицу размера ФВ, (сокращенно - за единицу ФВ). В результате такого сравнения получаем выражения размеров Q", Q", ... , Q (m) в виде некоторых чисел n", n", .. . ,n (m) единиц ФВ: Q" = n" [Q]; Q" = n"[Q]; ...; Q (m) = n (m) [Q]. Если сравнение выполняется экспериментально, то потребуется всего m экспериментов (вместо C m 2), а сравнение размеров Q", Q", ... , Q (m) между собой может быть выполнено только путем вычислений типа

где n (i) /n (j) – отвлеченные числа.

Равенство типа

называют основным уравнением измерения, где n [Q] – значение размера ФВ (сокращенно - значение ФВ). Значение ФВ представляет собой именованное число, составленное из числового значения размера ФВ, (сокращенно - числового значения ФВ) и наименования единицы ФВ. Например, при n = 3,8 и [Q] = 1 грамм размер массы Q = n [Q] = 3,8 грамма, при n = 0,7 и [Q] =1 ампер размер силы тока Q = n [Q] = 0,7 ампера. Обычно вместо «размер массы равен 3,8 грамма», «размер силы тока равен 0,7 ампера» и т. п. говорят и пишут более кратко: «масса равна 3,8 грамма», «сила тока равна 0,7 ампера» и т. п.

Размеры ФВ чаще всего узнают в результате их измерения. Измерение размера ФВ (сокращенно - измерение ФВ) состоит в том, что опытным путем с помощью специальных технических средств находят значение ФВ и оценивают близость этого значения к значению, идеально отображающему размер этой ФВ. Найденное таким образом значение ФВ будем называть номинальным.

Один и тот же размер Q может быть выражен разными значениями с различными числовыми значениями в зависимости от выбора единицы ФВ (Q = 2 часа = 120 минут = 7200 секунд = = 1/12 суток). Если взять две различные единицы и , то можно написать Q = n 1 и Q = n 2 , откуда

n 1 /n 2 = /,

т. е. числовые значения ФВ обратно пропорциональны ее единицам.

Из того что размер ФВ не зависит от выбранной ее единицы, вытекает условие однозначности измерений, заключающееся в том, что отношение двух значений некоторой ФВ не должно зависеть от того, какие единицы использовались при измерении. Например, отношение скоростей автомобиля и поезда не зависит от того, выражены ли эти скорости в километрах в час или в метрах в секунду. Это условие, кажущееся на первый взгляд непреложным, к сожалению, пока еще не удается соблюсти при измерении некоторых ФВ (твердости, светочувствительности и др.).

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1 Понятие о физической величине

Вес объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство - категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина - это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Анализ величин позволяет разделить (рис. 1) их на два вида: величины материального вида (реальные) и величины идеальных моделей реальности (идеальные), которые относятся главным образом к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.

Реальные величины, в свою очередь, делятся на физические и нефизические. Физическая величина в самом общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим величинам следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и т.п.

Рис. 1. Классификация величин.

Документ РМГ 29-99 трактует физическую величину как одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования таких единиц является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины - упорядоченная совокупность значений величины, служащая исходной основой для измерения данной величины.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.

Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп. Возможные классификации ФВ приведены на рис. 2.

По видам явлений ФВ делятся на:

Вещественные, т.е. величины, 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 эти ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ 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 вида спектральные характеристики, корреляционные функции и другие параметры.

Физическая величина - это свойство, общее в качественном отношении многим объектам (системам, их состояниям и проис­ходящим в них процессам), но в количественном отношении ин­дивидуальное для каждого объекта.

Индивидуальность в количественном отношении следует пони­мать в том смысле, что свойство может быть для одного объек­та в определенное число раз больше или меньше, чем для дру­гого.

Как правило, термин «величина» применяют в отношении свойств или их характеристик, которые можно оценить коли­чественно, т. е. измерить. Существуют такие свойства и характери­стики, которые еще не научились оценивать количественно, но стремятся найти способ их количественной оценки, например за­пах, вкус и т. п. Пока не научимся их измерять, следует называть их не величинами, а свойствами.

В стандарте есть только термин «физическая величина», а сло­во «величина» дано как краткая форма основного термина, кото­рую разрешается применять в случаях, исключающих возможность различного толкования. Другими словами, можно называть физи­ческую величину кратко величиной, если и без прилагательного очевидно, что речь идет о физической величине. В дальнейшем тексте настоящей книги краткая форма термина «величина» при­меняется только в указанном смысле.

В метрологии слову «величина» придано терминологическое значе­ние путем наложения ограничения в виде прилагательного «физи­ческая». Словом «величина» часто пытаются выразить размер дан­ной конкретной физической величины. Говорят: величина давле­ния, величина скорости, величина напряжения. Это неправильно, так как давление, скорость, напряжение в правильном понимании этих слов являются величинами, и говорить о величине величины нельзя. В приведенных выше случаях применение слова «величина» является лишним. Действительно, зачем говорить о большой или малой «величине» давления, когда можно сказать: большое или ма­лое давление и т.п..

Физическая величина отображает свойства объектов, которые можно выражать количественно в принятых единицах. Всякое измерение реали­зует операцию сравнения однородных свойств физических величин по признаку "больше-меньше". В результате сравнения каждому размеру измеряемой величины приписывается положительное действительное число:

х = q [х] , (1.1)

где q- числовое значение величины или результат сравнения; [х] - единица величины.

Единица физической величины - физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице. Можно сказать также, что единица физической величины - такое ее значение, ко­торое принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же рода при их количественной оценке.

Уравнение (1.1) является основным уравнением измерения. Числовое значение q находят следующим образом

следовательно, оно зависит от принятой единицы измерения .

1. Системы единиц физических величин

При проведении любых измерений измеряемая величина сравнивается с другой однородной с ней величиной, принятой за единицу. Для построения системы единиц выбирают произвольно несколько физических величин. Они называются основными. Величины, определяемые через основные, называ­ются производными. Совокупность основных и производных величин называ­ется системой физических величин.

В общем виде связь между производной величиной Z и основными мо­жет быть представлена следующим уравнением:

Z = L  M  T  I    J  ,

где L , М, Т, I , ,J - основные величины;,,,,,- показатели раз­мерности. Эта формула называется формулой размерности. Система величин мо­жет состоять как из размерных, так и безразмерных величин. Размерной называется величина, в размерности которой хотя бы одна из основных величин возведена в степень, не равную нулю. Безразмерной называется величина, в размерность которой ос­новные величины входят в степени, равной нулю. Безразмерная величина одной системы величин может быть размерной величи­ной в другой системе. Система физических величин используется для построения системы единиц физиче­ских величин.

Единица физической величины представляет собой значение этой вели­чины, принятое за основание для сравнения с ней значений величин того же рода при их количественной оценке. Ей по определению присвоено числовое зна­чение, равное 1.

Единицы основных и производных величин называются соответственно ос­новными и производными единицами, их совокупность называется системой единиц. Выбор единиц в пределах си­стемы в какой-то мере произволен. Однако в качестве основных единиц выбирают такие, которые, во-первых, могут быть воспро­изведены с наивысшей точностью, а во-вторых, удобны в прак­тике измерений или их воспроизведения. Единицы величин, вхо­дящих в систему, называются системными. Кроме системных единиц, применяются и внесистемные единицы. Внесистемные единицы - это единицы, не входящие в систему. Они удобны для отдельных областей науки и техники или регионов и поэтому получили ши­рокое распространение. К внесистемным единицам относятся: единица мощности - лошадиная сила, единица энергии - киловатт-час, единицы времени - час, сутки, единица температуры - градус Цельсия и многие другие . Они возникли в процессе развития техники измерений для удовлетворения практических потребностей или введены для удобства пользования ими при измерениях. С теми же целями применяются кратные и дольные единицы величин.

Кратной единицей называется такая, которая в целое число раз больше системной или внесистемной единицы: килогерц, мегаватт. Дольной единицей называется такая, которая в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы: миллиампер, микровольт. Строго говоря, многие внесистемные единицы могут рассматриваться как кратные или дольные еди­ницы.

В науке и технике широко распространены также относитель­ные и логарифмические величины и их единицы, которыми ха­рактеризуются усиление и ослабление электрических сигналов, коэффициенты модуляции, гармоник и т.д. Относительные вели­чины могут выражаться в безразмерных относительных едини­цах, в процентах, в промилле. Логарифмическая величина пред­ставляет собой логарифм (в радиоэлектронике обычно десятич­ный) безразмерного отношения двух одноименных величин. Единицей логарифмической величины является бел (Б), опреде­ляемый соотношением:

N = lg P 1/ / P 2 = 2 lg F 1 / F 2 , (1.2)

где P 1 ,P 2 - одноименные энергетические величины (значения мощности, энергии, потока плотности мощности и т.п.);F 1 , F 2 - одноименные силовые величины (напряжение, сила тока, напряженность электромагнитного поля и т.п.).

Как правило, применяют дольную единицу от бела, называемую децибелом, равным 0,1 Б. В этом случае в формуле (1.2) после знаков равенства добавляется дополнительный множи­тель 10. Например, отношение напряжений U 1 /U 2 = 10 соответ­ствует логарифмической единице 20 дБ.

Имеется тенденция к применению естественных систем единиц, основанных на универсальных физических постоянных (констан­тах), которые могли бы быть приняты в качестве основных еди­ниц: скорость света, постоянная Больцмана, постоянная Планка, заряд электрона и т.п. . Преимуществом такой системы явля­ется постоянство основания системы и высокая стабильность кон­стант. В некоторых эталонах такие постоянные уже используются: эталон единицы частоты и длины, эталон единицы постоян­ного напряжения. Но размеры единиц величин, основанных на константах, на современном уровне развития техники неудобны для практических измерений и не обеспечивают необходимой точ­ности получения всех производных единиц. Однако такие досто­инства естественной системы единиц, как неразрушаемость, не­изменность во времени, независимость от местоположения сти­мулируют работы по изучению возможности их практического применения.

Впервые совокупность основных и производных единиц, образующих систему, предложил в 1832 г. К. Ф. Гаусс. В качестве основных единиц в этой системе приняты три произвольные еди­ницы-длина, масса и время, соответственно равные милли­метру, миллиграмму и секунде. Позднее были предложены и дру­гие системы единиц физических величин, базирующихся на мет­рической системе мер и различающихся основными единицами. Но все они, удовлетворяя одних специалистов, вызывали возра­жения других. Это требовало создания новой системы единиц. В какой-то мере удалось разрешить существовавшие противоре­чия после принятия в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам Международной системы единиц, названной сокращенно СИ (SI). В России она вна­чале была принята как предпочтительная (1961 г.), а затем по­сле введения в действие ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы фи­зических величин» - и как обязательная во всех областях науки, техники, народного хо­зяйства, а также во всех учебных заведениях.

В качестве основных в Международной системе единиц (СИ) выбраны семь следующих единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела, моль.

Международная система единиц включает в себя две дополни­тельные единицы - для измерения плоского и телесного углов. Эти единицы не могут быть введены в разряд основных, так как они определяются отношением двух величин. В то же время они не яв­ляются производными единицами, так как не зависят от выбора основных единиц.

Радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружнос­ти, дуга между которыми по длине равна радиусу.

Стерадиан (ср) - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности. сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы .

В соответствии с Законом об обеспечении единства измерений в Российской Федерации в установленном порядке допускаются к применению единицы ве­личин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, ре­комендованные Международной организацией за­конодательной метрологии.

Наименования, обозначения и правила написа­ния единиц величин, а также правила их приме­нения на территории Российской Федерации уста­навливает правительство Российской Федерации, за исключением случаев, предусмотренных акта­ми законодательства Российской Федерации.

Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с едини­цами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин.

Физика как наука, изучающая явления природы, использует стандартную методику исследования. Основными этапами можно назвать: наблюдение, выдвижение гипотезы, проведение эксперимента, обоснование теории. В ходе наблюдения устанавливаются отличительные черты явления, ход его течения, возможные причины и последствия. Гипотеза позволяет пояснить ход явления, установить его закономерности. Эксперимент подтверждает (или не подтверждает) справедливость гипотезы. Позволяет установить количественное соотношение величин в ходе опыта, что приводит к точному установлению зависимостей. Подтвержденная в ходе опыта гипотеза ложится в основу научной теории.

Ни одна теория не может претендовать на достоверность, если не получила полного и безоговорочного подтверждения в ходе эксперимента. Проведение последнего сопряжено с измерениями физических величин, характеризующих процесс. - это основа измерений.

Что это такое

Измерение касается тех величин, которые подтверждают справедливость гипотезы о закономерностях. Физическая величина - это научная характеристика физического тела, качественное отношение которой является общим для множества аналогичных тел. Для каждого тела такая количественная характеристика сугубо индивидуальна.

Если обратиться к специальной литературе, то в справочнике М. Юдина и др. (1989 года издания) читаем, что физическая величина это: “характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта”.

Словарь Ожегова (1990 года издания) утверждает, что физическая величина это - "размер, объем, протяженность предмета".

К примеру, длина - физическая величина. Механика длину трактует как пройденное расстояние, электродинамика использует длину провода, в термодинамике аналогичная величина определяет толщину стенок сосудов. Суть понятия не меняется: единицы величин могут быть одинаковыми, а значение - различным.

Отличительной чертой физической величины, скажем, от математической, является наличие единицы измерения. Метр, фут, аршин - примеры единиц измерения длины.

Единицы измерения

Чтобы измерить физическую величину, ее следует сравнить с величиной, принятой за единицу. Вспомните замечательный мультфильм «Сорок восемь попугаев». Чтобы установить длину удава, герои измеряли его длину то в попугаях, то в слонятах, то в мартышках. В этом случае длину удава сравнивали с ростом других героев мультфильма. Результат количественно зависел от эталона.

Величины - мера ее измерения в определенной системе единиц. Путаница в этих мерах возникает не только вследствие несовершенства, разнородности мер, но иногда и из-за относительности единиц.

Русская мера длины - аршин - расстояние между указательным и большим пальцами руки. Однако руки у всех людей разные, и аршин, измеренный рукой взрослого мужчины, отличается от аршина на руке ребенка или женщины. Такое же несоответствие мер длины касается сажени (расстояние между кончиками пальцев расставленных в стороны рук) и локтя (расстояние от среднего пальца до локтя руки).

Интересно, что в лавки приказчиками брали мужчин небольшого роста. Хитрые купцы экономили ткань при помощи несколько меньших мерил: аршин, локоть, сажень.

Системы мер

Такое разнообразие мер существовало не только в России, но и в других странах. Введение единиц измерения зачастую было произвольным, иногда эти единицы вводились только вследствие удобства их измерения. Например, для измерения атмосферного давления ввели мм ртутного столба. Известный в котором использовалась трубка, заполоненная ртутью, позволил ввести такую необычную величину.

Мощность двигателей сравнивали с (что практикуется и в наше время).

Различные физические величины измерение физических величин делали не только сложными и недостоверными, но и усложняющими развитие науки.

Единая система мер

Единая система физических величин, удобная и оптимизированная в каждой промышленно развитой стране, стала насущной необходимостью. За основу была принята идея выбора как можно меньшего количества единиц, с помощью которых в математических соотношениях можно было бы выразить и другие величины. Такие основные величины не должны быть связаны друг с другом, их значение определяется однозначно и понятно в любой экономической системе.

Эту проблему решить пытались в различных странах. Создание единой СГС, МКС и другие) предпринималось неоднократно, но эти системы были неудобны либо с научной точки зрения, либо в бытовом, промышленном применении.

Задачу, поставленную в конце 19 века, решить получилось только в 1958 году. На заседании Международного комитета законодательной метрологии была представлена унифицированная система.

Унифицированная система мер

1960 год ознаменовался историческим заседанием Генеральной конференции по мерам и весам. Уникальная система, названная «Systeme internationale d"unites» (сокращенно SI) была принята решением этого почетного собрания. В российской версии эта система названа Система интернациональная (аббревиатура СИ).

За основу приняты 7 основных единиц и 2 дополнительных. Их численное значение определяется в виде эталона

Таблица физических величин СИ

Наименование основной единицы	Измеряемая величина	Обозначение
		Интернациональное	российское
Основные единицы
килограмм
	Сила тока
	Температура
	Количество вещества
	Сила света
Дополнительные единицы
	Плоский угол
Стерадиан	Телесный угол

Сама система не может состоять только из семи единиц, поскольку разнообразие физических процессов в природе требует введения все новых и новых величин. В самой структуре предусмотрено не только внедрение новых единиц, но и их взаимосвязь в виде математических соотношений (их чаще называют формулами размерностей).

Единица физической величины получается с применением умножения, и деления основных единиц в формуле размерностей. Отсутствие числовых коэффициентов в таких уравнениях делает систему не только удобной во всех отношениях, но и когерентной (согласованной).

Производные единицы

Единицы измерения, которые формируются из семи основных, получили название производных. Кроме основных и производных единиц, возникла необходимость введения дополнительных (радиан и стерадиан). Их размерность принято считать нулевой. Отсутствие измерительных приборов для их определения делает невозможным их измерение. Их введение обусловлено применением в теоретических исследованиях. Например, физическая величина «сила» в этой системе измеряется в ньютонах. Поскольку сила - мера взаимного действия тел друг на друга, являющаяся причиной варьирования скорости тела определенной массы, то определить ее можно как произведение единицы массы на единицу скорости, деленную на единицу времени:

F = k٠M٠v/T, где k - коэффициент пропорциональности, M - единица массы, v - единица скорости, T - единица времени.

СИ дает следующую формулу размерностей: Н = кг٠м/с 2 , где использованы три единицы. И килограмм, и метр, и секунда отнесены к основным. Коэффициент пропорциональности равен 1.

Возможно введение безразмерных величин, которые определяются в виде соотношения однородных величин. К таковым можно отнести как известно, равный отношению силы трения к силе нормального давления.

Таблица физических величин, производных от основных

Наименование единицы	Измеряемая величина	Формула размерностей
		кг٠м 2 ٠с -2
	давление	кг٠ м -1 ٠с -2
	магнитная индукция	кг ٠А -1 ٠с -2
	электрическое напряжение	кг ٠м 2 ٠с -3 ٠А -1
	Электрическое сопротивление	кг ٠м 2 ٠с -3 ٠А -2
	Электрический заряд
	мощность	кг ٠м 2 ٠с -3
	Электрическая емкость	м -2 ٠кг -1 ٠c 4 ٠A 2
Джоуль на Кельвин	Теплоемкость	кг ٠м 2 ٠с -2 ٠К -1
Беккерель	Активность радиоактивного вещества
	Магнитный поток	м 2 ٠кг ٠с -2 ٠А -1
	Индуктивность	м 2 ٠кг ٠с -2 ٠А -2
	Поглощенная доза
	Эквивалентная доза излучения
	Освещенность	м -2 ٠кд ٠ср -2
	Световой поток
	Сила, вес	м ٠кг ٠с -2
	Электрическая проводимость	м -2 ٠кг -1 ٠с 3 ٠А 2
	Электрическая емкость	м -2 ٠кг -1 ٠c 4 ٠A 2

Внесистемные единицы

Использование исторически сложившихся величин, не входящих в СИ или отличающихся только числовым коэффициентом, допускается при измерении величин. Это внесистемные единицы. Например, мм ртутного столба, рентген и другие.

Числовые коэффициенты используются для введения дольных и кратных величин. Приставки соответствуют определенному числу. Примером могут служить санти-, кило-, дека-, мега- и многие другие.

1 километр = 1000 метров,

1 сантиметр = 0,01 метра.

Типология величин

Попытаемся указать несколько основных признаков, которые позволяют установить тип величины.

1. Направление. Если действие физической величины напрямую связано с направлением, ее называют векторной, иные - скалярные.

2. Наличие размерности. Существование формулы физических величин дает возможность называть их размерными. Если в формуле все единицы имеют нулевую степень, то их называют безразмерными. Правильнее было бы назвать их величинами с размерностью, равной 1. Ведь понятие безразмерной величины нелогично. Основное свойство - размерность - никто не отменял!

3. По возможности сложения. Аддитивная величина, значение которой можно складывать, вычитать, умножать на коэффициент и т. д. (например, масса) - физическая величина, являющаяся суммируемой.

4. По соотношению с физической системой. Экстенсивная - если ее значение можно составить из значений подсистемы. Примером может служить площадь, измеряемая в метрах квадратных. Интенсивная - величина, значение которой не зависит от системы. К таковым можно отнести температуру.

Измерения основаны на сравнении одинаковых свойств материаль­ных объектов. Для свойств, при количественном сравнении которых при­меняются физические методы, в метрологии установлено единое обоб­щенное понятие - физическая величина. Физическая величина- свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта, напри­мер, длина, масса, электропроводность и теплоемкость тел, давление газа в сосуде и т. п. Но запах не является физической величиной, так как он устанавливается с помощью субъективных ощущений.

Мерой для количественного сравнения одинаковых свойств объек­тов служит единица физической величины - физическая величина, которой по соглашению присвоено числовое значение, равное 1. Единицам физи­ческих величин присваивается полное и сокращенное символьное обозна­чение - размерность. Например, масса - килограмм (кг), время - се­кунда (с), длина - метр (м), сила - Ньютон (Н).

Значение физической величины - оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц - характеризует количествен­ную индивидуальность объектов. Например, диаметр отверстия - 0,5 мм, радиус земного шара - 6378 км, скорость бегуна - 8 м/с, скорость све­та - 3 10 5 м/с.

Измерением называется нахождение значения физической величины с помощью специальных технических средств. Например, измерение ди­аметра вала штангенциркулем или микрометром, температуры жидкости - термометром, давления газа - манометром или вакуумметром. Значение физической величины х^, полученное при измерении, определяют по формуле х^ = аи, где а- числовое значение (размер) физической величины; и - единица физической величины.

Так как значения физических величин находят опытным путем, они содержат погрешность измерений. В связи с этим различают истинное и действительное значения физических величин. Истинное значение - зна­чение физической величины, которое идеальным образом отражает в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Оно является пределом, к которому приближается значение физической величины с повышением точности измерений.

Действительное значение - значение физической величины, найден­ное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинно­му значению, что для определенной цели может быть использовано вме­сто него. Это значение изменяется в зависимости от требуемой точнос­ти измерений. При технических измерениях значение физической вели­чины, найденное с допустимой погрешностью, принимается за действи­тельное значение.

Погрешность измерения есть отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Абсолютной погрешностью называют погрешность измерения, выраженную в единицах измеряемой величины: Ах = х^- х, где х- истинное значение измеряемой величи­ны. Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению физической величины: 6=Ах/х. Отно­сительная погрешность может быть выражена также в процентах.

Поскольку истинное значение измерения остается неизвестным, на практике можно найти лишь приближенную оценку погрешности изме­рения. При этом вместо истинного значения принимают действительное значение физической величины, полученное при измерениях той же ве­личины с более высокой точностью. Например, погрешность измерения линейных размеров штангенциркулем составляет ±0,1 мм, а микромет­ром - ± 0,004 мм.

Точность измерений может быть выражена количественно как обрат­ная величина модуля относительной погрешности. Например, если по­грешность измерения ±0,01, то точность измерения равна 100.

Что означает измерить физическую величину? Что называют единицей физической величины? Здесь вы найдете ответы на эти очень важные вопросы.

1. Узнаем, что называется физической величиной

Издавна люди для более точного описания каких-нибудь событий, явлений, свойств тел и веществ используют их характеристики. Например, сравнивая тела, которые нас окружают, мы говорим, что книга меньше, чем книжный шкаф, а конь больше кошки. Это означает, что объем коня боль­ше объема кошки, а объем книги меньше объема шкафа.

Объем - пример физической величины, которая характеризует общее свойство тел занимать ту или иную часть пространства (рис. 1.15, а). При этом числовое значение объема каждого из тел индивидуально.

Рис. 1.15 Для характеристики свойства тел занимать ту или иную часть пространства мы используем физическую величину объем (о, б), для характеристики движения - скорость (б, в)

Общая характеристика многих материальных объектов или явлений, которая может приобретать индивидуальное значение для каждого из них, называется физической величиной .

Еще одним примером физической величины может служить известное вам понятие «скорость». Все движущиеся тела изменяют свое положение в про­странстве с течением времени, однако быстрота этого изменения для каждого тела различна (рис. 1.15, б, в). Так, самолет за I с полета успевает изменить свое положение в пространстве на 250 м, автомобиль - на 25 м, человек - на I м, а черепаха - всего на несколько сантиметров. Поэтому физики и говорят, что ско­рость - это физическая величина, которая характеризует быстроту движения.

Нетрудно догадаться, что объем и скорость,- это далеко не все физичес­кие величины, которыми оперирует физика. Масса, плотность, сила, темпе­ратура, давление, напряжение, освещенность - это лишь малая часть тех физических величин, с которыми вы познакомитесь, изучая физику .

2. Выясняем, что означает измерить физическую величину

Для того чтобы количественно описать свойства какого-либо матери­ального объекта или физического явления, необходимо установить значение физической величины, которая характеризует данный объект или явление.

Значение физических величин получают путем измерений (рис. 1.16- 1.19) или вычислений.

Рис. 1.16. «До отправления поезда осталось 5 минут»,- с волнением измеряете вы время

Рис. 1.17 «Я купила килограмм яблок»,- рассказывает мама о своих измерениях массы

Рис. 1.18. «Одевайся теплее, сегодня на улице прохладнее»,- заботится о вас бабушка после измерения температуры воздуха на улице

Рис. 1.19. «У меня снова поднялось давление»,- жалуется женщина после измерения кровяного давления

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, приня­той за единицу.

Рис. 1.20 Если бабушка и внук будут измерять расстояние в ша­гах, то они всегда будут получать разные результаты

Приведем пример из художественной лите­ратуры: «Пройдя шагов триста по берегу реки, маленький отряд вступил под своды дремучего леса, извилистыми тропами которого им надо было странствовать на протяжении десяти дней». (Ж. Верн «Пятнадцатилетний капитан»)

Рис. 1.21.

Герои романа Ж. Верна измеряли пройден­ный путь, сравнивая его с шагом, то есть еди­ницей измерения служил шаг. Таких шагов оказалось триста. В результате измерения было получено числовое значение (триста) физиче­ской величины (пути) в избранных единицах (шагах).

Очевидно, что выбор такой единицы не поз­воляет сравнивать результаты измерений, полу­ченные разными людьми, поскольку длина шага у всех разная (рис. 1.20). Поэтому ради удобства и точности люди давным-давно начали договари­ваться о том, чтобы измерять одну и ту же фи­зическую величину одинаковыми единицами. Ныне в большинстве стран мира действует при­нятая в 1960 году Международная система еди­ниц измерения, которая носит название «Систе­ма Интернациональная» (СИ) (рис. 1.21).

В этой системе единицей длины является метр (м), времени - секунда (с); объем изме­ряется в метрах кубических (м 3), а скорость - в метрах в секунду (м/с). Об остальных единицах СИ вы узнаете позже.

3. Вспоминаем кратные и дольные единицы

Из курса математики вы знаете, что для сокращения записи больших и малых значе­ний разных величин пользуются кратными и дольными единицами.

Кратные единицы - это единицы, кото­рые больше основных единиц в 10, 100, 1000 и более раз. Дольные единицы - это единицы, которые меньше основных в 10, 100, 1000 и более раз.

Для записи кратных и дольных единиц используют приставки. Например, единицы длины , кратные одному метру,- это километр (1000 м), декаметр (10 м).

Единицы длины, дольные одному метру,- это дециметр (0,1 м), сантиметр (0,01 м), микрометр (0,000001 м) и так далее.

В таблице приведены наиболее часто употребляемые приставки.

4. Знакомимся с измерительными приборами

Измерение физических величин ученые проводят с помощью измери­тельных приборов. Простейшие из них - линейка, рулетка - служат для измерения расстояния и линейных размеров тела. Вам также хорошо известны такие измерительные приборы, как часы - прибор для измерения време­ни, транспортир - прибор для измерения углов на плоскости , термометр - прибор для измерения температуры и некоторые другие (рис. 1.22, с. 20). Co многими измерительными приборами вам еще предстоит познакомиться.

Большинство измерительных приборов имеют шкалу, которая обеспечи­вает возможность измерения. Кроме шкалы, на приборе указывают едини­цы, в которых выражается измеренная данным прибором величина*.

По шкале можно установить две наиболее важные характеристики при­бора: пределы измерения и цену деления.

Пределы измерения - это наибольшее и наименьшее значения физической величины , которые можно измерить данным прибором.

В наши дни широко используются электронные измерительные приборы, в которых значение измеренных величин высвечивается на экране в виде цифр. Пределы измере­ния и единицы определяются по паспорту прибора или устанавливаются специальным переключателем на панели прибора.

Рис. 1.22. Измерительные приборы

Цена деления - это значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.

Например, верхний предел измерений ме­дицинского термометра (рис. 1.23) равен 42 °С, нижний - 34 °С, а цена деления шкалы этого термометра составляет 0,1 °С.

Напоминаем: чтобы определить цену де­ления шкалы любого прибора, необходимо разность двух любых значений величин, ука­занных на шкале , разделить на количество де­лений между ними.

Рис. 1.23. Медицинский термометр

• Подводим итоги

Общая характеристика материальных объектов или явлений, которая может приоб­ретать индивидуальное значение для каждого из них, называется физической величиной.

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.

В результате измерений мы получаем зна­чение физических величин.

Говоря о значении физической величины, следует указать ее числовое значение и единицу.

Для измерения физических величин поль­зуются измерительными приборами.

Для сокращения записи числовых значений больших и малых физиче­ских величин используют кратные и дольные единицы. Они образуются с помощью приставок.

• Контрольные вопросы

1. Дайте определение физической величины. Как вы его понимаете?
2. Что означает измерить физическую величину?

3. Что понимают под значением физической величины?

4. Назовите все физичес­кие величины, упомянутые в отрывке из романа Ж. Верна, приве­денном в тексте параграфа. Каково их числовое значение? единицы измерения?

5. С помощью каких приставок образуются дольные еди­ницы? кратные единицы?

6. Какие характеристики прибора можно установить с помощью шкалы?

7. Что называют ценой деления?

• Упражнения

1. Назовите известные вам физические величины. Укажите единицы этих величин. Какими приборами их измеряют?

2. На рис. 1.22 изображены некоторые измерительные приборы. Мож­но ли, используя только рисунок, определить цену деления шкал этих приборов. Ответ обоснуйте.

3. Выразите в метрах следующие значения физической величины: 145 мм; 1,5 км; 2 км 32 м.

4. Запишите с помощью кратных или дольных единиц следующие значения физических величин: 0,0000075 м - диаметр красных кровяных телец; 5 900 000 000 000 м - радиус орбиты планеты Плутон; 6 400 000 м - радиус планеты Земля.

5 Определите пределы измерения и цену деления шкал приборов, ко­торые есть у вас дома.

6. Вспомните определение физической величины и докажите, что длина - это физическая величина.

• Физика и техника в Украине
  

Один из выдающихся физиков современности - Лев Давидо­вич Ландау (1908- 1968) - продемонстрировал свои способности, еще учась в средней школе. После окончания университета он стажировался у одного из творцов квантовой физики Нильса Бора. Уже в 25-летнем возрасте он возглавил теоретический отдел Украинско­го физико-технического института и кафедру теоретической физики Харьковского университета. Как и большинство выдающихся физиков-теоретиков, Ландау обладал чрезвычайной широтой научных интересов. Ядерная физика, физика плазмы, теория сверхтекучести жидкого гелия, теория сверхпроводимости - во все эти разделы фи­зики Ландау внес значительный вклад. За работы по физике низких температур он был удостоен Нобелевской премии.

Физика. 7 класс: Учебник / Ф. Я. Божинова, Н. М. Кирюхин, Е. А. Кирюхина. - X.: Издательство «Ранок», 2007. - 192 с.: ил.

Содержание урока конспект урока и опорный каркас презентация урока интерактивные технологии акселеративные методы обучения Практика тесты, тестирование онлайн задачи и упражнения домашние задания практикумы и тренинги вопросы для дискуссий в классе Иллюстрации видео- и аудиоматериалы фотографии, картинки графики, таблицы, схемы комиксы, притчи, поговорки, кроссворды, анекдоты, приколы, цитаты Дополнения рефераты шпаргалки фишки для любознательных статьи (МАН) литература основная и дополнительная словарь терминов Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике замена устаревших знаний новыми Только для учителей календарные планы учебные программы методические рекомендации