Физическая величина и ее характеристика.
Все объекты материального мира обладают рядом свойств, позволяющих отличать один объект от другого.
Свойство объекта – это объективная особенность, проявляющаяся при его создании, эксплуатации и потреблении.
Свойство объекта может быть выражено качественно - в виде словесного описания, и количественно - в виде графиков, цифр, диаграмм, таблиц.
Метрологическая наука занимается измерением количественных характеристик материальных объектов – физических величин.
Физическая величина – это свойство, в качественном отношении присущее многим объектам, а в количественном отношении индивидуально для каждого из них.
Например, массу имеют все материальные объекты, но у каждого из них величина массы индивидуальна.
Физические величины делятся на измеряемые и оцениваемые.
Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения.
Например, значение напряжения в сети составляет 220В.
Физические величины, которые не имеют единицы измерения, могут быть только оценены. Например, запах, вкус. Их оценка осуществляется дегустированием.
Некоторые величины можно оценить по шкале. Например: твердость материала - по шкале Викерса, Бринеля, Роквелла, силу землетрясения - по шкале Рихтера, температуру - по шкале Цельсия (Кельвина).
Физические величины можно квалифицировать по метрологическим признакам.
По видам явлений они делятся на
а) вещественные, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них.
Например, масса, плотность, электрическое сопротивление (для измерение сопротивления проводника по нему должен проходить ток, такое измерение называют пассивным).
б) энергетические, описывающие характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии.
К ним относятся: ток, напряжение, мощность, энергия. Эти физические величины называют активными. Они не требуют вспомогательного источника энергии.
Есть группа физических величин, которые характеризуют протекание процессов во времени, например, спектральные характеристики, корреляционные функции.
По принадлежности к различным группам физических процессов, величины могут быть
· пространственно-временные,
· механические,
· электрические,
· магнитные,
· тепловые,
· акустические,
· световые,
· физико-химические,
· ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.
По степени условной независимости физические величины делят на
· основные (независимые),
· производные (зависимые),
· дополнительные.
По наличию размерности физические величины делят на размерные и безразмерные.
Примером размерной величины является сила, безразмерной – уровень звуковой мощности.
Чтобы оценить количественно физическую величину вводится понятие размерфизической величины.
Размер физической величины - это количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, процессу или явлению.
Например, каждое тело обладает определенной массой, следовательно, их можно различать по массе, т.е. по размеру физической величины.
Выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц определено как значение физической величины.
Значение физической величины - это выражение физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.
Процесс измерения – это процедура сравнения неизвестной величины с известной физической величиной (сравниваемой) и в этой связи вводится понятие истинное значение физической величины.
Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном соотношении соответствующую физическую величину.
Истинное значение независимых физических величин воспроизведено в их эталонах.
Истинное значение применяют редко, больше пользуются действительным значением физической величины.
Действительное значение физической величины – это значение, полученное экспериментальным путем и несколько близкое к истинному значению.
Раньше было понятие «измеряемые параметры», сейчас по нормативному документу РМГ 29-99 рекомендуется понятие «измеряемые величины».
Физических величин много и их систематизируют. Система физических величин - это совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми правилами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.
В названии системы физических величин применяют символы величин, принятые как основные.
Например, в механике, где в качестве основных приняты длина - L, масса - m и время - t, название системы соответственно - Lm t.
Система основных величин, соответствующих международной системе единиц СИ выражается символами LmtIKNJ, т.е. применены символы основных величин: длина - L, масса - М, время - t , сила тока - I, температура - K, количество вещества - N, сила света - J.
Основные физические величины не зависят от значений других величин этой системы.
Производная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. Например, сила определяется как масса на ускорение.
3. Единицы измерения физических величин.
Единицей измерений физической величины называется величина, которой по определению присвоено численное значение равное 1 и которая применяется для количественного выражения однородных с ней физических величин.
Единицы физических величин объединяют в систему. Первая система была предложена Гауссом К (миллиметр, миллиграмм, секунда). Сейчас действует система СИ, ранее был стандарт стран СЭВ.
Единицы измерений делятся на основные, дополнительные, производные и внесистемные.
В системе СИ семь основных единиц:
· длина (метр),
· масса (килограмм),
· время (секунда),
· термодинамическая температура (кельвин),
· количество вещества (моль),
· сила электрического тока (ампер),
· сила света (кандела).
Таблица 1
Обозначение основных единиц системы СИ
| Физическая величина | Единица измерений | |||
| Наименование | Обозна-чение | Наименование | Обозначение | |
| русское | международное | |||
| основные | ||||
| Длина | L | метр | м | m |
| Масса | m | килограмм | кг | kg |
| Время | t | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | I | ампер | А | А |
| Термодинамическая температура | Т | кельвин | К | К |
| Количество вещества | n, v | моль | моль | mol |
| Cила света | J | кандела | кд | сd |
| дополнительные | ||||
| Плоский угол | - | радиан | рад | rad |
| Телесный угол | - | стерадиан | ср | sr |
Примечание. Радиан - это угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57017’48’’.
Стерадиан – это 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. Измеряют телесный угол путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле:
Q = 2p (1 - соsa/2),
где Q - телесный угол, a - плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.
Телесному углу 1ср соответствует плоский угол, равный 65032’, углу p ср - плоский угол 1200, углу 2pср - 1800.
Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин.
Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, т.к. большинство важных для практики значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами (2p, p/2).
Производными называют единицы измерения, получаемые с помощью уравнений связи между физическими величинами. Например, единица сила в СИ – ньютон (Н):
Н = кг∙м/с2.
Несмотря на то, что система СИ универсальна, она разрешает применять некоторые внесистемные единицы, которые нашли широкое практическое применение (например, гектар).
Внесистемными называют единицы, не вошедшие ни в одну из общепринятых систем единиц физических величин.
Для многих практических случаев выбранные размеры физических величин неудобны - слишком малы или велики. Поэтому в практике измерений часто пользуются кратными и дольными единицами.
Кратной называется единица в целое число раз больше системной или внесистемной единицы. Например, кратная единица 1км = 1000 м.
Дольной называется единица, в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, дольная единица 1 см = 0,01 м.
После принятия метрической системы мер была принята десятичная система образования кратных и дольных единиц, соответствующая десятичной системе нашего числового счета. Например, 106– мега, а 10-6 – микро.