Фізичні величини та їх вимірювання - курсова робота, сторінка 1

Фізична величина - характеристика однієї з властивостей фізичного об'єкта (фізичної системи, явища або процесу), загальна в якісному відношенні багатьом фізичним об'єктам, але в кількісному відношенні індивідуальна для кожного об'єкта.

Індивідуальність розуміється в тому сенсі, що значення величини або розмір величини може бути для одного об'єкта в певне число разів більше або менше, ніж для іншого.

Значення фізичної величини - оцінка її розміру у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць або числа за прийнятою для неї шкалою. Наприклад, 120 мм - значення лінійної величини; 75 кг - значення маси тіла.

Розрізняють істинне і дійсне значення фізичної величини. Істинне значення - значення, ідеально відображає властивість об'єкта. Справжнє значення - значення фізичної величини, знайдене експериментально, досить близьке до істинного значення, яке можна використовувати замість нього.

Вимірювання фізичної величини - це сукупність операцій із застосування технічного засобу, що зберігає одиницю, або відтворює шкалу фізичної величини, що полягає в порівнянні (в явному або неявному вигляді) вимірюваної величини з її одиницею або шкалою з метою отримання значення цієї величини в формі, найбільш зручною для використання.

Розрізняють три види фізичних величин, вимірювання яких здійснюється за принципово різними правилами.

До першого виду фізичних величин відносяться величини, на безлічі розмірів яких визначені лише відносини порядку і еквівалентності. Це відносини типу "м'якше", "твердіше", "тепліше", "холодніше" і т.д.

До величинам такого роду відносяться, наприклад, твердість, обумовлена ​​як здатність тіла чинити опір проникненню в нього іншого тіла; температура, як ступінь нагретости тіла і т.п.

Існування таких співвідношень встановлюється теоретично або експериментально за допомогою спеціальних засобів порівняння, а також на основі спостережень за результатами впливу фізичної величини на будь-які об'єкти.

Для другого виду фізичних величин відношення порядку і еквівалентності має місце як між розмірами, так і між різницями в парах їх розмірів.

Характерний приклад - шкала інтервалів часу. Так, різниці інтервалів часу вважаються рівними, якщо відстані між відповідними відмітками рівні.

Третій вид складають адитивні фізичні величини.

Аддитивними фізичними величинами називаються величини, на безлічі розмірів яких визначені не тільки відносини порядку і еквівалентності, але операції додавання і віднімання

До таких величинам відносяться, наприклад, довжина, маса, сила струму і т.п. Їх можна вимірювати по частинах, а також відтворювати за допомогою багатозначної міри, заснованої на підсумовуванні окремих заходів.

Сума мас двох тіл - це маса такого тіла, яке врівноважується на равноплечних вагах перші два.

Розміри будь-яких двох однорідних ФВ або два будь-яких розміру однієї і тієї ж ФВ можна порівнювати між собою, т. Е. Знаходити, у скільки разів один більше (або менше) іншого. Щоб порівняти між собою m розмірів Q ', Q ". Q (m). Необхідно розглянути З m 2 їх відносин. Легше порівняти кожен з них з одним розміром [Q] однорідної ФВ, якщо прийняти його за одиницю розміру ФВ, (скорочено - за одиницю ФВ). В результаті такого порівняння отримуємо вирази розмірів Q ', Q ". Q (m) у вигляді деяких чисел n ', n ". N (m) одиниць ФВ: Q' = n '[Q]; Q" = n "[Q] ;.; Q (m) = n (m) [Q]. Якщо порівняння виконується експериментально, то буде потрібно всього m експериментів (замість C m 2), а порівняння розмірів Q ', Q ". Q (m) між собою може бути виконано тільки шляхом обчислень типу

де n (i) / n (j) - абстрактні числа.

називають основним рівнянням вимірювання, де n [Q] - значення розміру ФВ (скорочено - значення ФВ). Значення ФВ є іменований число, складене з числового значення розміру ФВ, (скорочено - числового значення ФВ) і найменування одиниці ФВ. Наприклад, при n = 3,8 і [Q] = 1 грам розмір маси Q = n [Q] = 3,8 грама, при n = 0,7 і [Q] = 1 ампер розмір сили струму Q = n [Q ] = 0,7 ампера. Зазвичай замість «розмір маси дорівнює 3,8 грама», «розмір сили струму дорівнює 0,7 ампера» і т. П. Кажуть і пишуть лаконічніше: «маса дорівнює 3,8 грама», «сила струму дорівнює 0,7 ампера " і т.п.

Розміри ФВ найчастіше дізнаються в результаті їх вимірювання. Вимірювання розміру ФВ (скорочено - вимір ФВ) полягає в тому, що дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів знаходять значення ФВ і оцінюють близькість цього значення до значення, ідеально отображающему розмір цієї ФВ. Знайдене в такий спосіб значення ФВ будемо називати номінальним.

Один і той же розмір Q може бути виражений різними значеннями з різними числовими значеннями в залежності від вибору одиниці ФВ (Q = 2 години = 120 хвилин = 7200 секунд = = 1/12 діб). Якщо взяти дві різні одиниці [Q1] і [Q2], то можна написати Q = n1 [Q1] і Q = n 2 [Q2], звідки

т. е. числові значення ФВ обернено пропорційні її одиницям.

З того що розмір ФВ не залежить від обраної її одиниці, випливає умова однозначності вимірювань, що полягає в тому, що відношення двох значень деякої ФВ не повинно залежати від того, які одиниці використовувалися при вимірюванні. Наприклад, ставлення швидкостей автомобіля і потяги не залежить від того, виражені ці швидкості в кілометрах в годину або в метрах в секунду. Ця умова, що здається на перший погляд непорушним, на жаль, поки що не вдається дотримати при вимірюванні деяких ФВ (твердості, світлочутливості і ін.).

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Поняття про фізичну величиною

Аналіз величин дозволяє розділити (рис. 1) їх на два види: величини матеріального виду (реальні) і величини ідеальних моделей реальності (ідеальні), які відносяться головним чином до математики і є узагальненням (моделлю) конкретних реальних понять.

Реальні величини, в свою чергу, діляться на фізичні і нефізичні. Фізична величина в найзагальнішому випадку може бути визначена як величина, властива матеріальним об'єктам (процесам, явищам), що вивчаються в природних (фізика, хімія) і технічних науках. До нефізичні величинам слід віднести величини, властиві громадським (нефізичних) наук - філософії, соціології, економіці тощо

Мал. 1. Класифікація величин.

Документ РМГ 29-99 трактує фізичну величину як одна з властивостей фізичного об'єкта, загальна в якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів, але в кількісному відношенні індивідуальне для кожного з них. Індивідуальність в кількісному відношенні розуміють в тому сенсі, що властивість може бути для одного об'єкта в певне число разів більше або менше, ніж для іншого.

Фізичні величини доцільно розділити на вимірювані і оцінювані. Вимірювані ФВ можуть бути виражені кількісно у вигляді певного числа встановлених одиниць виміру. Можливість введення і використання таких одиниць є важливою відмітною ознакою вимірюваних ФВ. Фізичні величини, для яких з тих чи інших причин не може бути введена одиниця виміру, можуть бути тільки оцінені. Під оцінюванням розуміється операція приписування застосовується для розрахунку певного числа, що проводиться за встановленими правилами. Оцінювання величини здійснюється за допомогою шкал. Шкала величини - упорядкована сукупність значень величини, що служить вихідною основою для вимірювання даної величини.

Нефізичні величини, для яких одиниця виміру в принципі не може бути введена, можуть бути тільки оцінені. Слід зазначити, що оцінювання нефізичних величин не входить в завдання теоретичної метрології.

Для більш детального вивчення ФВ необхідно класифікувати, виявити загальні метрологічні особливості їх окремих груп. Можливі класифікації ФВ наведені на рис. 2.

За видами явищ ФВ поділяються на:

• речові, тобто величини, що описують фізичні і фізико-хімічні властивості речовин, матеріалів і виробів з них. До цієї групи належать маса, щільність, електричний опір, ємність, індуктивність і ін. Іноді ці ФВ називають пасивними. Для їх вимірювання необхідно використовувати допоміжне джерело енергії, за допомогою якого формується сигнал вимірювальної інформації. При цьому пасивні ФВ перетворюються в активні, які і вимірюються;

• енергетичні, тобто величини, що описують енергетичні характеристики процесів перетворення, передачі і використання енергії. До них відносяться струм, напруга, потужність, енергія. Ці величини називають активними.

Вони можуть бути перетворені в сигнали вимірювальної інформації без використання допоміжних джерел енергії;

• що характеризують протікання процесів в часі, До цієї групи належать різного виду спектральні характеристики, кореляційні функції і інші параметри.

За належністю до різних груп фізичних процесів ФВ поділяються на просторово-часові, механічні, електричні і магнітні, теплові, акустичні, світлові, фізико-хімічні, іонізуючих випромінювань, атомної та ядерної фізики.

Мал. 2. Класифікації фізичних величин

За ступенем умовної незалежності від інших величин цієї групи все ФВ поділяються на основні (умовно незалежні), похідні (умовно залежні) і додаткові. В даний час в системі СІ використовуються сім фізичних величин, обраних в якості основних: довжина, час, маса, температура, сила електричного струму, сила світла і кількість речовини. До додаткових ФВ відносяться плоский і тілесний кути. За наявністю розмірності ФВ поділяються на розмірні, тобто мають розмірність, і безрозмірні.