Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Каждый человек, проходя свою "жизненную" эволюцию чувствует, созерцает, ощущает какие-либо свойства и явления материального и духовного окружающего мира - свойства объектов.
Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления или процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство является качественной категорией.
Любое свойство, в свою очередь, может проявляться в большей или меньшей степени, т. е. имеет количественную характеристику, а значит, может быть измерено.
Каждое свойство объекта может быть охарактеризовано по-разному. Понятно, что для удобства общения между собой и обеспечения единства измерений в обществе все должны пользоваться одинаковыми характеристиками этих свойств - их называют мерами.
Приведём примеры различных свойств объектов и их меры (таблица 1).
Таблица 1
| Объект | Свойство объекта окружающего мира | Характеристика (мера) |
| Пространство | Протяжённость | Длина Угол Площадь Объём |
| Не "мгновенность" событий и явлений | Длительность | Время |
| Тело | Нагрето до некоторого состояния | Термодинамическая температура Средняя скорость теплового движения молекул |
Согласованные меры узакониваются соглашениями. В различных областях деятельности меры получили свои названия, например:
| - физика и её технические приложения | физические величины (длина, сила, масса,..) |
| - экономика | экономические показатели (стоимость, прибыль, цена,..) |
| - квалиметрия | показатели качества. |
Как правило, метрологическая практика связана с измерениями именно физических величин.
В общем смысле, величина - это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено каким-либо способом, в том числе количественно.
2.3 Физические величины. Единицы физических величин.
Международная система единиц
Физические величины
Физическая величина (ФВ) – 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.
Между измеряемыми физическими величинами существуют связи и зависимости, выражаемые математическими соотношениями и формулами. Такие величины образуют систему.
Система величин – это совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.
Физическая величина, входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин системы, называется основной физической величиной, а ее единица - основной единицей системы единиц физических величин. За основные выбраны величины, которые могут быть воспроизведены и измерены с наиболее высокой точностью для достигнутого на современном этапе уровня развития техники.
Производная физическая величина - физическая величина, входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы, а ее единица называется производной и образуется в соответствии с уравнением, связывающим эту единицу с основными единицами.
Зависимость каждой производной величины от основных отображается ее размерностью.
Размерность является формализованным отражением качественного различия измеряемых величин. Она определяет «род» ФВ. Например, длина – протяженность, присущая любому объекту; электрическое сопротивление – как общее свойство проводников электричества.
Размерность обозначается символом dim, происходящим от слова dimension, которое переводится - размерность.
Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами, принятыми в международной практике. Для длины, массы и времени, например,
dim l =L; dim m = M; dim t = T
В общем случае размерность выражается в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающего связь данной ФВ с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности равным единице.
dim Q = Lα M β T γ …,
где dim Q – размерность какой-либо физической величины Q;
L, M, T … - размерности основных физических величин;
α, β, γ … - показатели размерности. Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем.
Формула размерности основной величины совпадает с ее символом.
dim l = Lα M β ∙T γ…= L 1 ∙M 0 ∙T 0… = L
Размерность величин определяют на основе соответствующих уравнений физики.
Физическая величина является размерной, если в ее размерность входит хотя бы одна из основных величин, возведенная в степень, не равную нулю. Большинство физических величин являются размерными. Однако имеются безразмерные (относительные) величины, представляющие собой отношение данной физической величины к одноименной, применяемой в качестве исходной (опорной). В этом случае основные физические величины входят в размерность в степени, равной нулю.
Безразмерными величинами являются, например, коэффициент трансформации, затухания и т.д.
Одна и та же размерность может быть присуща величинам, имеющим разную исходную качественную природу и различающимся по форме определяющего уравнения из физики, например для величин, приведенных в таблице 2.
Таблица 2
| A = F∙ l | A = i ∙U∙ t |
| где А – работа; F – сила; l – длина; | где i –сила тока; U–напряжение; t– время |
| dim A=dim F∙ dim l; | dim A =dim i ∙ dim U∙ dim t |
| dim l = L; dim F = dim m∙ dim a; | dim i = I; dim t =T; |
| dim m=M; dim a= dim l∙ dim -2 t= L∙T-2 | dim U= L2∙ M∙ T-3 I-1 |
| dim F = L∙ M∙ T-2 | dim -1 t = T-1 |
| dim A= L2 ∙M ∙T-2 | dim A= L2 ∙M ∙T-2 |
Над размерностью можно производить действия умножения, деления, возведения в степень и извлечение корня. Понятие размерность широко используется:
- для перевода единиц из одной системы в другую;
- для проверки правильности сложных расчетных формул, полученных в результате теоретического вывода;
- при выяснении зависимости между величинами;
- в теории физики (физического подобия).
Количественной характеристикой ФВ является размер. Например, длина конкретного предмета; сопротивление конкретного резистора. Размер существует объективно, независимо от того, знаем мы его или нет.
Размер ФВ – количественная определенность ФВ, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Размер ФВ – это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию ФВ. Например, все тела можно различать по массе, т.е. по размеру интересующей нас ФВ.
Размер нужно отличать от значения.
Значение ФВ – это выражение размера ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате измерений ФВ или вычислений в соответствии с основным уравнением измерений и выражают в форме:
Q = n • [Q], (1)
где Q – значение ФВ;
n – числовое значение;
[Q] – выбранная единица.
Уравнение (1) называется основным уравнением измерения. Оно показывает, что числовое значение ФВ зависит от размера принятой единицы измерений, тогда как размер ФВ будет одним и тем же.
Например, если:
1) масса измеряется в принятой единице измерений – килограмм (кг), тогда размер массы выражается значением равным 10 кг;
2) масса измеряется в граммах (г) и ее размер (для того же случая) будет выражаться значением равным 10 000 г.
Числовое значение ФВ - это отвлеченное число, входящее в значение величины. Например, 20 кг. Значение ФВ – 20 кг, 20 - числовое значение, кг – единица физической величины.
Истинное значение ФВ, значение ФВ, которое идеальным образом характеризует в количественном и качественном отношении соответствующую ФВ. Истинное значение может быть получено при бесконечно большом числе измерений и бесконечном совершенствовании метода и средства измерений.
Действительное значение ФВ - значение ФВ, полученное экспериментальным путём и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него.
Единицы физических величин
Единица физической величины (ЕФВ) – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин. Единица физической величины – величина того же рода, что и сама физическая величина. Например: 1 м – единица длины; 1 с – единица времени; 1 А – единица силы электрического тока и т. д.
Размер ЕФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими органами государства.
Например - метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 долей секунды.
Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.
Секунда – единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия – 133.
Ампер – сила не изменяющегося тока, который, проходя по двум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным на расстоянии одного метра один от другого в вакууме, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10-7 ньютона.
Кельвин – единица термодинамической температуры, 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
Кандела – единица силы света, равная силе света в заданном направлении источника, испускающее монохроматическое излучение 540·1012 герц (540 ТГц), энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Ватт на стерадиан.
Моль – единица количества вещества, равная количеству вещества системы, в которой содержится столько же структурных элементов( атомов, молекул, ионов, электронов и других частиц или специфицированных групп частиц) сколько содержится атомов в Углероде – 12 массой 0,012 килограмма.
Единицы измерений во всех странах узакониваются директивным методом (закон, декрет Правительства). На основании федерального закона «Об обеспечении единства измерений» на территории РФ введены к использованию единицы Международной системы единиц (SI), принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованной Международной организацией законодательной метрологии, которые применяются в соответствии с национальным стандартом ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы величин».
Так же как и величины, единицы величин подразделяются на основные и производные. Совокупность основных и производных единиц, используемых для измерений всех физических величин, образует систему единиц.
Единица физической величины, входящая в принятую систему единиц, называется системной единицей. Основные, производные, кратные и дольные единицы системы SI являются системными. Например: 1 м; 1 м/с; 1 нм.
Единица физической величины, не входящая в принятую систему единиц, называется внесистемной единицей. Внесистемные единицы (по отношению к единицам SI) разделяются на четыре группы:
- допускаемые наравне с единицами SI: единица массы – тонна; единица вместимости – литр; единицы времени – минута, сутки, неделя, месяц, год, век и др.;
- допускаемые к применению в специальных областях: в астрономии – световой год (св.год), парсек (пс) – единица длины; в оптике диоптрия (дптр) – единица оптической силы; в сельском хозяйстве – гектар (га) – единица площади; в геодезии – град или гон – единица плоского угла и др.;
- временно допускаемые: миля – единица длины (1 миля); оборот в секунду – единица скорости (1 об/с); карат – единица массы (1 кар); бар – единица давления (1 бар) и др.;
- изъятые из употребления – лошадиная сила – единица мощности (1 л.с.); единица давления – килограмм-сила на квадратный сантиметр (1 кгс/см 2); эрг – единица работы, энергии (1 эрг) и др.
Системы единиц величин
Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.
Для электрических и магнитных измерений на практике известно несколько систем единиц:
Абсолютная система единиц СГС, основными единицами которой являются сантиметр, грамм, секунда и в которой электрическая постоянная eo и магнитная постоянная m0 при не рационализированной форме уравнений электромагнитного поля равны единице;
Абсолютная практическая система МКСА, основными единицами которой являются метр, килограмм, секунда и ампер ;
Международная система единиц СИ (SI), основными единицами которой являются: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль.
Наиболее предпочтительной является система SI, имеющая ряд достоинств:
- универсальность – охват всех областей науки и техники;
- унификация единиц для всех областей и видов измерений (механических, тепловых, электрических, магнитных и т. д.);
- когерентность единиц – все производные единицы SI получаются из уравнений связи между величинами, в которых коэффициенты равны единице;
- возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определениями;
- упрощение записи уравнений и формул в физике, химии, а также в технических расчетах в связи с отсутствием переводных коэффициентов;
- уменьшение числа допускаемых единиц;
- единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования.
В соответствии с ГОСТ 8.417-2002 «ГСИ. Единицы величин», система SI, принятая в качестве национальной, включает семь основных единиц, приведенных в таблице3.
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 имеют собственные названия. Примеры производных единиц приведены в таблице 4.
Таблица 3 - Основные величины и основные единицы физических величин
| Величина | Единица величины | ||||
| наименование | обозначение | размерность (символ) | наимено- | обозначение | |
| русское | между- народное | ||||
| Длина | l | L | метр | м | m |
| Масса | m | M | килограмм | кг | kg |
| Время | t | T | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | i | I | ампер | А | A |
| Термодинамическая температура | T | Θ | кельвин | К | K |
| Сила света | J | J | кандела | кд | kd |
| Количество вещества | n | N | моль | моль | mol |
Таблица 4 - Производные величины и производные единицы
| Величина | Единица величины | ||||
| наименование | обозначение | размерность | наименование | обозначение | выражение производной единицы через основные |
| Частота | f | T-1 | герц | Гц | с-1 |
| Сила | F | LMT -2 | ньютон | Н | м кг·с -2 |
| Давление | Р | L-1MT-2 | паскаль | Па | м-1 ·кг с -2 |
| Работа | А | L2MT-2 | джоуль | Дж | м2 кг с-2 |
| Мощность | N | L2MT-3 | ватт | Вт | м2 кг с-3 |
Производные единицы бывают когерентными и некогерентными.
Когерентной называется производная единица физической величины, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Все остальные производные единицы относятся к некогерентным.
Кратные и дольные единицы
Числовые значения физических величин изменяются в значительных пределах. Поэтому для удобства практических измерений наряду с основными и производными единицами, называемыми главными, введены также кратные и дольные единицы, которые обычно находятся в декадном отношении к главной единице. Кратные и дольные единицы образуются добавлением соответствующих приставок к главной единице согласно таблице 5.
Например: 1 пФ (пикофарада) = 10-12 Ф; наносекундный импульс - импульс, длительность которого 10-9 с; 1 мкВ (микровольт) =10-6 В и т.д.
Таблица 5 - Приставки для образования кратных и дольных единиц
| Кратные единицы |
Дольные единицы
Дата: 2019-07-30, просмотров: 244.