Автор работы: Пользователь скрыл имя, 02 Апреля 2014 в 21:00, контрольная работа
ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называется единицей физической величины.
Разные единицы одной и той же величины отличаются друг от друга своим размером. Так, размер килограмма в тысячу раз больше размера грамма, размер минуты в шестьдесят раз больше размера секунды. Единицу физической величины можно выбрать произвольно, независимо от других единиц. Например, единица длины - метр, единица массы килограмм, единица температуры - градус и т.д.
Переход Яndex Верх Google Низ
Переход Яndex Верх Google Низ
Переход Яndex Верх Google Низ
Переход Яndex Верх Google Низ
Переход Яndex Верх Google Низ
В. П. Каргапольцев
Предыдущая лекция была посвящена приборам учета — при этом было сказано, что любой водо- или теплосчетчик в первую очередь является средством измерений. Так что волей-неволей сейчас нам придется углубиться в теорию: что есть измерения, что и как можно измерять, и какая наука всем этим заведует.
Вводное замечание: Уважаемые господа-ученики! Представленная информация — 1-я часть курса лекций «Метрология в теплотехнике» для специальности «Промышленная теплоэнергетика» Вятского государственного университета (г.Киров, 2000 – 2004 г.г.). Как всякий конспект лекций — это не авторский материал, а «выжимки» из ряда различных учебников по метрологии. Итак, вперед, за знаниями!
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. На каждом шагу встречаются и известны с незапамятных времен измерения таких величин, как длина, объем, вес, время и другие.
Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая человеку действующие в природе закономерности. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные законы природы. Д. И. Менделеев выразил значение измерений для науки следующим образом: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».
Все отрасли техники — от строительной механики и машиностроения до ядерной энергетики — не могли бы существовать без развернутой системы измерений, определяющих как все технологические процессы, контроль и управление ими, так и свойства и качество выпускаемой продукции.
Особенно возросла роль измерений в наш век широкого внедрения новой техники, развития электроники, автоматизации, атомной энергетики, космонавтики. Высокая точность управления полетами космических аппаратов достигнута благодаря современным совершенным средствам измерений, устанавливаемым как на самих космических аппаратах, так и в измерительно-управляющих центрах.
Во всех случаях проведения измерений, независимо от измеряемой величины, метода и средства измерений, есть общее, что составляет основу измерения, — это сравнение опытным путем данной величины с другой подобной ей, принятой за единицу. При всяком измерении мы с помощью эксперимента оцениваем физическую величину в виде некоторого числа принятых для нее единиц, то есть находим ее значение.
В настоящее время установлено следующее определение измерения: измерение есть нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.
Отраслью науки, изучающей измерения, является метрология. Слово «метрология» образовано из двух греческих слов: метрон — мера и логос — учение. Дословный перевод слова «метрология» — учение о мерах. Метрология в современном понимании — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Единство измерений — такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений необходимо для того, чтобы можно было сопоставить результаты измерений, выполненных в разных местах, в разное время, с использованием разных методов и средств измерений.
Точность измерений характеризуется близостью их результатов к истинному значению измеряемой величины.
Таким образом, важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства и необходимой точности измерений.
В большинстве стран мира мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно. Поэтому один из разделов метрологии называется законодательной метрологией и включает комплексы взаимосвязанных правил, требований и норм, а также другие вопросы, требующие регламентации и контроля со стороны государства.
Физическая величина — это свойство, присущее в качественном отношении многим объектам (системам объектов, 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» мы применяем в отношении свойств или их характеристик, которые мы умеем оценивать количественно, то есть измерять. Существуют такие свойства и характеристики, которые мы не умеем оценивать количественно, но стремимся найти способ их количественной оценки, например, запах, вкус и так далее. Пока мы не научились их измерять, мы избегаем называть их величинами, а называем их свойствами.
В широком смысле слово «величина» — понятие многовидное. Покажем это на примерах трех величин. Первый пример — это цена, стоимость товаров, выражаемая в денежных единицах. Раньше системы денежных единиц были обязательной составной частью книг по метрологии. В настоящее время иногда выходят статьи и книги, частично посвященные метрологии денежных единиц.
Вторым примером разновидности величин можно назвать биологическую активность лекарственных веществ. Биологическая активность ряда витаминов, антибиотиков, гормональных препаратов и так далее выражается в Международных единицах биологической активности, обозначаемых буквами «и.е.» Например, в рецептах указывают количество многих антибиотиков, витаминов в этих единицах (пенициллин 300 тыс. и.е.).
Третий пример — физические величины, то есть свойства, присущие физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам). Именно этими величинами больше всего занимается современная метрология, поэтому данный курс посвящен метрологии физических величин. Сказанное о величинах вообще, относится, в частности, и к физическим величинам.
Понятие о физической величине — одно из наиболее общих в физике и метрологии. Согласно ГОСТ 15263-70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения», как мы уже отмечали, под физической величиной понимается «свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта». Так, все тела обладают массой и температурой, но для каждого из них эти параметры различны. То же самое можно сказать и о других величинах — электрическом токе, вязкости жидкости или потоке излучений.
Для того, чтобы можно было установить различия в количественном содержании в каждом данном объекте свойства, отображаемого физической величиной, вводится понятие размера физической величины. Между размерами каждой физической величины существуют отношения, которые, как оказывается при их подробном изучении, имеют ту же логическую структуру, что и отношения между числовыми формами (целыми, рациональными или действительными числами, векторами, матрицами). Поэтому множество числовых форм с определенными отношениями между ними (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и так далее) может служить моделью физической величины, то есть множества ее размеров с отношениями между ними. Если соответствие между формальной моделью и самой физической величиной оказывается достаточно строгим и точным, то изучение физических величин и связей между ними можно свести к исследованию их моделей.
Комплекс правил, в соответствии с которыми числовые формы приписываются размерам величин, определяется наличием тех или иных отношений на множестве их размеров. В связи с этим можно выделить три группы физических величин, измерение которых осуществляется по принципиально различным правилам.
К первой группе отнесем величины, на множестве размеров которых определены лишь отношения типа «тверже — мягче», «теплее — холоднее», «одинаково твердые — одинаково теплые». В математике эти отношения получили название отношений порядка и эквивалентности. Существование подобных отношений устанавливается теоретически, исходя из общефизических соображений, или экспериментально с помощью специальных технических устройств (средств измерений), либо наблюдателем. Так, мы без труда находим, что медь тверже резины, но для обнаружения различия в твердости двух образцов твердости приходится прибегать к помощи измерительных приборов. К величинам первой группы относятся, например, твердость, определяемая как способность тела оказывать сопротивление проникновению в него другого тела, или температура, понимаемая просто как степень нагретости тела.
Вторая группа величин характеризуется тем, что отношения порядка и эквивалентности имеют место не только между их размерами, но и между различиями (интервалами) в парах размеров. К этой группе относятся такие величины, как время, потенциал, энергия или температура, связанная, по определению, со шкалой ртутного термометра. Возможность сравнения интервалов их размеров вытекает из самих определений этих величин. Так, интервалы температур считаются равными, если равны расстояния между соответствующими отметками на шкале ртутного термометра. Способ градуировки шкалы не имеет при этом никакого значения. Ясно, что проверить равенство интервалов температуры, определенной просто как степень нагретости тел, не представляется возможным.
На множестве размеров величин третьей группы определены, кроме вышеперечисленных, еще и отношения, называемые операциями, подобные арифметическому сложению и вычитанию. Операция считается определенной, если ее результат (сумма или разность) снова является размером той же физической величины, и существует способ ее технической реализации. Операция сложения определяет операцию умножения размеров величин на любое целое число n. Результат такого умножения есть просто сумма n размеров данной величины. К числу подобных величин относятся, например, длина, масса, давление или термодинамическая температура.
Сумма двух масс — это масса такого тела, которое уравновешивает на весах первые два, положенные на одну чашу, а разностью является масса тела, которое нужно положить на чашу весов, где помещено более легкое тело, чтобы привести весы в равновесие. Но такие величины, как электрический потенциал или время, уже не относятся к этой группе, поскольку разность двух потенциалов уже не потенциал, а разность двух моментов времени не является моментом.
Нетрудно заметить, что к величинам третьей группы можно отнести и множество интервалов размеров величин второй группы, поскольку для них тоже могут быть найдены операции, подобные сложению. Поскольку все арифметические операции сводятся, по существу, к сложению, то эти величины оказываются наиболее удобными для применения в физике. Поэтому часто такие величины и называют физическими.
Следует отметить, что определения физических величин не являются неизменными, а постоянно уточняются. Уточнение определений происходит в направлении, позволяющем вскрыть все большее число отношений, на множестве их размеров и ввести их, таким образом, в число величин третьей или хотя бы второй группы, что позволяет значительно упростить аналитические выражения физических законов.
Не случайно температура была упомянута среди величин всех трех групп. Вначале ее определяли интуитивно как степень нагретости тела. Определенная таким образом температура могла входить в законы физики только в неявном виде. Уравнение состояния идеальных газов могло бы при этом иметь только следующий вид: p × V = f (q), где f (q) — никоим образом не определенная функция температуры.
Определение, связавшее температуру с ртутной шкалой, позволило перевести ее во вторую группу величин. Благодаря этому температура вошла в некоторое, правда, еще очень ограниченное число уравнений физики. И только определение, которое дал Кельвин, и определение, основанное на явлении теплового расширения идеальных газов, а также данное тем же Кельвином доказательство идентичности этих двух определений, позволили перевести температуру в разряд величин третьей группы и сделать ее равноправной физической величиной.