Общая характеристика объектов измерений

 

Физическая величина применяется для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов), которые изучаются в любых науках. Существуют основные и производные величины. Величины, характеризующие фундаментальные свойства материального мира, являются основными.

 

ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин» устанавливает 7 основных физических величин:

- Длина;

 

- Масса;

 

- Время;

 

- Термодинамическая температура;

 

- Количество вещества;

 

- Сила света;

 

- Сила электрического тока.

 

С помощью этих физических величин создается все многообразие производных величин и описывается любое свойство физических явлений.

 

Измеряемые физические величины имеют качественную и количественную характеристики. Как можно качественно различать измеряемые физические величины? – размерностью. Согласно международному стандарту ИСО – размерность обозначается символом dim -(dimension). Размерность основных физических величин – длины, массы и времени обозначается соответствующими заглавными буквами:

 

dim l = L; dim m = M;

dim t = T.

Размерность производной физической величины выражается через

 

размерность основных физических величин с помощью степенного одночлена:dim X = L^α∙ M^β∙T^γ..., где

 

L, M, T... – размерности основных соответствующих физических величин. α,β,γ... – показатели размерности (могут быть целыми, дробными,

 

равными нулю или отрицательными).

 

Если α,β,γ= 0, то величина будет безразмерной. Величина может быть относительной (диэлектрическая проницаемость – это отношение одноименных величин), может быть логорифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжения).

 

Итак, качественная характеристика измеряемой величины– размерность. Количественная характеристика измеряемой величины – размер. Получение

информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

 

Простейший способ получения информации о размере ФВ – сравнение его с другим. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шкалы порядка. Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Фиксированные точки являются опорными (или реперными). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, называемые баллами.

 

Например, знания оцениваются по четырехбальной реперной шкале – отлично, хорошо, удовлетворительно, неудовлетворительно. По реперным шкалам измеряются чувствительность пленок, твердость минералов, международная сейсмическая шкала – интенсивность землетрясений. К шкалам порядка относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различными условными числами твердости: тальк – 1; гипс – 2; кальций – 3; флюорит – 4; апатит – 5; ортоклаз –6; кварц – 7; топаз – 8; корунд – 9; алмаз – 10. Отнесение минерала к той илииной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый минерал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала, например, кварцем (7), на нем остается след, а после ортоклаза (6) – не остается, то твердость испытуемого минерала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно.

 

Недостаток реперных шкал – неопределенность интервалов между реперными точками.

 

Шкала интервалов ( шкала разностей ). Эти шкалы являются дальнейшимразвитием шкал порядка и применяются для объектов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности. Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку. К таким шкалам относится летоисчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово и т.д. Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта и Реомюра также являются шкалами интервалов.

 

На шкале интервалов определены действия сложения и вычисления интервалов. Действительно, по шкале времени интервалы можно суммировать или вычитать и сравнивать, во сколько раз один интервал больше другого, но складывать даты каких-либо событий бессмысленно.

 

Шкала отношений. Пример температурная шкала Кельвина.Началоотсчета – абсолютный нуль температуры, когда прекращается тепловое движение молекул.

 

Вторая реперная точка – температура таяния льда. По шкале Цельсия интервал между этими реперами равен 273,16° С. По шкале отношений можно определить не только,на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз больше или меньше.

Шкала наименований ( шкала классификаций ) –это своего родакачественная, а не количественная шкала. Она не содержит нуля и единиц измерения. Шкалы наименований являются атласами цветов. Процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами атласа цветов). Поскольку каждый цвет имеет немало вариантов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствующими особыми характеристиками зрительных возможностей.

 

Один и тот же размер может быть представлен по разному.Длина перемещения L = 1 м = 100 см = 1000 мм – это три значения измеряемой величины являются оценками размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Это отвлеченное число называется числовым значением. В нашем примере это 1, 100, 1000.

 

Чтобы получить значение физической величины ее измеряют или вычисляют согласно основного уравнения измерения

Q = X ∙ [Q]

 

где Q – значение измеряемой физической величины;

 

X – числовое значение измеряемой величины (в принятой единице); [Q] – выбранная для измерения единица измерения.

 

Пример: необходимо измерить отрезок прямой в 10 см с помощью линейки (имеющий деления в см или мм).

Q₁ = 10 см при X₁ = 10 [Q₁] = 1 см, Q₂ = 100 мм при X₂ = 100 [Q₂] = 1 мм.

 

Числовое значение результата измерения изменилось, т.к. применили различные единицы (1 см и 1 мм), но длина отрезка прямой (размер его физической величины) не изменился.

Виды и методы измерений.

 

Цель измерения – получение значения этой величины в форме, удобной для пользования.

Измерения классифицируются:

 

- По характеристикам точности – равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений (СИ) и в одних и тех же условиях), неравноточные (выполнены несколькоразличными по точности СИ и в несколько различных условиях);

 

- По числу измерений в ряду измерений –однократные, многократные;

 

- По отношению к изменению измеряемой величины:

 

- Статические - измерение неизменной во времени физической величины, например, измерение размеров земельного участка;

 

- Динамические – измерение изменяющейся по размеру физической величины, например, измерение переменного напряжения электрического тока.

- По выражению результата измерений:

 

- Абсолютные – измерения, основанные на прямых измерениях величин

 

è использовании значений физических констант (F= mg);

- Относительные – измерение отношения величины к одноименной величине, выполняющей роль единицы.

- По общим приемам получения результатов измерений:

 

- Прямые- искомое значение получают непосредственно, например, масса на весах;

 

- Косвенные.

 

Метод измерений – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. По общим приемам получения результатов измерений различают: прямой метод измерений и косвенный метод измерений.

- По условию измерения – контактный и бесконтактный метод.

 

- Контактный – чувствительный элемент прибора приводится в контакт с объектом измерения (измерение температуры тела термометром);

 

- Бесконтактный– измерение расстояния до объекта, например, радиолокатора.

 

Исходя из способа сравнения измеряемой величины с ее единицей различают:

 

- Методы непосредственной оценки – определяют значение величины непосредственно по отчетному устройству показывающего СИ (вольтметр). Мера, отражающая единицу измерения, в измерении не участвует. Ее роль играет шкала, проградуированная при производстве СИ;

 

- При методе сравнения с мерой, измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (например, измерение массы на рычажных весах с уравновешивающими гирями).

 

Контрольные вопросы.

1. Что является объектом измерения в метрологии?

 

2. Какие характеристики имеют физические величины?

 

3. Что является качественной характеристикой измеряемой физической величины?

 

4. Что является количественной характеристикой измеряемой физической величины?

 

5. Как получить значение физической величины?

ЛЕКЦИЯ №3