Физические свойства и величины

 

 

Классификация величин

 

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство - философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Свойство- категория качественная. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постольку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Анализ величин позволяет разделить их на два вида: реальные и идеальные.

 

Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вычисляются тем или иным способом.

Реальные величины в свою очередь делятся на физические и нефизические. Физическая величина в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам- философии, социологии, экономике и т.п.

Стандарт ГОСТ 16263-70 трактует физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном--индивидуальное для каждого из них. Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого. Таким образом, физические величины- это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых физических величин. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Под оцениванием в таком случае понимается операция приписывания данной величине определенного числа, проводимая по установленным правилам. Оценивание величины осуществляется при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Следует отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.

Для более детального изучения ФВ необходимо классифицировать, выявить общие метрологические особенности их отдельных групп. По видам явлений они делятся на следующие группы:

- вещественные, т.е. описывающие физические и физико- химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные величины называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются.

- Энергетические, т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии.

- характеризующие протекание процессов во времени.. К этой группе относятся различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно-независимые), производные (условно-зависимые) и дополнительные. В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.

По наличию размерности ФВ делятся на размерные, т.е. имеющие размерность и безразмерные..

Физические объекты обладают неограниченным числом свойств, которые проявляются с бесконечным разнообразием. Это затрудняет их отражение совокупности чисел с ограниченной разрядностью, возникающее при их измерении. Среди множества специфических проявлений свойств есть и несколько общих. Н.Р. Кэмпбелл установил для всего разнообразия свойств Х физического объекта наличие трех наиболее общих проявлений в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности. Эти отношения в математической логике аналитически описываются простейшими постулатами.

1. Отношение эквивалентности- это отношение, в котором данное свойство Х у различных объектов А и В оказывается одинаковым или неодинаковым. Постулаты отношения эквивалентности:

а) дихотомии (сходства и различия): либо

Х(А) приблизительно =   Х(В), либо

Х(А) приблизительно не = Х(В);

б) симметричности (симметричности отношения эквивалентности): если Х(А) приблизительно = Х(В),

то Х(А) приблизительно = Х(В);

в) транзитивности по качеству (перехода отношения эквивалентности): если Х(А) приблизительно = Х(В) и

Х(А) приблизительно = Х(С), то Х(А) приблизительно = Х(С).

 

2. Отношения порядка- это отношение, в котором данное свойство Х у различных объектов оказывается больше или меньше. Постулаты отношения порядка:

а) антисимметричности: если Х(А) больше Х(В) то,

   Х(В) меньше Х(А);

б) транзитивности по интенсивности свойства (переход

отношения порядка): если Х(А) больше Х(В) и

Х(В) больше Х(В) то, Х(А) больше Х(С).

  

3. Отношение аддитивности- это отношение, когда однородные свойства различных объектов могут суммироваться.

Постулаты отношения аддитивности:

а) монотонности (однонаправленности аддитивности): если

Х(А) = Х(В) и Х(В) больше нуля, то Х(А) + Х(В) больше Х(С);

б) коммутативности (переместимости слагаемых): Х(А) + Х(В) =

= Х(В)+ Х(А);

в) дистрибутивности: Х(А) + Х(В) = Х(А+В)

г) ассоциативности: [Х(А) + Х(В) ]+ Х(С)= Х(А)+ [Х(В)+ Х(С)].

Кэмпбелл показал, что в зависимости от проявления наиболее общих отношений эквивалентности, порядка и аддитивности следует различать три вида свойств и величин: Хэкв – свойства, проявляющие себя только в отношении эквивалентности; Хинт –интенсивные величины, проявляющие себя в отношении эквивалентности и порядка; Хэкс –экстенсивные величины, проявляющие себя в отношении эквивалентности, порядка и аддитивности.

 

 

Методология измерений

 

 

Главным законодательным актом, обеспечивающим единство измерений, является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений», который направлен на защиту прав законных интересов граждан, экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Ранее я приводила определение основного понятия метрологии – измерении. Приведу формулировку этого определения еще раз в ряду с другими основными понятиями.

Измерение- совокупность операций, выполняемых с помощью технического средства, хранящего единицу величины и позволяющего сопоставить измеряемую величинус ее единицей измерения и получить значение этой величины. Это значение называют результатом измерений.

Специальное техническое средство, хранящее единицу величины с ее единицей, называют средством измерения (СИ).

Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера: гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС).

Для характеристики качества измерений устанавливают такие свойства измерений, как точность, сходимость и воспроизводимость измерений.

Наиболее широко в практике измерений используется главное свойство- точность измерений. Точность измерений СИ определяется их погрешностью.

Погрешность- это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Погрешность не следует путать с ошибкой измерений, связанной с субъективными обстоятельствами. Погрешности измерений

обычно приводятся в технической документации на СИ или в нормативных документах.

Точность- свойство измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным.

Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах. Данная вероятность называется  доверительной.

Правильность- свойство измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в их результатах (систематическая погрешность- постоянная погрешность результата измерения, связанная, например, с ошибкой в градуировке шкалы. Случайная погрешность неизбежна и неустранима. Ее влияние может быть изменено обработкой результатов измерений способами, основанными на положениях теории вероятности и математической статистики.). Результаты измерений правильны, когда они не искажены систематическими погрешностями.

Сходимость- свойство измерений, отражающее близость друг другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях, одним и тем же СИ, одним и тем же оператором. Для методик выполнения измерений – это одна из важных характеристик.

Воспроизводимость- свойство измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях- в различное время, в разных местах, разными методами и средствами измерений. В процедурах испытаний продукции воспроизводимость, как и сходимость, также является важнейшей характеристикой.

Эталон единицы величины- средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее другими средства измерений данной величины.

Все выше приведенные понятия обобщает современное понятие- единство измерений, которое характеризует состояние измерений, когда их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы.

В России, как и в большинстве стран мира, узаконенными единицами являются единицы величин Международной системы единиц, принятой Международной организацией законодательной метрологии (МОЗМ).Другое условие единства измерений- погрешность измерений- не превышает (с заданной вероятностью) установленных пределов. Погрешности измерений СИ указываются в придаваемом к нему техническом документе- паспорте, ТУ и иной нормативной документации.

В стандартах на методы контроля (испытаний, измерений, анализа) должно быть соблюдено главное условие обеспечения единства измерений- указаны погрешности измерений для заданной вероятности.

Приведу еще два понятия, оговоренные Законом РФ «Об обеспечении единства измерений», необходимые для дальнейшего изложения основ метрологического обеспечения сертификации. Это понятия метрологической службы и поверки средства измерений.

Метрологическая служба - совокупность субъектов деятельности и видов работ, направленных на обеспечение единства измерений, иначе говоря, организаций, отдельных предприятий или отдельных структурных подразделений, на которые возложена ответственность за обеспечение единства измерений. Это может быть государственная метрологическая служба, метрологические службы государственных органов управления РФ и метрологические службы юридических лиц.

Поверка средства измерений ( не путать со словом «проверка»)- совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.