Физические свойства, величины и шкалы

Все объекты окружающего мира характеризуются свойствами. Свойство - категория качественная, выражающая такую сторону объекта, явления или процесса, которая обуславливает его различие или общность с другими объектами, явлениями или процессами и обнаруживается в его отношениях к ним.

Для количественного описания различных свойств объектов, явлений или процессов и вводится понятие величины. Величина – это свойство чего-либо, что может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно.

Величина не существует сама по себе, имеет место лишь постольку, поскольку существует объект, явление, процесс со свойствами, выраженными данной величиной. Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные (рисунок 1).

 

 

 

Рисунок 1 - Классификация величин

 

Реальные величины делятся на физические и нефизические. Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных величин. Физические величины применяются для описания физических объектов (систем, явлений, процессов), изучаемых в естественных (физике, химии) и технических науках. Так, например, все физические объекты имеют массу, длину, температуру, но у каждого их них размеры этих физических величин различны.

Физическая величина* – 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 (п. 3.1, РМГ 29-99)

*Примечание - В "Международном словаре основных и общих терминов метрологии" (VIM-93) [1] применено понятие величина (измеримая), раскрываемое как "характерный признак (атрибут) явления, тела или вещества, которое может выделяться качественно и определяться количественно"

 

Физические величины делятся на основные, дополнительные и производные и внесистемные. Международная система единиц (СИ) содержит семь основных единиц: длины – метр, массы – килограмм, времени – секунда, силы электрического тока – ампер, термодинамической температуры – кельвин, силы света – кандела, количества вещества – моль. Международная система единиц включает две дополнительные единицы: плоского угла – радиан и телесного угла – стерадиан. Производные единицы системы СИ образуются на основании законов, устанавливающих связь между физическими величинами или на основании определений физических величин. Внесистемные единицы (по отношению к единицам СИ) разделяются на четыре группы: допускаемые наравне с единицами СИ, допускаемые к применению в специальных областях, временно допускаемые и устаревшие (недопускаемые).

Нефизическая величина -свойство процессов, явлений в философии, социологии, психологии, экономике и других общественных науках которое нельзя оценить количественно.

Физические величины разделяют на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая измерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измерительной задачи (п. 3.2, РМГ 29-99)

Измеряемая физическая величина всегда имеет размерность, обусловленная поставленной целью измерения.

Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены.

Простейший способ оценки, позволяющий составить некоторое представление о размере измеряемой величины – это сравнение этой величины с другой по принципу "что больше (меньше)?" или "что лучше (хуже)?", более упорядоченный способ оценки – при помощи шкал.

 

 

Шкала физической величины -упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерений данной величины (п. 3.17, РМГ 29-99)

Различают 5 основных типов шкал: шкалы наименований, шкалы порядка, шкалы интервалов, шкалы отношений, абсолютные шкалы. Шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов, отношений и абсолютные – метрическими (материальными).

1) Шкала наименований (шкала классификации). Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности (равенства). Шкалы наименований это простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: "не приписывай одну и туже цифру разным объектам". Числа, приписанные объектам, могут быть использованы только для определения вероятности или частоты появления данного объекта, их нельзя применять для суммирования или других математических операций. В них отсутствует понятие нуля, "больше" или "меньше" и единицы измерения. Примером такой шкалы является распространенная классификация (оценка) цвета по наименованиям - атлас цветов до 1000 наименований, предназначен для идентификации цвета.

2) Шкала порядка (шкала рангов) – это расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемой величины. Расстановка размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Шкалы порядка являются, как правило, монотонно возрастающими или монотонно убывающими. Шкалы порядка позволяют установить отношение больше/меньше между величинами, например, по шкале Мооса - 10 минералов с различными условными числами твердости: тальк (1), гипс (2), кальцит (3), флюорит (4), апатит (5), ортоклаз (6), кварц (7), топаз (8), корунд (9), алмаз(10) - можно определить твердость того или иного минерала. Для облегчения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, часто называемые баллами. Недостатком реперных шкал является неопределенность интервалов между реперными точками. Поэтому баллы нельзя складывать, вычислять, перемножать, делить. Примером таких шкал также являются оценка знаний студентов (оценка по четырехбальной реперной шкале: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично). В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами данной величины не соответствуют одинаковые размеры чисел, отображающие размеры. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным.

3) Шкала интервалов (шкала разностей). Шкала интервалов состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало – нулевую точку. Задать шкалу можно двумя путями. При первом пути выбираются два значения величины, которые относительно просто реализованы физически. Эти значения называются опорными точками или основными реперами, а интервал между ними – основным интервалом, который разделяется на целое число промежуточных интервалов. Например, по шкале Цельсия основными реперами являются: температура таяния льда и температура кипения воды. При втором - единица воспроизводится непосредственно как интервал, его некоторая доля или некоторое число интервалов размеров данной величины, а начало отсчета выбирают каждый раз по-разному в зависимости от конретных условий изучаемого явления. К таким шкалам относится летоисчисление по различным календарям (за начало отсчета принято либо сотворение мира, либо Рождество Христово и т. д.), измерение времени (крупные интервалы (годы), равные периоду обращения Земли вокруг Солнца, более мелкие (сутки), равные периоду обращения Земли вокруг своей оси). По шкале интервалов можно судить не только, что один размер больше другого, но и на сколько больше.

4) Шкалы отношений являются наиболее совершенными. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалом с естественным началом отсчета. Примером ее может служить температурная шкала Кельвина. В ней за начало отсчета принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул. Второй точкой служит температура таяния льда по шкале Цельсия. Интервал между этими реперами равен 273, 16 ^оС. По шкале отношений можно определить не только, на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше. В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному.

5) Абсолютные шкалы. Под абсолютными понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополнительно имеющие естественное однозначное определение единицы измерения и не зависящие от принятой системы единиц измерения. Такие шкалы соответствуют относительным величинам: коэффициенту усиления (ослабления), размягчения, КПД и др.