Прямые измерения

Физические измерения: основные понятия и определения

Познание окружающего нас мира, изучение происходящих в нем явлений, практическая деятельность человека связаны с необходимостью осуществлять измерения физических величин.

Измерение – последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемых с целью нахождения значения физической величины, характеризующей явление или определенное свойство какого-либо объекта. Физическими величинами являются, например, масса тел и их температура, сила, напряженность электрического поля, магнитная проницаемость вещества и т.п. Общее число используемых в настоящее время физических величин достигает нескольких тысяч.

Величина - одно из основных математических понятий, смысл которого в процессе развитии науки подвергался неоднократным обобщениям. Первоначальное понятие "величина" введено как непосредственное обобщение более конкретных понятий: длины, площади, объема, массы и т.н. Каждый конкретный род величин связан с определенным способом сравнения физических тел или других объектов. Всякое измерение реализует операцию сравнения однородных свойств физических величин по признаку "больше - меньше".

Значением физической величины называется ее оценка в виде некоторого числа принятых для нее единиц намерения. Например, если длина тела 15 м, а масса 10 кг, то 15 и 10 числовые значения физической величины, а метр и килограмм - соответствующею единицы намерений.

Единицы физических величин - конкретные физические величины, которым по определению присвоены числовые значения, равные единице.

Следует различать истинное и действительное значения физических величин. Истинное значение (х_ист.) - значение физической величины, которое идеально отражает соответствующее свойство объекта измерений. Действительное (измеренное) значение (х_изм.) - значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному, что в конкретной ситуации может быть использованным вместо него.

Законченное измерение включает следующие элементы: физический объект (явление), свойство или состояние которого характеризует измеряемая величина; единицу этой величины; технические средства измерений, проградуированные в выбранных единицах; метод измерений; наблюдателя (регистрирующее устройство), воспринимающего результат измерений; полученное значение измеряемой величины и оценку его отклонения от истинного значения, т.е. погрешность намерений. Точность и воспроизводимость результатов измерений зависит от качества используемых единиц измерения.

Эталон единицы измерения - это средство, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы измерения физической величины. Существуют четыре уровня эталонов:

1) международные эталоны, представляющие собой единицы измерения, воспроизводящиеся с максимально возможной точностью;

2) первичные эталоны, хранящиеся в национальных лабораториях стран и обеспечивающие в их пределах наивысшую точность измерений;

3) вторичные эталоны, хранящиеся в метрологических лабораториях отраслей производства;

4) рабочие эталоны, предназначенные для контроля и калибровки измерительных инструментов, используемых в повседневной практике.

Эталоны более низкого уровня периодически контролируются по эталонам более высокого уровня. Так обеспечивается неизменная точность измерений.

Все измерения делятся на прямые и косвенные.

Прямое измерение - измерение, при котором значение физической величины определяется непосредственно по показаниям используемого средства измерений (секундомера, линейки, амперметра, и т.п.).

Косвенное измерение – измерение, при котором значение физической величины находят с помощью заранее известной связи между ней и величинами, определяемыми с помощью прямых намерений. Например, плотность тела ρ может быть найдена по полученным в результате прямых измерений массе m и объему V с помощью известной формулы ρ=m/V. Аналогично, электрическое сопротивление R определяется с помощью закона Ома R = U/I по измеренным значениям напряжения и силы тока.

Система единиц физических величия си

Все известные физические величины связаны между собой определенными соотношениями и формулами. Это позволяет выражать одни величины через другие. Совокупность единиц физических величин, связанных между собой определенными зависимостями, называется системой единиц физических величин. Физические величины, входящие в систему и условно принятые в качестве независимых, носят название основных величин системы. Физические величины, входящие в систему и определенные через основные величины этой системы, называются производными величинами.

Общепринятой в настоящее время является международная система единиц физических величин СИ в соответствии е решением 11-й Генеральной конференции по мерам и весам в I960 году. Система СИ включает в себя семь основных величин: масса, время, длина, сила электрического тока, температура, сила света, количество вещества.

Основные единицы системы си

Таблица 1

№	Величина	Символ	Наименование	Обозначение
1	Масса	m	килограмм	Кг
2	Время	t	секунда	с
3	Длина_	l	метр	м
4	Сила тока	I	Ампер	А
5	Температура	T	Кельвин	К
6	Сила света	J	кандела	кд
7	Количество вещества	-	моль	-

Килограмм. Один килограмм ранен массе международного прототипа, хранящегося в Международном бюро мер и весов (г. Савр, Франции). Прототип килограмма сделан из платино-иридиевого сплава (90% Pt ,10% Ir) в виде цилиндрической гири диаметром и высотой 39мм.

Секунда. Одна секунда раина 9192631770 периодам колебаний напряженности поля электромагнитной волны, излученной при переходе между двумя энергетическими ypовнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия . Государственный эталон времени России представляет собой атомно-лучевую трубку с пучком атомов Cs и радиоустройство, дающее набор электрических колебаний фиксированных частот.

Mетр. Один метр - расстояние, пробегаемое светом в вакууме за время 1/299792458 секунды. Это определение международного эталона мер принято в 1983 году. До этого метр определялся как 1650763.73 длины волны в вакууме излучения, возникающего при переходе между уровнями 2р₁₀ и 5d₅ атома криптона . Причина, по которой был изменен эталон метра, связан с погрешностями воспроизведения эталонов длины и времени. Более подробно она обсуждается в следующем разделе.

Ампер. Один ампер равен силе неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии один метр один от другого, вызвал бы на участие проводника длиной один метр силу взаимодействия, равную 210^-7 ньютона.

Кельвин. Один кельвин равен 1/273.16 термодинамической температуры тройной точки воды. Тройной точкой в термодинамике называется равновесное состояние, в котором сосуществуют три фазы вещества (например, твердая, жидкая и газообразная). Такому состоянию соответствуют единственные значения давления и температуры.

Кандела. Одна кандела - сила света, испускаемого с площади 1/60 см² поверхности абсолютно черного тела в перпендикулярном к этой поверхности направлении при нормальном давлении (101326 Па) и температуре тела, равной температуры затвердевания платины (2042 К). Абсолютно черным

называется тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения.

Моль. Один моль - количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов (молекул, атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0.012 кг углерода ¹²С.

Кроме основных в производных единиц в системе СИ существуют дополнительные единицы: радиан - единица измерения плоского угла и стерадиан - единица измерении телесного угла.