Физические свойства, величины и шкалы

РАЗДЕЛ I. МЕТРОЛОГИЯ

ГЛ. 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ МЕТРОЛОГИИ. ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ЕДИНИЦ ФВ И ЕДИНСТВО ИЗМЕРЕНИЙ

Физические свойства, величины и шкалы

С 1 января 2001 г. на территории России и стран СНГ взамен ГОСТ 16263-70 введены рекомендации РМГ 29-99, содержащие основные термины и определения в области метрологии, согласованные с междун. стандартами ИСО.

В соответствии с этими документами метрология — это наука об измерениях ФВ, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Основные задачи метрологии (ГОСТ 16263-70) — установление единиц ФВ, государственных и рабочих эталонов, разработка теории, средств и методов измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных СИ, разработка методов оценки погрешностей, а также передача размеров единиц от эталонов рабочим СИ.

В зависимости от целей и задач различают три раздела метрологии: теоретический, законодательный и прикладной.

В теоретической (фундаментальной) метрологии разрабатываются фундаментальные основы этой науки.

Предметом законодательной метрологии является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц ФВ, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходимой точности измерений.

Практическая (прикладная) метрология занимается вопросами применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.

Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обусловливает 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, что 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.

Величины можно разделить на два вида: реальные и идеальные (рис. 1.1).

Идеальные величины главным образом относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий.

Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические. Физическая величина (ФВ) 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.д.

Рис. 1.1. Классификация величин

Рекомендации РМГ 29-99 трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, но в количественном — индивидуальное для каждого из них. Таким образом, физические величины — это измеренные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Нефизические величины, для которых единица измерения в принципе не может быть введена, могут быть только оценены. Однако нередко к измерениям неправомерно относят различного рода оценивания таких свойств, которые формально хотя и подпадают под приведенное определение ФВ, но не позволяют реализовать соответствующую единицу. Так, широко распространенную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта; оценку качества продукции - измерением качества. Невозможно себе представить единицу интеллекта или единицу качества, которые можно было бы реализовать в виде определенной физической меры. Таким образом, подчеркнем, что возможность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».

Классификация ФВ (рис. 1.2).

1) По видам явлений ФВ 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 ФВ называют пассивными.

• энергетические, - 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 рода спектральные характеристики, корреляционные функции и др.

2) 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.

3) По степени условной независимости от других величин данной группы ФВделятся на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные.

4) По наличию размерности ФВ делятся на размерные и безразмерные.

Рис. 1.2. Классификация физических величин

Прежде чем сформулировать принятое в метрологии определение понятия «измерение», отметим следующее. Измерять можно лишь свойства реально существующих объектов познания, отражаемые физическими величинами. Изме-рение основывается на экспериментальных процедурах; никакие теоретические рассуждения или расчеты сами по себе не могут классифицироваться, как измерение. Для проведения измерительного эксперимента необходимы особые технические средства — средства измерений. Результатом измерения является оценка ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц. С учетом этих положений принято следующее определение.

Измерение — познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения.

ГОСТ Р 8.000-2000 Измерение — нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

РМГ-29-99 Измерение ФВ — Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу ФВ, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

ФЗ 102 «Об ОЕИ» измерение - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины.

Уравнение Q = q [ Q ] (1.1) называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении ФВ Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q [ Q ]. В результате сравнения устанавливают, что q [ Q ] < Q < (1 + q)[ Q ].

Значение физической величины Q — Выражение размера ФВ в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Значение величины - Выражение размера величины по соответствующей шкале в виде некоторого числа принятых единиц, чисел, баллов или иных знаков (обозначений) РМГ 83-2007.

Единица физической величины [ Q ] — это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяемая для количественного выражения однородных с ней ФВ (РМГ-99).

Единица величины - фиксированное значение величины, которое принято за единицу данной величины и применяется для количественного выражения однородных с ней величин ФЗ 102 «Об ОЕИ»

Числовое значение физической величины q — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной ФВ.