Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. В общем случае свойств, которыми обладает данный объект или явление – бесчисленное множество. Но благодаря этим свойствам, мы можем отличить один объект от другого или, наоборот, сгруппировать их, т. е. отнести к какому-то одному классу объектов. Например, большой, теплый, тяжелый. Свойство объекта проявляется только в его взаимодействии с другими объектами. Например, свойство упругости мяча проявляется при его взаимодействии с полом.

Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (явление процесса), которая обусловливает его различность 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 иидеальные .

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

Реальные величины делятся, в свою очередь, нафизические инефизические . 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, принадлежащие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и т. д.

Физическая величина – 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. Например, физические объекты обладают массой – это их общее свойство. Но каждое тело имеет в количественном отношении свое значение массы. Таким образом,физические величины – это измеренные свойства физических объектов и процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важным отличительным признаком измеряемых ФВ. Физические величины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величины оценивают 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. Оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.

Единица физической величины [ Q ] – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяется для количественного выражения однородных ФВ.

Значение физической величины Q – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

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

Уравнение

называют основным уравнением измерения .

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

В практической деятельности необходимо проводить измерения различных величин, характеризующих свойства тел, веществ, явлений и процессов. Некоторые свойства проявления (количественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых на упорядоченное множество чисел или в более общем случае условных знаков образуют шкалы измерения этих свойств. Шкала измерений количественного свойства является шкалой ФВ.

Шкала физической величины – это упорядоченная последовательность значений ФВ, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

Различают пять основных типов шкал измерений.

Шкала наименований (шкала классификации). Шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен. В этих шкалах отнесение отражаемого свойства к тому или иному классу эквивалентности осуществляется с помощью органов чувств человека – это наиболее адекватный результат, выбранный большинством экспертов. Нумерация объектов по шкале наименований осуществляется по принципу: “не приписывай одну и ту же цифру разным объектам”. В этих шкалах отсутствуют понятия нуля, “больше” или “меньше” и единицы измерения. Примером шкал наименований являются широко распространенныеатласы цветов , предназначенные для идентификации цвета.

Шкала порядка (шкала рангов). В шкалах порядка существует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения. Эти шкалы являются монотонно возрастающими или убывающими, что позволяет установить отношение больше/меньше между величинами. К таким шкалам, например, 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 или иной градации твердости осуществляется на основании эксперимента, который состоит в том, что испытуемый материал царапается опорным. Если после царапанья испытуемого минерала кварцем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) не остается, то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно. В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами данной величины не соответствуют одинаковые размерности чисел, отображающих размеры. Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения. Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным.

Шкала интервалов (шкала разностей). 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.

Шкала интервалов величины Qможно представить в виде уравнения:

где q– числовое значение величины;Q 0 – начало отсчета шкалы; [Q] – единица рассматриваемой величины.

Такая шкала полностью определяется значением начала отсчета Q 0 шкалы и единицы данной величины [Q]. Задать шкалу можно двумя путями. При первом пути выбираются два значенияQ 0 иQ 1 величины, которые относительно просто реализованы физически. Эти значения называютсяопорными точками , илиосновными реперами , а интервал (Q 1 -Q 0) –основным интервалом . ТочкаQ 0 принимается за начало отсчета, а величина:

за единицу измерения.

Шкала отношений . Их примерами являются шкала массы, термодинамической температуры. В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и единица измерений. Шкалы отношений – самые совершенные. Они описываются уравнением:

где Q– ФВ, для которой строится шкала; [Q] – ее единица измерения;q– числовое значение ФВ.

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 и др.

Шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений –метрическими (материальными).

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины.

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. Можно сказать также, что физическая величина - это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии.

В последнее время все большее распространение получает подразделение величин на физические и нефизические, хотя следует отметить, что пока нет строгого критерия для такого деления величин. При этом под физическими понимают величины, которые характеризуют свойства физического мира и применяются в физических науках и технике. Для них существуют единицы измерения. Физические величины в зависимости от правил их измерения подразделяются на три группы:

― величины, характеризующие свойства объектов (длина, масса);

― величины, характеризующие состояние системы (давление, температура);

― величины, характеризующие процессы (скорость, мощность).

К нефизическим относят величины, для которых нет единиц измерения. Они могут характеризовать как свойства материального мира, так и понятия, используемые в общественных науках, экономике, медицине.

Таким образом, величины можно систематизировать следующим образом (рисунок 3).

Рисунок 3 – Классификация величин

Идеальные величины, главным образом, относятся к математике и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.

В соответствии с таким разделением величин принято выделять измерения физических величин и нефизические измерения. Другим выражением такого подхода являются два разных понимания понятия измерения:

― измерение в узком смысле как экспериментальное сравнение одной измеряемой величины с другой известной величиной того же качества, принятой в качестве единицы;

― измерение в широком смысле как нахождение соответствий между числами и объектами, их состояниями или процессами по известным правилам.

Второе определение появилось в связи с широким распространением в последнее время измерений нефизических величин, которые фигурируют в медико–биологических исследованиях, в частности, в психологии, в экономике, в социологии и других общественных науках. В этом случае правильнее было бы говорить не об измерении, а об оценивании величин, понимая оценивание как установление качества, степени, уровня чего–либо в соответствии с установленными правилами. Другими словами, это операция по приписыванию путем вычисления, нахождения или определения числа величине, характеризующей качество какого–либо объекта, по установленным правилам. Например, определение силы ветра или землетрясения, выставление оценки фигуристам или оценок знаний учащихся по пятибалльной шкале. Понятие оценивание величин не следует путать с понятием оценки величин, связанным с тем, что в результате измерений мы фактически получаем не истинное значение измеряемой величины, а лишь его оценку, в той или иной степени близкую к этому значению.

Таким образом, физические величины делятся 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 величин.

Совокупность чисел Q, отображающая различные по размеру однородные величины, должна быть совокупностью одинаково именованных чисел. Это именование является единицей физической величины или ее доли. Единица физической величины [Q] – это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице и применяемое для количественного выражения однородных физических величин.

Значение физической величины Q – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Числовое значение физической величины q – отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величины.

Уравнение Q=q[Q], где Q – физическая величина, для которой строится шкала; [Q] – ее единица измерения; q – числовое значение физической величины, называют основным уравнением измерения. Суть простейшего измерения состоит в сравнении физической величины Q с размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q[Q]. В результате сравнения устанавливают, что q[Q] < Q < (q+l)[Q]. Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величины с известной физической величиной, принятой за единицу измерения.

Рассмотренное выше понятие «измерение», предполагающее наличие единицы измерения (меры), соответствует понятию измерения в узком смысле и является более традиционным и классическим. В этом смысле оно и будет пониматься ниже – как измерение физических величин.

М. В. Ломоносов

Оглянитесь вокруг себя. Какое многообразие предметов вас окру-жает: это люди, животные, деревья. Это телевизор, автомобиль, яблоко, камень, лампочка, карандаш и др. Все невозможно перечислить. В физике любой предмет называют физическим телом.

Чем отличаются физические тела? Очень многим. Например, у них могут быть различные объемы и формы. Они могут состоять из разных веществ. Серебряная и золотая ложки имеют одинаковые объем и форму. Но состоят они из разных веществ: серебра и золота. Деревянные кубик и цилиндр имеют разные объем и форму. Это разные физические тела, но изготовлены из одного и того же вещества - древесины.

Кроме физических тел, есть еще физические поля. Поля существуют независимо от нас. Их не всегда можно обнаружить с помощью органов чувств человека. Например, поле вокруг магнита , поле вокруг заряженного тела . Но их легко обнаружить с помощью приборов.

Опыт показывает положение силовых линий электрического поля от двух противоположных электрических зарядов.

С физическими телами и полями могут происходить разнообразные изменения. Ложка, опущенная в горячий чай, нагревается. Вода в луже испаряется, а в холодный день замерзает. Лампа излучает свет , девушка и собака бегут (движутся) . Магнит размагничивается, и его магнитное поле ослабевает. Нагревание, испарение, замерзание, излучение, движение, размагничивание и т. д. - все эти изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями.

Изучая физику, вы познакомитесь со многими физическими явлениями.

Для описания свойств физических тел и физических явлений вводятся физические величины. Например, описать свойства деревянных шара и кубика можно с помощью таких физических величин, как объем, масса. Физическое явление - движение (девочки, автомобиля и др.) - можно описать, зная такие физические величины, как путь, скорость, промежуток времени. Обратите внимание на основной признак физической величины: ее можно измерить с помощью приборов или вычислить по формуле . Объем тела можно измерить мензуркой с водой , а можно, измерив длину а, ширину b и высоту с линейкой , вычислить по формуле

V= a · b · с.

Объем тела можно измерить мензуркой с водой, а можно, измерив длину а, ширину b и высоту с линейкой, вычислить по формуле

Все физические величины имеют единицы измерения. О некоторых единицах измерения вы слышали много раз: килограмм, метр, секунда, вольт, ампер, киловатт и т. д. Более подробно с физическими величинами вы будете знакомиться в процессе изучения физики.

Подумайте и ответьте

1. Что называют физическим телом? Физическим явлением?
2. Каков основной признак физической величины? Назовите известные вам физические величины.
3. Из приведенных понятий назовите те, которые относятся к: а) физическим телам; б) физическим явлениям; в) физическим величинам: 1) капля; 2) нагревание; 3) длина; 4) гроза; 5) кубик; 6) объем; 7) ветер; 8) сонливость; 9) температура; 10) карандаш; 11) промежуток времени; 12) восход Солнца; 13) скорость; 14) красота.

Домашнее задание

У нас в организме есть «измерительное устройство». Это сердце, с помощью которого можно измерять (с не очень высокой точностью) промежуток времени. Определите по пульсу (числу ударов сердца) промежуток времени наполнения стакана водой из-под крана. Считайте время одного удара примерно равным одной секунде. Сравните это время с показаниями часов. На сколько различны полученные результаты?

Метрология, ее место среди других наук, основные проблемы метрологии.

Метрология – наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В метрологии есть три раздела: практическая метрология (изучает вопросы практического применения разработок теоретической метрологии), теоретическая метрология (рассматривает общие теоретические проблемы) и законодательная метрология (устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины, методов и средств измерений). Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью. Средства метрологии - это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Основными проблемами метрологии является: общая теория измерений, единицы физической величины, методы определения точности измерений, основы обеспечения единства измерений, эталоны и образцовые средства измерения, методы передач размеров единиц от эталонов к рабочим средствам.

Академик Б.М. Кедров предложил так называемый "треугольник наук", в "вершинах" которого находятся естественные, социальные и философские науки. По этой классификации метрология попадает на сторону "естественные - социальные науки", а так же на сторону "естественные - философские науки". Используя ряд разделов фундаментальных и прикладных наук – физику, химию, математику, кибернетику и другие, метрология, вместе с тем, развивается как обособленная наука, изучающая и устанавливающая специфические законы и правила, позволяющие определять количественные выражения свойств объектов материального мира, опираясь на математический аппарат, в первую очередь, на теорию вероятностей и математическую статистику.

Дайте определение физической величины. Приведите примеры величин, принадлежащих к различным группам физических процессов.

Физическая величина физическая величина - это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии. В последнее время все большее распространение получает подразделение величин на физические и нефизические. Под физическими понимают величины, которые характеризуют свойства физического мира и применяются в физических науках и технике. Для них существуют единицы измерения. Физические величины в зависимости от правил их измерения подразделяются на три группы: величины, характеризующие свойства объектов (длина, масса); величины, характеризующие состояние системы (давление, температура); величины, характеризующие процессы (скорость, мощность). К нефизическим относят величины, для которых нет единиц измерения. Они могут характеризовать как свойства материального мира, так и понятия, используемые в общественных науках, экономике, медицине.

Проанализируйте определение счета, оценивания и измерения. Выделите их общие и отличительные признаки.

Существует большое число разновидностей испытаний. Они классифицируются по различным признакам. По назначению испытания делятся на исследовательские, контрольные, сравнительные и определительные. По уровню проведения различают следующие категории испытаний: государственные, межведомственные и ведомственные. По виду этапов разработки испытуемой продукции различают предварительные и приемочные испытания. В зависимости от вида испытаний готовой продукции их подразделяют на квалификационные, приемосдаточные периодические и типовые.

Целью испытаний следует считать нахождение истинного значения параметра (характеристики), определенного не при тех реальных условиях, в которых он фактически может находится в ходе испытаний, а в заданных номинальных условиях испытания. Реальные условия испытаний практически всегда отличаются от номинальных, поскольку установить параметры условий испытаний абсолютно точно невозможно. Результатом испытаний называется оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям, данные анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний. Результат испытаний характеризуется точностью. Между измерением и испытанием существует большое сходство: во-первых, результаты обеих операций выражаются в виде чисел; во-вторых, погрешности и в том, и другом случае могут быть выражены как разности между результатами измерений и истинными значениями измеряемой величины. Однако с точки зрения метрологии между этими операциями имеется значительная разница: погрешность измерения является только одной из составляющих погрешности испытания. Поэтому можно сказать, что испытание - это более общая операция, чем измерение. Измерение можно считать частным случаем испытания, при котором условия испытаний не представляют интереса.

4. Что такое шкала физической величины? Приведите примеры различных шкал ФВ.

Шкала физической величины – это упорядоченная последовательность значений величины, принятое на основании результатов точных измерений. Физическая величина – одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них. Можно сказать также, что физическая величина - это величина, которая может быть использована в уравнениях физики, причем, под физикой здесь понимается в целом наука и технологии. Физические величины бывают: размерные и безразмерные .

Типы шкал: шкала наименований (шкала классификации): используется для выявления различий между объектами или классификации объектов, свойства которых проявляются только в отношении эквивалентности (шкала обозначения городских телефонных номеров); шкала порядка (шкала рангов): содержит монотонно изменяющиеся размеры измеряемых величин и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами (12-балльная шкала Рихтера); шкала интервалов (шкала разностей): состоит из одинаковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало - нулевую точку (шкала Цельсия, Фаренгейта); шкала отношений (подобия): в этой шкале существует однозначный естественный ноль и единица измерения (шкала массы, шкала длины); абсолютные шкалы: используют для измерения относительных величин (коэффициента усиления, отражения, амплитудной модуляции).

5. Что такое средство измерений? Приведите примеры средств измерений различных ФВ. Что такое точность измерения.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным в течение известного интервала времени. Основным признаком в данном определении являются нормированные метрологические характеристики, что подразумевает и возможность воспроизведения единицы физической величины с требуемой точностью, и ее сохранение на протяжении всего периода метрологической пригодности средства измерений. В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы. Простейшим средством измерений является мера. Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительный прибор (прибор) – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель - диаграммная бумага. Точность измерения определяется близостью к нулю погрешности измерений, т.е. близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Но если погрешность измерений можно количественно выразить в единицах измеряемой величины, то точность измерений количественно результат измерения определить нельзя.