В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов – голов скота, числа воинов и т.п. По мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – расстояний, веса, размеров, объемов и т.д. В процессе развития промышленности были созданы специальные устройства – средства измерений, предназначенные для количественной оценки различных величин (часы, весы, меры длины и другие измерительные устройства).
На определенном этапе своего развития измерения стали причиной возникновения метрологии. Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах. Так, расстояние в России измерялось верстами, а в Англии – милями. Все это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле, науке.
С целью унифицировать единицы физических величин, сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана и утверждена в 1791 г. метрическая система мер. Эта система строилась на основе естественной единицы – метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм – масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4°С.
В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России – Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными.
Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И.Менделеев. В 1893 г. на базе Депо образцовых мер и весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д.И. Менделеев. В настоящее время на ее базе существует высшее научное учреждение страны – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ).
В 1960 г. ХI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц физических величин – систему СИ («система интернациональная»). Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира.
Физические свойства и величины
Все объекты окружающего мира характеризуются своими свойствами. 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 [3] (рис.1).
ВЕЛИЧИНЫ
Реальные Идеальные
Физические Нефизические Математические
Измеряемые Оцениваемые
Рис. 1. Классификация величин
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. К нефизическим следует отнести величины, присущие общественным (нефизическим) наукам – философии, социологии, экономике и т.п.
Физические величины (ФВ) – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.
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. 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.
Качественная сторона понятия физическая величина определяет «род» величины (длина как характеристика протяженности вообще; электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества и т.п.), а количественная – ее «размер» (длина конкретного предмета, сопротивление конкретного проводника).
Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения ФВ. Значение физической величины – оценка ФВ в принятых для измерения данной величины единицах. Понятно, что числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины.
Метрология изучает и имеет дело только с измерениями физических величин, т.е. величин, для которых может существовать физически реализуемая и воспроизводимая единица величины. Таким образом, в дополнение приведенному определению подчеркнем, что возможность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».
По принадлежности к различным группам физических процессов различают следующие ФВ:
- 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 различают следующие ФВ:
- основные (условно независимые). В системе СИ их семь (длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества);
- производные (условно зависимые);
- дополнительные (плоский и телесный углы).
По наличию размерности различают следующие ФВ: размерные, т.е. имеющие размерность, и безразмерные.
В теории измерений вводятся понятия истинного и действительного значения ФВ. Нахождение истинного значения измеряемой ФВ является центральной проблемой метрологии. Стандарт определяет истинное значение как значение ФВ, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение ФВ существует, однако определить его путем измерения невозможно.
В обычном представлении под истинным понимается некое детерминированное значение ФВ, отражающее свойство объекта абсолютно адекватно. Однако измерение как процесс познания количественных определенностей материального мира не должно абстрагироваться от физической природы изучаемых свойств и обязано учитывать те качественные границы, внутри которых те или иные определения имеют смысл.
Рассмотрим пример измерения диаметра круглого диска. Казалось бы, что измерение диаметра диска можно проводить со все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать соответствующие по точности средства измерений. Но когда погрешность средства измерения станет порядка размеров молекулы, мы обнаружим, что наблюдается как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул, и за каким-то пределом точности само понятие диаметра диска потеряет свой первоначальный смысл и дальнейшее повышение точности бесполезно.
Поскольку истинное значение ФВ определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения. Действительное значение – значение ФВ, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него. Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.
Измеряемая ФВ – ФВ, подлежащая измерению в соответствии с поставленной измерительной задачей.
Влияющая ФВ – ФВ непосредственно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Так, например, при измерении сопротивления резистора влияющей величиной может быть температура, если сопротивление резистора зависит от температуры.
Физический параметр – ФВ, характеризующая частную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряжения переменного тока в качестве параметров напряжения могут выступать амплитуда колебаний, мгновенное значение напряжения, среднее квадратическое значение и др.
Постоянная величина – ФВ, размер которой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения.
Переменная величина – ФВ, изменяющаяся по размеру в процессе измерения.