Материал: 1155

2. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

2.1. Физические величины

Физическая величина – это свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но индивидуальное для каждого из них в количественном отношении.

Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род» величины (например, электрическое сопротивление как общее свойство проводников), а количественная – ее «размер» (сопротивление конкретного исследуемого проводника). 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.

Выделяют измеряемые физические величины, которые могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения, и оцениваемые величины, для которых по каким-либо причинам не может быть введена единица измерения.

Классификация физических величин приведена на рис. 2.1.

Физические величины

Размерные Безразмерные

Рис. 2.1. Классификация физических величин

23

По видам явлений физические величины делятся на следующие группы:

энергетические (активные), т.е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии; к ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия, заряд; они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;

вещественные (пассивные), т.е. величины, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов; для их измерения необходим вспомогательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации; при этом пассивные физические величины преобразуются в активные, которые и измеряются;

характеризующие временные процессы; к этой группе относятся различного вида спектральные и поляризационные характеристики, корреляционные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов практически все указанные физические величины делятся на про- странственно-временные, механические, тепловые, электрические, магнитные, акустические, физико-химические, световые, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины могут быть основными, производными

идополнительными.

По наличию размерности физические величины делятся на размерные и безразмерные.

Значение физической величины – оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения.

Истинным значением физической величины называется зна-

чение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующее свойство объекта. Определить экспериментально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения.

Действительным значением физической величины называет-

ся значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

24

Единица физической величины – физическая величина фикси-

рованного размера, которой, по определению, условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Она применяется для количественного выражения однородных физических величин.

Единицы физических величин подразделяются на основные и производные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системы единиц физических величин.

Физические величины, встречающиеся в эксперименте, относят к следующим основным типам:

случайная величина. Такая физическая величина связана со случайными процессами, поэтому результат отдельного измерения не может быть однозначно предсказан заранее. Вместе с тем проведение достаточно большого количества измерений случайной величины позволяет установить, что результаты измерений отвечают определенным статистическим закономерностям. Их выявление, изучение и учет составляют неотъемлемую часть любого эксперимента;

постоянная величина. К таким величинам должны быть отнесены физические постоянные, например, заряд электрона, скорость света в вакууме и т.п. Можно считать постоянными величинами также некоторые характеристики конкретного объекта, находящегося при фиксированных условиях. Этот тип физических величин чаще всего встречается в экспериментах, например, при определении длины образца, его массы и т.п. Однако многократные измерения постоянной величины могут дать неодинаковые результаты, так как результаты измерений подвержены неконтролируемым влияниям многочисленных воздействий внешней среды, включая неконтролируемые процессы в исследуемых объектах и используемых измерительных приборах. Вследствие этого постоянная величина зачастую проявляет себя как случайная величина, а результаты ее измерений отражают случайную природу воздействий и отвечают определенным статистическим закономерностям;

изменяющаяся величина. Такая величина закономерно меняется с течением времени вследствие процессов, проходящих в исследуемом объекте, например, скорость сложной химической реакции. Измерения, проводимые в различные моменты времени, фиксируют величину в новых условиях. Набор результатов однократных измерений представляет собой результаты принципиально неповторимых измерений;

25

нестабильная величина. Такая величина изменяется с течением времени, без каких бы то ни было статистических закономерностей. К основной характеристике нестабильной величины следует отнести отсутствие у экспериментатора информации о ее зависимости от времени. Измерения такой величины дают набор данных, не несущих сколько-нибудь полезных сведений. Вместе с тем нестабильная величина может быть переведена в разряд изменяющихся величин, если экспериментально или теоретически установлена закономерность изменения ее во времени.

2.2. Основные понятия теории измерений

Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Получаемая при измерениях физических величин информация называется измерительной. Зачастую информация об объекте измерения известна до проведения исследований. Такую информацию об объекте измерения называют априорной информацией. При полном отсутствии этой информации измерение в принципе невозможно, так как неизвестно, что же необходимо измерить, а следовательно, нельзя выбрать нужные средства измерений. При наличии априорной информации об объекте в полном объеме, т.е. при известном значении измеряемой величины, измерения попросту не нужны. Априорная информация определяет достижимую точность измерений и их эффективность.

Результат измерений физической величины – это значение физической величины, полученное путем ее измерения.

Принцип измерений – совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.

Средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

Метод измерений – совокупность приемов использования принципов и средств измерений.

26

Сходимость результатов измерений характеризует качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений в одних и тех же условиях.

Воспроизводимость результатов измерений – характеристика качества измерений физической величины, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными операторами, но приведенных к одним и тем же условиям.

2.3. Методы измерений

Методы измерений определяются физическим характером измеряемой величины, требуемой точностью измерений, необходимой скоростью измерения, условиями и пр. Наибольшее распространение получила классификация по общим приемам получения результатов измерений. Согласно этому признаку, измерения делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Наиболее часто применяются прямые измерения, состоящие в том, что искомое значение величины находят из опытных данных путем экспериментального сравнения. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой A x. Часто под прямыми понимаются такие измерения, при которых не производится промежуточных преобразований.

Если искомое значение величины находят на основании известной закономерности между этой величиной и величинами, найденными прямыми измерениями, то этот метод измерений называют косвенным. Уравнение косвенного измерения A f x1,x2, ,xn , где xi – результат i-го прямого измерения.

Совокупные измерения осуществляются путем одновременного измерения нескольких одноименных величин, искомое значение при этом находят решением системы уравнений, получаемых в результате прямых измерений различных сочетаний этих величин. При этом могут измеряться несколько комбинаций значений величин.

Совместными называют одновременно проводимые измерения двух и более неодноименных величин с целью нахождения функциональной связи между этими величинами.

27