Фізичні величини та їх вимірювання

Вимірювання фізичних величин і теорія похибок

Фізика ‑ це галузь науки,що вивчає й описує найбільш загальні закони природи,тобто такі закони,які проявляються в будь-яких об’єктах,явищах і процесах матеріального світу. Фізичними об’єктами є речовина та її складові частинки (молекули,атоми,електрони, ядра тощо) і різноманітні фізичні поля (наприклад,електромагнітне чи гравітаційне,тобто поле,в якому діють сили тяжіння). Фізичні об’єкти займають певне положення у просторі й існують у різні моменти часу. Фізичні явища й процеси ‑ це зміни,що відбуваються у фізичних об’єктах протягом деяких проміжків часу та у відповідних областях простору.

Фізика займається кількісним описом явищ природи. В йогооснові лежить поняття "Фізична величина",тобто міра тієї чи іншої властивості фізичного об’єкта або процесу,яка піддається кількісній оцінці. Існують і такі властивості,які ми не вміємо оцінювати кількісно,наприклад смак або запах.

Фізичною величиною називають властивість,спільну в якісному відношенні для багатьох фізичних об’єктів або процесів,але в кількісному відношенні індивідуальну для кожного об’єкта або процесу. Як приклади можна назвати довжину,масу,тиск,температуру,електричну напруженість,освітленість.

Для зображення фізичних величин використовують певні символи, як правило,латинські (рідше – грецькі) букви,якщо потрібно ‑ з додатковимипозначеннями(індексами,стрілками тощо). Наприклад масу тіла позначають , його швидкість (векторну величину) (у друкарському тексті векторні величини позначають звичайно жирними літерами).

Фізичні величини характеризуються значенням,одиницею вимірювання,або розмірністю.

Одиниці фізичної величини визначають, приписуючи числове значенняцієї величини для деякого вибраного об’єкта.Наприклад, існує еталон довжини,тобто певне тіло за строго визначеної температури, довжину якого приймають за одиницю,що називається метр ().Тоді рівність означає,що довжина деякого тіла має в такій одиниці числове значення .

Значенням фізичної величини у прийнятих одиницях називаютьоцінку фізичної величини за допомогою числа,яке показує,у скільки разів ця величина більша (або менша) від одиниці. Отже, значенняфізичної величини ‑ це добуток числового значення і одиниці вимірювання. Якщо ‑ довільна фізична величина, ‑оди­­ниця її вимірювання,а ‑її числове значення,то .

Розмірність фізичної величини встановлює її зв’язок з величинами,які вибрані за основні. Вибір основних фізичних величин пов’язаний з вибором системи одиниць. У міжнародній системі одиниць (СІ),якою ми будемо користуватися,до основних одиниць входять одиниці таких фізичних величин: довжини ‑ метр (),маси ‑кілограм (),часу ‑ секунда (),сили струму ‑ ампер (),термодинамічної температури ‑ кельвін (),сили світла ‑кандела

(),кількість речовини ‑ моль. До цієї системи приєднують ще дві додаткові одиниці,що мають геометричний зміст: плоского кута ‑ радіан,тілесного кута ‑ стерадіан.

Інші фізичні величини, а також їх одиниці називають похідними. Наприклад,на основі другого закону Ньютона і означення прискорення, силу можна виразити через три основні величини: масу ,довжину і час ,так що розмірність сили така: . Одиниця сили ньютон () є похідною одиницею, що визначається рівністю: .

Вимірювання ‑ це знаходження значення фізичної величини дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів,які мають нормовані метрологічні властивості. Вони називаються засобами вимірювання і поділяються на міри,вимірювальні прилади і вимірювальні установки.

Міри ‑ це тіла або пристрої,призначені для вимірювання шляхом порівняння відповідних величин (наприклад,масштабна лінійка ‑міра довжини,гиря ‑ міра маси,мензурка ‑ міра об’єму).

Вимірювальні прилади (наприклад вага,мікрометр,термометр,амперметр)‑ це пристрої,що сприймають вимірювану величину і перетворюють її у покази,доступні для безпосереднього сприйняття експериментатором.

Вимірювальні установки ‑ це сукупність функціонально зв’язаних вимірювальних приладів.

Значення фізичної величини,одержане за допомогою засобів вимірювання, називається результатом вимірювання.

За способом знаходження результату вимірювання поділяються на прямі,непрямі і спільні.

Вимірювання називається прямим,коли значення величини знаходять безпосередньо з дослідних даних порівнянням з відповідною мірою чи безпосередньо за відліковим пристроєм вимірювального приладу. Наприклад: вимірювання довжини лінійкою,штангенциркулем, мікрометром; маси ‑ важільними терезами; часу‑секундоміром; температури ‑ термометром; сили струму ‑ амперметром і так далі. Однак безпосередньо можна вимірювати лише невелику кількість величин. Величини,що не піддаються безпосередньому (прямому) вимірюванню, визначаються за допомогою непрямих вимірювань.

Вимірювання називається непрямим,коли шукане значення величини знаходять за допомогою обчислень,користуючись відомим функціональним зв’язком між вимірюваною величиною та іншими величинами, одержаними на основі прямих вимірювань. Наприклад, непрямі вимірювання виконують,щоб знайти густину речовини однорідного тіла за його масоюі геометричними розмірами. Якщо це тіло виготовлене у формі циліндра,то для знаходження густини потрібно провести прямі вимірювання маси ,діаметра ,висоти тіла і виконати обчислення за формулою ,де ‑об’єм тіла. Під час визначення опору провідників містком Уітстона проводять прямі вимірювання довжини двох частин реохорда та та виконують обчислення за формулою , де ‑відомий еталонний опір.

Вимірювання називається спільним,коли вимірюють декілька неоднойменних величин для встановлення залежності між ними. Такі вимірювання виконують, наприклад,щоб знайти залежність концентрації від показника заломлення рідини. Як правило,результати спільних вимірювань зображують у вигляді графічних залежностей.

Результат вимірювання фізичної величини для певного фізичного об’єкта не є точним відображенням значення цієї величинияк об’єктивної характеристики цього об’єкта,а тільки кращим чи гіршим наближенням до такого значення. У зв’язку з цим розрізняють істинне і дійсне значення фізичної величини.

Істинне значення фізичної величини є ідеальним відображенням властивості фізичного об’єкта і не залежить від процесу вимірювання. Воно є тією абсолютною істиною,до якої ми прагнемо,удосконалюючи методику і засоби вимірювання з метою отримати результат вимірювання, якомога ближчий до істинного значення фізичної величини. Істинне значення залишається невідомим внаслідок неминучих похибок вимірювання. Кожний результат вимірювання є лише наближеною оцінкою істинного значення величини. Тому на практиці замість істинного значення використовують дійсне значення величини.

Дійсне значення фізичної величини ‑ це таке значення,яке одержане експериментально і настільки близьке до істинного,що може використовуватися замість нього.

За дійсне значення фізичної величини приймають середнє арифметичне значення ряду результатів окремих вимірювань. Таке середнє значення тим ближче до істинного,чим більшу кількість вимірювань проведено.

Дата добавления: 2015-05-24