Фізичні величини та методи їх вимірювання

 

Фізичні явища спостерігають і вивчають на досліді. У процесі дослідження значення фізичних величин, що характеризують поводження фізичної системи в досліджуваному явищі, визначають за допомогою вимірювання. Для вимірювання значень фізичних величин застосовують фізичні вимірювальні прилади.

Фізична величина – це властивість, спільна в якісному розумінні для багатьох фізичних об'єктів, але індивідуальна в кількісному для кожного об'єкта. Цю властивість можна оцінити кількісно, тобто виміряти.

Виміряти фізичну величину означає порівняти її з однорідною величиною, яку взято за одиницю цієї величини. Вимірювання – це знаходження значення фізичної величини за допомогою спеціальних технічних засобів. Засоби вимірювання поділяють на міри, вимірювальні прилади та вимірювальні установки. Міра – це засіб вимірювання, призначений для відтворення значення величини заданого розміру (гиря – міра маси, лінійка – міра довжини). Вимірювальними приладами, наприклад, є мікрометр і штангенциркуль, амперметр і вольтметр. Вимірювальною установкою може бути гігрометр. Одиниця вимірювання – значення фізичної величини, взяте за основу порівняння кількісного оцінювання однорідних величин.

Еталон – засіб вимірювання (або комплекс засобів вимірювання), який забезпечує відтворення і збереження одиниці фізичної величини з метою передачі одиниці зразковим, а від них – робочим засобам вимірювання. Еталон відтворює одиницю фізичної величини з найбільшою точністю.

Під принципом вимірювання розуміють сукупність фізичних явищ, на яких ґрунтується вимірювання. Сукупність прийомів використання принципів і засобів вимірювання називають методом вимірювання. Часто використовують метод безпосереднього оцінювання (наприклад, вимірювання сили струму амперметром), методи порівняння з мірою, нульовий метод (зважування на терезах з покажчиком нуля), метод збіжності (використовують в ноніусі штангенциркуля) та ін.

Значення фізичної величини, знайдене вимірюванням, називають результатом вимірювання. Вимірювання бувають прямі, посередні, сукупні й спільні.

Прямі вимірювання дають змогу дістати результат, порівнявши величину з мірою, або за відліковим пристроєм вимірювального приладу (вимірювання довжини лінійкою, температури – термометром).

Посередні вимірювання – це такі вимірювання, результат яких знаходять на підставі прямих вимірювань величин, пов'язаних з вимірюваною величиною відомою залежністю (вимірювання густини речовини однорідного тіла за допомогою терезів і мензурки).

Сукупні вимірювання – знаходження результату шляхом розв'язування системи рівнянь, до яких входять величини, виміряні безпосередньо (вимірювання ЕРС і внутрішнього опору джерела струму за допомогою амперметра і магазина опорів).

Спільні вимірювання – одночасні вимірювання кількох неоднойменних величин для встановлення залежності між ними (зняття вольтамперної характеристики напівпровідникового діода).

Сукупність одиниць вимірювання, що охоплює всі або деякі види вимірювання (механічні, електричні, теплові, світлові тощо), називають системою одиниць. У жовтні 1960 року XI Генеральна конференція з питань мір і ваг затвердила єдину Міжнародну систему одиниць, яку скорочено позначають СІ (система інтернаціональна). Ця універсальна система одиниць охоплює всі галузі науки і техніки.

Система одиниць містить основні одиниці, які встановлюють довільно, і похідні, які виводять через основні одиниці.

У СІ – сім основних і дві додаткові одиниці вимірювання. Основні одиниці: метр (м) – одиниця довжини, кілограм (кг) – одиниця маси, секунда (с) – одиниця часу, ампер (А) – одиниця сили електричного струму, кельвін (К) – одиниця термодинамічної температури, моль – одиниця кількості речовини, кандела (в перекладі з англійської – свічка)  (кд) – одиниця сили світла. Додаткові одиниці: радіан (рад) – одиниця плоского кута, стерадіан (ср) – одиниця тілесного (просторового) кута.

Наведемо визначення основних одиниць.

Метр – відстань, яку проходить у вакуумі плоска електромагнітна хвиля за 1/299792458 частки секунди.

Кілограм – маса, що дорівнює масі міжнародного прототипу кілограма. Маса 1000 см3 чистої води при температурі 4°С близька до маси прототипу кілограма – платиново-іридієвого циліндра висотою і діаметром 39 мм.

Секунда – інтервал часу, що дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію – 133.

Ампер – сила незмінного електричного струму, який, проходячи по двох паралельних провідниках нескінченної довжини і нескінченно малого перерізу, розміщених на відстані 1 м один від одного у вакуумі, спричиняє між цими провідниками силу взаємодії, що дорівнює 2•10 -7 Н на кожний метр довжини.

Кельвін – 1/273, 16 частини термодинамічної температури потрійної точки води – точки рівноваги води в твердій, рідкій і газоподібній фазах. Еталонним приладом в інтервалі температур 13, 81 – 630, 74 °С є платиновий термометр опору, а в інтервалі 630, 74 – 1064, 43 °С – термопара з платинородію-платини.

У кельвінах виражають також інтервал або різницю температур.

Моль – кількість речовини системи, що містить стільки структурних елементів, скільки атомів міститься у вуглеці-12, маса якого становить 0, 012 кг. Ці структурні елементи можуть бути атомами, молекулами, іонами, електронами та іншими частинками.

Кандела дорівнює силі світла у заданому напрямі джерела, що надсилає монохроматичне випромінювання частотою 540•1012 Гц, енергетична сила світла якого у цьому напрямі становить 1/683 Вт/ср.

Радіан – плоский кут між двома радіусами кола, довжина дуги між якими дорівнює радіусу.

Стерадіан – тілесний кут з вершиною в центрі сфери, який витинає на поверхні сфери площу, що дорівнює площі квадрата зі стороною, яка дорівнює радіусу сфери.

Похідні одиниці встановлюють за основними одиницями і формулами, які визначають величини або фізичні закони і в яких усі величини мають значення, що дорівнюють одиниці вимірювання. Наприклад, у СІ одиниця сили ньютон (Н) похідна і визначається з другого закону Ньютона:

1 Н = 1 кг•1 м/с2.

Позначення літерами залежності похідних одиниць від основних називають розмірністю. Формулу розмірності записують символами, прийнятими для позначення основних величин або їх одиниць. Наприклад, запис розмірності роботи символами основних величин такий: [A] = L2 × M × T -2, а символами їх одиниць: [Дж] = [м2•кг•с2].

За розмірностями фізичних величин можна контролювати правильність розв'язків задач. Додавати, віднімати, прирівнювати можна лише величини з однаковою розмірністю.

Будь-яке співвідношення між фізичними величинами, що подається у вигляді рівності, має задовольняти правило розмірностей: розмірність лівої частини рівності має дорівнювати розмірності правої її частини. Це правило є основним способом перевірки правильності запису фізичних формул.

Іноді закон пов'язує кілька фізичних величин, розмірності яких уже встановлено й одиниці, для вимірювання яких обрані на підставі якихось інших законів чи попередніх визначень. У цьому разі розмірності правої і лівої частин рівності можуть не збігатися. Тоді для узгодження розмірностей обох частин рівності у формулу закону вводять розмірні коефіцієнти, що виявляються універсальними фізичними константами. Наприклад, закон всесвітнього тяжіння Ньютона зв'язує три величини: силу, масу і відстань.