Общая характеристика объектов измерений

Основным объектом измерения в метрологии являются физические величины или просто «величины». Они применяются для описания материальных систем и объектов (явлений, процессов и пр.), изучаемых в любых науках. Как известно, существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трёх основных величинах, теплотехника – на четырёх. Физика – на семи. ГОСТ 8.417 устанавливает семь основных физических величин – длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создаётся всё многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность обозначается символом dim (от лат. dimension – размерность). Размерность основных величин – длины, массы и времени – обозначается соответствующими заглавными буквами:

Dim l = L; dim m = M; dim t = T.

Размерность производной величины выражается через размерность основных величин с помощью степенного одночлена:

Dim X = L^ά · M^β · T^γ …,

где L, M, T- размерности соответствующих основных физических величин; α, β, γ - показатели размерности (показатели степени, в которую возведены размерности основных величин).

Каждый показатель размерности может быть положительным, отрицательным целым, дробным, нулём. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин, и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величин (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).

Количественной характеристикой измеряемой величины служит её размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Простейший способ получения информации, который позволяет составить некоторое представление о размере измеряемой величины, заключается в сравнении его с другим по принципу «что больше (меньше)»? или «что лучше (хуже)»? При этом число сравниваемых между собой размеров может быть достаточно большим. Расположенные в порядке возрастания или убывания размеры измеряемых величин образуют шкалы порядка.

Операция расстановки размеров в порядке их возрастания или убывания с целью получения измерительной информации по шкале порядка называется ранжированием. Для обеспечения измерений по шкале порядка некоторые точки на ней можно зафиксировать в качестве опорных (реперных). Точкам шкалы могут быть присвоены цифры, часто называемые баллами. Знания, например, оценивают по четырёхбалльной реперной шкале, имеющей следующий вид: неудовлетворительно, удовлетворительно, хорошо, отлично. По реперным шкалам измеряются твёрдость минералов, чувствительность плёнок и другие величины, например двенадцатибалльная шкала землетрясений или волнения на море.

Недостатком реперных шкал является неопределённость интервалов между реперными точками. Например, если твёрдость алмаза по шкале 10, а кварца – 7, то это не означает, что первый тверже второго в 1.4 раза. Определение твёрдости путём вдавливания алмазной пирамиды показывает, что твёрдость алмаза – 10060, а кварца – 1120,, т.е. в 9 раз больше.

Более совершенна в этом шкала интервалов. Примером её может служить шкала измерения времени, которая разбита на крупные интервалы (годы), равные периоду обращения Земли вокруг Солнца; на более мелкие (сутки), равные периоду обращения Земли вокруг своей оси. По шкале интервалов можно судить не только о том, что один размер больше другого, но и о том, насколько больше. Однако по шкале интервалов нельзя оценить, во сколько раз один размер больше другого. Это обусловлено тем, что на шкале интервалов известен только мксштаб, а начало отсчёта может быть выбрано произвольною

Наиболее совершенной является шкала отношений. Примером её может служить температурная шкала Кельвина. В ней за начало отсчёта принят абсолютный нуль температуры, при котором прекращается тепловое движение молекул; более низкой температуры быть не может. Второй реперной точкой служит температура таяния льда. По шкале Цельсия интервал между этими реперами равен 273.16^о С.По шкале отношений можно определить не только, на сколько один размер больше или меньше другого, но и во сколько раз он больше или меньше.

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Например, длина перемещения некоторого тела на 1м может быть представлена как L = 1м = 100см = 1000мм. Отмеченные три варианта являются значениями измеряемой величины – оценками размера величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц. Входящее в неё отвлечённое число называется числовым значением. В приведённом примере это 1, 100, 1000

Значение величины получают в результате её измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения:

Q = X [Q],

где Q – значение величины, X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице, [Q] – выбранная для измерения единица.

Допустим, измеряется длине отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в см и мм. Для данного случая Q₁ = 10 см при X₁ = 10 и [Q₁] = 1 см; Q₂ = 100 мм при X₂ = 100 и [Q₂] = 1 мм; Q₁ = Q₂, так как 10 см = 100 мм. Применение различных единиц (1 см и 1 мм) привело к изменению числового значения результата измерений.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение физической величины.

2. На скольких основных величинах базируется механика?

3. Сколько основных физических величин установлено ГОСТ 8.417? Назовите их.

4. Что является отражением качественного различия измеряемых величин?

5. Как обозначается размерность согласно ИСО?

6. Назовите три основных величины качественных характеристик предметов.

7. Всегда ли показатель размерности – величина положительная?

8. Что является количественной характеристикой измеряемой величины?

9. Назовите простейший способ получения информации о размере измеряемой величины.

10. Что такое ранжирование?

11. Сколькибалльная размерная шкала применяется для оценки знаний?

12. Что является основным недостатком реперных шкал?

13. Чем отличается шкала интервалов от реперной шкалы

14. Какая шкала измерения величин наиболее совершенна?